一.概述
1.天然氣燃料的優(yōu)點
天然氣(NG)是一種清潔、高效、優(yōu)質(zhì)能源,在世界各國得到廣泛的利用。液化天然氣(LNG)是將天然氣在-162℃常壓下轉(zhuǎn)成液態(tài),其液化后的體積為常壓下氣態(tài)的1/600~625,小于壓縮天然氣(CNG)的體積;而CNG是將常溫常壓下的天然氣壓縮到20~25MPa后的高壓天然氣,其體積為常溫常壓下氣態(tài)的1/200~250,是LNG體積的2.5~3.0倍。因同容積LNG儲罐裝載天然氣是CNG的2.5倍,大型LNG貨車一次加氣可連續(xù)行駛l000~1300 km,非常適合長距離運輸。
2.L-CNG汽車加氣站技術(shù)
LCNG汽車加氣站是將低壓(0~0.8MPa)、低溫(-162℃~145℃)的LNG轉(zhuǎn)變成常溫、高壓(20~25MPa)天然氣的汽車加氣站。其主要設(shè)備包括:LNG儲罐(鋼瓶)、LNG低溫高壓泵、高壓汽化器、CNG儲氣庫(井、瓶組)、順序控制盤、售氣機、自控系統(tǒng)等。
該工藝是利用LNG低溫高壓泵將LNG增壓到25.0MPa來完成低壓變高壓的過程。過程中LNG增壓泵的控制及操作中增壓泵的超壓停、低壓開泵、流體計量等都由控制臺自動完成;經(jīng)高壓強制汽化器吸收空氣中的熱能加熱LNG汽化,使其變成高壓天然氣(CNG),完成由低溫變成常溫的過程,然后經(jīng)由順序控制盤進行儲氣與售氣。該過程不使用天然氣壓縮機,僅使用小功率高壓低溫泵,無需冷卻水,這樣大大降低了噪聲污染,節(jié)約了大量的電能。
3.LNG汽車加氣站技術(shù)
1)LNG汽車加氣站工藝
LNG加氣站的主要技術(shù)指標:
加氣能力(氣態(tài)):1.2×104~2.4×104m/d;
可加氣LNG汽車(公交車)臺數(shù):50~100輛/d;
加氣時間:5~10 min/輛;
加氣機加氣壓力:1.2 MPa;
加氣機計量精度:±1.0%。
深冷儲罐,儲存溫度為-176.4℃。
低溫離心泵將儲罐內(nèi)LNG經(jīng)加氣機加到車輛上。泵工作壓力為0.28 - O.62 MPa,排量為120 L/min。
加氣機使用質(zhì)量流量計,用于計量由儲罐至加氣車輛的氣量,計量從汽車返回儲罐的氣態(tài)天然氣量。
、 卸車流程:由LNG低溫泵將LNG槽車內(nèi) LNC卸至LNG儲罐。
、 加氣流程:儲罐內(nèi)LNG由LNG低溫泵抽出,通過加氣機向汽車加氣。
、 調(diào)壓流程:卸車完畢后,用LNG低溫泵從儲罐內(nèi)抽出部分LNG通過LNG氣化調(diào)壓后進入儲罐,當儲罐壓力達到設(shè)定壓力時停止氣化。
加氣站能實現(xiàn)從槽車卸液,低溫儲罐上下進液;儲罐有液位保護系統(tǒng)、防泄漏系統(tǒng)和自動調(diào)壓系統(tǒng);加氣機能實現(xiàn)計量加氣和定量加氣功能;自動控制系統(tǒng)對泵可進行三擋變頻調(diào)速,以實現(xiàn)低速循環(huán)、加氣及儲罐上進液功能。
4.移動式LNG/LCNG/CNG常用設(shè)備
LNG儲罐
LNG儲罐是LNG的儲存容器。在移動LNG加氣站中可選小型LNG儲罐(一般16~20m3),也可以用LNG儲氣鋼瓶作儲氣設(shè)施,解決其儲氣問題。小型儲氣罐一般為雙層真空隔熱結(jié)構(gòu)。設(shè)計工作壓力取決于內(nèi)層罐的工作壓力,一般為0.8~1.OMPa。由于LNG儲罐是連續(xù)供氣,其日蒸發(fā)率要求不高,一般小于0.3%即可。
LNG低溫高壓泵
LNG低溫高壓泵是整個LCNG站將LNG轉(zhuǎn)變成CNG加氣站的必要設(shè)備,其可靠性要求非常高,既要求能夠耐低溫(-162℃),又要求能夠升壓且承受高壓(出口壓力達25.0MPa)。為了保證設(shè)備的使用壽命和生產(chǎn)安全,一般均使用國外進口的5GPM~20GPM(191~761/min)低溫高壓泵。
高壓氣化器
氣化器是將液化天然氣氣化成氣態(tài)天然氣的設(shè)備,要求耐溫范圍廣(-162℃~50℃),耐高壓(32.0MPa),氣化器采用空溫式,通過吸收周圍大氣中的熱量來完成LNG的氣化過程。為增大與周圍大氣環(huán)境的換熱效率,其主體采用耐低溫的鋁合金縱向翅片管,其氣化量根據(jù)工程的實際狀況進行設(shè)計:一般氣化能力選擇1.0~1.5×104Nm3/d,在空溫式氣化器的氣化工程中,基本不需要其他能量,系統(tǒng)的穩(wěn)定強,運行成本低。
順序控制盤
順序控制盤是保證高壓儲氣瓶(井)的充氣按一定順序進行的設(shè)備。給高壓儲氣瓶(井)充氣的順序是從高壓到低壓。在對外無售氣時,氣化器將高壓鋼瓶組(井)充滿到高壓(25MPa)后,再向壓力較低的氣瓶充氣,直至全部充滿到高壓。
售氣機
售氣機是對LNG/CNG汽車進行加氣、計量的設(shè)備。
5、經(jīng)濟分析與市場前景
發(fā)展天然氣汽車必須具有相應數(shù)量的加氣站,以滿足天然氣汽車的加氣。通常一座日供氣量為1.0~1.5×104Nm3國產(chǎn)設(shè)備的移動式LNG/LCNG/CNG加氣站,建站費用約需300-400萬元(不含征地費);而且儲量大,耗電省,管理成本低,機動、靈活,適應性廣,具有非常好的經(jīng)濟與社會效益。
二.移動式(橇裝)LNG汽車加氣站
1.移動式(橇裝) LNG站的組成
LNG橇裝站包括3個部分,分別為儲存、電氣自控和加氣機?梢哉w裝在汽車托盤上作為移動站使用,也可以放在地上作為橇裝站使用。
1.1 儲存罐的大小
確定LNG儲存罐的時,主要考慮的因素如下:
、 橇塊的機動靈活性強、工廠化生產(chǎn)、易于異地運輸、場地適應性強等特點要求儲存罐不宜過大。
② LNG橇裝站有可能與城區(qū)內(nèi)的加油站合建,為了在城區(qū)加油站內(nèi)找到合適的場地,且對周邊環(huán)境影響較小,不引起公眾的恐慌心理,要求儲存罐不宜過大。
、 國內(nèi)規(guī)范中關(guān)于LNG站場的消防系統(tǒng)配置要求也決定了儲存橇的規(guī)模不宜過大!冻擎(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(GB 50028—2006)中規(guī)定,總?cè)莘e<50m3且單罐容積≤20m3的液化天然氣儲罐或儲罐區(qū)可單獨設(shè)置固定噴淋裝置或移動水槍,其消防用水量應按水槍用水量計算。在此規(guī)模的情況下,《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(GB 50028—2006)中規(guī)定的水槍用水量為20L/s。《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2006)中規(guī)定,當消防用水量不超過25L/s時,可不設(shè)置消防水池。因此,從LNG移動(橇裝)站的消防系統(tǒng)配置角度看,要求儲存橇的規(guī)模不宜大于20m3。
④ 為了體現(xiàn)LNG移動(橇裝)站的經(jīng)濟效益,使之能夠快速得到推廣,儲存罐的規(guī)模又不能太小。以配置240L車載儲氣瓶的公交車為例,20m3的儲存規(guī)模能滿足約70輛公交車的需求(日加氣量約為1.0×104m3/d,折合成液態(tài)LNG約17m3/d),既能滿足初期加氣的需求,也能取得一定經(jīng)濟效益。建設(shè)1座20m3儲存規(guī)模的移動(橇裝)站,總造價約350-400萬元。
2. LNG移動(橇裝)站的設(shè)備配置
主要包括20m3低溫臥式儲罐(采用真空粉末絕熱罐,設(shè)計壓力為1.2MPa,設(shè)計溫度為-196℃)、低溫潛液泵、卸車調(diào)飽和器等,設(shè)備之間采用真空絕熱管進行連接。根據(jù)功能,整個橇塊分為卸車區(qū)、儲存區(qū)、泵區(qū)和閥門操作區(qū)。管道連接在滿足應力要求的前提下,力求簡潔、美觀。考慮到儲罐的外形尺寸及運輸要求,橇的外形尺寸為12.0m×2.8m×3.0m。
橇裝站主要利用泵進行卸車,泵啟動前需要將槽車內(nèi)的LNG壓到泵殼內(nèi),以防止產(chǎn)生氣蝕。配置增壓器對槽車進行增壓。
電氣自控的作用是提供動力,控制安全運行。主要包括配電、動力線路、控制柜,可燃氣體報警等設(shè)備。
包括1臺LNG加氣機。
3. LNG移動(橇裝)站的消防方案
參照現(xiàn)行的《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(GB 50028—2006)和《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2006)中對LNG氣化站的消防要求,確定LNG橇裝站的消防方案。LNG橇裝站的規(guī)模為20m3,屬于總?cè)莘e<50m3且單罐容積≤20m3的LNG站場。
3.1 消防水系統(tǒng)
根據(jù)《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(GB 50028—2006)的規(guī)定,總?cè)莘e<50m3且單罐容積≤20m3的液化天然氣儲罐或儲罐區(qū)可單獨設(shè)置固定噴淋裝置或移動水槍,其消防用水量應按水槍用水量計算。因此,LNG橇裝站中的LNG儲罐單獨設(shè)置移動水槍!冻擎(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》(GB 50028—2006)規(guī)定,單罐容積≤50m3,水槍用水量為20L/s。因此,LNG橇裝站的消防用水量為20L/s。
根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB 50016—2006)的規(guī)定,當消防用水量≤25L/s時,可不設(shè)置消防水池。因此,LNG橇裝站不需要設(shè)置消防水池。
3.2 高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)
高倍數(shù)泡沫發(fā)生器采用壓力泡沫混合液驅(qū)動微型沖擊式水輪機作為動力,發(fā)生器自帶泡沫液罐和比例混合器。使用時接上水源,用吸液管從泡沫液桶中吸取泡沫原液,就可發(fā)泡。
移動(橇裝)站設(shè)置1臺PF4型水輪式移動高倍數(shù)泡沫發(fā)生器,作為移動式消防設(shè)施機動使用,能適用于不同位置的火災現(xiàn)場,靈活、快速地作出反應,迅速覆蓋泄漏的LNG。
3.3 化學消防器材等
設(shè)置8kg手提式干粉滅火器4臺。此外,多層復合滅火毯2塊,并配置鐵鍬、水桶等滅火工具。
4 . LNG移動(橇裝)站的安全技術(shù)
、 由于LNG橇裝站為工廠預制生產(chǎn),生產(chǎn)及檢驗過程可以得到有效的控制,故其總體質(zhì)量性能良好,安全性能有保障。
、 通過在易泄漏點(比如閥門操作區(qū)、儲罐接管處等),設(shè)置低溫報警裝置和可燃氣體泄漏報警裝置,對易泄漏點進行檢測和監(jiān)控[4]。一旦出現(xiàn)泄漏,報警器發(fā)出聲光報警,使工作人員在第一時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)泄漏點,從而確保及時采取安全措施。
③ 設(shè)置緊急切斷裝置,一旦監(jiān)控到異常情況,系統(tǒng)將自動緊急切斷,確保事故不會擴散和蔓延。
④ 對于橇裝站,一旦液體泄漏,如何控制事故的蔓延,將LNG控制在最小范圍內(nèi),是一個大問題。通過對LNG的特性、儲罐的結(jié)構(gòu)、輔助安全設(shè)施的分析,確定在儲罐接口下方設(shè)置集液槽,四周設(shè)置導流溝。通過集液槽和導流溝將泄漏的LNG引至設(shè)置在橇外側(cè)的集液池,再通過高倍數(shù)泡沫覆蓋,就可以將事故控制在最小范圍內(nèi)。這樣設(shè)置的具體原因如下:
a. LNG或低溫氣體(-110℃以下)的密度大于環(huán)境空氣密度,泄漏后向低洼處沉積。
b. 事故的多發(fā)位置一般在設(shè)備的接口處,這是由于設(shè)備的接口處焊接點多,易產(chǎn)生應力集中。事實上,國內(nèi)的幾起事故都發(fā)生在設(shè)備的接口處。
c. 集液池收集的泄漏的LNG很容易被高倍數(shù)泡沫覆蓋。
、 操作人員必須進行崗位培訓,持證上崗。
5. LNG移動(橇裝)站的適應性
在站址選擇、建站地區(qū)土建條件、建設(shè)期等方面均具有優(yōu)勢。在城市建成區(qū)內(nèi),可以做到易于選址,快速安裝。
、 橇裝站可以設(shè)置在建成的加油站中,采用油氣合建的形式。
② 移動(橇裝)站可以適應絕大部分的公交車停車場、調(diào)度場、高速公路服務區(qū)等場所。
③ 移動(橇裝)站特別適用于初期加氣車輛較少,建設(shè)期短,資金相對短缺而占地可以擴容的情況。在項目初期,由于加氣車輛較少,考慮采用橇裝站啟動。一旦加氣車輛達到飽和,只需把儲存橇移走,擴容成常規(guī)站,而電氣自控橇、加氣機橇可留下繼續(xù)為常規(guī)站服務。這樣可以取得更好的經(jīng)濟效益,更有利于項目的推廣。
三.LNG、L-CNG、CNG加氣站的比較
1 加氣站設(shè)備和造價
1) LNG加氣站
LNG加氣站是專門對LNG汽車加氣的加氣站,主要設(shè)備包括LNG儲罐、自增壓器、LNG加氣機等。
LNG儲罐是雙層壁真空絕熱容器,內(nèi)容器由奧氏體不銹鋼材料制成,外容器為碳鋼,中間絕熱層為膨脹珍珠巖并抽真空。這種儲罐絕熱性能好,蒸發(fā)損失低,有不同型號及規(guī)格的定型產(chǎn)品。加氣站可以方便地增加儲罐的數(shù)量以適應生產(chǎn)和需求的增長。自增壓器是加氣站內(nèi)輸送LNG的關(guān)鍵設(shè)備,主要作用是保證LNG儲罐內(nèi)有足夠的壓力來給LNG加氣機供應LNG。LNG加氣機是專門為LNG汽車制造的加氣計量裝置,可以直接計量、顯示充入車輛中的LNG的數(shù)量。其主要優(yōu)點是加氣速度快,一般可在3~5 min內(nèi)加氣完畢。
2) LNG加氣站工藝流程
①卸車流程。由加氣站LNG泵將LNG運輸槽車,或站內(nèi)儲罐的LNG卸至移動加氣站LNG儲罐。
、诩託饬鞒獭R苿蛹託庹綥NG儲罐內(nèi)LNG由LNG泵抽出,通過LNG加氣機向汽車加氣。
、蹆拚{(diào)壓流程。卸車完畢后,用LNG泵從儲罐內(nèi)抽出部分LNG通過LNG氣化器氣化且調(diào)壓后進入儲罐,當儲罐內(nèi)壓力達到設(shè)定值時停止氣化。
、軆扌秹毫鞒獭.攦迚毫Υ笥谠O(shè)定值時,安全閥打開,釋放儲罐中的氣體,降低壓力,以保證安全。
5) L-CNG加氣站
L-CNG加氣站是將LNG在站內(nèi)氣化后使之成為CNG,并對CNG汽車加氣的加氣站。這種加氣站需要的主要設(shè)備有LNG儲罐、LNG泵、氣化器、CNG儲氣瓶組和CNG加氣機、LNG高壓泵。其工藝流程為:用高壓LNG泵將LNG送人氣化器氣化后,通過順序控制盤將其儲存于高壓CNG儲氣瓶組內(nèi),當需要時通過CNG加氣機對CNG汽車進行計量加氣。其中LNG儲罐的作用與LNG加氣站中LNG儲罐的作用相同。
LNG高壓泵的主要作用是將LNG儲罐內(nèi)的LNG輸送至高壓氣化器進行氣化。它可以保證足夠的壓力而不再用壓縮機進行壓縮。高壓氣化器的作用是將LNG轉(zhuǎn)化為CNG。它的主要形式有3種:開架式氣化器、浸沒式氣化器和中間媒體式氣化器,其中最為常用的是開架式氣化器。
順序控制盤的主要作用是對經(jīng)過高壓氣化器氣化后流人儲氣瓶組和加氣時由儲氣瓶組流入加氣機的氣體進行分配,以使其效率達到最高。根據(jù)經(jīng)驗,可以對加氣站的高壓儲氣裝置采用編組的方法以提高加氣效率。具體方法是:將儲氣瓶按1:2:3的容積比例分為高、中、低壓3組,當高壓氣化器向儲氣瓶組充氣時,應按高、中、低壓的順序進行;當儲氣瓶組向汽車加氣時,則相反,應按低、中、高壓的順序進行。這些工作都是通過順序控制盤來完成的。
如果想在L-CNG加氣站內(nèi)對LNG用戶供氣,則只需要增加1臺LNG加氣機和1套LNG管道即可,其增加的造價約30萬元。因此在LNG和CNG用戶均存在的情況下可以建立LNG和L-CNG聯(lián)合加氣站。
幾種移動式天然氣加氣站的設(shè)備比較:
四. 青島匯森石油天然氣有限公司----移動式CNG加氣站的介紹
6. 移動式CNG加氣站的構(gòu)成
1) 集裝箱車頭和拖盤
2)加氣站橇體由三個部分組合而成
、20英尺貯氣槽集裝箱:瓶組式(國產(chǎn))內(nèi)裝有144只CNG氣瓶,可貯20Mpa壓力CNG氣體,充裝氣體總量3000NM3,集裝箱外形尺寸6058×2438×2591mm(長×寬×高)。
⑵1972×2438×2591mm,裝有程序控制系統(tǒng)和氣體增壓器。
、1972×2438×2591mm,裝有一臺雙槍CNG加氣機。以及拉出式斜梯。
3)工作原理
、臗NG移動式加氣站首先在CNG母站充滿3000m3的天然氣,貯氣槽車內(nèi)裝有充氣柱接口和壓力控制系統(tǒng)。
、艭NG移動式加氣站可以開往公交車停車場、較為空曠的野外、道路旁、停車場和加油站等處,設(shè)置好安全警示,便可以開始為用戶服務。
、钱敿託鈾C和需加氣汽車連通后,三組高壓瓶組中的一組開始依靠自身貯氣壓力為汽車快速充氣,充氣時間約3~5分鐘,汽車充氣壓力20Mpa。
[4]當三組貯氣瓶組中的一組充氣壓力低于20Mpa時,程序控制系統(tǒng)將自動切換三組氣瓶為汽車的充氣順序,先低壓瓶組為汽車充氣,充氣壓力不足20Mpa時,自動切換到另外二組氣瓶補足充氣。
[5]當貯氣瓶組低壓一組的壓力低于5Mpa時,增壓器利用汽車動力驅(qū)動開始工作,將低壓瓶組的剩余氣體倒換到高壓瓶組中,其作用是將自身壓力太低,無法依靠瓶中貯氣壓力為汽車充氣的剩余氣體倒換到高壓瓶組中,盡量將3000 NM3氣體能夠最大限度的加入需充氣的汽車。
[6]增壓器將三組中的二組低壓氣順序倒入最后一組高壓瓶中,三組氣瓶的剩余壓力最后分別為0.3,0.3和2Mpa。
[7]由于最后瓶組只有少量剩余氣體,所以幾乎可以將90%的氣體盡可能多的加到需要充氣的汽車上,減少了移動式加氣站自己往返充氣的次數(shù)。
4)特點
[1]增壓器由汽車動力驅(qū)動,不需外供動力,增加了移動式加氣站的靈活性,適應性和減少了能量消耗。
[2]由標準集裝箱模塊組成,便于專業(yè)化生產(chǎn)。
[3]減少了固定式加氣站所需的大量投資,只是相同規(guī)模加氣站投資的三分之一到五分之一。
[4]特別適合城市、油田等各種特殊場合應用。
5) 設(shè)計條件
[1]車載氣量為3000立方米/次。
[2]加氣負荷均勻分布,可以根據(jù)加氣站的加注能力進行調(diào)度;
[3]加氣站每日操作時間為16小時;
先通過儲氣瓶加氣,當高壓儲氣瓶不能滿足加氣要求時,通過PLC控制,啟動高壓旁通管路,采用增壓器直接給汽車加氣,當車輛停止加氣時,通過PLC控制,由增壓器給儲氣瓶補氣。在此操作工況中,系統(tǒng)優(yōu)先權(quán)是給加氣車輛,也就是說當存在加氣車輛時,總是先"加氣后補氣"。這種操作工況的優(yōu)點是對加氣車輛調(diào)度的要求不高,加氣靈活性好。
五.LNG/LCNG/CNG加氣站運行費用比較
在建站規(guī)模相同的情況下(均為1×104 m3/d),3種加氣站的造價差別很大。LNG加氣站造價較低,僅為CNG加氣站的30%左右。L-CNG加氣站的造價也僅為CNG加氣站的48%左右。
1. 運行費用
由于L—CNG加氣站比LNG加氣站增加了部分設(shè)備,從而使其工藝流程較為復雜,增加了動力設(shè)備及高壓管道,因而增加了管理和維修量,各方面的運行費用也隨之增加。
CNG加氣站的設(shè)備應用廣泛,工藝流程復雜,且動力設(shè)備多,高壓管道轉(zhuǎn)多,從而使其管理和維護都比較困難,其運行成本將有較大增加。
LNG加氣站的設(shè)備少,工藝流程簡單,動力設(shè)備少且?guī)缀鯖]有高壓管道,因而維修量很小。加氣規(guī)模為1×104 m3/d的LNG,LCNG和CNG加氣站的年運行成本概算(原料氣除外)見下表。
2. 天然氣進站價格對運行費用的影響
由于原料氣的費用一般要占到其運行總費用的80%~90%,故原料氣的進站價格將對加氣站的年運行費用產(chǎn)生很大影響。在同一地域,加氣站對外供氣價格應該近似等同。由于加氣站所處地域及距不同氣源的距離不同,不同類型的加氣站的天然氣進站價格將有很大變化。在其他費用變化不大的情況下,天然氣進站價格對加氣站總的運行費用的影響很大。
六. 結(jié)束語
為加快加氣站的建設(shè)和降低建站成本,國內(nèi)外正大力推廣建設(shè)移動(撬裝)式LNG,LCNG和CNG 加氣站。它作為新型加氣站的一種,盡管目前才剛起步,規(guī)范和標準還不很健全,但隨著我國天然氣工業(yè)的快速發(fā)展,這種具有較多優(yōu)勢的加氣站必將得到快速發(fā)展。
① 從占地面積、造價和安全性方面考慮,LNG加氣站優(yōu)于CNG加氣站,L-CNG加氣站介于二者之間。
② 當LNG加氣站的原料氣進站價格比CNG加氣站的原料氣進站價格高出值在一定范圍內(nèi)(加氣規(guī)模為1×104 m3/d時,約為0.151 元/m3)時,LNG加氣站的年總運行費用要低于CNG加氣站。而L-CNG加氣站與CNG加氣站的原料氣進站價格差(加氣規(guī)模同樣為1×104 m3/d時)約為0.094 元/m3。這樣可以根據(jù)加氣站建設(shè)地點的不同天然氣進站價格來決定建站方式。當LNG加氣站的原料氣進站價格比CNG加氣站的原料氣進站價格高出的值在0.151 元/m3以下時,建設(shè)LNG加氣站是合理的。
、 根據(jù)目前燃氣汽車中CNG汽車占有量比較大的實際情況,可以建設(shè)LNG與L-CNG聯(lián)合加氣站,以方便向LNG汽車加氣站過渡。