臥式虹吸深冷液體貯罐在LNG/L-CNG加氣站中的應(yīng)用

李 響

（江蘇秋林特能裝備股份有限公司，江陰 214400）

1 研究背景

燃油汽車是空氣污染的重要影響因素，隨著國家對大氣環(huán)境污染的治理不斷推進(jìn)，使用清潔燃料的天然氣汽車近些年也得到了快速發(fā)展。隨之，天然氣汽車加氣站近幾年在各地也得到了一定程度的展開，特別是LNG/L-CNG汽車加氣站的建設(shè)，既可以為LNG汽車加氣，也可以為CNG汽車加氣，因此，得到大力推廣和建設(shè)。

以往對液化天然氣的儲存，通常使用常規(guī)的液化天然氣貯罐，它們均無虹吸構(gòu)造設(shè)計，管口有效外接數(shù)量也有限。普通臥式液化天然氣貯罐，容器封頭處每個管線出口都必須在封頭處單獨開孔，焊接點多，工作量大。管線出口尤其是液相的出口均采用非真空絕熱方式，造成了極大的漏熱，使貯罐液相根部很容易結(jié)冰。普通的管線設(shè)計，由于液相出口離地面高度限制，與泵連接后，無法給泵足夠大的啟動靜壓頭，造成泵的氣蝕和損壞。由于貯罐液位和靜壓頭的限制，無法在使用過程中最大限度用盡罐內(nèi)液體，造成了經(jīng)濟(jì)損失。此外，普通的臥式液化天然氣貯罐沒有專門的底部氣相回流管，泵在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量氣體只能回到貯罐頂部氣相空間，造成貯罐壓力急速上升，極易造成貯罐超壓排放，造成保存氣體浪費。而新型臥式虹吸深冷液體貯罐在LNG/L-CNG加氣站的應(yīng)用將有效解決常規(guī)液化天然氣貯罐無法解決的諸多問題。

2 LNG/L-CNG加氣站的流程

LNG/L-CNG加氣站流程分為LNG加注部分和CNG加注部分。LNG/L-CNG加氣站加氣工藝流程如圖1所示。LNG/L-CNG加氣站及其虹吸貯罐與低溫高壓柱塞泵、低溫潛液泵的布置如圖2、圖3所示。

2.1 LNG加注部分

臥式虹吸深冷液體貯罐→LNG潛液泵→LNG加氣機(jī)→LNG車用氣瓶

2.2 CNG加注部分

臥式虹吸深冷液體貯罐→低溫高壓柱塞泵→高壓氣化器→順序控制盤 儲氣瓶組→CNG加氣機(jī)→CNG車用氣瓶

3 臥式虹吸深冷液體貯罐與低溫高壓柱塞泵的連接方式及其工作原理

圖1 LNG/L-CNG加氣站加氣工藝流程

圖2 LNG/L-CNG加氣站

圖3 LNG/L-CNG加氣站中虹吸貯罐與低溫高壓柱塞泵、低溫潛液泵的布置

臥式虹吸深冷液體貯罐，包括：臥式罐體，臥式罐體筒體段底部設(shè)置有垂直筒體向下的虹吸包，虹吸包上連接有虹吸供液管與虹吸返回管，虹吸供液管與虹吸返回管分別通過真空絕熱管道與低溫高壓柱塞泵連接，具體連接方式如圖4所示。罐體內(nèi)的液化天然氣通過虹吸供液管及真空絕熱管道進(jìn)入柱塞泵，進(jìn)泵前管道良好的絕熱性能保證了泵體入口處液體的靜壓頭，確保泵體入口處的液化天然氣處于過冷狀態(tài)，避免泵體啟動時產(chǎn)生氣蝕從而損壞泵體，同時可以充分使用臥式罐體內(nèi)部的液體，避免造成經(jīng)濟(jì)損失。流入泵體內(nèi)的液化天然氣一部分進(jìn)入泵腔，通過加壓后從泵的出液口進(jìn)入高壓路管，另一部分液體在進(jìn)液腔內(nèi)由于吸熱及泵運(yùn)行中產(chǎn)生部分氣泡，形成氣液兩相流，此部分流體從泵體進(jìn)液腔的頂部回氣管沿著真空管道及虹吸返回管進(jìn)入貯罐底部液相區(qū)，沿著罐體內(nèi)部繼續(xù)上升到液體表面，在這個過程中部分飽和氣體被液化，降低了臥式罐體內(nèi)部的壓力，減少了氣體排放造成的損失。

圖4 臥式虹吸深冷液體貯罐與低溫高壓柱塞泵的連接方式

而常規(guī)貯罐為了能夠提高進(jìn)入柱塞泵的靜壓頭，安裝時需要將臥式罐體底部加高，貯罐內(nèi)的液體進(jìn)入泵進(jìn)液腔后，受熱后的氣液混合物會從氣相管返回至貯罐頂部的氣相空間，增加貯罐氣相空間的壓力，容易造成貯罐的超壓排放，具體如圖5所示。

圖5 普通臥式深冷液體貯罐與低溫高壓柱塞泵的連接方式

臥式虹吸深冷液體貯罐就是利用虹吸原理將液體從低位經(jīng)過高出液面的地方引向更低的液位，虹吸現(xiàn)象是液態(tài)分子間引力與位能差所造成的，使液體上升后再流到低處，由于管口所承受不同的大氣壓力，液體會由大氣壓力大的一邊流向壓力小的一邊，直到兩邊大氣壓力相等，容器內(nèi)的液面變成相同高度，液體就會停止流動，利用虹吸現(xiàn)象很快就可以將容器內(nèi)部的液體抽出。臥式虹吸深冷液體貯罐利用虹吸包及虹吸管道的設(shè)置加大了臥式罐體內(nèi)的液體與泵體之間的液位高度差，加大了兩者之間的壓力差，加上液體進(jìn)入泵體后，由于在泵體進(jìn)液腔內(nèi)吸熱，產(chǎn)生部分氣泡，并隨飽和液體通過回氣口進(jìn)入虹吸返回管道，再返回管道內(nèi)形成兩相流，泵進(jìn)口的靜液位與兩相流間存在密度差，形成使液體可以更順暢地通過液位差及密度差直接流入泵體，確保深冷低溫泵體的啟動和運(yùn)行。

臥式虹吸深冷液體貯罐可以與低溫高壓柱塞泵底座安裝于同一高度的基礎(chǔ)上，底部無需另外加高，能有效降低LNG/L-CNG加氣站的土建成本。臥式虹吸深冷液體貯罐底撬上可以同時安裝低溫離心泵，減小泵與貯罐罐體間的管線距離，且方便LNG/L-CNG加氣站中不同用途泵的布置。

4 臥式虹吸深冷液體貯罐應(yīng)用在LNG/L-CNG加氣站的優(yōu)點

第一，保證罐體內(nèi)部的液化天然氣充分用盡，減少了液化天然氣的浪費；第二，與罐體相連接的低溫泵可以在貯罐壓力極低（0.7bar）的情況下正常啟動，而無需增壓；第三，快速啟動低溫高壓泵，減少了氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生，大大延長了低溫泵體的使用壽命；第四，最大程度減少泵體啟動過程帶來的氣體損失；第五，虹吸罐可以連接低壓泵、高壓泵，且可以同時運(yùn)行，提高了工作效率；第六，虹吸罐用于加氣站，底部無需加高，與低溫泵的連接更方便，距離更緊湊，可以降低場站的土建成本。

5 注意事項

5.1 設(shè)計、安裝過程注意事項

第一，臥式虹吸深冷液體貯罐與低溫高壓柱塞泵間的管道盡可能短且盡量減少彎頭以降低流體流動過程中的阻力；第二，虹吸出液管線安裝時應(yīng)朝柱塞泵方向向上傾斜一定角度，建議傾角為5°，這樣可以使可能產(chǎn)生的任何氣泡自由的流出管道液封處；第三，虹吸回氣管線安裝時應(yīng)朝貯罐方向向上傾斜一定角度，建議傾角為10°，這樣可以使可能產(chǎn)生的氣泡自由的隨回流流體進(jìn)入罐內(nèi)；第四，低溫高壓柱塞泵進(jìn)口應(yīng)安裝過濾器以防止污染物進(jìn)泵；第五，低溫高壓柱塞泵進(jìn)液口及回氣口應(yīng)設(shè)置柔性軟管以減小管道的載荷與振動；第六，臥式虹吸深冷液體貯罐與低溫高壓柱塞泵間的管道應(yīng)采用高真空多層絕熱管道，以減少管道漏冷；優(yōu)異的保冷性能可以確保液體維持較低的飽和壓力，以避免閃蒸現(xiàn)象發(fā)生。

注：如果臥式虹吸深冷液體貯罐虹吸出液口與柱塞泵進(jìn)液口間的管道較長，管線保溫效果較差，管線的吸熱量就越多，虹吸效應(yīng)就會變差。

5.2 日常使用及待機(jī)過程中的注意事項

在柱塞泵開啟使用時，臥式虹吸深冷液體貯罐與柱塞泵間的氣動閥門處于開啟狀態(tài)；在待機(jī)狀態(tài)時，臥式虹吸深冷液體貯罐與柱塞泵間的氣動閥門保持關(guān)閉狀態(tài)。