楊宇栗 劉強(qiáng) 李劍

1.內(nèi)蒙古華油天然氣有限責(zé)任公司阿拉善左旗分公司 2.包頭市燃?xì)鉄崃芾硖?/p>

近年來,液化天然氣(liquefied natural gas, LNG)在交通運輸行業(yè)應(yīng)用發(fā)展迅速。使用LNG的重型卡車,與使用傳統(tǒng)燃料的汽、柴油車輛相比,不論在尾氣排放達(dá)標(biāo)還是每百公里燃料消耗,都具有明顯的優(yōu)勢。與此同時,隨著國內(nèi)接收站和液化工廠的大量建設(shè),以液化天然氣為氣源的LNG加氣站建站數(shù)量也迅速增加。以內(nèi)蒙古華油天然氣有限責(zé)任公司(以下簡稱內(nèi)蒙華油)為研究實例,目前,該公司在內(nèi)蒙古中西部建成并投運不同規(guī)模的LNG加氣站20余座。

1 LNG加氣站供銷差產(chǎn)生原因分析

LNG是將天然氣經(jīng)過凈化處理、通過多級制冷冷凝液化,形成常壓、-162 ℃、體積縮小625倍的低溫液體。不同于汽油、柴油、壓縮天然氣(compressed natural gas, CNG)等常溫下易儲存燃料,LNG對儲罐、設(shè)備、管道的絕熱性要求較為嚴(yán)格。如果儲運過程中隔熱條件不好,LNG會因吸熱迅速升溫,產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣(boiled off gas,BOG),最終不得不進(jìn)行安全放散。

結(jié)合不同級別(表1)LNG加氣站內(nèi)的設(shè)備,從銷售計量、貿(mào)易采購、卸車工藝和儲存等方面,分析LNG加氣站供銷差產(chǎn)生原因。

表1 LNG加氣站儲罐容積m3級別LNG儲罐總?cè)莘e(V)單罐容積一級站(Ⅰ)120

1.1 上游計量產(chǎn)生供銷差

LNG槽車配送總質(zhì)量一般為19.5～20.5 t/車,依據(jù)國家計量檢定規(guī)程Class Ⅲ級秤標(biāo)準(zhǔn),60 t或80 t 地磅分度值為20 kg,極端誤差時會導(dǎo)致0.3%的供銷差,最大誤差可達(dá)61.5 kg。

有入庫計量地磅的LNG加氣站可以對槽車卸車前后配送質(zhì)量進(jìn)行復(fù)測,從而使得該環(huán)節(jié)產(chǎn)生供銷差相對較小。沒有地磅復(fù)測的LNG站點,通常以配送方提供的上游LNG工廠裝車磅單為依據(jù)入庫。如果依磅單入庫的LNG質(zhì)量作為實際質(zhì)量,上游計量誤差、運輸中途槽車安全放散、燃料消耗等各種損失會不可避免地傳遞給下游LNG加氣站。

1.2 銷售計量產(chǎn)生供銷差

JJG 1114—2015 《液化天然氣加氣機(jī)檢定規(guī)程》規(guī)定,LNG加氣機(jī)所用的低溫流量計的質(zhì)量流量≤80 kg/min,計量準(zhǔn)確度等級不低于0.5級,最大允許誤差為1.5%。

依據(jù)目前國內(nèi)的技術(shù)水平,LNG加氣機(jī)整機(jī)最大允許誤差不超過1.0%[1]。

1.3 貿(mào)易采購約定產(chǎn)生供銷差

通常,采購方與供應(yīng)商的貿(mào)易采購合同約定,LNG槽車配送總質(zhì)量與出廠計量磅單在±200 kg范圍內(nèi)不做調(diào)整。該約定產(chǎn)生供銷差范圍為±1%。

1.4 卸車過程產(chǎn)生供銷差

LNG 加氣站基本工藝流程：槽車將LNG運至加氣站內(nèi)后,采用卸車增壓氣化器、潛液泵將槽車中的 LNG 卸入站內(nèi)儲罐。槽車卸車產(chǎn)生的供銷差主要表現(xiàn)在以下兩方面：①卸車管道殘留放散：LNG槽車接駁口至儲罐(以及低溫泵橇)間經(jīng)卸液管道連接,槽車卸液完畢,該段管道內(nèi)殘存液體難以回收,損耗量受卸車管長短影響;②槽車車內(nèi)殘留LNG(含氣相、液相混合殘留)：直接以槽車裝車磅單為依據(jù)入庫的LNG加氣站,不論車內(nèi)殘留氣相介質(zhì)或LNG,均存在卸車損耗。

LNG加氣站采用增壓卸車方式,即使卸車完畢再進(jìn)行罐體與槽車氣相平壓,LNG槽車內(nèi)空車余壓通常為0.20～0.30 MPa。按照理想氣體狀態(tài)方程,槽車容積為52 m3,配送總質(zhì)量19.5～20.5 t/車,估算每車氣相損耗導(dǎo)致的供銷差率為0.63%～0.67%,并且卸車后空車余壓每升高0.10 MPa,供銷差率將增加0.33%[1]。按照內(nèi)蒙華油生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù),如采購的LNG到站溫度略高,卸車完畢時,LNG槽車內(nèi)空車余壓通常為0.35～0.45 MPa。

LNG加氣站如采用潛液泵卸液,即使增加卸車坡度,也很難確保槽車無殘液,這部分經(jīng)統(tǒng)計有0.26%的氣損[2]。

綜合工藝流程,卸車過程產(chǎn)生供銷差范圍為0.9%～1.0%。

1.5 儲存過程中BOG產(chǎn)生的供銷差

由于LNG具有低溫易揮發(fā)的特性,儲存過程中不可避免地會產(chǎn)生BOG[3],主要表現(xiàn)在以下4個方面：①LNG氣源對BOG的產(chǎn)生影響較大;②管路保冷材料選擇不當(dāng)和彎頭數(shù)量多、管路過長都易造成冷量損失,形成BOG;③儲罐和泵橇的非絕對隔熱保冷,會有BOG的產(chǎn)生;④儲罐因放散導(dǎo)致罐內(nèi)壓力變化,引起氣液界面處的過熱LNG氣化產(chǎn)生BOG[4]。

內(nèi)蒙華油生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計,部分LNG站點儲存過程中BOG產(chǎn)生的供銷差最高時超過35%。

2 BOG管控措施

綜合銷售計量、貿(mào)易、卸車3個方面產(chǎn)生的供銷差極端工況,供銷差累計最大不超過3%,管控LNG儲存過程所產(chǎn)生的BOG是降低供銷差的重點。

2.1 LNG氣源選擇

LNG出廠溫度不同,主要跟工廠的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)氣源組分有關(guān)系。在內(nèi)蒙古地區(qū),不管生產(chǎn)LNG的氣源是煤制氣還是管道氣,大多LNG工廠出液溫度都低于-150 ℃。槽車運輸?shù)秸拘盾嚭?8 h內(nèi)LNG儲罐升溫不明顯;但有的工廠由于生產(chǎn)工藝原因,LNG出液溫度相較其他工廠更高,槽車卸車后儲罐升溫相對較快。

內(nèi)蒙華油曾使用某工廠生產(chǎn)的LNG, LNG槽車到站壓力為0.40～0.50 MPa,卸車入罐后LNG液溫多為-145～-140 ℃。一級站內(nèi)管道長、匯管多,儲存過程中(罐壓為0.60～0.70 MPa,LNG溫度高于-135 ℃時)罐體升溫導(dǎo)致LNG迅速氣化,產(chǎn)生大量BOG。因此,對于日銷量低于5 t的固定站和日銷量低于3 t的橇裝站,必須選擇溫度更低的LNG以相對減少BOG量。

2.2 工藝管道長度確定

固定式LNG加氣站和分體橇裝式加氣站,從加液機(jī)至泵橇段通常都采用真空管。固定站從罐體到泵橇這一段往往采用低溫不銹鋼0Cr18Ni9絕熱保冷管道連接(真空管需要工廠定制,精確度要求高,施工現(xiàn)場稍有偏差就很難連接),橇裝站則一般使用真空軟管連接(成本較高)。事實上,即便管道全部采用真空管,管道與周圍環(huán)境之間也不可能完全絕熱。對于來車加液間歇期相對較長的加氣站,為盡可能減少管道內(nèi)LNG升溫氣化形成BOG,需要定時(一般為20 min)啟動潛液泵,通過儲罐內(nèi)低溫LNG與管路自閉冷循環(huán),保持管道低溫。

在符合安全規(guī)范間距的前提下,儲罐出口與泵橇入口間的管線長度最佳在3 m以內(nèi),泵橇到加液機(jī)的管線長度在30 m以內(nèi),最長不超過40 m[5]。

2.3 絕熱保冷管道施工

內(nèi)蒙華油LNG加氣站建設(shè)時,儲罐到泵橇之間的管道選用耐低溫不銹鋼管。保冷材料選用了耐低溫(-196 ℃)深冷型三聚脂,材料的常溫下導(dǎo)熱系數(shù)要求不高于0.045 W/(m·K), 氧指數(shù)不低于30。保冷材料的選擇需關(guān)注導(dǎo)熱系數(shù)和材料密度兩個指標(biāo)：材料密度越小,其導(dǎo)熱系數(shù)越小;導(dǎo)熱系數(shù)直接與管道的熱損失成正比。

絕熱保冷材料施工時,管道外包鍍鋅鐵皮,內(nèi)層保冷層設(shè)計厚度應(yīng)不小于100 mm,以確保管路保冷效果明顯。

2.4 潛液泵的安裝

LNG潛液泵屬于低溫離心泵,泵的出口壓力=泵的進(jìn)口壓力+泵的揚程產(chǎn)生的增壓壓力[6]。潛液泵是LNG加氣站卸液、加注、系統(tǒng)預(yù)冷的關(guān)鍵設(shè)備,低溫電機(jī)與泵體安置在密封真空泵池內(nèi),整體浸泡在LNG中[7],泵采用葉輪旋轉(zhuǎn)離心方式排出液體。

GB 50156-2021《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,為保證潛液泵正常運行,儲罐底部與潛液泵頂部高差應(yīng)滿足LNG潛液泵的性能要求[8],即必須保障泵進(jìn)口處足夠的正壓頭。但實際情況中,由于LNG低溫易氣化的特點,當(dāng)潛液泵進(jìn)口LNG壓力小于輸送溫度下LNG的飽和蒸汽壓力時,潛液泵的進(jìn)口和葉輪處即會發(fā)生汽蝕,所以泵進(jìn)口處液體壓頭需高出液體氣化壓力外,還要有一定富余才能防止汽蝕。另外,實測總結(jié)為定時啟動潛液泵(夏季時每隔20 min啟動一次內(nèi)循環(huán),冬季時每隔30 min啟動一次內(nèi)循環(huán)),利用儲罐內(nèi)低溫LNG冷卻泵池,能夠有效防止泵池內(nèi)LNG因升溫氣化形成BOG而導(dǎo)致的汽蝕。否則,加氣時只能先通過泵池管路放空BOG,才能保證潛液泵正常運轉(zhuǎn)。

內(nèi)蒙華油對原有部分站點改造和后續(xù)新建LNG站點時,進(jìn)一步明確儲罐出口與泵橇入口距離不超過3 m,保障臥式儲罐底部DN50 mm出口與泵橇入口頂部凈高差不小于1.2 m,立式儲罐底部DN50 mm出口與泵橇入口頂部高差不小于0.9 m,潛液泵入口防汽蝕效果明顯,有效減少了泵池BOG放散。

2.5 儲罐放散控制

常用儲罐有高真空多層纏繞絕熱罐和真空粉末絕熱罐兩種[9],內(nèi)罐采用奧氏體不銹鋼[10],內(nèi)蒙華油各LNG加氣站使用的都是真空粉末絕熱儲罐。盡管該類儲罐絕熱性能良好,但并非絕對隔熱(國家規(guī)范要求儲罐日蒸發(fā)率不得大于0.3%)。儲罐內(nèi)的LNG 吸收熱量后升溫氣化,超過儲罐設(shè)定安全壓力就需要放散。泄壓后,由于壓力變化,儲罐內(nèi)原來的氣液相平衡發(fā)生改變,所以氣液界面處的過熱LNG會再次氣化產(chǎn)生BOG。防止儲罐內(nèi)過熱LNG氣化放散造成浪費有以下3種方法：①從儲罐上進(jìn)液口注入比儲罐內(nèi)更低溫度和更多質(zhì)量的LNG,對氣相冷卻回凝;②增加小型液化設(shè)備,將放散的BOG回收再冷凝液化[11-12],重注回儲罐;③通過增加工藝裝置,將放散的BOG回收進(jìn)入城市管網(wǎng)利用。

如果兩站合卸一車LNG,卸車過程產(chǎn)生供銷差、卸車管道殘留放散較單次卸車會增加1次,并且槽車運費通常都按裝車質(zhì)量運達(dá)最遠(yuǎn)站點距離結(jié)算,造成先卸車站點攤銷運費高;生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,兩站合卸一車LNG,整體核算并不經(jīng)濟(jì)。新增小型液化設(shè)備,核算動力消耗和投資回報,也未達(dá)到節(jié)約成本的目的。

2.6 建站方式選擇

LNG加氣站分為固定式及橇裝式(又分整體橇和分體橇)兩種建設(shè)形式,主要是根據(jù)儲罐、泵橇、放散管、加氣機(jī)、氣化器等LNG設(shè)備布置進(jìn)行區(qū)分。整體橇和分體橇則按設(shè)備全部或部分裝配在一個橇體上區(qū)分,橇裝站具有高度集成、安裝簡便、機(jī)動靈活、安全可靠、操作方便等特點。

LNG加氣站在建設(shè)方案論證時,應(yīng)根據(jù)站址所在位置經(jīng)過車輛數(shù)量、線路上車輛發(fā)展情況和趨勢、布點是否合理等因素預(yù)估建站規(guī)模。如果一級站和二級站不考慮分期建設(shè)而是直接建成,通常要做LNG儲罐發(fā)生泄漏時的倒罐工藝流程設(shè)計。圖1為一級站工藝流程圖,圖2為三級站工藝流程圖,對比圖1和圖2可看出,一級站管道與設(shè)備接口、管道盲端、匯管和彎頭數(shù)量較三級站整體要增加很多,冷能損失因素也相應(yīng)增多。因此,分期建設(shè)對于建站初期加氣車輛不足時降低LNG加氣站供銷差非常必要。

3 結(jié)論與建議

(1) 隨著近年來市場上LNG加氣車輛的增多,一些影響LNG加氣站供銷差的因素因銷售量加大而降低。內(nèi)蒙華油對部分LNG加氣站進(jìn)行工藝改造后,加氣站的供銷差已降低至2.5%以下。

(2) 日銷量低于5 t的固定站和日銷量低于3 t的橇裝LNG加氣站,盡可能選擇出廠溫度相對較低的LNG。

(3) 有條件的LNG加氣站在卸車工藝端增加BOG回收裝置,以降低槽車內(nèi)殘留LNG產(chǎn)生的卸車損耗。

(4) 建設(shè)優(yōu)先選擇三級站模式,盡可能減少因站內(nèi)工藝管道長度過長而產(chǎn)生的BOG。

(5) 距離城市燃?xì)夤芫W(wǎng)較近的LNG加氣站,可增加工藝裝置,回收站內(nèi)放散氣體進(jìn)入城網(wǎng)再利用。