淺談LNG汽車加氣示范站設(shè)計(jì)

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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(guān)計(jì)劃“清潔汽車關(guān)鍵技術(shù)研究開發(fā)及示范應(yīng)用”項(xiàng)目進(jìn)行了批復(fù)。批文中明確了要實(shí)施“單燃料LNG公交車示范工程”2個(gè)，分別由新疆廣匯實(shí)業(yè)股份有限公司和長沙市液化石油氣總公司組織實(shí)施。我公司受委托，承擔(dān)了該2個(gè)LNG公交車加氣示范站的全套設(shè)計(jì)。目前，2個(gè)LNG加氣示范站均投產(chǎn)運(yùn)行，各項(xiàng)科研指標(biāo)正在進(jìn)行測試，現(xiàn)就LNG加氣站的設(shè)計(jì)作一下探討。

　　一、LNG加氣站工藝流程

　　設(shè)計(jì)LNG加氣站的工藝流程分四個(gè)步驟：卸車流程、調(diào)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(nèi)的LNG轉(zhuǎn)移至LNG加氣站儲罐內(nèi)。此過程可以通過三種方式實(shí)現(xiàn)。

　?。?）通過卸車增壓器卸車

　?。?）通過浸沒式加氣泵卸車

　?。?）通過增壓器和泵聯(lián)合卸車。本加氣示范站采用第三種方式。選用設(shè)備規(guī)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(shí)際工作時(shí)卸一臺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的時(shí)間約為1.8小時(shí)。該方式優(yōu)點(diǎn)是縮短了卸車時(shí)間，缺點(diǎn)是耗能、在卸液快完時(shí)如不注意泵容易遭損害、工藝流程相對復(fù)雜。筆者認(rèn)為：三種卸車方式中應(yīng)首選第一種，采用儲罐上、下進(jìn)液同時(shí)進(jìn)行的方式。該方式優(yōu)點(diǎn)是：簡單、不耗能。缺點(diǎn)是卸車時(shí)間長，卸一臺標(biāo)準(zhǔn)集裝箱時(shí)間約為2.5～3.0小時(shí)。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(biāo)準(zhǔn)集裝箱的時(shí)間約為2.0小時(shí)。第二種卸車方式不建議采用。

　　2）調(diào)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(jìn)行調(diào)壓，使之成為飽和液體方可給汽車加氣。調(diào)壓方式也有三種。

　?。?）通過儲罐壓力調(diào)節(jié)器調(diào)壓

　?。?）通過泵低速循環(huán)進(jìn)行調(diào)壓

　?。?）通過儲罐壓力調(diào)節(jié)器與泵低速循環(huán)聯(lián)合使用進(jìn)行調(diào)壓。第一種方式優(yōu)點(diǎn)是工藝、設(shè)備簡單、不耗能。缺點(diǎn)是調(diào)壓時(shí)間長。LNG加氣站儲罐調(diào)壓與LNG氣化站儲罐調(diào)壓原理不同，LNG氣化站儲罐調(diào)壓采用氣相調(diào)壓，目的是只要得到所需壓力的LNG即可。而LNG加氣站儲罐調(diào)壓是要得到一定壓力的飽和液體，只能進(jìn)行液相調(diào)壓。故采用同規(guī)格的壓力調(diào)節(jié)器對同樣的儲罐調(diào)節(jié)同樣的壓力需要的時(shí)間卻大不一樣。實(shí)際工作時(shí)測得：采用200Nm譏的壓力調(diào)節(jié)器對50m³的儲罐調(diào)節(jié)飽和液體壓力，達(dá)到0.5Mpa時(shí)所需時(shí)間為8～10小時(shí)，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(diào)壓應(yīng)采用第三種方式較為合理，并且壓力調(diào)節(jié)器應(yīng)有備用，可能的話還應(yīng)增大其規(guī)格。這樣，雖然增加了投資、能耗，但大大縮短了調(diào)壓時(shí)間，理論上計(jì)算可在3.0～4.0小時(shí)實(shí)現(xiàn)，從而確保加氣時(shí)間。如單采用第二種方式其調(diào)壓時(shí)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(yīng)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(jìn)行放空處理。建議在以后的加氣站中，增設(shè)車載瓶到儲罐氣相的回流管，同時(shí)設(shè)計(jì)量裝置，便于對車載瓶中余氣進(jìn)行回收和計(jì)量。

　　4）卸壓流程：在給儲罐調(diào)壓過程中，儲罐中的液體同時(shí)在不斷的蒸發(fā)和氣化，這部分氣化了的氣體如不及時(shí)排出，儲罐壓力會越來越大，當(dāng)儲罐壓力大于設(shè)定值時(shí)，相關(guān)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(jìn)行放空處理。建議在以后的加氣站中，該部分氣體通過調(diào)壓后送人附近市政管網(wǎng)系統(tǒng)。

　　二、LNG加氣站設(shè)計(jì)

　　依據(jù)規(guī)范目前，國內(nèi)還未出臺LNG的相關(guān)設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收規(guī)范，在LNG氣化站設(shè)計(jì)中，行業(yè)普遍認(rèn)可的是參照LPG相關(guān)規(guī)范。其理論依據(jù)是基于LNG和LPG的特性參數(shù)。LNG的主要成分為CH4，LPG的主要成分為C3H6、C4Hs。

　　同時(shí)LNG處于-162℃的深冷、常壓儲存狀態(tài)，規(guī)范中參照執(zhí)行的LPG是處于常溫、壓力儲存狀態(tài)，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(shè)計(jì)中，如與LNG氣化站一樣，參照LPG的相關(guān)規(guī)范，這在寸土寸金的市區(qū)建設(shè)LNG加氣站沒有占地上的優(yōu)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(shè)計(jì)規(guī)范提供理論和實(shí)踐上的依據(jù)，如仍套用LPG的相關(guān)規(guī)范，則失去了其示范的意義。

　　由LNG的性質(zhì)，可以看出它作為車用燃料還有如下的特點(diǎn)和優(yōu)勢：

　　1）能量密度大汽車?yán)m(xù)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(xù)行駛1000～1300km，非常適合長途運(yùn)輸?shù)男枰鴥?nèi)410升鋼瓶加氣一次在市區(qū)可連續(xù)行駛約400km，在高速公路加氣一次可連續(xù)行駛約700Km以上。

　　2）運(yùn)輸方便由于是液態(tài)，LNG便于經(jīng)濟(jì)可靠地遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，建設(shè)CNG汽車加氣站不受天然氣管網(wǎng)的制約。在陸上，通常用20～50m³（相當(dāng)于12000～30000Nm³天然氣）的汽車槽車象運(yùn)輸汽油，柴油那樣將LNG遠(yuǎn)送到LNG汽車加氣站，也可根據(jù)需要用火車槽車。在海上，通常用大至12～13萬m³的 LNG輪船，進(jìn)行長途運(yùn)輸。

　　3）組分純，排放性能好，有利于減少污染，保護(hù)環(huán)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(yōu)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(huán)保汽車。

　　4）安全性能好LNG的燃點(diǎn)為650℃，比汽柴油、LPG的燃點(diǎn)高，點(diǎn)火能也高于汽柴油、LPG，所以比汽柴油、LPG更難點(diǎn)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(fā)擴(kuò)散，而LPG的爆炸極限為2.4～9.5%，燃點(diǎn)為466℃，且氣化后密度大于空氣，泄漏后不易揮發(fā)，汽油爆炸極限為1.0～7.6%，燃點(diǎn)為427℃，柴油爆炸極限為0.5～4.1，燃點(diǎn)為260℃，由此可見，LNG汽車比LPG、汽油、柴油汽車更安全。

　　3、價(jià)格分析

　　1）LNG價(jià)格根據(jù)用戶與資源供應(yīng)地的實(shí)際地理位置，LNG的陸上運(yùn)輸距離大體可分為近距離（200km以內(nèi)），中遠(yuǎn)距離（200-1000km）、遠(yuǎn)距離（1000～3000km），與此相對應(yīng)的LNG運(yùn)輸價(jià)格相應(yīng)約為0.3元/Nm³，0.7元/Nm³、0.9元/Nm³.這是對公路運(yùn)輸而言，如采用鐵路運(yùn)輸，則遠(yuǎn)距離運(yùn)輸價(jià)格可大大降低。

　　2）LNG汽車經(jīng)濟(jì)性根據(jù)天然氣燃燒特性和運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)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(jià)格在3.45-4.0元／升之間，如天然氣零售價(jià)按3.0元/Nm³計(jì)算時(shí)，使用LNG作燃料比燃油便宜27.5%～34.2%.每車按年運(yùn)行60000～80000km計(jì)算時(shí)，中型車耗油約13200～17600升，大型車耗油20400～27200升，以當(dāng)前油價(jià)計(jì)算，使用LNG時(shí)分別可節(jié)約燃料費(fèi)為14761～19682元和22813～30418元，汽車行駛路程越長，則越節(jié)約燃料費(fèi)用。

　　LNG汽車改裝件投資略高于CNG汽車，若采用國產(chǎn)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(jù)天然氣汽車的特點(diǎn)，使用天然氣時(shí)還可延長發(fā)動機(jī)壽命，降低發(fā)動機(jī)的維修費(fèi)用50%以上，因此 LNG汽車的實(shí)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(nèi)即可收回投資。

　　3）LNG加氣站效益初步分析LNG汽車加氣站規(guī)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(chǎn)設(shè)備為主，總投資約420萬元（不含征地費(fèi)、常規(guī)地質(zhì)情況），年耗動力約3萬kW，人員為8人（與加油站合建時(shí)人可不增加）。則年總經(jīng)營成本約為2081萬元，當(dāng)LNG進(jìn)價(jià)與零售價(jià)價(jià)差保持0.40元/Nm³時(shí)，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(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保、適用、方便、機(jī)動等優(yōu)勢，是天然氣汽車的發(fā)展方向，同時(shí)也是城市規(guī)?；l(fā)展天然氣汽車的理想途徑。

　　四、問題和結(jié)論

　　1）由于國內(nèi)規(guī)范的滯后性，目前，LNG汽車加氣站執(zhí)行《液化天然氣（LNG）生產(chǎn)、儲存和裝卸標(biāo)準(zhǔn)》NFPA59A-2001和《汽車用液化天然氣（LNG）供氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》NFPA57-1999的標(biāo)準(zhǔn)有很大難度，需做不少協(xié)調(diào)工作。

　　2）由于二個(gè)LNG加氣站調(diào)試運(yùn)行的時(shí)間還不長，故本文中的一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨著進(jìn)一步的調(diào)試運(yùn)行可能會有變化。

　　3）根據(jù)二個(gè)加氣示范站的試驗(yàn)效果，國產(chǎn)LNG加氣機(jī)的質(zhì)量有待提高，同時(shí)需做進(jìn)一步的研發(fā)工作。

　　4）根據(jù)二個(gè)加氣示范站的試驗(yàn)效果，LNG汽車最適用于600Km范圍內(nèi)的城市區(qū)間車運(yùn)行，其次適用于城市公交車運(yùn)行。