CNG、LNG、调峰三站合一系统解决方案

    一、前言

     人们所说的非常规天然气，一般指页岩众所周知，  燃油汽车尾气已成为城市大气的主要污染源，从环境 保护和发展替代能源的战略考虑，我国从80年代起 开始积极推动清洁能源汽车的坟术研究和产业发展，目前取得了丰硕的成果，天然气汽车、电动汽车、燃料电池汽车等都已进入试用、推广及规模应用等阶段。   

    就天然气汽车而言，目前压缩天然气(cNG)汽车已在全国广泛使用，不少城市在政府的政策支持下，公交车和出租车已全部改用CNG作为燃料，为降低城市大气污染做出了重大贡献。但由于CNG是气态，在有限的车载容器中存储量有限，以出租车为例，一般每台车一次加气量不超过12m3，运行距离不超过200公里，导致CNG汽车加气需求频繁，对城市加气站的

建设数量要求较多，限制了CNG汽车的进一步发展。近几年，随着液化天然气技术的发展，从海外进口LNG和国内LNG工厂的建设，使得LNG产品得到有效供应。

    LNG与CNG相比有以下几点优势：①LNG比CNG的压缩比高3倍多，即同样容积的容器中，使用LNG的汽车比使用CNG的汽车在运距上高3倍多；②LNG为低温低压，不像CNG处于高压状态，危险性相对较小；③LNG比CNG更加纯净。

    所以研究LNG汽车也成为满足市场需求和环保要求的必然选择，并且目前已经取得了长足的发展，在贵阳、乌鲁木齐和北京，使用LNG作为燃料的公交车已形成一定规模。另外，LNG汽车技术的发展对中长距离的客运、货运汽车及船只使用天然气作为燃料成为可能，由此可创造出一个巨大的LNG应用市场。

无论是CNG汽车还是LNG汽车都需要天然气加注站，目前使用的主要有以下形式：

    1．CNG母站

该类加气站使用长输高压管道燃气或城市中压管道燃气作为气源，按照CNG产品标准要求进行脱硫、脱水后，通过CNG压缩机压缩至25Mpa，并通过CNG加气柱向CNG瓶组拖车充气，并由CNG瓶组拖车配送到CNG子站、偏远城镇管网、工业用户等处作为天然气气源，常规CNG瓶组一次有效配送量为4000Nm³左右  

    该类加气站一般使用城市中压管道气作为气源，工艺及设备配置基本与CNG母站相同，只是处理规模相对较小，是通过CNG加气机向天然气汽车直接进行加气。

    3．CNG子站

    该类加气站一般建于没有管道燃气的边远城镇，使用CNG瓶组车配送的CNG作为气源，CNG瓶组车到达子站后，通过卸气柱、CNG压缩机和CNG加气机向CNG汽车进行加注。

    4．L—CNG力口气站

    该类加气站使用LNG作为气源，通过低温高压泵将LNG增压至20Mpa，通过汽化器气化后，由CNG加气机向CNG汽车进行加注。

    5．LNG加注站

    该类加气站使用LNG作为气源，由低温泵适当增压，通过LNG加注机直接向LNG汽车进行加注。

    在中国各大城市及周边地区，CNG母站、CNG标准站和CNG子站已普遍使用，据不完全统计，已建站和规划新建站数量合计超过10000座，但是由于气源供应不足和站内设备调峰能力有限，CNG标准站普遍存在的问题是在高峰期时缺少充足的气源为汽车加气，而导致来加气的汽车长时间排队，影响了城市交通和营运车辆的经济效益，为此不少城市限制了非公交车辆油改气的数量，进而限制了清洁能源汽车的使用范围。

  三、关于建设CNG、LNG、调峰混合站的方案介绍

    在对天然气加气站运行特点和国内外LNG技术的调研后，我们提出了利用设备共享和设备撬装，建设CNG、LNG、调峰混合站的方案，即在同一站内，利用CNG现有生产模式，通过增加部分LNG设施，实现CNG和LNG的联产，可同时对CNG汽车和LNG汽车进行充装，并且由于LNG便于储存，在加气站加气低峰期时，将天然气进行液化存储，不仅可以作为高峰期运行时的调峰气源，还可以作为优质气源向工业用户、偏远城镇的燃气管网、加气子站等进行配送，从而扩大了天然气最为清洁燃料的使用范围。另外，由于该系统的模块化、撬装化设计，使得该系统机动性很强，非常适用于油气田放空天然气回收j煤层气放空回收、沼气回收等其它气源市场，具有较高的节能减排经济效益和社会效益。

    CNG、LNG、调峰混合站的工艺原理框图如图l：

    1．工作原理说明

    下面论述以气源为城市管道天然气为例，可推广至油气田放空天然气、煤层气、沼气等其它气源领域。

    一般情况下，管道燃气通过CNG预处理、CNG压缩机、CNG加气机等主要工艺设备直接向CNG汽车进行加气。当管道燃气使用有富裕时，如CNG低峰运行期间，或者是根据市场需求，需要进行LNG生产时，可将部分管道燃气引进LNG预处理装置，达到LNG生产气质要求时，利用空闲的CNG压缩机进行增压，通过LNG预冷撬和LNG液化撬将天然气进行液化，并储存在LNG储罐撬内，根据需要，可通过L—CNG撬将LNG转化为CNG后，由CNG加气机进行加注，也可以通过LNG加注机直接向LNG汽车或LNG槽车进行加注，LNG槽车可将LNG配送到需要的地方。

    2．主要工艺设备简介

    (1)CNG预处理设备

    CNG预处理设备包括脱硫设备和脱水设备，预处理深度达到硫化氢含量低于每标方15mg、常压水露点低于一55⁰C，该类设备为目前CNG加气站的标准配置。

  (2)LNG预处理设备

  由于LNG为深冷液化，对气质中的含硫量、含碳量和含水量的要求比CNG要严格，故新设LNG预处理装置，预处理深度达到含硫量低于5ppm、二氧化碳含量低于50ppm、常压水露点低于一1000C。目前此类脱硫脱碳的工艺主要为醇胺法，不容易实现整体撬装，但随着技术和工艺的发展，实现整体撬装还是有可能的。

    (3)CNG压缩机

    CNG压缩机为成熟产品，一般加气站根据加气规模配置多台，出口压力设计为25MPa，本方案利用空闲时的CNG压缩机对经过LNG预处理后的天然气进行增压，经稳压至20MPa后进入LNG预冷撬。

    (4)LNG预冷撬

    本方案液化部分工艺原理为将高压天然气经过膨胀制冷进行液化，为补充冷量，新设LNG预冷撬，通过冷量回收和制冷机将天然气温度降至一70⁰C。

    (5)LNG液化撬

    LNG液化撬将20MPa、一70~C的天然气经过膨胀制冷，使得天然气在0．4MPa、一145~C的条件下进行液化。该撬内使用的膨胀制冷部件为俄罗斯的专利技术一引射器，在进行节流膨胀的同时，可将未液化的部分低压气白吸回引射器进行膨胀，制冷效率较高，单个LNG液化撬的设计生产规模一般为1～10×104Nm³

    (6)LNG储罐撬

  从LNG液化撬中产生的LNG送入LNG储罐撬，根据上游供给量、下游消耗量以及场地大小等实际情况可灵活选择LNG储罐撬的规格。

    (7)L-CNG撬

    L-CNG撬由低温高压泵和汽化器组成，可将LNG增压气化成CNG，并通过CNG加气机对车辆进行加气。

  (8)自动控制系统

  本方案需要配置高性能的自动控制系统，主要实现生产过程中各工艺设备参数的精确监控、出于安全考虑的连锁保护以及生产切换和启停的连锁控制等功能，如果条件具备，还可将生产自动化与管理信息化结合起来，实现销售管理、远程诊断、物流管理、成本管理、绩效管理等功能。

  3．该方案的特点

  ①在同一站内可实现CNG和LNG的生产和加注，提高了气源的利用率和产品的覆盖范围，解决了调峰问题，并且可根据上游供应和下游消费市场的变化灵活调整CNG和LNG的产量；

②工艺流程简单，操作维护方便，并且该工艺及配备设备方便用户根据实际情况灵活选择启动与停止LNG的生产过程，LNG冷态启动时间为20分钟左右；

    ③大部分工艺设备和辅助工程可在CNG和LNG生产中共用，提高了设备及工程的使用效率及减少了一次性投资；

    ④所有设备均为成熟产品，有应用业绩，并且绝大部分可实现车载撬装化，对设备的占地、安装、调试和搬迁极为有利；

    ⑤LNG运行成本较低，能耗不高于单方0．5度电；

    ⑥L-CNG撬根据需要还可进行冷量综合利用，提高能源利用效率。

  四、CNG站、LNG站、调峰站及三站合一对比分析

    表l为CNG站、LNG站、调峰站及三站合一对比分析，对比以日处理5万方城市管道天然气为例，价格为估算值。

表1  GNG站、LNG站、调峰站及三站合一对比

 

五、结语