LNG加氣站新型節(jié)能型儀表風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳浩，陳毅，楊順之，吳瀟，張敏

(厚普清潔能源股份有限公司，四川 成都 610100)

0 引言

在2020年9月22日，國(guó)家主席習(xí)近平在聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上表示，中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)提出碳達(dá)峰目標(biāo)、碳中和愿景，天然氣作為最清潔的化石燃料，在為世界提供能源和減少碳排放方面發(fā)揮著重要作用。液化天然氣(liquef ied natural gas, LNG)作為一種優(yōu)質(zhì)清潔能源，由于其具有燃燒發(fā)熱量大，燃燒后對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)需求量呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，目前已廣泛用于城市燃?xì)狻⑷剂掀?chē)、船舶、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域，LNG取代燃油后可以減少90%的二氧化硫排放和80%的氮氧化物排放，環(huán)境效益十分明顯，是汽車(chē)的優(yōu)質(zhì)代用燃料[1]

因此，LNG加氣站的安全穩(wěn)定運(yùn)行是保障LNG穩(wěn)定供應(yīng)的基礎(chǔ)，安裝于現(xiàn)場(chǎng)的緊急切斷閥在其中發(fā)揮著重要作用。目前LNG加氣站現(xiàn)場(chǎng)使用緊急切斷閥大多數(shù)為氣動(dòng)型，氣動(dòng)型閥門(mén)的動(dòng)作依靠LNG加氣站內(nèi)的儀表風(fēng)系統(tǒng)提供的壓縮空氣作為動(dòng)力，儀表風(fēng)系統(tǒng)能否提供壓力穩(wěn)定且潔凈的壓縮空氣關(guān)系到緊急切斷閥能否及時(shí)關(guān)斷、LNG加氣站能否可靠運(yùn)行；如果壓縮空氣水分過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致儀表風(fēng)管路的腐蝕和堵塞，氣動(dòng)閥門(mén)損壞等。壓縮空氣的另一個(gè)作用是用于吹掃LNG加氣槍?zhuān)驗(yàn)長(zhǎng)NG是低溫液體，加注槍口在經(jīng)過(guò)加注后會(huì)將空氣中的水分冷凝附著在加氣槍密封圈處，在LNG加氣站通常都會(huì)要求操作員在連接LNG加氣槍之前，必須用吹掃槍對(duì)加氣槍進(jìn)行徹底吹掃，否則，在加注的過(guò)程中，這些水分就會(huì)被LNG冷凍成堅(jiān)硬的冰粒，進(jìn)入加注槍密封環(huán)內(nèi)部，影響加注槍的正常使用，嚴(yán)重的情況下會(huì)造成LNG的泄漏，甚至導(dǎo)致火災(zāi)、人員凍傷等嚴(yán)重后果。

1 LNG加氣站能耗分析

LNG加氣站是利用LNG作為燃料的一種多功能加氣站，可為L(zhǎng)NG車(chē)提供車(chē)用燃料。LNG汽車(chē)加注站由卸車(chē)、增壓、儲(chǔ)存、泵送、加注、安全控制等部分組成，主要耗電設(shè)備包括LNG潛液泵、LNG加氣機(jī)、儀表風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四大部分，具體參數(shù)如表1所示。

表1 站內(nèi)主要用電設(shè)備及主要參數(shù)

1.1 低溫潛液泵

在LNG加氣站中，潛液泵由變頻器驅(qū)動(dòng)，變頻器根據(jù)泵出口的壓力自動(dòng)調(diào)整潛液泵頻率，以保證加注壓力穩(wěn)定。根據(jù)厚普股份在國(guó)內(nèi)站點(diǎn)的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，在正常加注過(guò)程中潛液泵的運(yùn)行頻率在80～90 Hz，加注流量約 50 kg/min，預(yù)冷時(shí)間 1～2 min，加注時(shí)間約3 min，假設(shè)潛液泵的運(yùn)行頻率90 Hz，根據(jù)變頻器輸出頻率與輸入功率立方成正比可得，在90 Hz時(shí)，額定功率為11 kW的潛液泵輸入功率約8 kW。

1.2 LNG加氣機(jī)

LNG加氣機(jī)在LNG加氣站起到LNG充裝和計(jì)量的功能，儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG經(jīng)過(guò)低溫潛液泵增壓后輸送至LNG加氣機(jī)，經(jīng)LNG加氣機(jī)計(jì)量后充裝至LNG卡車(chē)的鋼瓶中。LNG加氣機(jī)在空閑狀態(tài)和加注狀態(tài)耗電量沒(méi)有明顯區(qū)別，每臺(tái)LNG加氣機(jī)每小時(shí)耗電量按照銘牌確定約0.2 kW·h。

1.3 儀表風(fēng)系統(tǒng)

目前大多數(shù)的LNG加氣站中，儀表風(fēng)系統(tǒng)由一臺(tái)空壓機(jī)和一臺(tái)干燥機(jī)串聯(lián)的方式向外提供壓縮空氣。在LNG行業(yè)最常見(jiàn)的干燥機(jī)有兩種類(lèi)型，吸附式干燥機(jī)和冷凍式干燥機(jī)，吸附式干燥機(jī)主要是利用吸附劑(活性氧化鋁、硅膠等)利用變壓吸附原理吸附空氣中的水分子，達(dá)到降低空氣中的水分子含量的目的。冷凍式干燥機(jī)主要是利用了降溫結(jié)露的原理，通過(guò)降低空氣溫度，將水分從空氣中析出，再經(jīng)過(guò)水汽分離，水分經(jīng)過(guò)排水器排出，低溫空氣經(jīng)過(guò)換熱器升溫后輸出。

儀表風(fēng)系統(tǒng)主要設(shè)備包含一臺(tái)空壓機(jī)和一臺(tái)干燥機(jī)，吸附式干燥機(jī)的功率通常可以忽略不計(jì)，冷凍式干燥機(jī)功率約2 kW。常規(guī)配置空壓機(jī)的功率約3 kW，空壓機(jī)根據(jù)LNG加氣站的運(yùn)行情況間歇工作。

根據(jù)在某站點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)記錄，在空閑狀態(tài)下，由于干燥機(jī)的吸附塔需要交替工作(默認(rèn)為10 min循環(huán)工作)，干燥機(jī)每?jī)纱窝h(huán)工作，空壓機(jī)必須要啟動(dòng)補(bǔ)充壓力，每次補(bǔ)充壓力工作約1 min，空壓機(jī)每小時(shí)工作約6次，全天工作時(shí)長(zhǎng)約144 min，耗電約7.2 kW·h。由于需要用儀表風(fēng)吹掃LNG加液槍?zhuān)恳淮蜭NG加注前空壓機(jī)都會(huì)啟動(dòng)一次，平均每次的工作時(shí)間約1～1.5 min。

1.4 站控系統(tǒng)

站控系統(tǒng)主要包含PLC控制系統(tǒng)、工控機(jī)顯示器、收費(fèi)系統(tǒng)、燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)以及現(xiàn)場(chǎng)儀表等電氣裝置。

控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器、變送器等儀表信號(hào)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)站內(nèi)儲(chǔ)罐、泵、泵池、管路、氣化器、加氣機(jī)等設(shè)備狀態(tài)，采集包括壓力、溫度、液位、轉(zhuǎn)速、電流、狀態(tài)等參數(shù)。經(jīng)處理分析，按照控制邏輯及參數(shù)，自動(dòng)控制并驅(qū)動(dòng)工藝設(shè)備，實(shí)現(xiàn)加氣站安全聯(lián)鎖及設(shè)備智能化運(yùn)營(yíng)管理?？刂葡到y(tǒng)必須連續(xù)運(yùn)行，每小時(shí)平均綜合耗電量按照額定數(shù)據(jù)約1.4 kW·h。

1.5 日均總能耗

假設(shè)站點(diǎn)累計(jì)每天連續(xù)24 h營(yíng)業(yè)，對(duì)外累計(jì)加注100次共15 t LNG?？偤碾娏考s為124.6 kW·h。

2 節(jié)能措施探討

從表1可以看出，LNG加氣站中潛液泵的單位能耗最高，儀表風(fēng)系統(tǒng)耗電量排第三。在實(shí)際LNG加氣站的中，潛液泵采用了變頻器驅(qū)動(dòng)，潛液泵的功率依據(jù)站的加注需求選擇，除非提升潛液泵本身的效率，其他措施難以降低其能耗；LNG加氣站控制系統(tǒng)由于自身的特點(diǎn)，它們?cè)谡緝?nèi)必須要連續(xù)運(yùn)行，且無(wú)論是在加注狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài)中，能耗沒(méi)有明顯區(qū)別，難以有效降低其功耗。

針對(duì)以上分析結(jié)果，儀表風(fēng)系統(tǒng)是LNG加氣站節(jié)能降耗的主要潛力，通過(guò)對(duì)儀表風(fēng)系統(tǒng)的工藝進(jìn)行優(yōu)化，可以降低儀表風(fēng)系統(tǒng)能耗，同時(shí)保證提供充足、穩(wěn)定的壓縮空氣。

3 高分子膜式干燥器的原理與特點(diǎn)

高分子膜式干燥器主要利用了水分子滲透擴(kuò)散原理，如果在高分子膜的兩側(cè)存在水分子濃度不等的空氣，則氣體分子會(huì)從高壓側(cè)向低壓側(cè)進(jìn)行分子擴(kuò)散。而經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，一種合成的高分子膜，使得水分子的擴(kuò)散速度是氧氣分子擴(kuò)散速度的2 000倍以上。利用這一點(diǎn)可以快速的將水分子和空氣分離，且在這一過(guò)程中不需要額外的能量或者其他催化劑的參加，且其露點(diǎn)溫度可達(dá)-70 ℃。但是在使用過(guò)程中，空氣中的其他雜志會(huì)堆積到高分子膜上，為了清潔高分子膜，需要用少量的氣體反吹掃高分子膜，保證了高分子膜的長(zhǎng)期有效工作[2]。

高分子膜式干燥機(jī)的主要特點(diǎn)；(1)排氣少，僅需要少量的反吹掃氣體清潔高分子膜和帶走水分；(2)壽命長(zhǎng)，高分子膜使用壽命可達(dá)8～10年；(3)高效率，高分子膜式干燥機(jī)不需要預(yù)運(yùn)行時(shí)間，干燥空氣可立即使用；(4)氣體質(zhì)量保證，經(jīng)過(guò)膜式干燥機(jī)后的氣體溫度沒(méi)有任何變化，氣體成分沒(méi)有任何其他雜質(zhì)，潔凈度可用于醫(yī)藥設(shè)備；(5)節(jié)能，高分子膜在使用過(guò)程中，不需要額外能量；(6)環(huán)保，高分子膜沒(méi)有任何化學(xué)添加劑和催化劑參與；(7)體積小，高分子膜式干燥機(jī)的體積非常小，部分廠家的高分子膜式干燥機(jī)的體積僅有普通手電筒大小；(8)免維護(hù)，高分子膜式干燥機(jī)使用過(guò)程中無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，無(wú)電氣部件，在高分子膜的壽命期限內(nèi)不需要任何維護(hù)。

3.1 流程與工作原理

該系統(tǒng)包含了空壓機(jī)、油霧過(guò)濾器、微霧過(guò)濾器、高分子膜式干燥器、緩沖罐、壓力開(kāi)關(guān)、電池閥、單向閥、自動(dòng)排水器等部件。流程圖如圖1所示。

圖1 儀表風(fēng)系統(tǒng)氣路圖

在系統(tǒng)正常工作時(shí)，由于后端設(shè)備用氣，二級(jí)緩沖罐T2的壓力開(kāi)始下降，當(dāng)壓力降低到開(kāi)啟壓力設(shè)定值時(shí)，電磁閥SV1打開(kāi)，一級(jí)緩沖罐T1開(kāi)始通過(guò)高分子干燥器往二級(jí)緩沖罐補(bǔ)充氣體。同時(shí)，當(dāng)一級(jí)緩沖罐T1的壓力降低至啟動(dòng)值時(shí)，空壓機(jī)開(kāi)始工作，當(dāng)二級(jí)緩沖罐T2壓力達(dá)到關(guān)閉值時(shí)，關(guān)閉電磁閥SV1，當(dāng)一級(jí)緩沖罐T1的壓力達(dá)到停機(jī)壓力后，空壓機(jī)停止工作。

系統(tǒng)正常工作后，緩沖罐T1和緩沖罐T2中會(huì)存儲(chǔ)有壓縮空氣，而高分子膜式干燥器DA的出口和排氣口均設(shè)置有單向閥，這樣就充分保證了在后端沒(méi)有用氣時(shí)保證外部氣體不會(huì)進(jìn)入到干燥器內(nèi)部，也不會(huì)有氣體排出，當(dāng)緩沖罐T2的壓力下降到開(kāi)啟設(shè)置值時(shí)，PLC會(huì)控制電磁閥SV1打開(kāi)，往緩沖罐T2補(bǔ)充氣體，直到緩沖罐T2的壓力達(dá)到關(guān)閉設(shè)定值時(shí)電磁閥SV1關(guān)閉。當(dāng)緩沖罐T1的壓力低于啟動(dòng)值時(shí)，空壓機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)，往T1補(bǔ)充氣體，直到緩沖罐T1的壓力達(dá)到關(guān)閉設(shè)定值，空壓機(jī)自動(dòng)停止。

3.2 測(cè)試結(jié)果

如圖2所示。為使用了節(jié)能型設(shè)計(jì)的儀表風(fēng)系統(tǒng)，采用同一臺(tái)空壓機(jī)在待機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試的壓力曲線，由于空壓機(jī)的緩沖罐T1需要定期進(jìn)行排水操作，空壓機(jī)大概是每隔70 min啟動(dòng)一次，每次運(yùn)行時(shí)間為1 min，全天實(shí)際運(yùn)行20.5次，按照21次計(jì)算，運(yùn)行時(shí)間約 21 m，合 0.35 h，2.1×0.35=1.05 kW·h。

圖2 新型儀表風(fēng)系統(tǒng)的空壓機(jī)壓力曲線

以某一LNG加氣站在同一運(yùn)行情況下，根據(jù)要求儀表風(fēng)的壓力露點(diǎn)為-40 ℃[3]，優(yōu)化后儀表風(fēng)系統(tǒng)總計(jì)耗電約6.05 kW·h，優(yōu)化前的儀表風(fēng)系統(tǒng)每天累計(jì)耗電12.2 kW·h，優(yōu)化后的儀表風(fēng)系統(tǒng)耗電量下降約50.4%,整站耗電量下降約5%。

4 結(jié)語(yǔ)

該儀表風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用，反饋結(jié)果運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，減少了空氣損耗、降低了電能消耗，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于目前普遍應(yīng)用的吸附式儀表風(fēng)系統(tǒng)。該新型儀表風(fēng)系統(tǒng)不僅可以在LNG行業(yè)大面積推廣使用，在其他需要高潔凈壓縮空氣的行業(yè)也同樣適用。