韓建明 楊曉楠

〔中國石化江蘇石油分公司 江蘇南京 210003〕

LNG是一種低溫極易氣化的液體。在其處于飽和狀態(tài)的環(huán)境下,溫度或壓力升高將直接導(dǎo)致氣化。在加氣站的應(yīng)用場景下,LNG一旦發(fā)生氣化將再難被液化,由此產(chǎn)生的閃蒸氣體也將無法再利用。對于目前工藝條件而言,只能通過加氣站的放散系統(tǒng)進(jìn)行放散。LNG的主要成分是甲烷。甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體,是一種“短期氣候污染物”,其在大氣中的存續(xù)時間相對較短,排放量也比二氧化碳少,但其全球增溫潛勢(GWP,即甲烷氣體捕捉大氣中熱量的能力)在100年的時間框架內(nèi)卻是二氧化碳的28倍,在20年的時間框架內(nèi),這一數(shù)值則上升為84倍。據(jù)測算,甲烷對當(dāng)前人類感知的全球變暖的貢獻(xiàn)率為 25%[1]。大氣中甲烷含量比二氧化碳低很多,但單位體積甲烷能夠產(chǎn)生的溫室效應(yīng)遠(yuǎn)大于二氧化碳。國際能源署近日發(fā)布的報(bào)告指出,甲烷排放是全球變暖的第二大原因。我國的甲烷排放已經(jīng)引起高度關(guān)注?！吨腥A人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中明確,我國要力爭于2030年前碳達(dá)峰,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。綱要在“積極應(yīng)對氣候變化”部分強(qiáng)調(diào),要加大甲烷等其他溫室氣體控制力度,并明確了時間表和路線圖,因此不僅需要控制住二氧化碳這個主要因素,更要狠抓甲烷排放的管控。因此,加強(qiáng)LNG加氣站的損耗管理,迅速降低損耗率和排放量,成為企業(yè)降本增效和減碳環(huán)保的必然選擇。

1 LNG加氣站損耗原因分析

LNG加氣站損耗的成因主要分為兩部分,即運(yùn)行損耗和卸車損耗。運(yùn)行損耗主要指LNG加氣站管路內(nèi)、泵池內(nèi)LNG與外部環(huán)境換熱氣化所產(chǎn)生的損失;卸車損耗主要包括LNG液相和氣相殘留在槽車罐體中無法有效卸出的槽車余液、增壓汽化器增壓過程中以及長時間卸車過程中軟管傳熱導(dǎo)致的冷量損失。具體來講,主要有以下幾個方面。

1.1 加氣站工藝設(shè)計(jì)

部分加氣站因場地面積或安全距離的原因,在LNG設(shè)備設(shè)施的擺布上存在先天的缺陷,在設(shè)計(jì)上存在工藝管路走線過長的問題。工藝管線過長必然客觀上形成各類閥門、法蘭、彎頭較多。在現(xiàn)有的LNG設(shè)備工藝條件下,LNG潛液泵撬作為整站設(shè)備運(yùn)行的核心,要保證LNG潛液泵正常運(yùn)轉(zhuǎn),必須保持泵池或者柱塞泵泵頭進(jìn)液充分。如果設(shè)計(jì)管彎過多管線過長,LNG液體流動不暢或回氣不暢,儲罐出液口與潛液泵進(jìn)液口之間的正壓小,必將導(dǎo)致潛液泵池入口的正壓頭不足形成潛液泵進(jìn)液不足。在這樣的工況下啟動潛液泵,泵體瞬間出液量大于進(jìn)液量,泵池內(nèi)產(chǎn)生氣相空間,會直接導(dǎo)致潛液泵跳停。潛液泵跳停后,泵池內(nèi)的氣相空間壓力增大,需要排散泵池氣相,降壓引流,多次非正常跳泵排氣是導(dǎo)致?lián)p耗上升的主要原因之一。此外,還有部分加氣站在設(shè)計(jì)施工過程中,由于潛液泵撬與儲罐之間工藝管線安裝的坡度要求不達(dá)標(biāo),也會導(dǎo)致LNG液體在管線內(nèi)的流速不正常,間接形成潛液泵空轉(zhuǎn),同樣會形成上述問題,同時也容易形成工藝設(shè)備預(yù)冷時間過長,增加氣損的情況。

1.2 設(shè)備及材料

1.2.1 儲罐

LNG儲罐的保溫絕熱效果是影響泄壓排放的重要因素。目前儲罐的絕熱方式通常有兩類,即填珠光砂和高真空多層纏繞絕熱。填珠光砂儲罐制造工藝相對簡單,價格也相對較低。高真空多層纏繞絕熱是用錫箔紙、鋁箔紙及保溫紙將儲罐內(nèi)膽反復(fù)纏繞后再對儲罐抽真空,絕熱效果較前者好,也減輕了罐體質(zhì)量,但價格相對較高。無論哪類儲罐,隨著時間推移真空度會不斷衰減,絕熱效果變差都將成為必然。

1.2.2 保溫材料

工藝管道保冷設(shè)計(jì)中主要采用絕熱材料保冷或者是真空管道兩種方法。絕熱材料包覆結(jié)構(gòu)形式基本可靠,在選擇材料時應(yīng)嚴(yán)格按照《GB/T 11790設(shè)備及管道保冷技術(shù)通則》執(zhí)行。但是目前很多加氣站采用的絕熱材料并不是用于保冷的而是用于保溫。保溫材料使用的溫度一般在-50 ℃ 以上,而 LNG 最低溫度在-162 ℃,因此使用保溫材料用于 LNG 工藝管道,均表現(xiàn)為壽命短、效果差;真空管道保冷設(shè)計(jì),目前沒有可執(zhí)行的技術(shù)規(guī)范,很多廠家都是按照該企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn),生產(chǎn)制造質(zhì)量不高,導(dǎo)致真空度壽命較低,最長的約在 2 年,有的甚至運(yùn)行數(shù)月就失效,并且現(xiàn)場抽真空難度大,效果差。

1.2.3 工藝系統(tǒng)熱量漏入

LNG加氣站的工藝系統(tǒng)及相關(guān)加注設(shè)備包括低溫泵池、控制閥門、加氣和卸液軟管、加液槍等均暴露在空氣之中,在設(shè)備運(yùn)行過程中不可能處于絕熱狀態(tài),通過工藝系統(tǒng)及設(shè)備表面都可以通過空氣的熱量交換形成熱量漏入。因此,對于運(yùn)行一段時間的加氣站設(shè)備設(shè)施而言,都會隨著時間的推移形成越來越多的熱量漏入源。特別是對于銷量較小的站點(diǎn),由于傳統(tǒng)設(shè)備工藝加液間隔時間較長,當(dāng)潛液泵停止運(yùn)行時,泵池及管道中殘留的液體,在泵池進(jìn)液閥門常開的情況下,泵池中LNG會隨著熱量交換的影響不斷升溫氣化蒸發(fā),壓力不斷升高后,這部分氣體會通過泵后回流管回到儲罐的氣相空間,累積形成儲罐壓力上升,最終產(chǎn)生泄壓排放。

1.3 加氣站經(jīng)營及管理

1.3.1 運(yùn)營方面

在傳統(tǒng)泵撬工藝流程下運(yùn)營的LNG加氣站,由于運(yùn)營不可能始終處于連續(xù)不間斷的液體加注狀態(tài),在每次間隔加注作業(yè)的過程中,都必須啟動潛液泵撬對工藝管線、加液機(jī)進(jìn)行加注前的預(yù)冷作業(yè),在預(yù)冷、升溫、預(yù)冷的循環(huán)往復(fù)中,工藝管線中的LNG液體實(shí)際上處于一個間隙升溫過程,本身就會帶來升壓升溫的損耗增加,同時由于預(yù)冷升溫帶來的熱能會通過下一次加液時的預(yù)冷過程回流到儲罐,無疑會導(dǎo)致儲罐壓力上升形成排散。這部分由于工藝流程因素形成的排放增加,固然可以通過與客戶協(xié)商盡可能集中加注的方法來有所改善,但并不能解決經(jīng)營周轉(zhuǎn)較慢、儲罐存液周期延長后液溫不斷升高所帶來的排放增多、損耗不斷加大的問題。

1.3.2 管理方面

管理方面形成的損耗主要有兩個方面,一是卸車作業(yè)不規(guī)范。在目前的工藝條件下,只有保持LNG運(yùn)輸槽車的壓力大于儲罐壓力時,才能將LNG液體卸入儲罐。增壓到高于儲罐壓力時才能進(jìn)行,但儲罐經(jīng)過一段運(yùn)行時一般壓力較高,通常達(dá)到0.8 MPa 以上,而槽車壓力一般較低,約為 0.2 MPa,甚至更低。如果直接對槽車增壓且對儲罐排放將會增加大量排放。同時卸車完畢后槽車壓力直接排出或與儲罐上進(jìn)液進(jìn)行壓力平衡,使槽車泄壓不到位,造成卸車損失。此外,使用泵增壓卸車,泵的頻率設(shè)置不當(dāng),在卸車后期容易造成泵池進(jìn)出液流量不平衡,潛液泵的葉輪無法或少量接觸介質(zhì),發(fā)生空轉(zhuǎn)后需要對泵池進(jìn)行排空導(dǎo)致?lián)p耗增加。二是加氣站對設(shè)備設(shè)施的日常保養(yǎng)不及時、不規(guī)范,導(dǎo)致設(shè)備故障、泄漏、保溫失效等也是加氣站的損耗異常的重要原因。

2 損耗管控的實(shí)踐和探索

2.1 明確損耗管控的基本原則和工作方針

2.1.1 明確基本原則

加氣站的損耗管控是一個系統(tǒng)工程,必須用系統(tǒng)觀念進(jìn)行統(tǒng)籌謀劃,形成完整的責(zé)任目標(biāo)體系。要著眼于以擴(kuò)大銷售規(guī)模、規(guī)范管理、工藝優(yōu)化、考核激勵等幾個方面作為切入點(diǎn),通過制定年度降本增效實(shí)施方案,根據(jù)銷量等級逐站設(shè)定具體損耗管控目標(biāo),量化節(jié)能降耗工作表,層層分解目標(biāo)責(zé)任,落實(shí)考核獎懲措施,努力做到全員、全過程、全方位的損耗管控運(yùn)行體系。

2.1.2 確定工作方針

(1)堅(jiān)持科學(xué)化、專業(yè)化、制度化、流程化、規(guī)范化的工作方向,有序推進(jìn)工藝流程再造,解決工藝設(shè)備的根本性問題,努力實(shí)現(xiàn)本質(zhì)降耗。

(2)確立職責(zé)明確、權(quán)責(zé)明晰的分工原則。省公司要集中發(fā)揮資源統(tǒng)籌、技術(shù)改造、體系運(yùn)行方面的優(yōu)勢,地市公司要發(fā)揮地方協(xié)調(diào)、政府審批、基層管理方面的優(yōu)勢,上下銜接配合,共同推動損耗管理工作體系的建立和有效運(yùn)行。

(3)明確統(tǒng)籌規(guī)劃分步實(shí)施、循序漸進(jìn)的方針。根據(jù)損耗的主要成因分類處置,抓住損耗重點(diǎn)站集中資源快速解決,確保在技術(shù)改造實(shí)施過程中,市場不丟、管理有序。

(4)建立健全激勵和約束機(jī)制,最大限度調(diào)動損耗管控相關(guān)人員工作的主觀能動性,實(shí)行損耗管理不達(dá)標(biāo)一票否決制。

2.2 推進(jìn)分類處置預(yù)案,改善工藝設(shè)備運(yùn)行工況

2.2.1 優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)

針對管線距離的長短是推高損耗至關(guān)重要的決定因素之一的原理,著手開展對管線過長的站點(diǎn)專項(xiàng)論證,在符合規(guī)范的前提下,力求對低溫管道進(jìn)行合理敷設(shè),盡最大可能縮短存儲區(qū)與加液區(qū)的距離、儲罐與泵撬、泵撬與加液機(jī)間的直線距離,減少管線內(nèi)熱交換量。根據(jù)這一原則,一是對此類有設(shè)計(jì)缺陷,損耗不正常的站點(diǎn)制定技改時間表,推動二次設(shè)計(jì)優(yōu)化,技改過程中充分借助伯努利方程對有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,降低儲罐與潛液泵間的差值;二是通過改進(jìn)設(shè)計(jì),在改造過程中對進(jìn)液管和回氣管敷設(shè)管線時設(shè)定坡度,以達(dá)到減少管線壓力和流體損失、提高進(jìn)液和回氣速度的目的。加大儲罐與低溫泵的位差,減少液流自然阻力,同時簡化結(jié)構(gòu),盡可能減少管彎、避免過多閥門;三是通過優(yōu)化工藝管線布置、優(yōu)化控制工藝,降低潛液泵或者柱塞泵無法正常起泵頻次,避免通過對回氣管線或者泵池排放才能正常起泵的情況,通過對連云港新光路加氣站、吳莊加氣站的改造優(yōu)化,減少了其液位低于50%時需要經(jīng)常性對泵池排放才能正常運(yùn)行的情況。

2.2.2 優(yōu)化過程控制工藝

國內(nèi)LNG車用市場在2011-2015年高速發(fā)展,諸多廠家在設(shè)備配置近似,但是系統(tǒng)控制原理不盡相同,參數(shù)設(shè)定亦有差別。通過不斷加強(qiáng)研究,根據(jù)不同情況優(yōu)化控制邏輯。

(1)柱塞泵后管道每次起泵前的引壓排放工藝參數(shù)設(shè)定值要科學(xué)合理,盡可能減少排放時間。

(2)PLC控制系統(tǒng)設(shè)置泵池進(jìn)液閥關(guān)閉時間、潛液泵的頻率設(shè)定建立遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),建立報(bào)警機(jī)制,實(shí)行動態(tài)跟蹤,對作業(yè)不當(dāng)?shù)男袨榧皶r糾偏。

(3)對全省控制系統(tǒng)影響損耗的功能模塊進(jìn)行摸排,對功能存在缺陷的系統(tǒng)及時修復(fù)完善。

2.3 新工藝技術(shù)的探索

2.3.1 無泵加注工藝流程

針對傳統(tǒng)設(shè)備工藝運(yùn)行中存在的諸多弊端,在某加氣站進(jìn)行無泵工藝試點(diǎn),從本質(zhì)上解決加氣站損耗問題。

無泵加液技術(shù)利用過冷液體的吸收機(jī)理,使管路中氣化的BOG(氣態(tài)天然氣)在加氣過程中實(shí)現(xiàn)自身再液化,及時將BOG氣體液化成LNG,采用30～60 m3高壓儲罐的雙罐系統(tǒng),一個作為儲存罐、一個作為加注罐,兩罐間可自由切換,可分加氣模式、換罐模式、卸車模式。加氣模式中需要保持兩個罐中的一個罐為高壓狀態(tài),維持壓力在1.40 MPa,另一個罐為低壓罐。高壓罐可以實(shí)現(xiàn)加氣功能,低壓罐用來回收預(yù)冷及加氣過程的回氣[2]。無泵加流工藝流程見圖1。

圖1 無泵加注工藝流程

2.3.2 無泵加氣技術(shù)優(yōu)勢

(1)低壓罐中產(chǎn)生的BOG可以通過BOG回收機(jī)抽到高壓罐內(nèi),從而維持高壓罐的壓力。一方面避免了系統(tǒng)中產(chǎn)生的BOG排放造成損失,另一方面有效保障了高壓罐維持在高壓狀態(tài),從而可以順利加氣。

(2)利用BOG回收機(jī)將最大損耗源管路中蒸發(fā)的氣體通過吹掃從儲存罐轉(zhuǎn)移到加注罐的下進(jìn)液或上進(jìn)氣補(bǔ)壓,熱量就從儲存罐轉(zhuǎn)移到加注罐。通過壓差將LNG加注到客戶車輛,成功將產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到客戶車載鋼瓶中,保持了儲罐液體溫度壓力穩(wěn)定,最大化減少熱能發(fā)生。相比于傳統(tǒng)工藝對管路系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能只能回到儲罐推高儲罐壓力有了顛覆性的技術(shù)變革。

(3)相對于傳統(tǒng)工藝卸車時需對槽車進(jìn)行增壓,增壓氣化器產(chǎn)生的熱量吸收及2～3 h的卸車時間金屬軟管吸收的熱量最終進(jìn)入儲罐;無泵工藝采用BOG回收設(shè)備抽取儲罐壓力,冷量損耗減少,卸車時間大大減少,液體溫度相對傳統(tǒng)工藝設(shè)備明顯降低。

(4)預(yù)冷時間縮短。傳統(tǒng)加氣技術(shù)儲罐和加氣機(jī)之間配備了泵和泵池,儲罐和加氣機(jī)距離通常超過50 m,預(yù)冷時間長,BOG產(chǎn)生嚴(yán)重,加氣機(jī)很難完美工作,并且加氣速度慢;而無泵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超過100 m以上的距離,預(yù)冷時間只需要幾十秒,可以大大提高加液效率,增強(qiáng)站內(nèi)車輛通過率。

2.4 運(yùn)用新思路解決傳統(tǒng)工藝問題

在傳統(tǒng)工藝條件下,目前LNG 加氣站在卸車環(huán)節(jié)通常采用泵增壓和自增壓卸液,或者將兩者結(jié)合使用,卸一車液通常需要花費(fèi)2～3 h的時間,同時余液卸不盡的問題也非常突出。主要是由于無論是采用泵增壓卸車還是自增壓卸車,卸車完成時槽車內(nèi)均留存較高壓力的低溫BOG氣體,而槽車司機(jī)為了車輛運(yùn)營安全、方便下次裝車并降低車重等原因,往往在卸完車后對空排放 BOG,這不僅增加了安全隱患,同時也增加了進(jìn)貨成本以及無謂的排放。

為解決槽車余液卸盡以及卸車自增壓過程的冷量損耗問題,公司引入新型設(shè)備BOG回收機(jī),有選擇的在卸車頻次高的站點(diǎn)投入使用,通過在卸液過程中抽取儲罐中的BOG充入槽車,建立槽車與儲罐中的壓差進(jìn)行卸車(見圖2),減少自增壓過程LNG氣化的冷能損耗,同時可將卸車時間縮短至2 h以內(nèi)。此做法的另一大優(yōu)勢是可將槽車余壓壓縮至0.15 MPa以下,最大化做到進(jìn)貨少虧損甚至盈余,同時能滿足槽車的裝車壓力要求。以連云港雙店加氣站為例,其全年配送約840車次,一年可帶來92 t的額外收益。

圖2 卸車工藝示意圖

3 結(jié)束語

LNG加氣站損耗管理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,限制BOG的產(chǎn)生涉及到設(shè)備選型、工藝設(shè)計(jì)、進(jìn)貨調(diào)度、銷售管理、規(guī)范作業(yè)、設(shè)備維保、計(jì)量管理等諸多環(huán)節(jié)。新建站點(diǎn)要從源頭把關(guān),在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要著手在站內(nèi)平面布局、管路走線、管線距離、坡度設(shè)置上嚴(yán)格設(shè)計(jì)審核,在符合規(guī)范的前提下,應(yīng)盡量縮短設(shè)備間距離,減少管線長度,增加儲罐與泵進(jìn)口的凈正壓頭,禁止采用凹凸型布置管道,儲罐與泵之間的管道要盡可能采用斜坡布置方式,距離盡可能保持在2～2.5 m以內(nèi)。在設(shè)備選型上要選擇保溫絕熱效果優(yōu)良、工藝品質(zhì)穩(wěn)定的儲罐,管線要選擇真空效果上佳真空管或性能好的保溫材料。在傳統(tǒng)加氣工藝設(shè)備條件下,針對管線頻繁預(yù)冷存在的熱交換現(xiàn)象以及接卸環(huán)節(jié)槽車余液難以卸盡,以及卸車自增壓過程的冷量損耗問題,可積極探索無泵工藝和BOG回收機(jī)試點(diǎn),推動技術(shù)升級、管理升級,開辟節(jié)能降耗新路徑。