撬装式LNG汽车加气站结构设计
陈叔平1, 任永平1, 邬品芳2, 殷劲松2
( 1. 兰州理工大学石油化工学院, 兰州730050;
2. 张家港富瑞特种装备股份有限公司, 张家港215637)
摘要: 介绍了撬装式LNG 汽车加气站的基本结构设计及工作原理, 着重对LNG 加气站的3个主要系统包括储存系统、管路系统、控制系统进行了说明, 并给出主要技术参数。分析了LNG 加气站设备潜在的安全隐患, 提出相关防范措施。实际运行表明, 该加气站加气稳定、计量准确, 各项指标符合设计要求。
关键词: 液化天然气; 撬装式加气站; LNG汽车; 设计
Design of skid-mounted fueling station for LNG vehicles
Chen Shuping1, Ren Yongping1,W u Pinfang2, Yin Jinsong2
( 1. School of Petrochemical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China;
2. Zhang jiagang Furui Special Equipment Co.,Ltd. , Zhang jiagang 215637, China)
Abstract: This paper introduces the fundam enta l structure design and operation pr inciple of skid- mounted fueling station for LNG ( liquefied natural gas) vehicles, with high lights on the description of structure and main technical param eters of three primary systems, inc luding storage system, pipeline system and automatic control system. It provides interrelated counterm easures after considering the potential safety danger of the skid- mounted fueling station for LNG vehicles. The practical operation show s that the skid- mounted fueling station for LNG vehicles is steady in fueling and accurate in gauging. The various index parameters conform to the design requirement.
Keywords: LNG, Skid- mounted gas station, LNG vehicle, Design
石油资源的日益短缺, 油价的上涨, 天然气作为廉价、清洁能源在交通运输领域得到广泛应用,CNG、LNG 汽车发展迅速。CNG 汽车及加气站技术已十分成熟,国内许多大中城市的公交车和出租车已改装成CNG 汽车, 城市加气站也初步形成网络, 取得显著的经济和环保效益。LNG 汽车上世纪80年代在美国、加拿大、德国、法国等国家开始研究, 到90年代初技术趋于成熟, 并开始小规模推广。目前国外大部分采用固定式加气站, 为了减少固定式加气站遍地出现的局面, 在一定范围内以几个固定加气站为中心发展移动式加气站, 撬装式移动加气技术被逐步应用在加气行业中。现在国外撬装式加气站处于起步阶段, 但也日趋成熟[ 1-3] 。国内, 在北京、乌鲁木齐、长沙等地建成了固定式LNG 汽车加气站并投入营运。
正在积极推广使用的撬装式LNG 加气站具有不依赖天然气管网和气源、占地少、投资小、建站周期短、易操作、易于搬迁, 机动灵活, 集中了撬装式加气站和LNG 的优势[ 4- 8] 。这种加气站不需单独建站, 可以设在现有的加油站或CNG 加气站中, 可以在较短的时间内以较少的投资迅速形成加气网络, 实现我国LNG汽车又好又快发展。
撬装式LNG汽车加气站是将压力为1. 2MPa、温度为- 162e 的LNG 经管路、低温泵、加气机等加注到汽车LNG 储气瓶中的专用加气装置。其主要设备包括:LNG 储罐、LNG低温泵、LNG 调压气化器、LNG加气机、撬座等, 各设备都安装在一个可移动撬块上, 外形尺寸为: 12m*2. 5m*3.31m; 另外还有管路系统、控制系统及配套设施。
控制系统分别设计控制室和值班室, 安装在一个改装的20英尺标准集装箱内, 外形尺寸为6m*2. 5m*3m。撬装式LNG加气站主要技术参数如表1。
撬装式LNG加气站见图1, 主要包括LNG 储存系统、管路系统(含低温泵和调压气化器)、控制系统3部分。
图1 撬装式LNG加气站
Fig. 1 Skid- mounted fue ling station fo r LNG vehicles
加气站将LNG 储罐、LNG 调压气化器、LNG加气机以及管道安装在一个撬块上。储罐底部左右对称布置两个鞍座, 鞍座与底面的撬块通过螺栓联结成一体。调压气化器均匀分布于储罐底部的空间内, 管道及加气机均布置于储罐一侧, 结构紧集装箱内, 整个加气站安全环保、占地较少、自动化程度高。
3.1 LNG存储系统设计
LNG 存储系统主要考虑储罐的结构设计。LNG储罐采用卧式、双层金属结构的绝热低温容器, 如图2所示。主要由内罐和外罐组成, 内外罐通过低温玻璃钢支承构成夹层。内罐内径2300mm, 壁厚10mm; 外罐内径2500mm, 壁厚6mm, 设计容积35m3, 采用多层缠绕真空隔热结构。主要技术参数见表2。
图2 LNG 储罐结构示意图
Fig. 2 Structure o f LNG tank
夹层是储罐实现绝热的重要部分, 其设计的合理性直接影响储罐的绝热性能和安全性能。在储罐内罐的外壁缠绕一定层数高绝热性能的铝箔纸, 铝箔纸之间垫有玻璃纤维纸, 并在夹层间进行高真空处理, 可使储罐达到很好的绝热性能, 绝热层厚度约为30~ 35mm。铝箔纸和玻璃纤维纸的基本参数如下: ( 1)箔纸: 厚度0. 006 ~ 0. 008mm, 张力0. 31kg /25mm, 导热系数0. 037W. m- 1. K- 1。(2)玻璃纤维纸: 厚度0. 084mm, 宽度890mm。为防止材料放气导致夹层内真空度缺失, 在夹层内设置了两个常温吸附装置, 在内罐内设置了两个低温吸附装置。
内罐和外罐间采用2组径向复合支承和2组轴向复合支承结构, 每组径向支承分4个支点, 轴向支承安装在2个封头中心部位, 以保证储罐在运行过程中, 不会因为颠簸冲击而使内罐和外罐发生相对位移和结构变形, 以避免内罐因充装了LNG后冷缩而拉断支撑及管线。储罐的设计和计算, 制造检验要求是按GB150- 19985钢制压力容器6要求进行的, 同时符合5压力容器安全技术监察规程6的相关规定。
表2 LNG 低温储罐主要技术参数表[ 9, 10]
Tab. 2 M a in param ete rs of the LNG tank
3.2 管路系统设计
管路系统的设计包括LNG低温泵, LNG调压气化器和管道的设计和布局。
(1) LNG低温泵
LNG低温泵是输送低温液体的关键设备, 既要求能够耐低温( - 162e ) , 又要求设备的可靠性高。为了保证设备的使用寿命和生产安全, 一般均使用国外进口的低温潜液泵; 该加气站选用美国ACD 公司制造的TC34、1*2 *6-2VSL 全浸润型低温泵, 其技术参数见表3。
( 2) LNG调压气化器
LNG调压气化器采用空浴式, 即LNG 通过吸收外界大气环境热量而实现气化过程的, 能耗很低。为提高LNG与环境的换热效率, 气化器主体部分采用耐低温的铝合金纵向翅片管, 它结构简单、体积小、重量轻、制造和使用方便, 同时拥有很大的换热面积, 很适合作低温系统中气化器或自增压器[ 11] 。调压气化器技术参数见表4。
为确保设计的最小气化量满足在最恶劣工作环境下的最大用气量要求, 气化器的设计换热面积较大, 分两部分安装在储罐的底部空间。
(3)管道设计
加气站的加气流程低温管道均采用真空绝热管, 其低温阀均为带真空绝热夹套阀门; 使用真空结构能有效防止热传递和减小蒸发率; 其余低温管道为CCPE (架桥发泡聚乙烯)保冷。真空管道的技术参数如表5。
加气机的各种阀门, 仪表及相关附件均集中布置于储罐的一端, 以便于管理和操作。考虑到内外罐在制造和使用中的温度变化引起的温差应力, 将通过夹层的管道设计成空间弯管, 以避免由于温差应力产生热胀冷缩而拉断夹层管线。储罐上的液位计液相阀因考虑不常使用且为循环管路, 故设置双重保护。对于两端均可关闭且可能存有液化天然气液体的液相管路, 设置自动卸压装置。
3.3 控制系统设计
LNG加气站控制系统包括两部分: 加气机控制系统和站控系统。这两个部分既有各自不同的控制功能, 相互独立又是相互紧密联系, 缺一不可。
(1)加气机控制系统
加气机控制系统主要任务是完成对车载气瓶的加气, 在加气过程中完成对管路、流量计中的残存气体的排空和预冷控制; 发出对低温泵的启停、调压控制的命令信号; 完成对加气量和回气量的准确计量、显示、结算; 完成对各种运行参数的采集、显示、控制, 同时具有对加气量、计量方式等的设定及与站控系统的通讯等功能。加气机的主要技术指标如表6。
(2)站控系统
站控系统主要是对储罐、低温泵、站内工艺阀门以及加气机的监控和管理, 完成卸车、调压、加气、卸压等各种工艺过程的采集、控制、显示、报警等监控功能,又具有参数查询、历史记录查询及报表打印等管理功能, 同时要完成对加气站的安全状态进行监测, 通过泄漏报警仪等监测设备及时发现泄漏等隐患, 报警并关闭紧急切断阀。站控系统由传感器、变送器、电磁阀、PLC、工控机等设备组成。
站控系统的控制功能表现为:
(a)控制系统状态模式。加气站的工艺分为卸车、调压、加气和卸压等运行模式,控制系统针对这几种不同的工艺运行模式分别自动进行切换和控制;
(b)泵的运行控制。控制系统针对不同的工艺运行模式, 对低温泵进行启停和调速控制, 以保证各种运行模式下所需的速度和压力, 保证在安全高效下运行;
(c)流程阀门的自动控制。控制系统针对不同的工艺运行模式各工艺阀门的开闭进行自动控制。站控系统通过与加气机的通讯完成对加气机的管理和加气数量的采集, 同时根据加气机的命令完成对低温泵在各种模式下的控制。另外站控系统具备数据采集显示功能、报警和故障诊断功能以及数据查询和报表打印功能。
LNG的成分中甲烷摩尔分数为96%以上, 和液体甲烷性质基本类似, LNG 因蒸发引起压力过大和泄露引发的危险是加气站的主要安全隐患[12] 。
LNG储罐的安全附件包括安全阀、紧急切断装置、液位计、温度计、压力表、灭火器、阻火器和导静电装置。内罐设置了两个并联且可互为切换的全启式安全阀, 安装在卸压管路上, 当内罐内压力超过1. 2MPa 时,安全阀打开, 储罐卸压; 当内罐内压力低于1. 2MPa 时, 安全阀自动关闭。外罐设有防爆装置, 当内罐或夹层管路由于意外产生泄露造成真空夹层内压力升高时, 防爆装置自动卸压。储罐配置了35kg 推车式干粉灭火器2个。加气站的防雷接地、防静电接地、电气设备的工作接地、保护接地及自控系统的接地等共用接地装置, 其接地电阻不应大于4Ω。
LNG低温储罐液相管道设置紧急切断装置,包括紧急切断阀、远控系统和易熔金属塞自动切断装置, 以防在管道发生大量泄露或出现明火时能及时切断液源, 紧急切断阀应选用气动阀, 控制部分壳体和活塞封耐压不应小于0. 8MPa; 控制气源为不间断气源, 紧急切断阀关闭响应时间不得大于5s, 在气相管道上设置电磁阀, 采取断电放气方式关闭紧急切断阀。安装在紧急切断阀上的易熔金属塞的熔断温度范围应为70 ? 5e 。在阀门箱的两侧端分别设置了两个8kg的干粉灭火器。
为防止由于阀与阀之间隔开的各液体或低温气体管段出现超压现象, 应在各个管段上设置管线安全阀, 放散气体需集中放散。管线泄压安全装置的布置, 应最大限度降低对管线或管配件造成破坏的可能性。压力设定后应对用于调节安全阀设定压力的装置予以铅封。正确布置管线和安全阀的排出方向, 可以减少对人身和其他设备可能带来的危害。
液化天然气是轻于空气的易燃、易爆气体, 泄露后极易在顶部形成爆鸣气团, 很容易发生火灾。为阻止火焰进入管道, 在卸压管路上设置了阻火器、安全阀和放气阀。采用集中回收气体通过阻火器进行排放, 可提高设备的安全性[13] 。
另外, 加气站应设有以下警告标志: 禁止吸烟或25m内禁止吸烟; 关闭马达; 禁止明火; 低温液体; 可燃性液体。
实际运行表明, 该撬装式LNG 加气站加气稳定、计量准确、损耗小、操作方便,各项指标符合设计要求。
撬装式LNG 加气站设备简单、建站周期短、运行费用低、投资成本和占地面积也明显减小, 整体非常适合用车搬运, 可根据市场需求改变加气地点, 尤为适宜在城市推广。撬装式LNG 加气站的研制开发, 必将推进LNG汽车在未来几年的大力普及, 为节约能源实现可持续发展和改变城市大气质量做出重要贡献。
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