LNG汽车具有经济、安全、环保、方便、机动等优势,是天然气汽车的发展方向,也是城市规模化发展天然气汽车的理想途径。测试数据显示:公交车使用LNG燃料,尾气综合排放与燃油车辆相比可下降80%。据统计,城市大气环境污染60%来自机动车的尾气,发展LNG汽车、建设LNG汽车加气站是治理机动车辆排放污染,改善大气环境质量的有效举措。
LNG橇装汽车加气站是将LNG低温储罐、加气机、低温泵、卸车增压器、储罐增压器、管道、控制阀门等设备在制造厂集中固定安装在一个橇块上,具有高度集成、安装简便、机动灵活、安全可靠、操作方便等特点,主要用于LNG汽车加气项目推广和其他小规模客户开发。LNG橇装汽车加气站的技术和建设在我国处于发展阶段,本文以某公交站场的LNG橇装汽车加气站为例,对典型的LNG橇装汽车加气站的工艺流程与设备选型进行分析。
1技术规范与技术参数
1.1 技术规范
目前,国内尚未发布专门针对LNG汽车加气站的设计、施工和验收规范。在长沙、贵阳等市的LNG汽车加气站示范项目的设计中,采用控制自身安全性作为设计原则,在保证工艺和设备技术安全可靠的前提下,吸取国外设计理念,在征得消防等有关部门同意后,采用美国消防协会《液化天然气 (LNG)车辆燃料系统规范》NFPA 57标准。目前,各地实际执行NFPA 57标准有很大难度,需要政府主管部门大力支持口’。除《液化天然气(LNG)车辆
燃料系统规范》NFPA 57外,其他需要遵循的主要标
准规范如下。
①《汽车加油加气站设计与施工规范》(2006年版)GB 50156--2002
②《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》GB/T 20368--2006
③《建筑物防雷设计规范》(2000年版)GB50057--94
④《建筑设计防火规范》GB 50016--2006
⑤《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB 50058--92
⑥ 《化工企业静电接地设计规范》HG/T20675·--——1990
1.2技术参数
①设计规模
a.某公交站场计划一期投运LNG汽车数量为100辆,二期发展到200辆,根据其LNG汽擎隋况进行LNG橇装站设计。经测算,每辆车天然气耗量约为90 m3/d,则200辆LNG公交车每天需要加天然气18 000 m’,因此该LNG橇装汽车加气站的设计规模确定为20 000 m3/d。
b.LNG的储存容积按下式计算:
式中V——储存容积,m3
t——储存时间,d
Qr——平均日用气量,kg/d
p。——最高工作温度下的液化天然气密度,
kg/m3
0b——最高工作温度下的储罐允许充装率
根据气源的情况,并综合考虑加气速度、LNG汽车数量、卸车时间等因素,确定储存时间为1 d。经计算,该站LNG储存容积为43.68 m。。因此,取该站的储存规模为50 m3,设置1台容积为50 m3储罐的LNG转运橇。
②设计压力
根据LNG车辆发动机的工作压力,确定LNG橇装汽车加气站的系统工作压力为0.45~0.80
MPa,LNG储罐的设计压力为1.2 MPa。
③设计温度
因为工作介质为饱和液体,根据压力确定系统工作时的最低温度为一146℃,系统的设计温度为一196℃。
2工艺流程
LNG橇装汽车加气站与LNG固定式汽车加气站工艺流程相同,分为卸车流程、升压流程、加气流程以及卸压流程等4部分。
2.1 卸车流程
把集装箱或槽车内的LNG卸至LNG橇装汽车加气站的储罐内,使LNG经过泵从储罐上进液管进入LNG储罐。卸车有3种方式:增压器卸车、泵卸车、增压器和泵联合卸车。
①增压器卸车
通过卸车增压器将气化后的气态天然气送人LNG槽车,增大槽车的气相压力,将槽车内的LNG压人LNG储罐。此过程给槽车增压,所以卸完车后需要给槽车降压,每卸1辆车排出的气体量约为180 m3。
②泵卸车
将LNG槽车和LNG储罐的气相空间连通,通过LNG低温泵将槽车内的LNG卸入LNG储罐。
③增压器和泵联合卸车 先将LNG槽车和LNG储罐的气相空间连通,然后断开,在卸车的过程中通过增压器增大槽车的气相压力,用泵将槽车内的LNG卸入储罐,卸完车后需要给槽车降压。
第①种卸车方式的优点是节约电能,工艺流程简单,缺点是产生较多的放空气体,卸车时间较长;第②种卸车方式的优点是不产生放空气体,工艺流程简单,缺点是耗电能;第③种卸车方式优点是卸车时间较短,耗电量小于第②种,缺点是工艺流程较复杂。综合各种因素,本项目采用第③种方式卸车。
2.2升压流程
LNG的汽车发动机需要车载气瓶内液体压力较高,一般为O.45~0.80 MPa,而运输和储存需要LNG液体压力越低越好。所以在给汽车加气之前须对储罐中的LNG进行升压升温。LNG橇装汽车加气站储罐升压的目的是得到一定压力的饱和液体,在升压的同时饱和温度相应升高。LNG橇装汽车加气站的升压采用下进气方式,升压方式有2种:一种是通过增压器升压,另.一种是通过增压器与泵联合使用进行升压。第一种方式优点是不耗电能,缺点是升压时间长,理论计算需要逾5 h。第二种方式优点是升压时间短,减少放空损失,缺点是需要电 耗。本项目采用第二种方式,并且加大增压器的传 热面积,大大缩短升压时间,一般需要逾1 h,从而确保加气时间。
2.3加气流程
LNG橇装汽车加气站储罐中的饱和液体LNG通过泵加压后经过计量由加气设备给汽车加气。车载储气瓶为上进液喷淋式,加进去的LNG直接吸收车载气瓶内气体的热量,使瓶内压力降低,减少放空气体,并提高了加气速度。
2.4卸压流程
当系统压力大于设定值时,系统中的安全阀打开,释放系统中的气体,降低压力,保证系统安全。
通过对目前国内外先进工艺的LNG汽车加气站的调查了解,正常工作状态下,系统的放空与操作过程和流程设计有很大关系。操作和设计过程中尽量减少使用增压器。操作过程中如果需要给储罐增压时,应该在车辆加气前2 h,根据储罐LNG压力情况进行增压,不宜在卸完车后立即增压。
3主要设备选型
本项目的主要工艺设备为LNG转运橇。LNG转运橇上布置l台容积为50 m。的卧式低温储罐、2台加气机、l台低温泵、l台卸车增压器和1台储罐增压器,其中低温泵采用进口设备。以上这些设备通过管道连接,在制造厂集中固定在一个橇块上。
①LNG储罐
LNG储罐按围护结构的隔热方式分类,有以下
a.真空粉末隔热
隔热方式为夹层抽真空,填充粉末(珠光砂),常用于小型LNG储罐。真空粉末绝热储罐由于其生产技术与液氧、液氮等储罐基本一样,因而目前国内生产厂家的制造技术也很成熟,运行维护也相对方便、灵活,目前气化站使用较多。
b.正压堆积隔热
采用绝热材料,夹层通氮气,绝热层通常较厚,广泛应用于大中型LNG储罐和储槽。通常用于立式LNG子母式储罐。
c.高真空多层隔热
采用高真空多层缠绕隔热,多用于槽车储罐和LNG汽车加气站储罐。
该站的LNG储存量不大,保冷性能要求较高,因此选用高真空多层缠绕绝热储罐。根据LNG储存量,并考虑到橇装设备的运输方便性,LNG转运橇选用50 m。的卧式储罐。LNG储罐设液位计、差压变送器、压力变送器、温度变送器、压力表各1只.以实现对储罐内LNG液位、温度、压力的现场指示及远程控制。罐体顶部设安全防爆装置,下部设夹层抽接口及温度测试口。根据系统的工作压力,并考虑经济性,确定储罐内罐的设计压力为1.2 MPa.外罐设计压力为一0.1 MPa。设计参数见表l。
表1 LNG储罐技术参数
型式
|
卧式圆筒形、
高真空多层缠绕绝热储罐 |
有效容积/m3 |
50 |
充装率/% |
90 |
内罐的工作温度/℃ |
一146 |
外罐的工作温度℃ |
环境温度 |
内罐的设计温度/℃ |
一196 |
外罐的设计温度/℃ |
一19~50 |
内罐的材质 |
0Crl8Ni9 |
外罐的材质 |
16MnR |
内罐设计压力/MPa |
1.2 |
外罐设计压力/MPa |
一0.1 |
内罐工作压力/MPa |
O.45~0.80 |
外罐工作压力/MPa |
一0.1 |
蒸发率/% |
≤0.2 |
2LNG低温泵0C
国内LNG汽车加气站的设备技术发展较晚,目前国内已建成的LNG汽车加气站投入使用的LNG低温泵均采用国外进口泵。LNG低温泵的流量根据汽车加气站的设计规模及加气机的流量选定,本项目LNG低温泵的设计流量为0~320 IVmin。对LNG低温泵进行选型,主要参数见表2。
③卸车增压器
卸车增压器是完成卸车的设备之一,选用空温式换热器,增压器借助于列管外的空气给热,使管内LNG升高温度并气化。空温式换热器使用空气作为热源,节约能源,运行费用低。本项目选用处理量为200 m3/h的卸车增压器1台,其主要工艺参数见
表3。
④加气机
加气机是给车载LNG气瓶加气和计量的设备,主要包括流量计和加气设备。流量计是计量设备,采用质量流量计,具有温度补偿功能。加气设备是给车载LNG气瓶加气的快装接头,本项目选用流量为0.15 m3/min的加气设备,加气机主要参数见表4。
⑤储罐增压器
储罐增压器是完成储罐升压升温的设备之一,
选用空温式换热器,其设计参数计算及设备选型与
卸车增压器相同。
表2 LNG低温泵技术参数
工作温度/℃ |
一146 |
设计温度/oC |
一196 |
设计流量/(L·min。) |
0—320 |
设计扬程/m |
220 |
****扬程/m |
255 |
转速范围/(r·rain。) |
1 500~6 000 |
所需进口净正压头/m |
0.7~3.0 |
表3卸车增压器主要工艺参数
单台处理量/(M3·h。) |
200 |
进口温度/℃ |
≥一162 |
出口温度/℃ |
>一146 |
最高工作压力/MPa |
0.8 |
设计压力/MPa |
1.6 |
设计温度/℃ |
一196 |
表4加气机主要参数
最小喷嘴压力/MPa |
0.41 |
流量/(M3·min。) |
0.15 |
喉管配置 |
单管计量 |
计量精度/% |
±0.5 |
工作温度/℃ |
一146 |
设计温度/℃ |
一196 |
4 结语
各地可在LNG资源落实的情况下,通用LNG橇装汽车加气站的建设,快速推动LNG汽车的应用,为改善城市空气质量,促进城市经济和建设的可持续发展,为建设资源节约型、环境友好型社会作出积极贡献。