LNG/L-CNG汽車加氣站工藝設計探討

摘要

探討LNG ／L-CNG 汽車加氣站工藝設計的注意事項及解決方法，包括：合理確定出頂面標高，減少BOG 放散量，回氣管道設計，調飽和流程設置，集中放散管設計。

摘　要：探討LNG／L-CNG汽車加氣站工藝設計的注意事項及解決方法，包括：合理確定出頂面標高，減少BOG放散量，回氣管道設計，調飽和流程設置，集中放散管設計。

關鍵詞：液化天然氣加氣站；壓縮天然氣加氣站；LNG／L—CNG加氣站；調飽和流程

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

燃油汽車是空氣污染的重要影響因素，隨著國家對空氣環境質量改善力度的加大，清潔燃料的天然氣汽車得到了飛速發展。因此，天然氣汽車加氣站的建設近幾年在各城市迅速展開。LNG／L-CNG汽車加氣站(以下簡稱LNG／L-CNG加氣站)是天然氣汽車加氣站的一種類型，它可以同時為LNG汽車、CNG汽車提供加氣服務，且儲存量大，因此得到大力推廣和建設。LNG／L-CNG加氣站設計的主要依據為GB 50156—2012《汽車加油加氣站設計與施工規范》(2014年版，以下簡稱GB 50156—2012)。

LNG／L-CNG加氣站氣源為LNG，由于LNG為低溫液體，在進行LNG／L-CNG加氣站工藝設計時，需要特別注意介質的低溫液體特性。

2　合理確定LNG儲罐基礎頂面標高

LNG／L-CNG加氣站可以為LNG汽車、CNG汽車加氣。LNG儲罐內LNG通過潛液泵(含泵池)、LNG加氣機為LNG汽車加氣；LNG儲罐內LNG通過LNG柱塞泵(LNG加壓至25MPa)、高壓氣化器、CNG加氣機為CNG汽車加氣。

LNG／L-CNG加氣站儲罐區內主要設備包括LNG儲罐(立式或臥式)、LNG潛液泵(含泵池)、LNG柱塞泵、儲罐增壓器(兼作卸車增壓器)。GB 50156--2012第9.1.3條規定，“防護堤內地面應至少低于周邊地面0.1m，防護堤頂面應至少高出堤內地面0.8m，且應至少高出堤外地面0.4m。”此條內容僅對防護堤內、外地面與防護堤的頂面高度做出規定，對儲罐區內各設備基礎高度并未提出相關要求。在進行儲罐區設計時，除滿足規范相關條文要求外，另需特別注意潛液泵入口氣蝕余量的要求，合理確定LNG儲罐基礎頂面標高。

LNG儲罐基礎頂面標高主要由設計選擇的潛液泵所要求的氣蝕余量確定。潛液泵在工作時，液體在葉輪的進口處因在一定真空壓力下會氣化產生氣泡，葉輪因氣泡的產生被液體撞擊，表面產生剝蝕，即氣蝕，葉輪因受到氣蝕而失效。為避免氣蝕，在LNG／L-CNG加氣站設計時，潛液泵的進液口與LNG儲罐內LNG最低液位之間的高差，要滿足潛液泵氣蝕余量要求。不同廠家生產的潛液泵對氣蝕余量的要求不同，因此，對儲罐基礎頂面標高要求也就不同。設計時，工藝設計人員需要與業主選定的潛液泵廠家就選用的潛液泵氣蝕余量要求進行充分溝通，以便給土建專業提出合理的LNG儲罐基礎頂面標高條件。

3　工藝設計要盡量減少BOG的放散量

①在進行工藝管道保冷設計時，不僅需要對LNG介質管道進行保冷，站內所有回氣管道(即BOG管道)亦需保冷，以減小BOG帶入的熱量，從而減緩LNG儲罐內介質溫度的升高。

②在進行站內LNG介質管道布置時，LNG管道要盡量短捷、平直，并盡量減少彎頭等增加局部阻力的管件。

③當儲罐內的LNG儲存時間較長(3～7d)，由于自然的熱量傳遞，會產生較多的BOG。此時可以通過技術經濟比較，對BOG氣體進行回收利用。

a．若LNG／L-CNG加氣站附近有市政天然氣管網，可以將LNG／L-CNG加氣站產生的BOG經BOG加熱器加熱、BOG調壓裝置調壓后輸送至附近的市政天然氣管網。

b．LNG／L-CNG加氣站產生的BOG可以供給站內燃氣熱水爐等燃氣設備自用，此回收方法需要在站內設置BOG加熱器、BOG儲罐及調壓裝置。

c．LNG／L-CNG加氣站產生的BOG采用壓縮工藝，選擇參數符合要求的BOG壓縮機，將站內產生的BOG升壓至25MPa，壓縮機出口管道接至L-CNG加氣站流程中的順序控制盤進氣管道，用于CNG車輛加氣。

4　回氣管道設計注意事項

LNG／L-CNG加氣站回氣流程主要包括LNG潛液泵回氣、LNG柱塞泵回氣及LNG加氣機回氣。在進行LNG／L-CNG加氣站回氣管道設計時，需要注意以下事項：

①LNG潛液泵、LNG柱塞泵運行時的順暢回氣，是LNG／L-CNG加氣站順利運行的重要保證之一。為保證泵內產生的BOG能夠有效排到LNG儲罐的氣相空間，在進行回氣管道設計時，從泵出口至LNG儲罐氣相接口之間的回氣管道應有不小于1％的坡度，分別坡向LNG潛液泵、LNG柱塞泵，并且回氣管道不得有“?”、“?”形彎出現。

②由于LNG柱塞泵回氣壓力與LNG潛液泵回氣壓力不同，為避免在運行時柱塞泵回氣與潛液泵回氣相互產生影響，在進行LNG／L-CNG加氣站回氣流程設計時，柱塞泵回氣管道與潛液泵回氣管道不要接入LNG儲罐同一氣相口。

5　調飽和流程設置分析

5.1　需要設置調飽和流程情況分析

早期改裝的LNG汽車要求車載氣瓶中的LNG壓力較高，一般為0.6～0.8MPa，而LNG加氣站中LNG儲罐內儲存的LNG壓力約為0.4～0.6MPa。

LNG飽和壓力(絕對壓力)、密度隨溫度的變化見圖1，由圖1可知：

①在給定溫度下，LNG對應一定的飽和壓力；不同溫度下，LNG的飽和壓力不同。

②LNG溫度越高，LNG對應的飽和壓力越高，密度越小。

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為此，LNG加氣站在為LNG汽車加氣前，需要先將LNG儲罐內的LNG升溫，使儲罐內的LNG溫度升至壓力為0.6～0.8 MPa下的飽和溫度后，再為LNG汽車加氣，以滿足LNG汽車對LNG的要求。此過程即為LNG加氣站調飽和流程。

調飽和的方式通常有2種，第一種采用飽和壓力調節器調飽和，第二種采用飽和壓力調節器和LNG潛液泵低速循環聯合調飽和。第一種調飽和方式不消耗動力，但調飽和時間較長；第二種調飽和方式由于需要LNG潛液泵低速運行，故消耗動力，但調飽和時間短。這2種調飽和方式各有優缺點，應根據工程的實際需要選用。通常采取聯合調飽和方式進行調飽和。

飽和壓力調節器調飽和方式：飽和壓力調節器為空溫式加熱器，儲罐內的LNG在重力作用下流入飽和壓力調節器，LNG因吸收空氣中的熱量而升溫，吸收熱量后的LNG進入儲罐。如此循環，直至儲罐內的LNG溫度升至壓力為0.6～0.8MPa下的飽和溫度后，再為LNG汽車加氣。飽和壓力調節器調飽和方式流程見圖2。

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聯合調飽和方式：儲罐內的LNG通過LNG潛液泵低速運轉注入飽和壓力調節器，使流經飽和壓力調節器的LNG因吸收空氣中的熱量而升溫，進入儲罐。如此循環，直至儲罐內的LNG溫度升至壓力為0.6～0.8MPa下的飽和溫度后，再為LNG汽車加氣。飽和壓力調節器和LNG潛液泵低速循環聯合調飽和方式流程見圖3。

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LNG加氣站設置調飽和流程的技術路線與國內已經投入使用的LNG汽車相匹配。由于調飽和過程使儲罐內的LNG溫度升高，致使儲罐內BOG增多，儲罐壓力增大。當儲罐壓力大于設定值時，BOG就要釋放掉，以保證儲罐的安全。雖然通常在設計中會考慮BOG的回收利用，但在實際建設中采取BOG回收措施的加氣站并不多，這對LNG加氣站在經濟方面的影響比較大，增加了LNG加氣站的運行成本。

5.2　不需設置調飽和流程情況分析[1-2]

隨著LNG汽車車載氣瓶技術的不斷改進，研發出了LNG汽車自增壓系統，LNG汽車通過自增壓系統，使LNG達到天然氣發動機正常運轉需要的壓力。因此，給此類LNG汽車加氣時不需要在LNG加氣站內進行調飽和。取消調飽和過程可以大大減少BOG的放散量，提高LNG加氣站的經濟效益。

LNG加氣站不設置調飽和流程的技術路線是今后LNG加氣站的發展方向，有廣闊的發展前景。從近幾年的實際運行情況可以看出，LNG加氣站不設置調飽和流程的技術路線，解決了BOG損失大的問題，提高了LNG加氣站的經濟效益。

5.3　調飽和流程設置情況分析

通過以上分析，在進行LNG／L-CNG加氣站設計的前期方案確定時，必須進行充分的市場調研，了解所設計的LNG／L-CNG加氣站供氣的LNG車輛對LNG的需求，根據需求確定所設計的LNG／L-CNG加氣站是否設置調飽和流程，以避免設計冗余或不滿足市場需求情況出現。

6　 LNG加氣站集中放散管設計

①規定

放散管是LNG加氣站內的一個重要的安全設施。GB 50156--2012第9．4．6條對天然氣放散明確規定：“放散管管口應高出LNG儲罐及以管口為中心半徑12m范圍內的建(構)筑物2m及以上，且距地面不應小于5m。”

在LNG加氣站總平面設計時，經常受站址平面條件的限制，放散管很難找到合適的位置進行布置。如果LNG加氣站內設置臥式LNG儲罐，放散管的高度不會太高，一般放散管的設計難度不大。如果LNG加氣站內設置立式LNG儲罐，放散管的設計則需仔細斟酌。

②實例分析

以設置60m3立式LNG儲罐的加氣站為例，60m3立式LNG儲罐高度約13m，放散管高度就要高出地面約15m(若以放散管管口為中心半徑12m范圍內有高于儲罐高度的其他建構筑物，還應考慮這些建構筑物)。LNG加氣站放散管規格通常不會大于DN 100mm，在風力較大地區，放散管需做拉筋處理。在站址面積較大時，總平面布置不會有問題。但LNG加氣站征用的土地面積通常會較小，設施布置緊湊，放散管即使有位置，其拉筋也會影響站內的總體布置或站內道路的通行。設計者在遇到這樣的案例時，簡單地要求建設單位擴大征地面積是不現實的，往往解決不了問題。