LNG撬装汽车加气站工艺流程与设备选型

LNG汽车具有经济、安全、环保、方便、机动等优势[1～6]，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[7]。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)GB 50057—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—2 ⑥ 《化工企业静电接地设计规范》HG/T 20675—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汽车情况进行LNG橇装站设计。经测算，每辆车天然气耗量约为33

90m/d，则200辆LNG公交车每天需要加天然气18000m，因此该LNG橇装汽车加气站的设计规模确定为20000m3/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

ρY——最高工作温度下的液化天然气密度，kg/m3 θb——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1d。经计算，该站LNG储存容积为43.68m3。因此，取该站的储存规模为50m3，设置1台容积为50m3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0.45～0.80MPa，LNG储罐的设计压力为1.2MPa。 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-146℃，系统的设计温度为-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入LNG槽车，增大槽车的气相压力，将槽车内的LNG压入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180m3。 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0.45～

0.80MPa，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5h。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枪给汽车加气。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2h，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1台容积为50 in3的卧式低温储罐、2台加气机、1台低温泵、1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。 ① LNG储罐

LNG储罐按围护结构的隔热方式分类，有以下3种。 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50m3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1.2MPa，外罐设计压力为-0.1MPa。设计参数见表1。

表1 LNG储罐技术参数

卧式圆筒形、高真空多层型式 缠绕绝热储罐 有效容积/m3 50 充装率/% 90 内罐的工作温度-146 /℃ 外罐的工作温度 环境温度 内罐的设计温度-196 /℃ 外罐的设计温度-19～50 /℃ 内罐的材质 0Cr18Ni9 外罐的材质 16MnR 内罐设计压力1.2 /MPa 外罐设计压力-0.1 /MPa 内罐工作压力0.45～0.80 /MPa 外罐工作压力-0.1 /MPa 蒸发率/% ≤0.2 ② LNG低温泵 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I：I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0～320L/min。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200m3/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枪。流量计是计量设备，采用质量流量计，具有温度补偿功能。加气枪是给车载LNG气瓶加气的快装接头，本项目选用流量为0.15m3/min的加气枪，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/℃ -146 设计温度/℃ -196 设计流量/(L·min-1) 0～320 设计扬程/m 220 最大扬程/m 255 转速范围/(r·min-1) 1500～6000 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-1) 200 进口温度/℃ ≥-162 出口温度/℃ ＞-146 最高工作压力/MPa 0.8 设计压力/MPa 设计温度/℃ 最小喷嘴压力/MPa 流量/(m3·min-1) 喉管配置 计量精度/% 工作温度/℃ 设计温度/℃

1.6 -196 表4 加气机主要参数 0.41 0.15 单管计量 ±0.5 -146 -196