LNG氣化站灌裝系統的技術改進

摘 要

摘要：分析了LNG氣化站灌裝鋼瓶使用機械臺秤、手動操作的方案存在的問題，探討了對LNG灌裝系統進行技術改進的必要性，闡述了LNG灌裝自動切斷系統的實施方案，提出了增加LNG加氣功能
摘要：分析了LNG氣化站灌裝鋼瓶使用機械臺秤、手動操作的方案存在的問題，探討了對LNG灌裝系統進行技術改進的必要性，闡述了LNG灌裝自動切斷系統的實施方案，提出了增加LNG加氣功能的方案。
關鍵詞：LNG灌裝；電子臺秤；自動切斷；LNG加氣
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氣化站作為城市備用、調峰氣源或者過渡氣源，目前已得到較為廣泛的應用。對于具有備用、調峰氣源功能的LNG氣化站，如何充分、有效地運作LNG資源，達到投資收益最大化，已成為較多燃氣公司的業務延伸重點。LNG瓶組氣化工藝具備機動靈活、投資省、占地面積小、建設期短、運行安全可靠等特點，可迅速向城鎮居民用戶或者工業用戶供氣。因此，在暫未敷設燃氣管道的區域或在管道應急搶修時，由LNG瓶組氣化站進行臨時供氣的方式已逐漸成為主流的選擇[1～2]。目前，大部分的LNG氣化站內均設有LNG灌裝系統來滿足LNG鋼瓶的充裝需求，繼而兼作城鎮LNG鋼瓶的充裝、流轉基地。
2 LNG灌裝工藝流程
    目前在國內LNG氣化站的一般設計中，對于LNG灌裝基本以機械臺秤稱量、手動操作的技術方案為主。LNG灌裝工藝流程見圖1。
 

    LNG儲罐自增壓至0.6MPa，LNG鋼瓶放置于機械臺秤上，將LNG灌裝的液相軟管和氣相軟管分別與LNG鋼瓶連接完成，打開出液管道的出液閥門V1和氣相管道回氣閥門V2開始灌裝。LNG灌裝過程中的回氣氣相(BOG)首先經過BOG加熱器進行加熱，然后經工藝裝置區進行調壓、計量、加臭，最后進入城市管網。待灌裝平臺的機械臺秤讀數達到目標質量值后，關閉出液管道出液閥門V1，同時打開氣液連通閥門V3，待殘余液相全部回收后關閉氣相管道回氣閥門V2，打開手動放散閥V4、V5將管道內殘留氣體匯集至站內放散塔進行放散，最后拆除連接軟管，完成LNG鋼瓶的灌裝。
3 存在問題及技術改進
3.1 LNG灌裝中存在的問題
    以410L低溫絕熱LNG鋼瓶為例，其最大允許充裝質量為167kg，允許總質量約為487kg。在進行LNG灌裝前，一般先設置機械臺秤上的目標質量值，再人工打開充液閥門，在達到所需質量后人工關閉充液閥門。
    由于LNG瓶組灌裝涉及對外銷售和貿易結算(部分工業用戶以LNG單瓶費用進行結算)，同時GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》第9.3.1條明確規定LNG鋼瓶的灌裝量不應大于其容積的90%，而機械臺秤的自身誤差、人工操作的時間差以及員工的誤操作(未及時關閉出液閥)等客觀因素卻極易造成LNG鋼瓶灌裝的超量，從而影響到LNG灌裝的計量準確和鋼瓶的安全。而其他類似業務如LPG鋼瓶充裝等，則擁有各自領域內成熟可靠的充裝秤系統(包括地磅和連鎖切斷裝置)來保證充裝計量的準確性。因此，通過研究、探討和實踐，我們在原有設計基礎上對LNG灌裝工藝進行了技術調整與改進，將機械臺秤改造成自動切斷的電子臺秤。
3.2 LNG灌裝的技術改進方案
    相對于早已配置完善的LPG充裝秤產品，由于LNG特有的深冷性質以及部分低溫部件的自有缺陷，目前國內大部分的臺秤廠商基本沒有生產成品的LNG灌裝秤，也沒有代理國外的相關產品。同時，由于廠站只具備LNG瓶組灌裝的單一業務需求，尚無LNG加氣業務開展，且LNG加氣機價格較為昂貴，LNG鋼瓶也類型各異，因此，我們暫不考慮使用LNG加氣機來進行單一的LNG鋼瓶灌裝，決定通過將電子秤、灌裝控制等主要裝置進行集成的方式來完成既定方案目標。
    實施方案為：將原有機械臺秤拆除，安裝電子臺秤，在LNG灌裝臺上增加安裝稱重控制儀表柜，在液相管道上安裝1個氣動緊急切斷閥ESV，使用阻燃鎧裝電纜連接電子臺秤和稱重控制儀表柜，并連接稱重控制儀表柜和氣動緊急切斷閥，使其互相連鎖；安裝儀表風管道至氣動緊急切斷閥；另外，為防止管道內產生封閉LNG而導致超壓，在氣動緊急切斷閥和出液閥之間增加1個低溫全啟式安全閥[3]。
    改進后的LNG灌裝工藝流程見圖2。LNG鋼瓶置于電子臺秤上，軟管連接無誤后，出液閥V1保持常開，打開回氣閥V2。在稱重控制儀表柜的人機界面上設置目標質量值，確認無誤后，按下啟動按鈕。此時，稱重控制儀表柜給出4～20mA的模擬信號至氣動緊急切斷閥ESV，控制儀表風的電磁閥自動打開，氣動開啟ESV后開始進行LNG鋼瓶灌裝。在達到目標質量后，電子臺秤給予稱重控制儀表柜信號，稱重控制儀表柜則同時給予ESV關閉信號，ESV電磁閥關閉，切斷儀表風氣源，ESV關閉，LNG灌裝結束。
 

3.3 技術要點及注意事項
    ① 稱重控制儀表柜具備手動與自動兩種模式，自動模式可實現與緊急切斷閥的連鎖控制，手動模式則只具有正常稱重計量功能。
    稱重控制儀表柜人機界面上除正常稱重設置按鈕外，還應具備緊急停車按鈕(ESD)，以保證在LNG灌裝過程中遇突發或事故狀況時，可緊急關閉，停止灌裝。
    儀表柜的安裝位置應以便于旁站灌裝人員操作和不影響管道閥門操作為原則。
    ② 連接電纜應根據HG/T 20512—2000《儀表配管配線設計規定》的相關要求，采用銅芯阻燃屏蔽的鎧裝電纜，直埋敷設，出入地面穿套管保護，與氣動緊急切斷閥采用防爆撓性管連接。
    ③ 根據GB 50058—1992《爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范》相關規定，LNG灌裝平臺的爆炸危險區域劃分為：以灌裝口(LNG灌裝軟管與固定管道之間的法蘭連接口)為中心，半徑為1.5m的空間為爆炸危險區域1區；以灌裝口為中心，半徑為4.5m的空間至地坪以上的范圍內為爆炸危險區域2區。而在灌裝過程中操作人員需對電子臺秤及切斷系統進行正常操作或者緊急事故處理，因此，稱重控制儀表柜應安裝在LNG灌裝平臺上即防爆區域范圍內，這就要求電子臺秤及稱重控制儀表柜必須具備防爆性能。
    根據GB 3836.1—2000《爆炸性氣體環境用電氣設備 第1部分：通用要求》、GB 3836.2—2000《爆炸性氣體環境用電氣設備 第2部分：隔爆型“d”》、GB 3836.4—2000《爆炸性氣體環境用電氣設備 第4部分：本質安全型“i”》等國家標準的相關規定，本質安全型產品用于防爆0區、1區及2區，隔爆型產品用于防爆1區及2區。而一般防爆電子臺秤的產品類別中本質安全型只能用于防爆區域的稱重計量，不能外接其他設備；隔爆型產品是在防爆區域內，外加安全柵，可外接其他設備并帶4～20mA模擬量的輸入輸出接口。綜上，LNG灌裝的電子臺秤及稱重控制儀表柜均選擇隔爆型產品，并且，為提高安全性，同時不影響低溫軟管連接操作，稱重控制儀表柜不宜裝在防爆1區即灌裝口周圍1.5m范圍內。
    ④ 氣動緊急切斷閥ESV應安裝在手動出液閥V1的下游，便于在ESV發生故障時，可進行正常關閉及維修。
    ⑤ 由于LNG灌裝需每日進行，使用頻率相對較高，氣動緊急切斷閥的執行機構是否安全可靠就顯得極為重要。從閥門本身的安全可靠性和維護維修特性來考慮，對于該類關鍵部位的切斷閥門，建議采用進口品牌的低溫氣動緊急切斷閥。
    ⑥ 在氣動緊急切斷閥ESV與手動出液閥V1之間應加裝低溫安全閥，以防止產生封閉LNG導致氣化超壓。
4 LNG加氣功能的拓展
4.1 加氣功能拓展的實施方案
    作為城鎮備用、調峰氣源的LNG氣化站日常使用功能單一，運行頻率較低，因此，應結合周邊天然氣市場發展狀況，深入挖掘各類用戶的能源供給需求，充分拓展廠站的LNG對外銷售業務，從而提高投資收益。
    LNG汽車具有清潔、高效、環保、單次加氣續駛里程長等特點，受到越來越廣泛的關注。目前北京、海南、廣東、浙江等地正積極推廣LNG汽車及加氣站，并已建成多座LNG加氣站[4～6]。
    如果LNG氣化站周邊區域存在LNG汽車生產廠商(LNG汽車出廠發貨前需加注LNG)或者與公交公司達成LNG汽車推廣合作意向后，便可利用LNG氣化站的現有設施延伸增加LNG汽車加氣功能，即通過改進原有LNG灌裝工藝，將LNG鋼瓶灌裝與LNG汽車加氣兩大流程組合集成，從而形成一套系統、兩種功能的LNG灌裝系統。
    包含LNG加氣功能的LNG灌裝工藝流程見圖3。LNG灌裝工藝增加LNG加氣功能的具體改進方案為：
    ① 由于LNG儲罐自增壓后最高壓力僅為0.6MPa，影響LNG汽車的加氣速度，因此，需在液相管道上增加LNG低溫泵2臺，1用1備，同時將泵體氣液平衡管道引至LNG儲罐減壓調節閥之前。
    ② LNG灌裝管道末段連接LNG加氣機。
    ③ LNG加氣機末段充注裝置為LNG加氣槍及回氣槍，因此，需安裝轉換裝置才能正常進行LNG鋼瓶的灌裝。因LNG加氣機具備計量功能，也可取消原有的LNG灌裝臺秤裝置。
 

4.2 需關注的問題
    ① 增加LNG汽車加氣功能的LNG灌裝系統在運行過程中所產生的蒸發氣BOG將大幅增加，原流程中經過BOG加熱器和工藝裝置區將BOG回收至城市管網的形式，對于作為過渡氣源的LNG氣化站影響不大，而對于作為備用、調峰氣源的LNG氣化站，如LNG灌裝系統每日運行產生的BOG均回收至城市管網，LNG的價格因素將使生產成本顯著提高。因此，借鑒目前國內LNG加氣站的通常設計流程，在增加LNG加氣功能的設施改造中，可將原BOG回氣的氣相管道與LNG儲罐下進液管進行連接，使BOG氣相從LNG儲罐底部進入，這樣當BOG氣相穿過LNG儲罐內液相時，便可以使一部分氣相再次液化，二次利用。
    ② LNG加氣功能拓展的改造費用主要為工程二次施工費用、增加設備的投資費用等，如果在LNG氣化站設計中已經包含或預留LNG加氣設施，則相對費用將大幅降低。
    ③ 目前所用的LNG低溫泵大多數為浸潤式離心泵，該泵在安裝時應注意以下事項：
    a. 進行低溫管道連接時應注意不能有應力作用在泵頭。
    b. 對于LNG氣化站，輸送LNG的液相管道基本采用三聚酯進行絕熱，在環境溫度較高時，輕微的溫升極易造成部分LNG快速氣化，而LNG氣化后則會很容易使LNG低溫泵產生氣蝕而導致密封磨損、葉輪損壞。因此，LNG低溫泵的安裝位置要求盡量在LNG儲罐出液口后3m之內，如超過3m，則LNG儲罐至泵體的入口管道需更改為真空管，從而提高絕熱性能，降低氣蝕風險。
    c. 為防止LNG泄漏產生爆炸，LNG低溫泵的電力引線裝置需設兩道氮氣保護系統，阻斷LNG的泄漏通道，從而確保LNG低溫泵的使用安全可靠。
    d. LNG儲罐至LNG低溫泵的入口管道上應盡量減少三通、彎頭等管件。
    ④ LNG低溫泵的安全保護系統要求比較高，如振動監測系統、電流過載保護系統、低電流保護系統、密封保護系統、低流量、低壓力報警等[6]，因此，實施方案時，應密切關注LNG低溫泵相關控制系統的完善設置。
5 結論及建議
    ① LNG灌裝系統實現電子臺秤稱重與自動切斷的連鎖功能，有利于保證LNG灌裝的可靠操作和精確計量，從而進一步提高灌裝過程中的作業安全和LNG鋼瓶安全。
    ② 如有業務發展需求，建議將LNG灌裝系統進行技術改造，同時具備LNG鋼瓶灌裝和LNG汽車加氣兩大功能。LNG加氣機比電子臺秤系統在灌裝的計量準確性和防爆設備的安全性上更具優勢。
   ③ 在LNG氣化站的普通設計中，LNG儲罐自增壓設施基本采用空溫式氣化器，但根據實際運行經驗，在生產頻繁的冬季，儲罐自增壓氣化器運行時因環境溫度較低、化霜速度慢而極易產生換熱效率低、增壓速度緩慢等情況，從而影響LNG氣化站的正常生產供氣。因此，如在LNG氣化站設計時便留有LNG汽車加氣功能，便可考慮利用LNG低溫泵兼作LNG儲罐的增壓裝置，從而取消增壓氣化器設置，不但可以節約工程投資費用，也可以保證冬季的可靠生產。
    ④ LNG氣化站作為備用、調峰氣源時，因其工程造價高，日常運行率低，燃氣企業應充分挖掘、拓展LNG業務，如LNG瓶組供應、LNG冷能利用、LNG汽車加氣等，從而提高廠站的投資回報率，縮短投資回收期。
參考文獻：
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(本文作者：張明明1 胡楠2 徐占偉3 1.蘇州港華燃氣有限公司 江蘇蘇州 205021；2.中石油昆侖燃氣有限公司 北京 100101；3.中國市政工程華北設計研究總院 天津 300074)