1 前言
隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整進(jìn)程的加快，天然氣市場(chǎng)吸引了國(guó)內(nèi)外各種投資主體爭(zhēng)先恐后的涌入。現(xiàn)有大型燃?xì)馄髽I(yè)以及民營(yíng)資本也著力擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，擴(kuò)大經(jīng)營(yíng)領(lǐng)域和范圍，以面對(duì)新進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。近幾年，城市燃?xì)饨?jīng)營(yíng)權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)迅速?gòu)囊�、二線大中城市蔓延至三、四線中小城市及中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)和縣級(jí)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。然而，由于高壓輸氣支線和門站建設(shè)投資巨大、建設(shè)周期長(zhǎng)，因此，在一定時(shí)期內(nèi)，投資規(guī)模小、占地面積小、建設(shè)周期短的區(qū)域供氣站和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)供氣站已成為率先占領(lǐng)市場(chǎng)的主要方式。本文從浙江幾個(gè)縣域城市區(qū)域供氣站入手，分析了幾種常規(guī)區(qū)域供氣站的特點(diǎn)及應(yīng)用方向，探索并實(shí)踐了槽車與杜瓦瓶組聯(lián)合運(yùn)營(yíng)技術(shù)，該工藝設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行安全可靠，是一種比較新型的LNG場(chǎng)站工藝系統(tǒng)，特別適用于應(yīng)急保障供氣需求，該系統(tǒng)已經(jīng)在杭州周邊地區(qū)成功實(shí)踐，為燃?xì)馄髽I(yè)在區(qū)域供氣站的建設(shè)探索出了新的思路。
2 區(qū)域供氣站的特點(diǎn)和應(yīng)用方向
2.1 區(qū)域供氣站的特點(diǎn)
區(qū)域供氣站具有占地面積小、建設(shè)周期短、操作簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，基本可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)年建設(shè)當(dāng)年通氣，因此在天然氣輸氣管網(wǎng)暫未敷設(shè)的地區(qū)，建設(shè)區(qū)域供氣站作為臨時(shí)供氣或者過(guò)渡氣源是一種非常理想的選擇。通常情況下，如果土地指標(biāo)到位，建設(shè)一個(gè)供氣負(fù)荷為500m3/h的區(qū)域供氣站，總投資在1 000萬(wàn)元以內(nèi)，最快建設(shè)周期僅3個(gè)月（含設(shè)備采購(gòu)），場(chǎng)站占地面積一般不超過(guò)600平方米。
2.2 區(qū)域供氣站的應(yīng)用方向
在我國(guó)，能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中天然氣的占比僅為4%，很多地區(qū)仍未通上管輸天然氣，由于受到地理位置或經(jīng)濟(jì)條件的限制，在這些區(qū)域大面積敷設(shè)燃?xì)夤艿赖某杀竞芨�，投資回報(bào)周期會(huì)很長(zhǎng)。以浙江省建德市為例，該市為典型的丘陵地貌，東西狹長(zhǎng)，全市圍繞G25高速公路形成三個(gè)相對(duì)集中的區(qū)塊，如果敷設(shè)一條66.7公里連通整個(gè)區(qū)域的DN400中壓干管，僅工程建設(shè)費(fèi)用就高達(dá)2.98億元，建設(shè)周期長(zhǎng)達(dá)3年。顯然，在短期內(nèi)，這三個(gè)區(qū)塊各建一座區(qū)域供氣站是最快速的市場(chǎng)進(jìn)入方式。從發(fā)展、投資與效益角度考慮，區(qū)域供氣站主要有四個(gè)應(yīng)用方向：一是經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的中小城市或距離大城市較遠(yuǎn)的中心鄉(xiāng)鎮(zhèn)；二是受城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整而外遷的高污染高能耗工業(yè)園區(qū)或單個(gè)能耗較大、具有油改氣潛力、經(jīng)濟(jì)效益較好的工業(yè)企業(yè)；三是位于山區(qū)或遠(yuǎn)離城市的風(fēng)景旅游度假區(qū)；四是作為城市管網(wǎng)的調(diào)峰與應(yīng)急保障。
3 常規(guī)區(qū)域供氣站工藝系統(tǒng)比較
3.1 CNG儲(chǔ)配站
CNG輸配站場(chǎng)站工藝系統(tǒng)由CNG氣瓶車、卸氣柱、減壓計(jì)量加臭裝置、換熱裝置等組成，其工藝流程如下圖1。
圖1 CNG儲(chǔ)配站工藝流程
壓縮天然氣氣瓶車進(jìn)入儲(chǔ)配站后，首先通過(guò)卸氣柱上的高壓軟管將CNG氣瓶車與卸氣柱連接，在減壓調(diào)壓裝置內(nèi)天然氣經(jīng)換熱器加熱，通過(guò)二級(jí)或三級(jí)調(diào)壓，然后經(jīng)計(jì)量、加臭后進(jìn)入市政中壓管網(wǎng)。熱水循環(huán)系統(tǒng)通常由熱水鍋爐、循環(huán)水泵、供水回水管路組成，功能是加熱天然氣，防止壓縮天然氣在減壓過(guò)程中溫度的急劇下降。
優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟度較高，工藝較為簡(jiǎn)單，天然氣沒(méi)有相變，運(yùn)行可靠。
缺點(diǎn)：高壓管道較多，管理和維護(hù)比較困難，安全風(fēng)險(xiǎn)高。
CNG儲(chǔ)配站的規(guī)模普遍較小，供氣及調(diào)峰能力不強(qiáng)。另外，如果儲(chǔ)配站周圍200公里內(nèi)沒(méi)有CNG母站，則CNG氣瓶車運(yùn)行調(diào)度會(huì)比較困難。
3.2 LNG瓶組站
LNG瓶組氣化站工藝系統(tǒng)由LNG杜瓦瓶組、氣化器、調(diào)壓計(jì)量、安全放散等組成，其工藝流程如下圖2。水熱水CNG氣瓶車卸氣柱減壓調(diào)壓計(jì)量加臭熱水循環(huán)系統(tǒng)出站：
圖2 瓶組氣化站工藝流程圖
在站區(qū)將LNG鋼瓶通過(guò)金屬軟管與站區(qū)氣、液相管道相連，利用鋼瓶?jī)?nèi)的壓力使LNG進(jìn)入到空溫式氣化器，在氣化器中液態(tài)天然氣氣化并加熱，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的天然氣，經(jīng)過(guò)調(diào)壓、計(jì)量、加臭后進(jìn)入站后燃?xì)庵鞴艿馈Ｔ贚NG瓶組氣化站內(nèi)一般設(shè)置運(yùn)行和備用兩組鋼瓶，且數(shù)量相同，當(dāng)使用側(cè)的LNG鋼瓶的液位下降到10%以下時(shí)，切換到備用瓶組，用完的空鋼瓶及時(shí)充裝備用。
優(yōu)點(diǎn)：LNG瓶組站具有集成度高，工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，安裝操作簡(jiǎn)便，占有場(chǎng)地小，建設(shè)周期短，投資省的特點(diǎn)，特別適合建成無(wú)人值守站。
缺點(diǎn)：供氣規(guī)模小，不適合調(diào)峰用。另外，由于鋼瓶本體液位計(jì)非常容易損壞，估算鋼瓶?jī)?nèi)存量比較難，換瓶時(shí)機(jī)不容易掌握。實(shí)際運(yùn)行中，還容易出現(xiàn)連接金屬軟管接頭密封泄漏等故障。
3.3 LNG氣化站
LNG氣化站工藝系統(tǒng)由LNG槽車、LNG槽罐、空溫式氣化器、水浴式復(fù)熱器、調(diào)壓計(jì)量、安全放散等組成，其工藝流程如下圖3：
圖3 LNG氣化站工藝流程圖
在站區(qū)內(nèi)將LNG槽車與站內(nèi)槽罐氣、液相管道相連，用卸車增壓器將槽車內(nèi)壓力增高，然后利用槽車與儲(chǔ)罐間的壓差將LNG導(dǎo)入儲(chǔ)罐內(nèi)。對(duì)外供氣時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG出液進(jìn)入到空溫式氣化器，在氣化器中液態(tài)天然氣氣化并加熱，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的天然氣，經(jīng)過(guò)調(diào)壓、計(jì)量、加臭后進(jìn)入站后燃?xì)庵鞴芫W(wǎng)。
優(yōu)點(diǎn)：儲(chǔ)氣規(guī)�？梢宰龅煤艽�，一般LNG氣化站做成150m3雙真空粉末罐形式，儲(chǔ)氣量達(dá)16.2萬(wàn)立方米。供氣能力和調(diào)峰、應(yīng)急保障能力強(qiáng)。缺點(diǎn)：場(chǎng)地規(guī)模較大，工藝復(fù)雜，投資高，安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較高。對(duì)場(chǎng)站管理 人員和操作人員的技術(shù)要求高。
另外，還有一種比較少見(jiàn)的非常規(guī)LNG氣化站，即槽車直供站。該氣化站直接將LNG槽罐作為儲(chǔ)罐，槽車通過(guò)卸車增壓器維持罐內(nèi)壓力，槽車氣、液相管直接與站內(nèi)氣、液相管連接，利用槽車內(nèi)壓力將出液進(jìn)入到空溫式氣化器，在氣化器中液態(tài)天然氣氣化并加熱，轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的天然氣。
4 槽車、杜瓦瓶組聯(lián)合供氣技術(shù)
4.1 工藝系統(tǒng)及工作原理
槽車、杜瓦瓶聯(lián)合供氣站工藝系統(tǒng)由LNG槽車、杜瓦瓶組、氣化器、調(diào)壓計(jì)量、安全放散系統(tǒng)、BOG系統(tǒng)等組成，其工藝流程如下圖4：
圖4槽車、杜瓦瓶聯(lián)合運(yùn)行氣化站工藝流程圖
槽車、杜瓦瓶聯(lián)合供氣站是瓶組站技術(shù)和槽車直供技術(shù)的結(jié)合，LNG槽車氣、液相管與杜瓦瓶瓶組氣、液相管共同接在站內(nèi)氣、液相匯流管上。工藝設(shè)計(jì)上，匯流管起點(diǎn)預(yù)留LNG槽車法蘭接口和切斷閥門，利用杜瓦瓶自增壓功能，將杜瓦瓶氣相與瓶組撬氣相匯流管連接，將LNG槽車氣相管與瓶組撬氣相匯流管連接。通過(guò)氣相匯流管，使得杜瓦瓶氣相與槽車氣相連通，在槽車罐內(nèi)壓力較低時(shí)，可開啟杜瓦瓶自增壓閥對(duì)槽車的增壓。其工藝連接示意圖如下圖5：
圖5 槽車、杜瓦瓶聯(lián)合運(yùn)行工藝連接示意圖
正常運(yùn)行時(shí)，槽車內(nèi)壓力一般控制在0.4—0.6MPa，出站管網(wǎng)運(yùn)行壓力為0.25—0.3MPa，整個(gè)供氣周期，槽車與出站管的壓差基本可維持在0.2—0.3MPa，這個(gè)壓差可確保槽車正常卸液。LNG通過(guò)匯流管并經(jīng)空溫式氣化器加熱后將-160℃左右的液態(tài)天然氣變成5℃左右的氣態(tài)天然氣，再經(jīng)過(guò)調(diào)壓、計(jì)量及加臭等一系列工藝流程后輸入?yún)^(qū)域供氣管網(wǎng)，實(shí)際工藝設(shè)備連接情況如下圖6LNG運(yùn)瓶車LNG瓶組LNG匯流管加臭調(diào)壓計(jì)量空溫氣化器出站LNG槽車：
圖6 槽車、杜瓦瓶聯(lián)合運(yùn)行氣化站實(shí)景
4.2 聯(lián)合站的特點(diǎn)
①供氣負(fù)荷大
標(biāo)準(zhǔn)的LNG槽車幾何容積為52m3,實(shí)際充裝率在90%左右，完全氣化后可對(duì)外供氣27000—28000 m3，與杜瓦瓶聯(lián)合運(yùn)行后，供氣能力提高到30000 m3。聯(lián)合站供氣能力是普通瓶組站的13倍左右，較強(qiáng)的供氣能力使得LNG聯(lián)合運(yùn)行站可以發(fā)展較多的用戶。
②應(yīng)急保障功能強(qiáng)
槽車、杜瓦瓶聯(lián)合運(yùn)營(yíng)站可實(shí)現(xiàn)互為備用供氣。正常情況下，小流量時(shí)采用瓶組供氣、大流量時(shí)采用槽車供氣。應(yīng)急情況下，槽車和杜瓦瓶組兩種供氣方式可快速切換。
③換車/換瓶不影響正常供氣。
單純槽車直供站和瓶組站對(duì)換槽車及換瓶組的時(shí)間控制要求很高。太早，存液還未用完，新槽車需要等待，相應(yīng)地就要增加運(yùn)營(yíng)成本。太晚，存液已用完，新槽車還未到，場(chǎng)站面臨停氣危險(xiǎn)。而槽車、杜瓦瓶聯(lián)合運(yùn)行方式，由于具有相互備用功能，因此換車或換瓶的時(shí)機(jī)比較容易掌握，切換時(shí)也不會(huì)影響對(duì)外供氣。
④供氣模式靈活。在發(fā)展初期，供氣量較少的情況下，可以單獨(dú)采用杜瓦瓶組供氣。當(dāng)瓶組供氣能力不足時(shí)，可直接接上LNG槽車供氣而不用對(duì)工藝系統(tǒng)作任何變動(dòng)。
4.3 運(yùn)行參數(shù)設(shè)定
對(duì)于槽車、杜瓦瓶聯(lián)合運(yùn)行方式，運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定非常重要。根據(jù)LNG工藝設(shè)備參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)設(shè)計(jì)流量為500m3/h的氣化站，運(yùn)行參數(shù)可按
照下工藝參數(shù)：
1 LNG槽車氣罐、工作壓力：0.35-0.6MPa；手動(dòng)放散壓力：≥0.65MPa；安全閥起跳壓力：0.74MPa
2 、LNG槽車出液量最大出液流量：0.1kg/s
3 、LNG杜瓦瓶自增壓壓力設(shè)定值：0.55MPa
4 、BOG匯管工作壓力：0.35-0.6MPa
5 LNG匯管、工作壓力：0.35—0.6MPa
6 主路調(diào)壓器、出口壓力設(shè)定值：0.25MPa
7 、副路調(diào)壓器、出口壓力設(shè)定值：0.22MPa
8 、超壓放散調(diào)壓器、放散壓力設(shè)定值：0.3MPa
9 、BOG調(diào)壓裝置、進(jìn)口壓力高于0.6MPa，手動(dòng)開啟BOG調(diào)壓器閥門泄壓；低于0.55MPa，關(guān)閉BOG調(diào)壓器閥門。
5 運(yùn)行過(guò)程中的操作要點(diǎn)
5.1 槽車換車時(shí)機(jī)
LNG槽車換車時(shí)機(jī)是場(chǎng)站運(yùn)行的核心技術(shù)之一，換車時(shí)機(jī)的好壞取決對(duì)槽車存液的精準(zhǔn)估算。一般來(lái)說(shuō)，從“叫車”開始到槽車抵達(dá)場(chǎng)站需要1-2天時(shí)間，因此槽車換車時(shí)機(jī)主要是對(duì)提前量的掌握，
通常判斷槽車需要更換的方法有以下幾種：
①液位表觀察法。即觀察槽車自帶的液位表，當(dāng)液位接近于零的時(shí)候，表示槽車存液基本用完。但實(shí)際運(yùn)行中，該液位表往往是不準(zhǔn)的，一般液位計(jì)顯示在30mm水柱以下時(shí)，表示存液基本用完。液位表只能作為參照，不能作為判斷存液用完的定性指標(biāo)。
②壓力觀察法。即觀察槽車運(yùn)行壓力，LNG槽車在不超過(guò)額定供氣流量的情況下，槽車內(nèi)的壓力是非常穩(wěn)定的，一般壓力波動(dòng)值在±0.02MPa，而當(dāng)槽車存液快用完時(shí)，壓力會(huì)非常明顯下降。根據(jù)這一特征，就可以比較準(zhǔn)確的得到換車時(shí)機(jī)。
③存液估算法。根據(jù)每車氣的氣質(zhì)報(bào)告和凈重，估算出該車氣的總儲(chǔ)氣量（等于凈重乘以氣化率），然后統(tǒng)計(jì)每天的外供氣量，通過(guò)比較總儲(chǔ)氣量、外供氣量和日平均供氣量三個(gè)參數(shù)，可以比較準(zhǔn)確地估算出槽車存液量多少和存液可供應(yīng)時(shí)間。
實(shí)際運(yùn)行中，以上三種方法往往是結(jié)合在一起使用，這樣就可以準(zhǔn)確把握槽車換車時(shí)機(jī)了。
5.2 瓶組換瓶時(shí)機(jī)
瓶組換瓶時(shí)機(jī)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因杜瓦瓶本身有1-3%的自蒸發(fā)率，因此換瓶時(shí)機(jī)選擇槽車換車前2-3天換瓶是最合適的，這樣可充分利用杜瓦瓶的應(yīng)急保障功能，降低灌裝、運(yùn)輸杜瓦瓶成本。
5.3槽車卸液操作要點(diǎn)：
①槽車過(guò)磅。正常裝液的LNG槽車滿裝總重一般在49噸左右，空車重量在29左右。LNG貿(mào)易結(jié)算的通常規(guī)則是，誤差低于1%按供應(yīng)商發(fā)貨單結(jié)算，高1%按業(yè)主實(shí)際稱重結(jié)算。因此，對(duì)于燃?xì)夤緛?lái)說(shuō)，過(guò)磅是非常重要的。直供模式下，槽車罐體與車頭是要分離的，結(jié)算一車氣時(shí)，“滿罐”與“空罐”為同一罐體，過(guò)兩次磅，而滿車車頭與空車車頭并不是同一車頭，因此，過(guò)磅最精確的方法是只稱“罐體”不稱“車頭”。
②進(jìn)站安全措施。主要有三項(xiàng)：一是槽車掛靜電接地；二是槽車車輪枕木固定；三是槽車排氣管放阻火器。
③卸液軟管吹掃。槽車卸液軟管有不銹鋼金屬軟管和不銹鋼真空軟管兩種，無(wú)論采用何種金屬軟管，在與槽車及匯流管法蘭連接前，必須進(jìn)行吹掃。吹掃一般用氮?dú)�，吹掃目的是防止管�?nèi)及管口法蘭處水汽聚集。另外，運(yùn)行中的軟管拆卸時(shí)，表面往往有大量冰霜覆蓋，因此在化霜和拆法蘭盤螺栓時(shí)要特別小心，拆下的軟管兩頭用干燥的毛巾塞住，防止水汽進(jìn)入，等要安裝時(shí)再拿掉毛巾。對(duì)于杜瓦瓶的連接軟管，因管徑小，管子短，直接用杜瓦瓶?jī)?nèi)的天然氣順吹或匯流管上的天然氣反吹均可達(dá)到吹掃的目的。
5.4 杜瓦瓶增壓槽車壓力操作要點(diǎn)
杜瓦瓶自身帶有自增壓閥，該功能可為槽車氣相空間增壓。增壓時(shí)，槽車氣相管與參與增壓的杜瓦瓶氣相管通過(guò)氣相匯流連通，杜瓦瓶先通過(guò)自帶的增壓閥提高鋼瓶?jī)?nèi)壓力，增壓閥參數(shù)可以事先設(shè)定，運(yùn)行時(shí)，關(guān)閉BOG排放，打開杜瓦瓶的氣相閥，將鋼瓶?jī)?nèi)BOG充入槽車氣相空間，充氣量的多少和充氣速率可以通過(guò)增減投入的杜瓦瓶數(shù)量來(lái)控制。杜瓦瓶增壓過(guò)程中要嚴(yán)密監(jiān)視槽車壓力，同時(shí)，在增壓過(guò)程中，杜瓦瓶不能對(duì)外供氣。
5.5 防“倒罐”操作要點(diǎn)
聯(lián)合運(yùn)行模式中杜瓦瓶液相和槽車液相存在互相“倒罐”的可能。因此，無(wú)論何種工況，槽車與瓶組必須只有一種對(duì)外供氣方式，如果槽車與杜瓦瓶組運(yùn)行模式要切換，必須遵循圖7的操作流程：
圖7槽車操作關(guān)鍵步驟
5.6 BOG控制要點(diǎn)
BOG主要來(lái)自槽車自蒸發(fā)BOG和杜瓦瓶自蒸發(fā)。BOG產(chǎn)生的速率取決于罐體保溫性能和環(huán)境溫度。BOG的產(chǎn)生會(huì)引起槽罐和杜瓦瓶壓力升高，如不及時(shí)排放，超壓運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致安全閥起跳，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起儲(chǔ)液設(shè)備破裂。連續(xù)對(duì)外供氣工況下，BOG產(chǎn)生的量會(huì)非常少，BOG不會(huì)造成儲(chǔ)液設(shè)備壓力升高。BOG控制的要點(diǎn)是在安全閥動(dòng)作壓力前手動(dòng)排放。排放方式有兩種：一種是通過(guò)BOG調(diào)壓回路進(jìn)入出站管網(wǎng)，一種是直接排空。BOG是一種低溫氣體，直接排空會(huì)產(chǎn)生LNG浪費(fèi)，操作危險(xiǎn)性也較高，因此應(yīng)優(yōu)先利用BOG調(diào)壓回路排入管網(wǎng)。
5.7 EAG控制要點(diǎn)
封閉管路LNG氣化會(huì)導(dǎo)致EAG的產(chǎn)生，這種情況非常危險(xiǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)上LNG管路兩道截止閥之間安裝安全閥，可防止誤操作引起封閉段壓力劇增造成管道及相關(guān)設(shè)備、儀表?yè)p壞。聯(lián)合供氣站最容易發(fā)生EAG事故的部位是槽車與匯流管之間的金屬軟管，這個(gè)部位沒(méi)有安全閥，當(dāng)兩側(cè)閥門關(guān)閉時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生EAG將金屬軟管脹裂。因此，在金屬軟管外表未全部化霜情況下，軟管兩側(cè)不能同時(shí)密閉。
5.8 易損件管理場(chǎng)
站內(nèi)易損件主要是密封墊圈，由于LNG工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)，在金屬軟管接頭、低溫閥門的密封元件四氟墊圈容易老化，多次使用后密封性能下降，需要經(jīng)切斷槽車供氣投運(yùn)瓶組供氣拆除槽車連接滿槽車進(jìn)卸液位空槽車退出站金屬軟管吹掃切斷瓶組供氣投運(yùn)槽車供氣接槽車軟管常更換。易損件管理的原則是多備勤換、進(jìn)出庫(kù)登記。
