LNG氣化站作為城市備用、調(diào)峰氣源或者過(guò)渡氣源，目前已得到較為廣泛的應(yīng)用。對(duì)于具有備用、調(diào)峰氣源功能的LNG氣化站，如何充分、有效地運(yùn)作LNG資源，達(dá)到投資收益最大化，已成為較多燃?xì)夤镜臉I(yè)務(wù)延伸重點(diǎn)。LNG瓶組氣化工藝具備機(jī)動(dòng)靈活、投資省、占地面積小、建設(shè)期短、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)，可迅速向城鎮(zhèn)居民用戶(hù)或者工業(yè)用戶(hù)供氣。因此，在暫未敷設(shè)燃?xì)夤艿赖膮^(qū)域或在管道應(yīng)急搶修時(shí)，由LNG瓶組氣化站進(jìn)行臨時(shí)供氣的方式已逐漸成為主流的選擇[1～2]。目前，大部分的LNG氣化站內(nèi)均設(shè)有LNG灌裝系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足LNG鋼瓶的充裝需求，繼而兼作城鎮(zhèn)LNG鋼瓶的充裝、流轉(zhuǎn)基地。
2 LNG灌裝工藝流程
目前在國(guó)內(nèi)LNG氣化站的一般設(shè)計(jì)中，對(duì)于LNG灌裝基本以機(jī)械臺(tái)秤稱(chēng)量、手動(dòng)操作的技術(shù)方案為主。LNG灌裝工藝流程見(jiàn)圖1。
LNG儲(chǔ)罐自增壓至0.6MPa，LNG鋼瓶放置于機(jī)械臺(tái)秤上，將LNG灌裝的液相軟管和氣相軟管分別與LNG鋼瓶連接完成，打開(kāi)出液管道的出液閥門(mén)V1和氣相管道回氣閥門(mén)V2開(kāi)始灌裝。LNG灌裝過(guò)程中的回氣氣相(BOG)首先經(jīng)過(guò)BOG加熱器進(jìn)行加熱，然后經(jīng)工藝裝置區(qū)進(jìn)行調(diào)壓、計(jì)量、加臭，最后進(jìn)入城市管網(wǎng)。待灌裝平臺(tái)的機(jī)械臺(tái)秤讀數(shù)達(dá)到目標(biāo)質(zhì)量值后，關(guān)閉出液管道出液閥門(mén)V1，同時(shí)打開(kāi)氣液連通閥門(mén)V3，待殘余液相全部回收后關(guān)閉氣相管道回氣閥門(mén)V2，打開(kāi)手動(dòng)放散閥V4、V5將管道內(nèi)殘留氣體匯集至站內(nèi)放散塔進(jìn)行放散，最后拆除連接軟管，完成LNG鋼瓶的灌裝。
3 存在問(wèn)題及技術(shù)改進(jìn)
3.1 LNG灌裝中存在的問(wèn)題
以410L低溫絕熱LNG鋼瓶為例，其最大允許充裝質(zhì)量為167kg，允許總質(zhì)量約為487kg。在進(jìn)行LNG灌裝前，一般先設(shè)置機(jī)械臺(tái)秤上的目標(biāo)質(zhì)量值，再人工打開(kāi)充液閥門(mén)，在達(dá)到所需質(zhì)量后人工關(guān)閉充液閥門(mén)。
由于LNG瓶組灌裝涉及對(duì)外銷(xiāo)售和貿(mào)易結(jié)算(部分工業(yè)用戶(hù)以L(fǎng)NG單瓶費(fèi)用進(jìn)行結(jié)算)，同時(shí)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》第9.3.1條明確規(guī)定LNG鋼瓶的灌裝量不應(yīng)大于其容積的90%，而機(jī)械臺(tái)秤的自身誤差、人工操作的時(shí)間差以及員工的誤操作(未及時(shí)關(guān)閉出液閥)等客觀因素卻極易造成LNG鋼瓶灌裝的超量，從而影響到LNG灌裝的計(jì)量準(zhǔn)確和鋼瓶的安全。而其他類(lèi)似業(yè)務(wù)如LPG鋼瓶充裝等，則擁有各自領(lǐng)域內(nèi)成熟可靠的充裝秤系統(tǒng)(包括地磅和連鎖切斷裝置)來(lái)保證充裝計(jì)量的準(zhǔn)確性。因此，通過(guò)研究、探討和實(shí)踐，我們?cè)谠性O(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)LNG灌裝工藝進(jìn)行了技術(shù)調(diào)整與改進(jìn)，將機(jī)械臺(tái)秤改造成自動(dòng)切斷的電子臺(tái)秤。
3.2 LNG灌裝的技術(shù)改進(jìn)方案
相對(duì)于早已配置完善的LPG充裝秤產(chǎn)品，由于LNG特有的深冷性質(zhì)以及部分低溫部件的自有缺陷，目前國(guó)內(nèi)大部分的臺(tái)秤廠商基本沒(méi)有生產(chǎn)成品的LNG灌裝秤，也沒(méi)有代理國(guó)外的相關(guān)產(chǎn)品。同時(shí)，由于廠站只具備LNG瓶組灌裝的單一業(yè)務(wù)需求，尚無(wú)LNG加氣業(yè)務(wù)開(kāi)展，且LNG加氣機(jī)價(jià)格較為昂貴，LNG鋼瓶也類(lèi)型各異，因此，我們暫不考慮使用LNG加氣機(jī)來(lái)進(jìn)行單一的LNG鋼瓶灌裝，決定通過(guò)將電子秤、灌裝控制等主要裝置進(jìn)行集成的方式來(lái)完成既定方案目標(biāo)。
實(shí)施方案為：將原有機(jī)械臺(tái)秤拆除，安裝電子臺(tái)秤，在LNG灌裝臺(tái)上增加安裝稱(chēng)重控制儀表柜，在液相管道上安裝1個(gè)氣動(dòng)緊急切斷閥ESV，使用阻燃鎧裝電纜連接電子臺(tái)秤和稱(chēng)重控制儀表柜，并連接稱(chēng)重控制儀表柜和氣動(dòng)緊急切斷閥，使其互相連鎖；安裝儀表風(fēng)管道至氣動(dòng)緊急切斷閥；另外，為防止管道內(nèi)產(chǎn)生封閉LNG而導(dǎo)致超壓，在氣動(dòng)緊急切斷閥和出液閥之間增加1個(gè)低溫全啟式安全閥[3]。
改進(jìn)后的LNG灌裝工藝流程見(jiàn)圖2。LNG鋼瓶置于電子臺(tái)秤上，軟管連接無(wú)誤后，出液閥V1保持常開(kāi)，打開(kāi)回氣閥V2。在稱(chēng)重控制儀表柜的人機(jī)界面上設(shè)置目標(biāo)質(zhì)量值，確認(rèn)無(wú)誤后，按下啟動(dòng)按鈕。此時(shí)，稱(chēng)重控制儀表柜給出4～20mA的模擬信號(hào)至氣動(dòng)緊急切斷閥ESV，控制儀表風(fēng)的電磁閥自動(dòng)打開(kāi)，氣動(dòng)開(kāi)啟ESV后開(kāi)始進(jìn)行LNG鋼瓶灌裝。在達(dá)到目標(biāo)質(zhì)量后，電子臺(tái)秤給予稱(chēng)重控制儀表柜信號(hào)，稱(chēng)重控制儀表柜則同時(shí)給予ESV關(guān)閉信號(hào)，ESV電磁閥關(guān)閉，切斷儀表風(fēng)氣源，ESV關(guān)閉，LNG灌裝結(jié)束。
3.3 技術(shù)要點(diǎn)及注意事項(xiàng)
① 稱(chēng)重控制儀表柜具備手動(dòng)與自動(dòng)兩種模式，自動(dòng)模式可實(shí)現(xiàn)與緊急切斷閥的連鎖控制，手動(dòng)模式則只具有正常稱(chēng)重計(jì)量功能。
稱(chēng)重控制儀表柜人機(jī)界面上除正常稱(chēng)重設(shè)置按鈕外，還應(yīng)具備緊急停車(chē)按鈕(ESD)，以保證在LNG灌裝過(guò)程中遇突發(fā)或事故狀況時(shí)，可緊急關(guān)閉，停止灌裝。
儀表柜的安裝位置應(yīng)以便于旁站灌裝人員操作和不影響管道閥門(mén)操作為原則。
?、?連接電纜應(yīng)根據(jù)HG/T 20512—2000《儀表配管配線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)定》的相關(guān)要求，采用銅芯阻燃屏蔽的鎧裝電纜，直埋敷設(shè)，出入地面穿套管保護(hù)，與氣動(dòng)緊急切斷閥采用防爆撓性管連接。
③ 根據(jù)GB 50058—1992《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，LNG灌裝平臺(tái)的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分為：以灌裝口(LNG灌裝軟管與固定管道之間的法蘭連接口)為中心，半徑為1.5m的空間為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域1區(qū)；以灌裝口為中心，半徑為4.5m的空間至地坪以上的范圍內(nèi)為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域2區(qū)。而在灌裝過(guò)程中操作人員需對(duì)電子臺(tái)秤及切斷系統(tǒng)進(jìn)行正常操作或者緊急事故處理，因此，稱(chēng)重控制儀表柜應(yīng)安裝在LNG灌裝平臺(tái)上即防爆區(qū)域范圍內(nèi)，這就要求電子臺(tái)秤及稱(chēng)重控制儀表柜必須具備防爆性能。
根據(jù)GB 3836.1—2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第1部分：通用要求》、GB 3836.2—2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第2部分：隔爆型“d”》、GB 3836.4—2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第4部分：本質(zhì)安全型“i”》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，本質(zhì)安全型產(chǎn)品用于防爆0區(qū)、1區(qū)及2區(qū)，隔爆型產(chǎn)品用于防爆1區(qū)及2區(qū)。而一般防爆電子臺(tái)秤的產(chǎn)品類(lèi)別中本質(zhì)安全型只能用于防爆區(qū)域的稱(chēng)重計(jì)量，不能外接其他設(shè)備；隔爆型產(chǎn)品是在防爆區(qū)域內(nèi)，外加安全柵，可外接其他設(shè)備并帶4～20mA模擬量的輸入輸出接口。綜上，LNG灌裝的電子臺(tái)秤及稱(chēng)重控制儀表柜均選擇隔爆型產(chǎn)品，并且，為提高安全性，同時(shí)不影響低溫軟管連接操作，稱(chēng)重控制儀表柜不宜裝在防爆1區(qū)即灌裝口周?chē)?.5m范圍內(nèi)。
?、?氣動(dòng)緊急切斷閥ESV應(yīng)安裝在手動(dòng)出液閥V1的下游，便于在ESV發(fā)生故障時(shí)，可進(jìn)行正常關(guān)閉及維修。
?、?由于LNG灌裝需每日進(jìn)行，使用頻率相對(duì)較高，氣動(dòng)緊急切斷閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否安全可靠就顯得極為重要。從閥門(mén)本身的安全可靠性和維護(hù)維修特性來(lái)考慮，對(duì)于該類(lèi)關(guān)鍵部位的切斷閥門(mén)，建議采用進(jìn)口品牌的低溫氣動(dòng)緊急切斷閥。
⑥ 在氣動(dòng)緊急切斷閥ESV與手動(dòng)出液閥V1之間應(yīng)加裝低溫安全閥，以防止產(chǎn)生封閉LNG導(dǎo)致氣化超壓。
4 LNG加氣功能的拓展
4.1 加氣功能拓展的實(shí)施方案
作為城鎮(zhèn)備用、調(diào)峰氣源的LNG氣化站日常使用功能單一，運(yùn)行頻率較低，因此，應(yīng)結(jié)合周邊天然氣市場(chǎng)發(fā)展?fàn)顩r，深入挖掘各類(lèi)用戶(hù)的能源供給需求，充分拓展廠站的LNG對(duì)外銷(xiāo)售業(yè)務(wù)，從而提高投資收益。
LNG汽車(chē)具有清潔、高效、環(huán)保、單次加氣續(xù)駛里程長(zhǎng)等特點(diǎn)，受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。目前北京、海南、廣東、浙江等地正積極推廣LNG汽車(chē)及加氣站，并已建成多座LNG加氣站[4～6]。
如果LNG氣化站周邊區(qū)域存在LNG汽車(chē)生產(chǎn)廠商(LNG汽車(chē)出廠發(fā)貨前需加注LNG)或者與公交公司達(dá)成LNG汽車(chē)推廣合作意向后，便可利用LNG氣化站的現(xiàn)有設(shè)施延伸增加LNG汽車(chē)加氣功能，即通過(guò)改進(jìn)原有LNG灌裝工藝，將LNG鋼瓶灌裝與LNG汽車(chē)加氣兩大流程組合集成，從而形成一套系統(tǒng)、兩種功能的LNG灌裝系統(tǒng)。
包含LNG加氣功能的LNG灌裝工藝流程見(jiàn)圖3。LNG灌裝工藝增加LNG加氣功能的具體改進(jìn)方案為：
?、?由于LNG儲(chǔ)罐自增壓后最高壓力僅為0.6MPa，影響LNG汽車(chē)的加氣速度，因此，需在液相管道上增加LNG低溫泵2臺(tái)，1用1備，同時(shí)將泵體氣液平衡管道引至LNG儲(chǔ)罐減壓調(diào)節(jié)閥之前。
?、?LNG灌裝管道末段連接LNG加氣機(jī)。
?、?LNG加氣機(jī)末段充注裝置為L(zhǎng)NG加氣槍及回氣槍?zhuān)虼?，需安裝轉(zhuǎn)換裝置才能正常進(jìn)行LNG鋼瓶的灌裝。因LNG加氣機(jī)具備計(jì)量功能，也可取消原有的LNG灌裝臺(tái)秤裝置。
4.2 需關(guān)注的問(wèn)題
① 增加LNG汽車(chē)加氣功能的LNG灌裝系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的蒸發(fā)氣BOG將大幅增加，原流程中經(jīng)過(guò)BOG加熱器和工藝裝置區(qū)將BOG回收至城市管網(wǎng)的形式，對(duì)于作為過(guò)渡氣源的LNG氣化站影響不大，而對(duì)于作為備用、調(diào)峰氣源的LNG氣化站，如LNG灌裝系統(tǒng)每日運(yùn)行產(chǎn)生的BOG均回收至城市管網(wǎng)，LNG的價(jià)格因素將使生產(chǎn)成本顯著提高。因此，借鑒目前國(guó)內(nèi)LNG加氣站的通常設(shè)計(jì)流程，在增加LNG加氣功能的設(shè)施改造中，可將原BOG回氣的氣相管道與LNG儲(chǔ)罐下進(jìn)液管進(jìn)行連接，使BOG氣相從LNG儲(chǔ)罐底部進(jìn)入，這樣當(dāng)BOG氣相穿過(guò)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)液相時(shí)，便可以使一部分氣相再次液化，二次利用。
② LNG加氣功能拓展的改造費(fèi)用主要為工程二次施工費(fèi)用、增加設(shè)備的投資費(fèi)用等，如果在LNG氣化站設(shè)計(jì)中已經(jīng)包含或預(yù)留LNG加氣設(shè)施，則相對(duì)費(fèi)用將大幅降低。
③ 目前所用的LNG低溫泵大多數(shù)為浸潤(rùn)式離心泵，該泵在安裝時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
a. 進(jìn)行低溫管道連接時(shí)應(yīng)注意不能有應(yīng)力作用在泵頭。
b. 對(duì)于LNG氣化站，輸送LNG的液相管道基本采用三聚酯進(jìn)行絕熱，在環(huán)境溫度較高時(shí)，輕微的溫升極易造成部分LNG快速氣化，而LNG氣化后則會(huì)很容易使LNG低溫泵產(chǎn)生氣蝕而導(dǎo)致密封磨損、葉輪損壞。因此，LNG低溫泵的安裝位置要求盡量在LNG儲(chǔ)罐出液口后3m之內(nèi)，如超過(guò)3m，則LNG儲(chǔ)罐至泵體的入口管道需更改為真空管，從而提高絕熱性能，降低氣蝕風(fēng)險(xiǎn)。
c. 為防止LNG泄漏產(chǎn)生爆炸，LNG低溫泵的電力引線(xiàn)裝置需設(shè)兩道氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)，阻斷LNG的泄漏通道，從而確保LNG低溫泵的使用安全可靠。
d. LNG儲(chǔ)罐至LNG低溫泵的入口管道上應(yīng)盡量減少三通、彎頭等管件。
④ LNG低溫泵的安全保護(hù)系統(tǒng)要求比較高，如振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電流過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)、低電流保護(hù)系統(tǒng)、密封保護(hù)系統(tǒng)、低流量、低壓力報(bào)警等[6]，因此，實(shí)施方案時(shí)，應(yīng)密切關(guān)注LNG低溫泵相關(guān)控制系統(tǒng)的完善設(shè)置。
5 結(jié)論及建議
?、?LNG灌裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電子臺(tái)秤稱(chēng)重與自動(dòng)切斷的連鎖功能，有利于保證LNG灌裝的可靠操作和精確計(jì)量，從而進(jìn)一步提高灌裝過(guò)程中的作業(yè)安全和LNG鋼瓶安全。
② 如有業(yè)務(wù)發(fā)展需求，建議將LNG灌裝系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，同時(shí)具備LNG鋼瓶灌裝和LNG汽車(chē)加氣兩大功能。LNG加氣機(jī)比電子臺(tái)秤系統(tǒng)在灌裝的計(jì)量準(zhǔn)確性和防爆設(shè)備的安全性上更具優(yōu)勢(shì)。
?、?在LNG氣化站的普通設(shè)計(jì)中，LNG儲(chǔ)罐自增壓設(shè)施基本采用空溫式氣化器，但根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在生產(chǎn)頻繁的冬季，儲(chǔ)罐自增壓氣化器運(yùn)行時(shí)因環(huán)境溫度較低、化霜速度慢而極易產(chǎn)生換熱效率低、增壓速度緩慢等情況，從而影響LNG氣化站的正常生產(chǎn)供氣。因此，如在LNG氣化站設(shè)計(jì)時(shí)便留有LNG汽車(chē)加氣功能，便可考慮利用LNG低溫泵兼作LNG儲(chǔ)罐的增壓裝置，從而取消增壓氣化器設(shè)置，不但可以節(jié)約工程投資費(fèi)用，也可以保證冬季的可靠生產(chǎn)。
④ LNG氣化站作為備用、調(diào)峰氣源時(shí)，因其工程造價(jià)高，日常運(yùn)行率低，燃?xì)馄髽I(yè)應(yīng)充分挖掘、拓展LNG業(yè)務(wù)，如LNG瓶組供應(yīng)、LNG冷能利用、LNG汽車(chē)加氣等，從而提高廠站的投資回報(bào)率，縮短投資回收期。
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(本文作者：張明明1 胡楠2 徐占偉3 1.蘇州港華燃?xì)庥邢薰?江蘇蘇州 205021；2.中石油昆侖燃?xì)庥邢薰?北京 100101；3.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津 300074)
