LNG/L-CNG汽车加气站工艺设计探讨_技术研究

摘要

探讨LNG ／L-CNG 汽车加气站工艺设计的注意事项及解决方法，包括：合理确定出顶面标高，减少BOG 放散量，回气管道设计，调饱和流程设置，集中放散管设计。

摘　要：探讨LNG／L-CNG汽车加气站工艺设计的注意事项及解决方法，包括：合理确定出顶面标高，减少BOG放散量，回气管道设计，调饱和流程设置，集中放散管设计。

关键词：液化天然气加气站；压缩天然气加气站；LNG／L—CNG加气站；调饱和流程

Discussion on Process Design of LNG/L-CNG Vehicle Filling Stations

Abstract：The matters needing attention and solutions in the process design of LNG／L-CNG vehicle filling stations，including reasonable determination of LNG tank base top surface elevation．decrease of BOG emission amount，design of return gas pipe，setting of process for adjusting to saturated state and design of centralized vent tube，are discussed．

Keywords：LNG filling station；CNG filling station；LNG／L-CNG filling station；process for adjusting to saturated state

1　概述

燃油汽车是空气污染的重要影响因素，随着国家对空气环境质量改善力度的加大，清洁燃料的天然气汽车得到了飞速发展。因此，天然气汽车加气站的建设近几年在各城市迅速展开。LNG／L-CNG汽车加气站(以下简称LNG／L-CNG加气站)是天然气汽车加气站的一种类型，它可以同时为LNG汽车、CNG汽车提供加气服务，且储存量大，因此得到大力推广和建设。LNG／L-CNG加气站设计的主要依据为GB 50156—2012《汽车加油加气站设计与施工规范》(2014年版，以下简称GB 50156—2012)。

LNG／L-CNG加气站气源为LNG，由于LNG为低温液体，在进行LNG／L-CNG加气站工艺设计时，需要特别注意介质的低温液体特性。

2　合理确定LNG储罐基础顶面标高

LNG／L-CNG加气站可以为LNG汽车、CNG汽车加气。LNG储罐内LNG通过潜液泵(含泵池)、LNG加气机为LNG汽车加气；LNG储罐内LNG通过LNG柱塞泵(LNG加压至25MPa)、高压气化器、CNG加气机为CNG汽车加气。

LNG／L-CNG加气站储罐区内主要设备包括LNG储罐(立式或卧式)、LNG潜液泵(含泵池)、LNG柱塞泵、储罐增压器(兼作卸车增压器)。GB 50156--2012第9.1.3条规定，“防护堤内地面应至少低于周边地面0.1m，防护堤顶面应至少高出堤内地面0.8m，且应至少高出堤外地面0.4m。”此条内容仅对防护堤内、外地面与防护堤的顶面高度做出规定，对储罐区内各设备基础高度并未提出相关要求。在进行储罐区设计时，除满足规范相关条文要求外，另需特别注意潜液泵入口气蚀余量的要求，合理确定LNG储罐基础顶面标高。

LNG储罐基础顶面标高主要由设计选择的潜液泵所要求的气蚀余量确定。潜液泵在工作时，液体在叶轮的进口处因在一定真空压力下会气化产生气泡，叶轮因气泡的产生被液体撞击，表面产生剥蚀，即气蚀，叶轮因受到气蚀而失效。为避免气蚀，在LNG／L-CNG加气站设计时，潜液泵的进液口与LNG储罐内LNG最低液位之间的高差，要满足潜液泵气蚀余量要求。不同厂家生产的潜液泵对气蚀余量的要求不同，因此，对储罐基础顶面标高要求也就不同。设计时，工艺设计人员需要与业主选定的潜液泵厂家就选用的潜液泵气蚀余量要求进行充分沟通，以便给土建专业提出合理的LNG储罐基础顶面标高条件。

3　工艺设计要尽量减少BOG的放散量

①在进行工艺管道保冷设计时，不仅需要对LNG介质管道进行保冷，站内所有回气管道(即BOG管道)亦需保冷，以减小BOG带入的热量，从而减缓LNG储罐内介质温度的升高。

②在进行站内LNG介质管道布置时，LNG管道要尽量短捷、平直，并尽量减少弯头等增加局部阻力的管件。

③当储罐内的LNG储存时间较长(3～7d)，由于自然的热量传递，会产生较多的BOG。此时可以通过技术经济比较，对BOG气体进行回收利用。

a．若LNG／L-CNG加气站附近有市政天然气管网，可以将LNG／L-CNG加气站产生的BOG经BOG加热器加热、BOG调压装置调压后输送至附近的市政天然气管网。

b．LNG／L-CNG加气站产生的BOG可以供给站内燃气热水炉等燃气设备自用，此回收方法需要在站内设置BOG加热器、BOG储罐及调压装置。

c．LNG／L-CNG加气站产生的BOG采用压缩工艺，选择参数符合要求的BOG压缩机，将站内产生的BOG升压至25MPa，压缩机出口管道接至L-CNG加气站流程中的顺序控制盘进气管道，用于CNG车辆加气。

4　回气管道设计注意事项

LNG／L-CNG加气站回气流程主要包括LNG潜液泵回气、LNG柱塞泵回气及LNG加气机回气。在进行LNG／L-CNG加气站回气管道设计时，需要注意以下事项：

①LNG潜液泵、LNG柱塞泵运行时的顺畅回气，是LNG／L-CNG加气站顺利运行的重要保证之一。为保证泵内产生的BOG能够有效排到LNG储罐的气相空间，在进行回气管道设计时，从泵出口至LNG储罐气相接口之间的回气管道应有不小于1％的坡度，分别坡向LNG潜液泵、LNG柱塞泵，并且回气管道不得有“?”、“?”形弯出现。

②由于LNG柱塞泵回气压力与LNG潜液泵回气压力不同，为避免在运行时柱塞泵回气与潜液泵回气相互产生影响，在进行LNG／L-CNG加气站回气流程设计时，柱塞泵回气管道与潜液泵回气管道不要接入LNG储罐同一气相口。

5　调饱和流程设置分析

5.1　需要设置调饱和流程情况分析

早期改装的LNG汽车要求车载气瓶中的LNG压力较高，一般为0.6～0.8MPa，而LNG加气站中LNG储罐内储存的LNG压力约为0.4～0.6MPa。

LNG饱和压力(绝对压力)、密度随温度的变化见图1，由图1可知：

①在给定温度下，LNG对应一定的饱和压力；不同温度下，LNG的饱和压力不同。

②LNG温度越高，LNG对应的饱和压力越高，密度越小。

LNG/L-CNG汽车加气站工艺设计探讨

为此，LNG加气站在为LNG汽车加气前，需要先将LNG储罐内的LNG升温，使储罐内的LNG温度升至压力为0.6～0.8 MPa下的饱和温度后，再为LNG汽车加气，以满足LNG汽车对LNG的要求。此过程即为LNG加气站调饱和流程。

调饱和的方式通常有2种，第一种采用饱和压力调节器调饱和，第二种采用饱和压力调节器和LNG潜液泵低速循环联合调饱和。第一种调饱和方式不消耗动力，但调饱和时间较长；第二种调饱和方式由于需要LNG潜液泵低速运行，故消耗动力，但调饱和时间短。这2种调饱和方式各有优缺点，应根据工程的实际需要选用。通常采取联合调饱和方式进行调饱和。

饱和压力调节器调饱和方式：饱和压力调节器为空温式加热器，储罐内的LNG在重力作用下流入饱和压力调节器，LNG因吸收空气中的热量而升温，吸收热量后的LNG进入储罐。如此循环，直至储罐内的LNG温度升至压力为0.6～0.8MPa下的饱和温度后，再为LNG汽车加气。饱和压力调节器调饱和方式流程见图2。

LNG/L-CNG汽车加气站工艺设计探讨

联合调饱和方式：储罐内的LNG通过LNG潜液泵低速运转注入饱和压力调节器，使流经饱和压力调节器的LNG因吸收空气中的热量而升温，进入储罐。如此循环，直至储罐内的LNG温度升至压力为0.6～0.8MPa下的饱和温度后，再为LNG汽车加气。饱和压力调节器和LNG潜液泵低速循环联合调饱和方式流程见图3。

LNG/L-CNG汽车加气站工艺设计探讨

LNG加气站设置调饱和流程的技术路线与国内已经投入使用的LNG汽车相匹配。由于调饱和过程使储罐内的LNG温度升高，致使储罐内BOG增多，储罐压力增大。当储罐压力大于设定值时，BOG就要释放掉，以保证储罐的安全。虽然通常在设计中会考虑BOG的回收利用，但在实际建设中采取BOG回收措施的加气站并不多，这对LNG加气站在经济方面的影响比较大，增加了LNG加气站的运行成本。

5.2　不需设置调饱和流程情况分析[1-2]

随着LNG汽车车载气瓶技术的不断改进，研发出了LNG汽车自增压系统，LNG汽车通过自增压系统，使LNG达到天然气发动机正常运转需要的压力。因此，给此类LNG汽车加气时不需要在LNG加气站内进行调饱和。取消调饱和过程可以大大减少BOG的放散量，提高LNG加气站的经济效益。

LNG加气站不设置调饱和流程的技术路线是今后LNG加气站的发展方向，有广阔的发展前景。从近几年的实际运行情况可以看出，LNG加气站不设置调饱和流程的技术路线，解决了BOG损失大的问题，提高了LNG加气站的经济效益。

5.3　调饱和流程设置情况分析

通过以上分析，在进行LNG／L-CNG加气站设计的前期方案确定时，必须进行充分的市场调研，了解所设计的LNG／L-CNG加气站供气的LNG车辆对LNG的需求，根据需求确定所设计的LNG／L-CNG加气站是否设置调饱和流程，以避免设计冗余或不满足市场需求情况出现。

6　 LNG加气站集中放散管设计

①规定

放散管是LNG加气站内的一个重要的安全设施。GB 50156--2012第9．4．6条对天然气放散明确规定：“放散管管口应高出LNG储罐及以管口为中心半径12m范围内的建(构)筑物2m及以上，且距地面不应小于5m。”

在LNG加气站总平面设计时，经常受站址平面条件的限制，放散管很难找到合适的位置进行布置。如果LNG加气站内设置卧式LNG储罐，放散管的高度不会太高，一般放散管的设计难度不大。如果LNG加气站内设置立式LNG储罐，放散管的设计则需仔细斟酌。

②实例分析

以设置60m3立式LNG储罐的加气站为例，60m3立式LNG储罐高度约13m，放散管高度就要高出地面约15m(若以放散管管口为中心半径12m范围内有高于储罐高度的其他建构筑物，还应考虑这些建构筑物)。LNG加气站放散管规格通常不会大于DN 100mm，在风力较大地区，放散管需做拉筋处理。在站址面积较大时，总平面布置不会有问题。但LNG加气站征用的土地面积通常会较小，设施布置紧凑，放散管即使有位置，其拉筋也会影响站内的总体布置或站内道路的通行。设计者在遇到这样的案例时，简单地要求建设单位扩大征地面积是不现实的，往往解决不了问题。