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淺談LNG汽車加氣示范站設計

12-05 14:19:04  瀏覽次數:785次  欄目:給水排水
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  前言:2003年5月28日,國家科技部就“十五”國家科技攻關計劃“清潔汽車關鍵技術研究開發及示范應用”項目進行了批復。批文中明確了要實施“單燃料LNG公交車示范工程”2個,分別由新疆廣匯實業股份有限公司和長沙市液化石油氣總公司組織實施。我公司受委托,承擔了該2個LNG公交車加氣示范站的全套設計。目前,2個LNG加氣示范站均投產運行,各項科研指標正在進行測試,現就LNG加氣站的設計作一下探討。

  一、LNG加氣站工藝流程

  設計LNG加氣站的工藝流程分四個步驟:卸車流程、調壓流程、加氣流程、卸壓流程

  1)卸車流程:把集裝箱或汽車槽車內的LNG轉移至LNG加氣站儲罐內。此過程可以通過三種方式實現。

  (1)通過卸車增壓器卸車

  (2)通過浸沒式加氣泵卸車

  (3)通過增壓器和泵聯合卸車。本加氣示范站采用第三種方式。選用設備規格為:卸車增壓器200Nm3/h,浸沒式泵流量40~200l/min,壓力0.2~1.2Mpa.實際工作時卸一臺標準集裝箱的時間約為1.8小時。該方式優點是縮短了卸車時間,缺點是耗能、在卸液快完時如不注意泵容易遭損害、工藝流程相對復雜。筆者認為:三種卸車方式中應首選第一種,采用儲罐上、下進液同時進行的方式。該方式優點是:簡單、不耗能。缺點是卸車時間長,卸一臺標準集裝箱時間約為2.5~3.0小時。建議在加氣站場地許可的情況下,加大卸車增壓器。如選用300NmVh的卸車增壓器,則卸一臺標準集裝箱的時間約為2.0小時。第二種卸車方式不建議采用。

  2)調壓流程:由于目前汽車上的車載瓶本身不帶增壓器,因此車載瓶中的液體必須是飽和液體。為此在給汽車加液之前首先對儲罐中的LNG進行調壓,使之成為飽和液體方可給汽車加氣。調壓方式也有三種。

  (1)通過儲罐壓力調節器調壓

  (2)通過泵低速循環進行調壓

  (3)通過儲罐壓力調節器與泵低速循環聯合使用進行調壓。第一種方式優點是工藝、設備簡單、不耗能。缺點是調壓時間長。LNG加氣站儲罐調壓與LNG氣化站儲罐調壓原理不同,LNG氣化站儲罐調壓采用氣相調壓,目的是只要得到所需壓力的LNG即可。而LNG加氣站儲罐調壓是要得到一定壓力的飽和液體,只能進行液相調壓。故采用同規格的壓力調節器對同樣的儲罐調節同樣的壓力需要的時間卻大不一樣。實際工作時測得:采用200Nm譏的壓力調節器對50m3的儲罐調節飽和液體壓力,達到0.5Mpa時所需時間為8~10小時,依外界氣候的溫度不同而異。這對汽車加氣帶來很大不便。儲罐調壓應采用第三種方式較為合理,并且壓力調節器應有備用,可能的話還應增大其規格。這樣,雖然增加了投資、能耗,但大大縮短了調壓時間,理論上計算可在3.0~4.0小時實現,從而確保加氣時間。如單采用第二種方式其調壓時間仍為偏長。

  3)加氣流程:儲罐中的飽和液體LNG通過泵加壓后由加氣槍給汽車加氣,加氣壓力為1.6Mpa.在給車載瓶加氣前首先應給車載瓶卸壓,通過回氣口回收車載瓶中余氣。目前,該部分氣進行放空處理。建議在以后的加氣站中,增設車載瓶到儲罐氣相的回流管,同時設計量裝置,便于對車載瓶中余氣進行回收和計量。

  4)卸壓流程:在給儲罐調壓過程中,儲罐中的液體同時在不斷的蒸發和氣化,這部分氣化了的氣體如不及時排出,儲罐壓力會越來越大,當儲罐壓力大于設定值時,相關閥門打開,釋放儲罐中的氣體,降低壓力,保證儲罐安全。目前,該部分氣體進行放空處理。建議在以后的加氣站中,該部分氣體通過調壓后送人附近市政管網系統。

  二、LNG加氣站設計

  依據規范目前,國內還未出臺LNG的相關設計、施工和驗收規范,在LNG氣化站設計中,行業普遍認可的是參照LPG相關規范。其理論依據是基于LNG和LPG的特性參數。LNG的主要成分為CH4,LPG的主要成分為C3H6、C4Hs。

  同時LNG處于-162℃的深冷、常壓儲存狀態,規范中參照執行的LPG是處于常溫、壓力儲存狀態,因此LNG與LPG比較,在理論上是較為安全的。

  而在LNG汽車加氣站設計中,如與LNG氣化站一樣,參照LPG的相關規范,這在寸土寸金的市區建設LNG加氣站沒有占地上的優勢,而且,本站作為示范站,其意義就是將來為制定LNG加氣站設計規范提供理論和實踐上的依據,如仍套用LPG的相關規范,則失去了其示范的意義。

  由LNG的性質,可以看出它作為車用燃料還有如下的特點和優勢:

  1)能量密度大汽車續駛里程長,同樣容積的LNG車用儲罐裝載的天然氣是CNG儲氣瓶的2.5倍。目前國外大型LNG貨車一次加氣可連續行駛1000~1300km,非常適合長途運輸的需要。國內410升鋼瓶加氣一次在市區可連續行駛約400km,在高速公路加氣一次可連續行駛約700Km以上。

  2)運輸方便由于是液態,LNG便于經濟可靠地遠距離運輸,建設CNG汽車加氣站不受天然氣管網的制約。在陸上,通常用20~50m3(相當于12000~30000Nm3天然氣)的汽車槽車象運輸汽油,柴油那樣將LNG遠送到LNG汽車加氣站,也可根據需要用火車槽車。在海上,通常用大至12~13萬m3的 LNG輪船,進行長途運輸。

  3)組分純,排放性能好,有利于減少污染,保護環境LNG由于脫除了硫和水分,其組成比CNG更純凈,因而LNG汽車的排放性能要優于CNG汽車。與燃油車相比,LNG汽車的有害排放降低約85%左右,被稱為真正的環保汽車。

  4)安全性能好LNG的燃點為650℃,比汽柴油、LPG的燃點高,點火能也高于汽柴油、LPG,所以比汽柴油、LPG更難點燃,LNG的爆炸極限為5~15%,且氣化后密度很低,只有空氣的一半左右,因而稍有泄漏即揮發擴散,而LPG的爆炸極限為2.4~9.5%,燃點為466℃,且氣化后密度大于空氣,泄漏后不易揮發,汽油爆炸極限為1.0~7.6%,燃點為427℃,柴油爆炸極限為0.5~4.1,燃點為260℃,由此可見,LNG汽車比LPG、汽油、柴油汽車更安全。

  3、價格分析

  1)LNG價格根據用戶與資源供應地的實際地理位置,LNG的陸上運輸距離大體可分為近距離(200km以內),中遠距離(200-1000km)、遠距離(1000~3000km),與此相對應的LNG運輸價格相應約為0.3元/Nm3,0.7元/Nm3、0.9元/Nm3.這是對公路運輸而言,如采用鐵路運輸,則遠距離運輸價格可大大降低。

  2)LNG汽車經濟性根據天然氣燃燒特性和運行試驗結果,1Nm3的天然氣的行駛里程等效于1.2升燃油,目前汽柴油價格在3.45-4.0元/升之間,如天然氣零售價按3.0元/Nm3計算時,使用LNG作燃料比燃油便宜27.5%~34.2%.每車按年運行60000~80000km計算時,中型車耗油約13200~17600升,大型車耗油20400~27200升,以當前油價計算,使用LNG時分別可節約燃料費為14761~19682元和22813~30418元,汽車行駛路程越長,則越節約燃料費用。

  LNG汽車改裝件投資略高于CNG汽車,若采用國產儲罐改裝件,中型車投資約為2.5萬元,重型車約為3.5萬元,則改車投資回收期約為1.4~2.0年。根據天然氣汽車的特點,使用天然氣時還可延長發動機壽命,降低發動機的維修費用50%以上,因此 LNG汽車的實際投資回收期比上述投資回收期短30%,一般在投用1.5年之內即可收回投資。

  3)LNG加氣站效益初步分析LNG汽車加氣站規模可大可小,投資額差異大,以一座日售氣2.2×104Nm3LNG(年售氣800×104Nm3)加氣站為例,如以采用國產設備為主,總投資約420萬元(不含征地費、常規地質情況),年耗動力約3萬kW,人員為8人(與加油站合建時人可不增加)。則年總經營成本約為2081萬元,當LNG進價與零售價價差保持0.40元/Nm3時,年利潤約為154(稅后)萬元,約2.7年可收回投資(稅后)。

  綜上所述,LNG汽車具有經濟、安全、環保、適用、方便、機動等優勢,是天然氣汽車的發展方向,同時也是城市規模化發展天然氣汽車的理想途徑。

  四、問題和結論

  1)由于國內規范的滯后性,目前,LNG汽車加氣站執行《液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝卸標準》NFPA59A-2001和《汽車用液化天然氣(LNG)供氣系統標準》NFPA57-1999的標準有很大難度,需做不少協調工作。

  2)由于二個LNG加氣站調試運行的時間還不長,故本文中的一些試驗數據隨著進一步的調試運行可能會有變化。

  3)根據二個加氣示范站的試驗效果,國產LNG加氣機的質量有待提高,同時需做進一步的研發工作。

  4)根據二個加氣示范站的試驗效果,LNG汽車最適用于600Km范圍內的城市區間車運行,其次適用于城市公交車運行。

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