橇装式LNG汽车加气站的应用

摘 要

摘要：论述了橇装式LNG加气站的特点和优势，LNG加气站的主要设备(包括LNG储罐、LNG低温泵、LNG气化器等)的技术要求。给出了典型橇装式LNG加气站的工艺流程，提出橇装式LNG加气站
摘要：论述了橇装式LNG加气站的特点和优势，LNG加气站的主要设备(包括LNG储罐、LNG低温泵、LNG气化器等)的技术要求。给出了典型橇装式LNG加气站的工艺流程，提出橇装式LNG加气站是未来LNG汽车的主导加气站。
关键词：液化天然气；橇装式加气站；LNG汽车；汽车加气站；LNG加气站
Application of Skid-mounted LNG Vehicle Filling Station
CHEN Shu-ping，REN Yong-ping，YIN Jin-song，WU Pin-fang
Abstract：The characteristics and advantages of skid-mounted LNG filling station and the technical requirement of main equipment of LNG filling station including LNG tank，LNG cryogenic pump，LNG vaporizer and so on are expounded. The process flow of typical skid-mounted LNG filling station is given. It is suggested that the skid-mounted LNG filling station is a leading gas station for LNG vehicles in future.
Key words：LNG；skid-mounted gas filling station；LNG vehicle；vehicle gas filling station；LNG filling station
1 概论
    近年来，为响应国家科技部推广应用清洁燃料汽车的号召，天然气汽车在我国很多城市得到迅猛发展，主要以压缩天然气(CNG)汽车为主，多数用于单次加气行驶里程较短的城市出租车和公交车上。在国外，液化天然气(LNG)汽车以其污染小、安全性能高、经济效益显著且适用于大型长途运输车辆等优点而得到大力推广。美国有3000辆LNG汽车和约100座LNG汽车加气站，在该方面技术上处于领先地位[1、2]。在我国，北京、乌鲁木齐、长沙、贵阳、杭州等地正在积极推广LNG汽车及加气站，并已建成多座LNG加气站。这些加气站中，除了常规的各设备在现场安装组成完整系统的加气站外，还有事先将加气站各种设备在工厂集成安装在一个或多个橇块上运往现场的橇装式LNG加气站。橇装式LNG加气站具有安全、环保、能耗低、占地面积小、现场安装方便、建设期短、可灵活移动等突出优点，成为一种具备良好发展前景的加气站类型[3～5]。
2 橇装式LNG加气站的优势
    橇装式LNG加气站将LNG通过低温泵向LNG汽车加气。如有需要，也可同时经高压液体泵加压、经气化器气化后向CNG汽车加气，并且比同样容量CNG加气站的造价和运行费用低。另外，橇装式LNG加气站还有以下优势：
    ① 机动灵活，占地少。不依赖天然气管网，只需用LNG槽车来运载LNG作为气源。站内所有工艺设备都安装在一个橇块上，整体尺寸较小(外形尺寸长×宽×高为12m×2.5m×3.31m)；控制系统安装在一个改装的标准集装箱内(外形尺寸长×宽×高为6m×2.5m×3m)；充装LNG前加气站整体总质量只有21.8t，非常适于用汽车搬运。可根据市场需求随时改变加气站地点，在城市尤为适宜。
    ② 安全、环保，能耗低。LNG已经经过了净化处理，无须压缩、冷却、脱水、脱硫等电力消耗较大的装置，整个生产工艺中省去了天然气净化设备和空气压缩机，大大减少了配套设施，不仅节约了设备造价，而且缩短了建设期。
    ③ 自动化程度高，易操作。配有自动控制系统，数据采集、可燃气体监测、超压停泵及低压开泵等过程都自动完成，简单易操作。
3 主要设备及技术要求
    图1为橇装式LNG加气站，其主要设备包括LNG储罐、LNG低温泵、LNG气化器、LNG加气机、橇座，另外还有管道系统、控制系统及配套设施。单台储罐设计容积为35m3，设计压力为1.2MPa，设计温度为-196～+60℃，蒸发率≤0.2%。
 
3.1 LNG储罐
    橇装式LNG加气站的LNG储罐采用卧式、双层金属结构的绝热低温储罐，其结构见图2。内罐一般采用奥氏体不锈钢材料，如0Cr18Ni9、304等。外罐多采用普通低合金钢，如16MnR。内外罐之间的支承宜采用在低温下既有较高强度又有较低热导率的低温玻璃钢结构。采用的绝热方式主要有4种：堆积绝热、真空粉末绝热、高真空绝热、高真空多层绝热[6]。其中高真空多层绝热以绝热空间小、热导率低、绝热可靠等优势，在LNG储罐上得到广泛应用，尤其适用于移动式低温储罐。对于高真空多层绝热，维持夹层的真空度至关重要。首先，在抽真空时要确保腔内材料充分放气，并确保多层材料层间真空度达到规定要求；其次，可在腔内放置常温吸附剂，或采用添加吸附剂的层间隔热材料，如填炭纸等，以吸附腔内材料可能释放出的少量气体[7]。
 
    LNG储罐的设计、制造、安装、定期检测等应满足LNG储罐的有关规范标准，以保证安全。LNG储罐的主要技术要求如下：
    ① LNG储罐必须设置2套安全阀在线安装的双路系统，并设置1个转换开关，在更换或维修时需要进行切换工作[8]。加气站在搬运时储罐易受到颠簸震动甚至撞击而导致真空度降低或失去绝热功能，影响储罐的使用寿命，因此必须提供储罐安全装置，如避震器、防撞击的保护装置等。
    ② LNG储罐要设计最高液位限定值，防止液位过高。若液位过高可通过溢流阀排出。在充注LNG时，应考虑到液体受热后体积膨胀而出现液位超高的情况，应预留适当的空间。
    ③ LNG储罐在首次充注LNG之前，或因需要进行内部检修而停止使用之后，应对储罐进行惰化处理，要用惰性气体N2或CO2将储罐内的空气或天然气置换出来，避免形成天然气与空气的爆炸性混合气体。
    ④ LNG储罐应配有压力控制装置，应设置一定数量的压力安全阀和真空安全阀，分别预防罐内发生超压和负压。此外，为了防止内罐损坏时LNG泄漏至内外罐壁之间的绝热层，外罐必须设置足够的安全排气装置。
    ⑤ LNG储罐应设置一定数量的仪表，包括能显示储罐液位的液位计、显示罐内压力的压力表和显示罐内LNG液相温度的温度计。
3.2 LNG低温泵
    LNG低温泵一般采用潜液式低温泵，由于LNG的低温和易燃特性，不仅要求泵能承受低温，而且对泵的气密性和电气安全性能要求更高。
    LNG低温潜液泵是泵和电机整体潜入低温LNG中输送低温LNG的机械。这种潜液泵将泵与电机整体安装在一个密封的金属容器内，不需要轴封，也不存在轴封的泄漏问题，泵的进出口用法兰结构与输送管道相连，因此不存在LNG的泄漏问题，很适合输送LNG之类的低温可燃液体。
   为防止LNG沿着电缆从连接处泄漏到接线盒遇到火花发生爆炸，通常在外接电缆与接线盒处设置2道氮气密封保护系统，阻断LNG可能的泄漏通道。如果第1道N2保护失效，第2道N2密封系统仍可正常工作，而第1道N2保护失效时其压力有显著变化，安全监测装置立即报警[3]。
   低温泵应能达到以下要求：①必须有足够的扬程和流量，以适应不同级别的汽车LNG储存系统。现在一般采用变频技术，均可满足此要求。②尽可能减少运行时产生的热量，以防止引发LNG气化。③不可出现两相流，否则会造成泵的损坏。
3.3 LNG气化器
   LNG气化器采用空温式气化器，LNG通过吸收外界大气环境热量而实现气化过程，能耗很低。为提高LNG与环境的换热效率，气化器主体部分一般采用耐低温的铝合金纵向翅片管，它结构简单，体积小，重量轻，制造和使用方便，换热面积大，因而在各种低温系统中广泛应用[10]。影响气化器工作的因素主要有流量、工作周期、工作压力、大气温度、大气相对湿度、风力、日照等条件。气化器应满足以下条件：
   ① 根据用气的实际状况进行设计，设计的最小气化量应满足在最恶劣工作环境下的最大用气量要求。
   ② 气化器在设计布置时，每1台气化器的入口处和出口处应设有切断阀，并在出口切断阀之前设置安全阀。
   ③ 气化器应配备切断热源的装置来确保安全；还应安装温度检测设备，用来测量LNG和热交换介质的进出口温度，确保传热效率。
3.4 LNG加气机
    LNG加气机应能承受一定的低温。一般应满足下列要求：①出于安全考虑，不宜安装在距储罐很近的地方，也不得设在室内。②设有安全限压装置。③具有预冷装置和收集车载气瓶内剩余气体的回气控制装置。④加气完成后可通过控制系统立即关闭。⑤能够显示加气量、单价及金额。
3.5 撬座
    橇座用于支撑整个系统，根据需要可以被汽车移动搬运。外形尺寸可根据加气站规模大小而定，应满足搬运过程中的强度要求。
4 橇装式LNG加气站工艺流程
    橇装式LNG加气站的工艺流程见图3，可分为4个部分[11～13]：卸车流程、调压流程、加气流程、卸压流程。
 
   ① 卸车流程。将槽车内LNG转移至加气站LNG储罐内，有2种方式：a.自增压卸载，将在槽车增压器中气化的LNG返回槽车储罐，增加储罐压力，卸载LNG。这种方法简单，仅需少量管道和阀门。b.采用安装在槽车上的LNG低温泵来卸载，尽管存在造价高、结构复杂等问题，但因其卸载时间短、效率高而得到广泛应用。
    ② 调压流程。卸车完毕后，须对储罐中的LNG进行升压方可给汽车加气。升压方式有2种：a.通过LNG低温泵低速循环进行升压。b.通过储罐上LNG气化器升压，将LNG在气化器中气化后通过调压装置进入储罐，增加压力，这种方式的优点是工艺、设备简单且不耗能。目前LNG储罐一般采用气化器增压就可达到所需压力。
    ③ 加气流程。储罐中的LNG通过低温泵加压后送入加气机，由加气枪给汽车加气，最高加气压力可达到1.6MPa。在给车载气瓶加气前应先给车载气瓶卸压，通过回气口回收车载气瓶中的余气。加气站设有车载气瓶到储罐气相的回流管，可对车载气瓶中余气进行回收和计量。
    ④ 卸压流程。储罐在使用过程中，罐内压力会升高。当储罐压力大于设定值时，紧急泄放装置启动，相关阀门打开，释放储罐中的气体，降低压力，确保储罐安全。
5 结语
    橇装式LNG加气站可以远离LNG接收站，为偏远地区发展LNG汽车创造了条件。橇装式LNG加气站设备简单，建站期短，造价和运行费用低，占地面积小。
    LNG汽车是天然气汽车的发展趋势。橇装式LNG加气站以其高度灵活性向LNG汽车加气。可以相信，橇装式LNG加气站将会随着各种相关技术的成熟以及LNG汽车的普及而得到广泛应用。
参考文献：
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(本文作者：陈叔平1 任永平1 殷劲松2 邬品芳2 1.兰州理工大学石油化工学院 甘肃兰州 730050；2.张家港富瑞特种装备股份有限公司 江苏张家港 215637)