LNGLCNG加气站装备技术及发展趋势--李怀恩

LNG/LCNG加气站装备技术及发展趋势2013年12月杭州李怀恩安瑞科(廊坊)能源装备集成有限公司目录一、LNG作为汽车燃料的特点二、LNG/LCNG加气站中的主要工艺路线三、当前LNG加气站主要设备配置形式四、LNG/LCNG加气站中的关键设备五、目前存在的问题研讨一、LNG作为汽车燃料的特点我国目前的NGV主要是以CNG为燃料，CNG加气站及改装车辆已经具备整套完善的工艺技术，CNG汽车在全国各地已具备一定规模的保有量，这是发展和推广NGV的基本条件。但CNG汽车也存在一些不足之处。主要表现在：车用钢瓶自重大，一次携带燃料量有限，续驶里程短。当前车用储气瓶的压力一般为20~25MPa，因而机械设计壁厚大，气瓶质量大。大型车辆改装为CNG时要配置多个气瓶，整车质量增加500kg左右。此外，CNG的增压能耗较高，约为0.25kWh/Nm3.一、LNG作为汽车燃料的特点LNG的突出优点是能量密度为CNG的3倍。LNG汽车续驶里程长，可达到400km以上。车上储罐压力为0.05~1MPa，远低于CNG储气瓶的压力。以LNG为气源的LCNG站增压能耗只有CNG站的1/6~1/8。LNG燃料系统增加的质量只有约140~230kg左右。此外，LNG在液化前进行了完全的净化处理，所以它比CNG更洁净，特别适合于车用替代燃料。二、LNG/LCNG加气站的主要工艺路线1、卸车流程（泵卸车/自增压卸车）2、调压（饱和点调整）3、LNG加液4、LCNG加气1、自增压卸车2、潜液泵卸车3、上进液和下进液二、LNG/LCNG加气站的主要工艺路线1、卸车流程（泵卸车/自增压卸车）卸车有两种方式：一种是自增压方式：LNG槽车到站后，先将槽车内部分LNG输入站内固定的卸车/增压汽化器或车载自增压汽化器，汽化后的天然气返回槽车对罐内LNG增压，利用气相压力将LNG卸入站内储罐中。一种是采用低温潜液泵的卸车方式，直接将槽车内的LNG通过潜液泵增压后注入站内储罐。采用自增压卸车时，汽化损失较大，卸车时间长。采用潜液泵卸车时，汽化损失小，卸车速度快。卸车完毕后储罐内的LNG可保持与气源地较一致的状态。卸车时可结合站内储罐的实际状态选择上进液、下进液或上下同时进液的方式。二、LNG/LCNG加气站的主要工艺路线2、调压（饱和点调整）对于使用普通车载燃料系统的LNG车辆，燃料供给系统中没有象传统汽油机或柴油机系统那样的供油泵，也没有CNG气瓶的高压，LNG通过车载汽化器进入发动机依赖于储气瓶中LNG液体的饱和压力。因此卸完车后需要对LNG进行状态调整，将LNG的饱和点前移，使其达到较高的饱和压力。LNG在较高的饱和压力下通过车载汽化器进入发动机，随着液体不断减少，车载储气瓶中气相区呈压力下降趋势，但因是饱和液体，在对应的饱和温度下，液体表面会不断有蒸发气产生，自动维持气液相的平衡状态，保证LNG能通过汽化器源源不断地输入到发动机。使用此种工艺时必然会造成LNG的汽化损失，缩短LNG在站内储存时间。关键是发动机的进气压力不能太高，影响发动机功率的发挥。如果车载储气瓶中也象传统的内燃机系统那样有供气泵，则站内LNG就不必升温调压。实际上卸入站内的饱和状态下的LNG在不升温情况下经卸车泵和加液泵的增压作用后已成为过冷液体，整个LNG加注站和车辆燃料供应系统在过冷状态下运行是很有利的。LNG的密度随温度下降而增大，对于相同的车载储罐，在-153℃时储存的LNG液体比在-120℃时要多出19%，这可显著扩大车辆的续驶理程，减少加注站系统内的BOG汽化排放量。同时由于车载燃料系统中有了供气泵，发动机的进气压力可相应提高，燃料燃烧会更充分，功率发挥亦会更佳。饱和状态调整流程二、LNG/LCNG加气站的主要工艺路线LNG加液流程卸车LNGLCNG调压回收1、潜液泵预冷2、LNG加气机预冷3、加注LNGLNG加液流程加注LNG时，潜液泵、加液机、工艺管线必须经过充分预冷，如预冷不充分，工艺管线中会存在大量的气液两相流，潜液泵无法正常工作，加液机的精度误差也较大。控制系统监测到预冷结束后会自动进入等待状态，此时将加液机枪头插入车辆储罐上的接口，启动加液机上加液按钮即可实现加液，加液满时车载储罐内压力瞬时急剧升高，加液机流量骤然减少，控制系统检测到这一状态即停止加液。加液时要由专人操作，采取低温防护措施。根据车载储罐结构的不同，LNG加注可分为单枪加液和双枪加液方式。二、LNG/LCNG加气站的主要工艺路线LNG加液流程通常，车载储气瓶中的LNG将用完时，气相压力相对较高，到站加液时如气相压力不能降低，则加液很难正常进行。采用单枪接口加液的车载储气瓶内部设有10%的冗余空间，与之配套的加液机只有加液枪。加液时，经潜液泵加压的过冷LNG液体以较高压力进入车载储气瓶，在喷淋作用下，大量过冷的LNG液滴增加了与气相的接触面积，使气瓶内气相空间的蒸汽冷凝成液体，气瓶内压力迅速下降，保证加液正常进行，当气瓶接近加满时，液体流向冗余空间区内，流量突然减小，压力迅速增大，加液机检测到流量和压力信号后发出停机指令，加液结束。采用单枪加液时，加液机只需配置一套质量流量计，不需要回气枪头和接口，站内设备投资少，计量精度也较高。二、LNG/LCNG加气站的主要工艺路线LNG加液流程有的车载燃料储气瓶内部不能实现加压再冷凝液化过程，在加液时需使用回气枪头将储气瓶内的BOG与站内储罐连通，将气瓶内压力降低，保持气相压力平衡后才能保证加液过程的顺利进行，否则就要打开储气瓶的排空阀放空。采用这种方式时，加液机必须配备有液相和气相的质量流量计，控制系统要把返回的气量从加液量中扣减。站内设备投资较大，精度也很难控制。二、LNG/LCNG加气站的主要工艺路线LCNG加气同样的，在LCNG工艺部分运行时，高压柱塞泵、工艺管线必须经过充分预冷，如预冷不充分则高压柱塞泵也无法正常工作。经柱塞泵加压后的高压LNG进入空温式汽化器，吸收热空气中的热量汽化后变为高压气体。在进行场站设计时高压汽化器要有足够的换热裕度，以保证从汽化器流出的是接近环境温度的CNG。若在寒冷地区使用时还要考虑在空温汽化器后增加辅助加热器以保证输出的CNG在合适的温度范围。此后的工艺部分与传统的CNG加气站类似，CNG通过顺序控制盘进入高中低压储气瓶组，也可直接接入三线CNG售气机为NGV充装CNG。二、LNG/LCNG加气站的主要工艺路线卸车LNGLCNG调压回收1、柱塞泵预冷2、高压汽化器汽化3、高\中\低顺序加气LCNG加气流程三、当前LNG加气站主要设备配置形式固定式常规LNG/LCNG复合站三、当前LNG加气站主要设备配置形式三、当前LNG加气站主要设备配置形式三、当前LNG加气站主要设备配置形式三、当前LNG加气站主要设备配置形式四、LNG/LCNG加气站中的关键设备四、LNG/LCNG加气站中的关键设备对于一座以LNG为气源的加液/气场站，工艺管线系统的保冷效果对整套设备的正常运行，对整个场站的运行效率和经济效益都会产生重要的影响。如果保冷果不好，严重时可导致场站不能工作。在可能的条件下，场站内的所有低温液相和气相管路、控制阀门、法兰、接头等均应采取真空绝热的结构方式进行保冷，真空绝热层的真空度要达到或低于1×10-2Pa。此外，在站控制系统中，不仅应能清楚准确地显示各控制阀门的工作状态，还必须有可靠的位置反馈以消除阀门开启信号的误报。所选用的阀门管件须满足相关技术指标要求，不能采用低于设计压力的阀门、管件等以劣充优。安全泄放系统必须满足泄放流量的要求。低温工艺管线系统四、LNG/LCNG加气站中的关键设备四、LNG/LCNG加气站中的关键设备安瑞科集成公司是国内少数几家拥有真管低温管道制造资质的厂家。真空管道和低温泵池可根据工艺设计的需要进行特殊定制，以更好地满足加气站工艺流程的需要。四、LNG/LCNG加气站中的关键设备四、LNG/LCNG加气站中的关键设备五、目前的一些问题探讨一、建站时上下游的联动近年来，LNG加气站的建设呈现爆炸式增长，但与传统的CNG加气站不同，业主在建设LNG加气站时，除了要有气源、场地等条件外，还必须同时考虑下游用户即以LGN为燃料的车辆的配套问题。很多地方LNG站的建设是一种“跑马圈地”式的，建完之后因下游配套车辆迟迟不能到位，造成LNG加气站不能实现合理的经济效益。有的站只有几辆试验车辆，加气周期长，工艺设备工作间隔时间长，系统需要多次预冷，LNG在储罐中长时间储存，因漏热造成的蒸发损耗大。一、建站时上下游的联动目前我国现有的NGV大部分是以CNG车辆为主，直接以LNG为燃料的单燃料车辆总数远少于CNG汽车。因目前CNG改装技术成熟且成本低廉，在城市内较容易开发用户。以LNG/LCNG复合形式建站，既可支持以LNG为燃料的城市公交车辆和具有试验性质的重型改装车辆的运行，也可支持大量的以CNG为燃料的改装出租车的运行，这有助于加气站迅速进入正常运营阶段，加快在建站初期的投资回收。因复合加气的两种气源有互补作用，还可弥补燃油价格和LNG价格的多次波动甚至价格倒挂现象，保证加气站的经济效益。五、目前的一些问题探讨二、工艺流程的简化——取消调饱和流程如果车载储气瓶中也象传统的内燃机系统那样有供气泵，则站内LNG就不必升温调压。实际上卸入站内的饱和状态下的LNG在不升温情况下经卸车泵和加液泵的增压作用后已成为过冷液体，整个LNG加注站和车辆燃料供应系统在过冷状态下运行是很有利的。LNG的密度随温度下降而增大，对于相同的车载储罐，在-153℃时储存的LNG液体比在-120℃时要多出19%，这可显著扩大车辆的续驶理程，减少加注站系统内的BOG汽化排放量。同时由于车载燃料系统中有了供气泵，发动机的进气压力可相应提高，燃料燃烧会更充分，功率发挥亦会更佳。五、目前的一些问题探讨三、BOG的排放和回收NGV的利用为改善大气污染、缓减能源紧张起到了积极作用。但如果处置不当，很可能会带来相反的结果。通常，在LNG场站中，BOG都是直接排入大气中，这会产生严重的污染，在同体积下，CH4的温室气体效应是CO2的25倍。因此在LNG场站设计时要充分考虑到此问题。在场站设计时工艺装置间距尽可能小，管线尽可能短且保温良好。在LNG/LCNG复合加气站内可设置回收压缩机，将BOG收集后压缩储存到CNG部分的储气瓶组中。有城市燃气管网的地方可将BOG加热、计量后放入燃气管网。此外条件许可情况下，应尽可能采用常压液化工艺生产的LNG，车辆燃料系统最好使用带有供气泵的车载储气瓶，加注过冷的LNG。这些措施都会有效地减少BOG的产生。五、目前的一些问题探讨四、LNG储罐的结构及使用站内固定储罐可按结构可分为立式储罐和卧式储罐。有场站在设计时选择采用卧式储罐，因考虑到立式储罐可能会对周边居民造成心理上的恐慌，这是一种无奈的选择。在同等容积下，卧式储罐占地面积大，相应地会影响到围堰区占地及与周边设施的安全间距要求。因要保证对低温泵有足够的净正吸入压头，储罐内LNG液体的有效利用率低，液位及储液量显示和控制的精度也不能保证。而立式储罐可以很好地克服这些缺点。此外，对于低温立式储罐，国外普遍使用热虹吸式结构，利用热虹吸原理加速低温泵的预冷，减少因预冷造成的系统升温和汽化损耗，延长LNG存储时间。因国内热虹吸低温储罐很少生产，现有的LNG站内使用的储罐大都为普通低温储罐。五、目前的一些问题探讨四、LNG储罐的结构及使用五、目前的一些问题探讨政府对天然气车用感兴趣是因为它是一种清洁的替代燃料。而公众对天然气作为代用燃料感兴趣的只是其与燃油相比的经济性和使用上的友好性。目前国内有部分地区对于LNG用于小型车辆如出租车等进行了大胆的偿试和探索，取得了一些成绩，但也存在问题。对于出租车辆或家用小车，如改装为CNG，费用不超过7000元。其行驶范围有限，只要一个城市中有充足的CNG加气站，很容易加气。在高油价时代3~4个月即可收回改装投资。如改装为LNG车辆，因小车车载气瓶容量有限（60升气瓶有效利用量最多30Nm3），续驶里程增加约一倍，但改装费用却高达4