LNG汽車加氣站控制系統設計

楊修杰 趙普俊 甘蓉 尹保來 熊茂濤 羅淑倩

(中國測試技術研究院,四川 成都 610021)

LNG汽車加氣站控制系統設計

楊修杰 趙普俊 甘蓉 尹保來 熊茂濤 羅淑倩

(中國測試技術研究院,四川 成都 610021)

液化天然氣(LNG)屬于超低溫液體,由于其低溫、易氣化的特性,對其流體實現無泄漏自動控制具有極大挑戰性。為了能夠將LNG高效、安全、可靠地加注到LNG汽車上,設計了一套LNG汽車加氣站控制系統。介紹了LNG汽車加氣站的系統構成及工作原理,著重對LNG汽車加氣站的站控系統和授氣系統進行了說明,詳細剖析了LNG汽車加氣站授氣系統的工作流程及控制邏輯。實際運行表明,該系統自動化程度高,計量準確,具備自動保護功能,能夠安全可靠地為LNG汽車充裝液化天然氣。

液化天然氣(LNG) 站控系統 授氣系統 自動保護 PLC

0 引言

當前,汽車尾氣的排放已成為空氣污染的重要來源之一,大氣PM2.5含量越來越受到人們的關注。為了解決這一問題,各國積極尋找替代動力能源,以緩解汽油、柴油汽車尾氣對環境的污染。天然氣作為清潔能源被納入使用范圍,并越來越受到青睞,正在成為世界油氣工業新的熱點。當前液化天然氣市場需求以每年約12%的高速增長。目前,我國籌劃及在建液化天然氣接收站22座,2015年液化天然氣接收能力將達到年6 500萬t,國內液化天然氣工廠總產能將達年750萬t左右。國內從20世紀80年代就開始發展燃氣汽車,主要以壓縮天然氣(compressed natural gas,CNG)形式使用。但由于CNG本身的缺陷,致使CNG汽車只能在短途車上使用,如城市出租車,限制了其長途運輸的使用。隨著技術的發展,近年來液化天然氣(liquefied natural gas, LNG)汽車應運而生,彌補了CNG汽車的不足,同時需要建設大量的LNG加氣站,以輔助LNG的大范圍推廣使用。由于LNG的超低溫特性,對LNG加氣站的設計提出巨大的挑戰,本文主要介紹LNG加氣站控制系統的設計思路。

1 LNG特點

LNG是在-162℃下天然氣液化形成的低溫液體混合物。天然氣屬于易燃、易爆的危險氣體,但是由于LNG需要氣化后才能點燃,其燃點比汽油高230℃,爆炸極限比汽油高2.5～4.7倍,LNG的低溫特性使其有效克服了易燃、易爆的特性,安全性大大提高。LNG的生產原料為脫除雜質的天然氣,清潔性得到保障,是世界公認的清潔能源,其應用對環境保護有重要意義, LNG作為汽車燃料,比汽油、柴油的綜合排放減少85%左右。另外,LNG屬于低溫液化氣體,液態體積為其氣態體積的1/625,同樣大小的容器可存儲更多的天然氣,通過槽車或輪船可以將大量天然氣運輸到天然氣管線難以達到的地方;LNG鋪設投資小,方便可靠,實用性強;對于汽車而言,同樣容積的儲氣罐, LNG汽車的續航能力大于CNG汽車的續航能力[1-2]。

2 LNG加氣站構成

LNG汽車加氣站與CNG加氣站有著本質的不同, CNG加氣機為汽車加注的是CNG,而LNG汽車加氣站為LNG汽車直接加注LNG,其技術難度更大。LNG汽車加氣站的典型結構如圖1所示,目前LNG加氣站多以橇裝形式出現。

圖1 LNG汽車加氣站結構圖Fig.1 Structure of LNG automobile filling station

圖1中,箭頭①、③、④、⑤、⑧代表LNG的流動方向,②、⑥、⑦代表氣態天然氣的流動方向[3-5]。

由于LNG的超低溫特性,造成了LNG汽車加氣站的復雜性。加氣站工作過程中,將LNG加注到LNG汽車中,會有部分LNG氣化,形成氣態天然氣。

3 LNG加氣站控制系統設計

LNG加氣站控制系統按其功能角度劃分,可分為站控系統和授氣系統兩部分組成,其中站控部分主要任務是LNG卸車和輸出LNG到授氣系統,站控系統以PLC為中央控制器[6-7]。

3.1 LNG站控系統

3.1.1 LNG卸車

LNG卸車是LNG站控系統的重要工作之一,負責將槽車運來的LNG補給到LNG加氣站中,其工作過程如圖2所示。

圖2 LNG汽車加氣站卸車結構圖Fig.2 Unloading structure of LNG automobile filling station

當LNG運輸車與卸車管路連接后,控制系統檢測LNG儲罐壓力P1與LNG槽車壓力P2。當P1＜P2時, CV1開啟,CV2關閉,LNG采用自流的方式將槽車內的LNG卸載到LNG加氣站;當P1＞P2時,CV1關閉,CV2開啟,通過低溫泵將LNG卸載,低溫泵通過變頻器控制轉速,以保證LNG站儲氣罐內壓力要求。通常LNG站儲氣罐內壓力不能超過1.2 MPa。另外,控制系統需要實時采集LNG站儲氣罐液位,防止過量加注[8-10]。

3.1.2 LNG輸出

站控系統的LNG輸出功能主要是將LNG輸出到LNG授氣系統,其工作流程由授氣系統狀態決定,兩者之間通過RS-485總線方式通信,其工作流程在LNG授氣控制系統中介紹。

3.2 LNG授氣系統

LNG授氣系統實際為LNG計量系統,通常稱為LNG加氣機,其作用是計量從加氣站加注到LNG汽車上的加注量,完成貿易結算。授氣系統不能獨立工作,需要站控系統配合完成加氣。

3.2.1 加氣機內部結構

液化天然氣的實際溫度與壓力有關,實際LNG從液化廠出廠,經過運輸到LNG加氣機,中間環節不可避免存在熱交換環節。LNG加氣站為了保證其處于液化狀態,儲罐壓力一般維持在1 MPa左右,溫度一般在-140℃以下,仍然為超低溫液體。流量計是LNG加氣機計量的核心部件。目前流量計的測試原理及種類很多,但針對低溫液體的流量計量,采用科里奧利質量流量計最佳。LNG加氣機基本結構圖如圖3所示[11]。

圖3 LNG加氣機基本結構圖Fig.3 The basic structure of LNG filling machine

由于LNG極易氣化,當LNG加氣站為LNG汽車加氣初期,將有部分LNG氣化,處于氣液混合狀態,影響科里奧利質量流量計的準確計量。另外,LNG加注到LNG汽車儲罐內后,由于LNG不斷氣化,使儲氣罐內壓力不斷升高。當壓力達到一定值時,將無法將LNG加注到汽車內。在此情況下,如何將LNG順利加注到LNG汽車,并準確計量加注量,對設計提出了新的要求。

圖4為LNG加氣機為汽車加氣初期通過液相質量流量計的瞬時流量、密度和加氣時刻對應曲線。設計試驗中,低溫液體無法回收,將大量液體氣化后排放到大氣中。如果直接采用LNG作為試驗介質,大量液態天然氣排放到空氣中,排放過程將污染空氣,同時也會浪費能源,更重要的是存在安全隱患,操作不當將引起爆炸事故。因此試驗中采用液氮來替代LNG作為測試介質。液氮在帶壓的情況下,通常溫度為-170℃左右,同LNG具有相同的超低溫和易氣化的特點,能夠達到試驗目的,滿足試驗要求。設計過程中采用液氮作為試驗介質,LNG的密度約為400 kg/m3,實際密度與壓力溫度等因素有關[12-14]。

圖4 瞬時流量與密度關系圖Fig.4 Relationship between instantaneous flow and density

為了使LNG加氣機實現加氣任務,在圖3中可以看到LNG加氣機內部安裝有液相流量計、氣相流量計、控制閥CV1和CV2,以及一些附屬管路等,通過采集流體狀態,邏輯控制,實現加氣機的準確計量。下面詳細分析加氣流程和控制閥作用。

3.2.2 加氣流程

當LNG加氣機為LNG汽車加氣時,圖3中加液槍插在LNG汽車儲氣瓶的加液口上,回氣槍插到LNG汽車儲氣瓶的回氣口上。LNG通過液相流量計CV1加液槍加注到LNG汽車內,完成加注任務。CV2的存在是由LNG的超低溫和易氣化特性決定的。LNG加氣機在工作過程中,當LNG從加液通路上流過時,將有熱交換產生,少量液體氣化,升高汽車儲氣罐壓力。如果沒有回氣通路,儲氣罐內部壓力將不斷上升。當加氣機輸出的壓力與汽車儲氣罐壓力達到平衡時,加氣工作將無法繼續進行。回氣通路的作用即為將儲氣罐中的氣態天然氣回流到加氣站,降低汽車儲氣罐內部壓力,確保加氣機能夠順利為汽車加注液態天然氣。試驗表明,一次加注過程回氣量約為總加氣機量的5%～10%左右。為了確保加氣機的準確計量,回氣通路上同樣裝有質量流量計,氣相流量計負責計量從汽車儲氣罐中回流到加氣站的氣態天然氣的質量,兩者計量結果之差即為加氣站實際加注到汽車儲氣罐中的天然氣質量,該值作為貿易結算使用。目前LNG技術處于發展階段,隨著LNG儲氣罐的不斷發展,氣化率不斷降低,儲氣罐的回氣量將不斷減少,回氣通路可能被取消或在特殊情況下使用回氣通路。

3.2.3 控制閥

由于LNG易氣化,LNG加氣機為儲氣罐加氣過程前期,流量計及管道處于空氣中,溫度較高。同時由于熱交換的原因,部分天然氣發生氣化,流過液相流量計的天然氣處于氣液兩相狀態,質量流量計處于測不準狀態。因此,測量數據為非有效數據,無法保證加氣機計量準確。為了保證加氣機能夠正確計量,采用控制閥CV1和CV2控制流體走向。通過調節CV1和CV2的開啟順序,使在計量過程中流過液相流量計的天然氣一直處于液態,這樣能夠有效地保證LNG加氣機的計量準確性。

從圖4可以看出,加氣機從加氣開始,流經液相流量計的瞬時流量快速波動上升,而流體密度以一定斜率緩慢上升,流量計流過的介質約有20 s處于氣液兩相流狀態,流量計測量的流量數據不能參加計量。加氣機通過控制CV1和CV2的動作順序可以有效避免由于測量介質氣液兩相造成計量不準的問題。具體工作原理為,當加氣機開始加氣時,CV1關閉,CV2打開,此時流量計測量流體狀態,但不參與計量;當流體狀態達到測量要求時,CV2關閉,同時打開CV1,測試流量計開始計量;當加注完成后,CV1關閉,CV2打開,完成加注任務。

3.3 加氣站授氣控制系統工作流程

加氣站授氣控制系統主要工作流程為:當加氣站為汽車加氣時,授氣系統中的加氣機發出加氣命令到站控系統,站控系統開啟加氣閥門和低溫泵,將液態LNG輸出到加氣機,此時加氣機的工作流程將由流過加氣機上液相流量計的流體狀態決定。

具體工作流程如下。加氣初期流進液相流量計的流體為兩相流,加氣機首先進行小循環,控制閥CV2開啟,CV1關閉,LNG經液相流量計、CV2回到加氣站中。此時流量計主要用于測量流體狀態,不參與計量工作。當流過液相流量計的LNG為全液態時,控制閥CV2關閉,CV1開啟,開始向儲氣罐中加注液化天然氣,小循環的時間長短由流過液相流量計的流體狀態決定。當加氣結束時,加氣機發出命令到站控系統,站控系統停止低溫泵,完成加氣。另外,在加氣過程中,控制系統不斷監測各個環節的運行狀態,確保系統運行正常。當出現異常時具備自動保護功能,并發出報警[13-14]。

4 結束語

LNG屬于低溫介質,容易出現泄漏問題。天然氣易燃易爆,當LNG加氣站出現泄漏時,其安全運行將受到極大威脅。本系統充分考慮了安全運行這一要素,實現了自動運行和故障監測功能,能夠充分保障系統運行過程中人員及現場安全。實踐表明,本系統安全可靠。LNG加氣站的不斷建設將推動LNG汽車的大量出現,為節約能源實現可持續發展和改變城市大氣質量做出重要貢獻。

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Design of the Control System for LNG Automobile Filling Stations

Liquefied natural gas(LNG)is ultralow temperature liquid,due to the characteristics of low temperature and easy gasification;it is a challenge to implement automatic control without leakage for such liquid.In order to fill LNG into LNG automobile with high efficiency, reliability and safety,the control system for refueling station of LNG automobile has been designed.The system structure,operational principle of the station are introduced,the station control system and filling system are expounded emphatically,the working flowchart and control logic of the filling system for LNG automobile filling station are analyzed in detail.The practical application shows that the control system possesses high automation level,accurate metering and automatic protection function,it is capable to filling LNG for automobiles.

Liquefied natural gas(LNG) Station control system Filling system Automatic protection PLC

TP271+.3

A

修改稿收到日期:2014-02-17。

楊修杰(1981-),男,2009年畢業于成都理工大學測試計量技術及儀器專業,獲碩士學位,工程師;主要從事流量檢測及流體控制技術的研究。