LNG汽車具有經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保、方便、機(jī)動等優(yōu)勢[1～6]，是天然氣汽車的發(fā)展方向，也是城市規(guī)�；l(fā)展天然氣汽車的理想途徑。測試數(shù)據(jù)顯示：公交車使用LNG燃料，尾氣綜合排放與燃油車輛相比可下降80%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市大氣環(huán)境污染60%來自機(jī)動車的尾氣，發(fā)展LNG汽車、建設(shè)LNG汽車加氣站是治理機(jī)動車輛排放污染，改善大氣環(huán)境質(zhì)量的有效舉措。
LNG橇裝汽車加氣站是將LNG低溫儲罐、加氣機(jī)、低溫泵、卸車增壓器、儲罐增壓器、管道、控制閥門等設(shè)備在制造廠集中固定安裝在一個橇塊上，具有高度集成、安裝簡便、機(jī)動靈活、安全可靠、操作方便等特點(diǎn)，主要用于LNG汽車加氣項(xiàng)目推廣和其他小規(guī)模客戶開發(fā)。LNG橇裝汽車加氣站的技術(shù)和建設(shè)在我國處于發(fā)展階段，本文以某公交站場的LNG橇裝汽車加氣站為例，對典型的LNG橇裝汽車加氣站的工藝流程與設(shè)備選型進(jìn)行分析。
1 技術(shù)規(guī)范與技術(shù)參數(shù)
1.1 技術(shù)規(guī)范
目前，國內(nèi)尚未發(fā)布專門針對LNG汽車加氣站的設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收規(guī)范。在長沙、貴陽等市的LNG汽車加氣站示范項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，采用控制自身安全性作為設(shè)計(jì)原則，在保證工藝和設(shè)備技術(shù)安全可靠的前提下，吸取國外設(shè)計(jì)理念，在征得消防等有關(guān)部門同意后，采用美國消防協(xié)會《液化天然氣(LNG)車輛燃料系統(tǒng)規(guī)范》NFPA 57標(biāo)準(zhǔn)。目前，各地實(shí)際執(zhí)行NFPA 57標(biāo)準(zhǔn)有很大難度，需要政府主管部門大力支持[7]。除《液化天然氣(LNG)車輛燃料系統(tǒng)規(guī)范》NFPA 57外，其他需要遵循的主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如下。
① 《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(2006年版)GB 50156—2002
② 《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運(yùn)》GB/T 20368—2006
③ 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(2000年版)GB 50057—94
④ 《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016—2006
⑤ 《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50058—2
⑥ 《化工企業(yè)靜電接地設(shè)計(jì)規(guī)范》HG/T 20675—1990
1.2 技術(shù)參數(shù)
① 設(shè)計(jì)規(guī)模
a. 某公交站場計(jì)劃一期投運(yùn)LNG汽車數(shù)量為100輛，二期發(fā)展到200輛，根據(jù)其LNG汽車情況進(jìn)行LNG橇裝站設(shè)計(jì)。經(jīng)測算，每輛車天然氣耗量約為90m3/d，則200輛LNG公交車每天需要加天然氣18000m3，因此該LNG橇裝汽車加氣站的設(shè)計(jì)規(guī)模確定為20000m3/d。
b. LNG的儲存容積按下式計(jì)算：
式中V——儲存容積，m3
t——儲存時間，d
Qr——平均日用氣量，kg/d
ρY——最高工作溫度下的液化天然氣密度，kg/m3
θb——最高工作溫度下的儲罐允許充裝率
根據(jù)氣源的情況，并綜合考慮加氣速度、LNG汽車數(shù)量、卸車時間等因素，確定儲存時間為1d。經(jīng)計(jì)算，該站LNG儲存容積為43.68m3。因此，取該站的儲存規(guī)模為50m3，設(shè)置1臺容積為50m3儲罐的LNG轉(zhuǎn)運(yùn)橇。
② 設(shè)計(jì)壓力
根據(jù)LNG車輛發(fā)動機(jī)的工作壓力，確定LNG橇裝汽車加氣站的系統(tǒng)工作壓力為0.45～0.80MPa，LNG儲罐的設(shè)計(jì)壓力為1.2MPa。
③ 設(shè)計(jì)溫度
因?yàn)楣ぷ鹘橘|(zhì)為飽和液體，根據(jù)壓力確定系統(tǒng)工作時的最低溫度為-146℃，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度為-196℃。
2 工藝流程
LNG橇裝汽車加氣站與LNG固定式汽車加氣站工藝流程相同，分為卸車流程、升壓流程、加氣流程以及卸壓流程等4部分。
2.1 卸車流程
把集裝箱或槽車內(nèi)的LNG卸至LNG橇裝汽車加氣站的儲罐內(nèi)，使LNG經(jīng)過泵從儲罐上進(jìn)液管進(jìn)入LNG儲罐。卸車有3種方式：增壓器卸車、泵卸車、增壓器和泵聯(lián)合卸車。
① 增壓器卸車
通過卸車增壓器將氣化后的氣態(tài)天然氣送入LNG槽車，增大槽車的氣相壓力，將槽車內(nèi)的LNG壓入LNG儲罐。此過程給槽車增壓，所以卸完車后需要給槽車降壓，每卸1輛車排出的氣體量約為180m3。
②泵卸車
將LNG槽車和LNG儲罐的氣相空間連通，通過LNG低溫泵將槽車內(nèi)的LNG卸入LNG儲罐。
③ 增壓器和泵聯(lián)合卸車
先將LNG槽車和LNG儲罐的氣相空間連通，然后斷開，在卸車的過程中通過增壓器增大槽車的氣相壓力，用泵將槽車內(nèi)的LNG卸入儲罐，卸完車后需要給槽車降壓。
第①種卸車方式的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約電能，工藝流程簡單，缺點(diǎn)是產(chǎn)生較多的放空氣體，卸車時間較長；第②種卸車方式的優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生放空氣體，工藝流程簡單，缺點(diǎn)是耗電能；第③種卸車方式優(yōu)點(diǎn)是卸車時間較短，耗電量小于第②種，缺點(diǎn)是工藝流程較復(fù)雜。綜合各種因素，本項(xiàng)目采用第③種方式卸車。
2.2 升壓流程
LNG的汽車發(fā)動機(jī)需要車載氣瓶內(nèi)液體壓力較高，一般為0.45～0.80MPa，而運(yùn)輸和儲存需要LNG液體壓力越低越好。所以在給汽車加氣之前須對儲罐中的LNG進(jìn)行升壓升溫。LNG橇裝汽車加氣站儲罐升壓的目的是得到一定壓力的飽和液體，在升壓的同時飽和溫度相應(yīng)升高。LNG橇裝汽車加氣站的升壓采用下進(jìn)氣方式，升壓方式有2種：一種是通過增壓器升壓，另一種是通過增壓器與泵聯(lián)合使用進(jìn)行升壓。第一種方式優(yōu)點(diǎn)是不耗電能，缺點(diǎn)是升壓時間長，理論計(jì)算需要逾5h。第二種方式優(yōu)點(diǎn)是升壓時間短，減少放空損失，缺點(diǎn)是需要電耗。本項(xiàng)目采用第二種方式，并且加大增壓器的傳熱面積，大大縮短升壓時間，一般需要逾1 h，從而確保加氣時間。
2.3 加氣流程
LNG橇裝汽車加氣站儲罐中的飽和液體LNG通過泵加壓后經(jīng)過計(jì)量由加氣槍給汽車加氣。車載儲氣瓶為上進(jìn)液噴淋式，加進(jìn)去的LNG直接吸收車載氣瓶內(nèi)氣體的熱量，使瓶內(nèi)壓力降低，減少放空氣體，并提高了加氣速度。
2.4 卸壓流程
當(dāng)系統(tǒng)壓力大于設(shè)定值時，系統(tǒng)中的安全閥打開，釋放系統(tǒng)中的氣體，降低壓力，保證系統(tǒng)安全。
通過對目前國內(nèi)外先進(jìn)工藝的LNG汽車加氣站的調(diào)查了解，正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)的放空與操作過程和流程設(shè)計(jì)有很大關(guān)系。操作和設(shè)計(jì)過程中盡量減少使用增壓器。操作過程中如果需要給儲罐增壓時，應(yīng)該在車輛加氣前2h，根據(jù)儲罐LNG壓力情況進(jìn)行增壓，不宜在卸完車后立即增壓。
3 主要設(shè)備選型
本項(xiàng)目的主要工藝設(shè)備為LNG轉(zhuǎn)運(yùn)橇。LNG轉(zhuǎn)運(yùn)橇上布置1臺容積為50 in3的臥式低溫儲罐、2臺加氣機(jī)、1臺低溫泵、1臺卸車增壓器和1臺儲罐增壓器，其中低溫泵采用進(jìn)口設(shè)備。以上這些設(shè)備通過管道連接，在制造廠集中固定在一個橇塊上。
① LNG儲罐
LNG儲罐按圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱方式分類，有以下3種。
a. 真空粉末隔熱
隔熱方式為夾層抽真空，填充粉末(珠光砂)，常用于小型LNG儲罐。真空粉末絕熱儲罐由于其生產(chǎn)技術(shù)與液氧、液氮等儲罐基本一樣，因而目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家的制造技術(shù)也很成熟，運(yùn)行維護(hù)也相對方便、靈活，目前氣化站使用較多。
b. 正壓堆積隔熱
采用絕熱材料，夾層通氮?dú)�，絕熱層通常較厚，廣泛應(yīng)用于大中型LNG儲罐和儲槽。通常用于立式LNG子母式儲罐。
c. 高真空多層隔熱
采用高真空多層纏繞隔熱，多用于槽車儲罐和LNG汽車加氣站儲罐。
該站的LNG儲存量不大，保冷性能要求較高，因此選用高真空多層纏繞絕熱儲罐。根據(jù)LNG儲存量，并考慮到橇裝設(shè)備的運(yùn)輸方便性，LNG轉(zhuǎn)運(yùn)橇選用50m3的臥式儲罐。LNG儲罐設(shè)液位計(jì)、差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器、壓力表各1只，以實(shí)現(xiàn)對儲罐內(nèi)LNG液位、溫度、壓力的現(xiàn)場指示及遠(yuǎn)程控制。罐體頂部設(shè)安全防爆裝置，下部設(shè)夾層抽接口及溫度測試口。根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力，并考慮經(jīng)濟(jì)性，確定儲罐內(nèi)罐的設(shè)計(jì)壓力為1.2MPa，外罐設(shè)計(jì)壓力為-0.1MPa。
② LNG低溫泵
國內(nèi)LNG汽車加氣站的設(shè)備技術(shù)發(fā)展較晚，目前國內(nèi)已建成的LNG汽車加氣站投入使用的LNG低溫泵均采用國外進(jìn)I：I泵。LNG低溫泵的流量根據(jù)汽車加氣站的設(shè)計(jì)規(guī)模及加氣機(jī)的流量選定，本項(xiàng)目LNG低溫泵的設(shè)計(jì)流量為0～320L/min。對LNG低溫泵進(jìn)行選型，主要參數(shù)見表2。
③ 卸車增壓器
卸車增壓器是完成卸車的設(shè)備之一，選用空溫式換熱器，增壓器借助于列管外的空氣給熱，使管內(nèi)LNG升高溫度并氣化�？諟厥綋Q熱器使用空氣作為熱源，節(jié)約能源，運(yùn)行費(fèi)用低。本項(xiàng)目選用處理量為200m3/h的卸車增壓器1臺，其主要工藝參數(shù)見表3。
④ 加氣機(jī)
加氣機(jī)是給車載LNG氣瓶加氣和計(jì)量的設(shè)備，主要包括流量計(jì)和加氣槍。流量計(jì)是計(jì)量設(shè)備，采用質(zhì)量流量計(jì)，具有溫度補(bǔ)償功能。加氣槍是給車載LNG氣瓶加氣的快裝接頭，本項(xiàng)目選用流量為0.15m3/min的加氣槍，加氣機(jī)主要參數(shù)見表4。
⑤ 儲罐增壓器
儲罐增壓器是完成儲罐升壓升溫的設(shè)備之一，選用空溫式換熱器，其設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算及設(shè)備選型與卸車增壓器相同。
