LNG气化站灌装系统的技术改进_技术研究

摘要

摘要：分析了LNG气化站灌装钢瓶使用机械台秤、手动操作的方案存在的问题，探讨了对LNG灌装系统进行技术改进的必要性，阐述了LNG灌装自动切断系统的实施方案，提出了增加LNG加气功能

摘要：分析了LNG气化站灌装钢瓶使用机械台秤、手动操作的方案存在的问题，探讨了对LNG灌装系统进行技术改进的必要性，阐述了LNG灌装自动切断系统的实施方案，提出了增加LNG加气功能的方案。

关键词：LNG灌装；电子台秤；自动切断；LNG加气

Technical Improvement of Filling System in LNG Vaporizing Station

ZHANG Mingming，HU Nan，XU Zhanwei

Abstract：Problems existing in use of mechanical platform scale and manual operation for filling cylinders in LNG vaporizing station are analyzed.The necessity to technically improve LNG filling system is discussed.The implementation scheme of automatic cut off system for LNG filling is described.The scheme of adding LNG refueling function is proposed.

Key words：LNG filling；electronic platform scale；automatic cut off；LNG refueling

1 概述

LNG气化站作为城市备用、调峰气源或者过渡气源，目前已得到较为广泛的应用。对于具有备用、调峰气源功能的LNG气化站，如何充分、有效地运作LNG资源，达到投资收益最大化，已成为较多燃气公司的业务延伸重点。LNG瓶组气化工艺具备机动灵活、投资省、占地面积小、建设期短、运行安全可靠等特点，可迅速向城镇居民用户或者工业用户供气。因此，在暂未敷设燃气管道的区域或在管道应急抢修时，由LNG瓶组气化站进行临时供气的方式已逐渐成为主流的选择^[1～2]。目前，大部分的LNG气化站内均设有LNG灌装系统来满足LNG钢瓶的充装需求，继而兼作城镇LNG钢瓶的充装、流转基地。

2 LNG灌装工艺流程

目前在国内LNG气化站的一般设计中，对于LNG灌装基本以机械台秤称量、手动操作的技术方案为主。LNG灌装工艺流程见图1。

LNG储罐自增压至0.6MPa，LNG钢瓶放置于机械台秤上，将LNG灌装的液相软管和气相软管分别与LNG钢瓶连接完成，打开出液管道的出液阀门V₁和气相管道回气阀门V₂开始灌装。LNG灌装过程中的回气气相(BOG)首先经过BOG加热器进行加热，然后经工艺装置区进行调压、计量、加臭，最后进入城市管网。待灌装平台的机械台秤读数达到目标质量值后，关闭出液管道出液阀门V₁，同时打开气液连通阀门V₃，待残余液相全部回收后关闭气相管道回气阀门V₂，打开手动放散阀V₄、V₅将管道内残留气体汇集至站内放散塔进行放散，最后拆除连接软管，完成LNG钢瓶的灌装。

3 存在问题及技术改进

3.1 LNG灌装中存在的问题

以410L低温绝热LNG钢瓶为例，其最大允许充装质量为167kg，允许总质量约为487kg。在进行LNG灌装前，一般先设置机械台秤上的目标质量值，再人工打开充液阀门，在达到所需质量后人工关闭充液阀门。

由于LNG瓶组灌装涉及对外销售和贸易结算(部分工业用户以LNG单瓶费用进行结算)，同时GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》第9.3.1条明确规定LNG钢瓶的灌装量不应大于其容积的90%，而机械台秤的自身误差、人工操作的时间差以及员工的误操作(未及时关闭出液阀)等客观因素却极易造成LNG钢瓶灌装的超量，从而影响到LNG灌装的计量准确和钢瓶的安全。而其他类似业务如LPG钢瓶充装等，则拥有各自领域内成熟可靠的充装秤系统(包括地磅和连锁切断装置)来保证充装计量的准确性。因此，通过研究、探讨和实践，我们在原有设计基础上对LNG灌装工艺进行了技术调整与改进，将机械台秤改造成自动切断的电子台秤。

3.2 LNG灌装的技术改进方案

相对于早已配置完善的LPG充装秤产品，由于LNG特有的深冷性质以及部分低温部件的自有缺陷，目前国内大部分的台秤厂商基本没有生产成品的LNG灌装秤，也没有代理国外的相关产品。同时，由于厂站只具备LNG瓶组灌装的单一业务需求，尚无LNG加气业务开展，且LNG加气机价格较为昂贵，LNG钢瓶也类型各异，因此，我们暂不考虑使用LNG加气机来进行单一的LNG钢瓶灌装，决定通过将电子秤、灌装控制等主要装置进行集成的方式来完成既定方案目标。

实施方案为：将原有机械台秤拆除，安装电子台秤，在LNG灌装台上增加安装称重控制仪表柜，在液相管道上安装1个气动紧急切断阀ESV，使用阻燃铠装电缆连接电子台秤和称重控制仪表柜，并连接称重控制仪表柜和气动紧急切断阀，使其互相连锁；安装仪表风管道至气动紧急切断阀；另外，为防止管道内产生封闭LNG而导致超压，在气动紧急切断阀和出液阀之间增加1个低温全启式安全阀^[3]。

改进后的LNG灌装工艺流程见图2。LNG钢瓶置于电子台秤上，软管连接无误后，出液阀V₁保持常开，打开回气阀V₂。在称重控制仪表柜的人机界面上设置目标质量值，确认无误后，按下启动按钮。此时，称重控制仪表柜给出4～20mA的模拟信号至气动紧急切断阀ESV，控制仪表风的电磁阀自动打开，气动开启ESV后开始进行LNG钢瓶灌装。在达到目标质量后，电子台秤给予称重控制仪表柜信号，称重控制仪表柜则同时给予ESV关闭信号，ESV电磁阀关闭，切断仪表风气源，ESV关闭，LNG灌装结束。

3.3 技术要点及注意事项

① 称重控制仪表柜具备手动与自动两种模式，自动模式可实现与紧急切断阀的连锁控制，手动模式则只具有正常称重计量功能。

称重控制仪表柜人机界面上除正常称重设置按钮外，还应具备紧急停车按钮(ESD)，以保证在LNG灌装过程中遇突发或事故状况时，可紧急关闭，停止灌装。

仪表柜的安装位置应以便于旁站灌装人员操作和不影响管道阀门操作为原则。

② 连接电缆应根据HG/T 20512—2000《仪表配管配线设计规定》的相关要求，采用铜芯阻燃屏蔽的铠装电缆，直埋敷设，出入地面穿套管保护，与气动紧急切断阀采用防爆挠性管连接。

③ 根据GB 50058—1992《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》相关规定，LNG灌装平台的爆炸危险区域划分为：以灌装口(LNG灌装软管与固定管道之间的法兰连接口)为中心，半径为1.5m的空间为爆炸危险区域1区；以灌装口为中心，半径为4.5m的空间至地坪以上的范围内为爆炸危险区域2区。而在灌装过程中操作人员需对电子台秤及切断系统进行正常操作或者紧急事故处理，因此，称重控制仪表柜应安装在LNG灌装平台上即防爆区域范围内，这就要求电子台秤及称重控制仪表柜必须具备防爆性能。

根据GB 3836.1—2000《爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求》、GB 3836.2—2000《爆炸性气体环境用电气设备第2部分：隔爆型“d”》、GB 3836.4—2000《爆炸性气体环境用电气设备第4部分：本质安全型“i”》等国家标准的相关规定，本质安全型产品用于防爆0区、1区及2区，隔爆型产品用于防爆1区及2区。而一般防爆电子台秤的产品类别中本质安全型只能用于防爆区域的称重计量，不能外接其他设备；隔爆型产品是在防爆区域内，外加安全栅，可外接其他设备并带4～20mA模拟量的输入输出接口。综上，LNG灌装的电子台秤及称重控制仪表柜均选择隔爆型产品，并且，为提高安全性，同时不影响低温软管连接操作，称重控制仪表柜不宜装在防爆1区即灌装口周围1.5m范围内。

④ 气动紧急切断阀ESV应安装在手动出液阀V₁的下游，便于在ESV发生故障时，可进行正常关闭及维修。

⑤ 由于LNG灌装需每日进行，使用频率相对较高，气动紧急切断阀的执行机构是否安全可靠就显得极为重要。从阀门本身的安全可靠性和维护维修特性来考虑，对于该类关键部位的切断阀门，建议采用进口品牌的低温气动紧急切断阀。

⑥ 在气动紧急切断阀ESV与手动出液阀V₁之间应加装低温安全阀，以防止产生封闭LNG导致气化超压。

4 LNG加气功能的拓展

4.1 加气功能拓展的实施方案

作为城镇备用、调峰气源的LNG气化站日常使用功能单一，运行频率较低，因此，应结合周边天然气市场发展状况，深入挖掘各类用户的能源供给需求，充分拓展厂站的LNG对外销售业务，从而提高投资收益。

LNG汽车具有清洁、高效、环保、单次加气续驶里程长等特点，受到越来越广泛的关注。目前北京、海南、广东、浙江等地正积极推广LNG汽车及加气站，并已建成多座LNG加气站^[4～6]。

如果LNG气化站周边区域存在LNG汽车生产厂商(LNG汽车出厂发货前需加注LNG)或者与公交公司达成LNG汽车推广合作意向后，便可利用LNG气化站的现有设施延伸增加LNG汽车加气功能，即通过改进原有LNG灌装工艺，将LNG钢瓶灌装与LNG汽车加气两大流程组合集成，从而形成一套系统、两种功能的LNG灌装系统。

包含LNG加气功能的LNG灌装工艺流程见图3。LNG灌装工艺增加LNG加气功能的具体改进方案为：

① 由于LNG储罐自增压后最高压力仅为0.6MPa，影响LNG汽车的加气速度，因此，需在液相管道上增加LNG低温泵2台，1用1备，同时将泵体气液平衡管道引至LNG储罐减压调节阀之前。

② LNG灌装管道末段连接LNG加气机。

③ LNG加气机末段充注装置为LNG加气枪及回气枪，因此，需安装转换装置才能正常进行LNG钢瓶的灌装。因LNG加气机具备计量功能，也可取消原有的LNG灌装台秤装置。

4.2 需关注的问题

① 增加LNG汽车加气功能的LNG灌装系统在运行过程中所产生的蒸发气BOG将大幅增加，原流程中经过BOG加热器和工艺装置区将BOG回收至城市管网的形式，对于作为过渡气源的LNG气化站影响不大，而对于作为备用、调峰气源的LNG气化站，如LNG灌装系统每日运行产生的BOG均回收至城市管网，LNG的价格因素将使生产成本显著提高。因此，借鉴目前国内LNG加气站的通常设计流程，在增加LNG加气功能的设施改造中，可将原BOG回气的气相管道与LNG储罐下进液管进行连接，使BOG气相从LNG储罐底部进入，这样当BOG气相穿过LNG储罐内液相时，便可以使一部分气相再次液化，二次利用。

② LNG加气功能拓展的改造费用主要为工程二次施工费用、增加设备的投资费用等，如果在LNG气化站设计中已经包含或预留LNG加气设施，则相对费用将大幅降低。

③ 目前所用的LNG低温泵大多数为浸润式离心泵，该泵在安装时应注意以下事项：

a. 进行低温管道连接时应注意不能有应力作用在泵头。

b. 对于LNG气化站，输送LNG的液相管道基本采用三聚酯进行绝热，在环境温度较高时，轻微的温升极易造成部分LNG快速气化，而LNG气化后则会很容易使LNG低温泵产生气蚀而导致密封磨损、叶轮损坏。因此，LNG低温泵的安装位置要求尽量在LNG储罐出液口后3m之内，如超过3m，则LNG储罐至泵体的入口管道需更改为真空管，从而提高绝热性能，降低气蚀风险。

c. 为防止LNG泄漏产生爆炸，LNG低温泵的电力引线装置需设两道氮气保护系统，阻断LNG的泄漏通道，从而确保LNG低温泵的使用安全可靠。

d. LNG储罐至LNG低温泵的入口管道上应尽量减少三通、弯头等管件。

④ LNG低温泵的安全保护系统要求比较高，如振动监测系统、电流过载保护系统、低电流保护系统、密封保护系统、低流量、低压力报警等^[6]，因此，实施方案时，应密切关注LNG低温泵相关控制系统的完善设置。

5 结论及建议

① LNG灌装系统实现电子台秤称重与自动切断的连锁功能，有利于保证LNG灌装的可靠操作和精确计量，从而进一步提高灌装过程中的作业安全和LNG钢瓶安全。

② 如有业务发展需求，建议将LNG灌装系统进行技术改造，同时具备LNG钢瓶灌装和LNG汽车加气两大功能。LNG加气机比电子台秤系统在灌装的计量准确性和防爆设备的安全性上更具优势。

③ 在LNG气化站的普通设计中，LNG储罐自增压设施基本采用空温式气化器，但根据实际运行经验，在生产频繁的冬季，储罐自增压气化器运行时因环境温度较低、化霜速度慢而极易产生换热效率低、增压速度缓慢等情况，从而影响LNG气化站的正常生产供气。因此，如在LNG气化站设计时便留有LNG汽车加气功能，便可考虑利用LNG低温泵兼作LNG储罐的增压装置，从而取消增压气化器设置，不但可以节约工程投资费用，也可以保证冬季的可靠生产。

④ LNG气化站作为备用、调峰气源时，因其工程造价高，日常运行率低，燃气企业应充分挖掘、拓展LNG业务，如LNG瓶组供应、LNG冷能利用、LNG汽车加气等，从而提高厂站的投资回报率，缩短投资回收期。

参考文献：

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[6] 张翼飞，仝晓龙.液化天然气(LNG)输送泵的特点与应用[J].水泵技术，2006(6)：38-40.

(本文作者：张明明¹ 胡楠² 徐占伟³ 1.苏州港华燃气有限公司江苏苏州 205021；2.中石油昆仑燃气有限公司北京 100101；3.中国市政工程华北设计研究总院天津 300074)