加氣站節能降耗措施的探索

黃理文

〔北京龍禹石油化工有限公司 北京 100011〕

近年來，隨著國家生態文明建設的不斷推進, 傳統的汽車燃料汽油與柴油受到嚴峻挑戰，國內部分地區甚至制定了燃油汽車退出市場的計劃，清潔能源汽車發展走上快車道。天然氣作為一種清潔的一次能源，車用天然氣加氣站具有較好的發展前景，特別是在公路物流行業，柴油貨車污染防治被國家和各級政府列為環境監管的重點內容，加之沿海LNG接收站、內陸地區LNG液化工廠的布局和建設，LNG、CNG運輸車輛的區域限制逐步破除，新的車用天然氣行業生態逐步形成。另一方面，因為充換電技術、燃料電池技術的不斷發展，國家對電動汽車、氫能源汽車有一定政策傾向，給車用天然氣市場帶來一定的沖擊。在這種市場環境下，加氣站經營企業既要找準在行業生態中的定位，提前做好經營網點布局，通過終端市場的構建發展和培育市場。另一方面，在市場培育期又面臨著較大的經營壓力，需要不斷提高精細化管理水平。通過管理和技術手段，加強節能降耗管理，降低運營成本，實現高質量的經營發展。

本文從加氣站的生產經營各環節展開分析，從電能損耗、天然氣異常損耗、運輸能耗等方面分析能耗問題并提出解決方案。

1 主要耗能環節及影響因素

1.1 電能損耗

在CNG加氣站生產經營中，主要的耗能環節是天然氣的壓縮過程。加氣站90%以上電耗是由電驅往復式壓縮機組給槽車充裝后對儲氣井加壓時消耗的，所以降低壓縮機用電消耗是加氣站節能降耗的主要途徑，而影響壓縮機能耗的主要因素在于進站壓力、溫度、設備維保等幾方面。

1.1.1 壓力影響

CNG標準站和母站的管道進站壓力決定了壓縮機的一級進氣壓力，而壓縮機的生產效率直接受一級進氣壓力影響。進站壓力由供氣管網的壓力和加氣站工藝管道及設施的阻力決定。加氣站運營中的能耗監測發現，進站壓力對加氣站用電量有較大影響，壓縮機組電耗量與進站壓力呈負相關。

1.1.2 溫度影響

加氣站溫度影響主要有兩方面，一是環境溫度，二是各級進氣溫度。管道進氣溫度、壓縮機組散熱效率均受環境溫度影響，在環境溫度較低時，壓縮機冷卻系統耗能降低。環境溫度取決于氣候、季節等因素，除加強壓縮機機房散熱管理外，暫無其他有效措施。

除環境溫度外，各級進氣溫度主要取決于冷卻器的冷卻效果。在壓縮機運行中產生大量熱量，這些熱量部分被壓縮介質(天然氣)吸收，部分被壓縮機本體的缸套、活塞等部件吸收。被壓縮介質吸收的熱量在排管式冷卻器中由冷卻液與壓縮介質對流換熱，實現冷卻。被壓縮機本體吸收的熱量由冷卻介質在設備內部的冷卻液流動中吸收并導出。加氣站多采用循環水進行天然氣冷卻，長時間使用導致循環水中夾雜大量雜質，極易在壓縮機氣缸外套和冷卻器排管外壁、冷卻水管、過濾器等部位形成水垢，造成冷卻系統傳熱效率

降低，增加冷卻系統能耗。

1.1.3 設備維保影響

壓縮機中部分部件在運行中存在高頻的相對運動，如氣缸、缸蓋、活塞、氣閥、活塞環、填料等，而設備的潤滑系統可有效減少運動部件的摩擦阻力，從而減少易損件的損傷，延長設備和部件的使用壽命。電驅式壓縮機除本體內的各部件需要進行注油潤滑外，驅動電機中軸承部位也需要定期加注潤滑油脂。電機運行過程中，潤滑油脂會因為機械雜質、氧化、滲漏、揮發等原因臟污變質和減少，造成軸承轉動部位摩擦發熱升溫和電機軸承損壞。綜上，設備維保不及時會影響設備效率和能耗，甚至會減少設備使用壽命。

1.2 天然氣異常損耗

一方面，LNG加氣站運行中，因系統正常超壓排放、加液操作、槽車卸液軟管吹掃、設備正常維護、工藝管道置換等因素存在正常損耗，另一方面，工藝設計不合理、儲罐及工藝管道保溫設計有缺陷、LNG氣源溫度高、儲存時間過長等因素也會導致異常損耗[1]。

BOG是低溫LNG液體吸收了環境熱量而蒸發產生的氣體。在LNG/L-CNG加氣站運營中，LNG低溫儲罐、真空泵池、真空管、加液機、L-CNG高壓柱塞泵、空溫式蒸發器等設備設施及LNG槽車的殘留余壓、加注LNG車輛的回氣是BOG的主要來源。BOG產生后，儲罐和工藝管道壓力隨之上升，當壓力高于安全閥設定壓力時，安全閥起跳，超壓部分氣體通過低壓放散管向外排放。據統計，一個LNG加氣站每天可排放100～200 m3(標準狀態)超壓氣體。

在天然氣管網未覆蓋地區，隨著LNG接收站、LNG液化工廠的建設，在LNG公路物流輻射半徑內，LNG/L-CNG加氣站的逐步建設構建了完整的車用天然氣產業鏈。但在市場的培育和形成時期，必然存在一個銷量較低階段，導致LNG儲存時間較長，因氣相空間不斷增大，BOG產生量隨之變大，較正常狀態下發生更多的儲罐超壓排放，使加氣站LNG損耗率異常升高，最高可達10%，造成較大的經濟損失[2]。

以某LNG加注站為例，建設有50 m3的LNG儲罐1個，儲存LNG約20 t，LNG存儲周轉期不超過5 d，其經濟效益較優。在LNG市場開發較慢的情況，每車LNG(20 t)銷售周期需要20 d左右，儲罐內的LNG隨著儲罐內氣相空間的增大和溫度升高，不斷氣化導致壓力升高，當儲罐壓力升高至安全閥設定壓力(0.9 MPa)時，就需對壓力進行釋放，通過放空管道直接排放到大氣中。從安全閥起跳到停止排放(從0.9 MPa排放到0.5 MPa)，每次超壓排放量約為600 m3。根據該站銷量，每車LNG至少需排放6次，每年僅LNG損耗就高達5×104m3，造成經濟損失10萬余元。

1.3 天然氣運輸能耗

CNG母站與CNG子站間需要使用CNG槽車運輸。槽車的充裝量一方面受環境溫度的影響，另一方面氣體的充裝是放熱過程。在槽車充裝過程中，槽車儲罐溫度逐漸上升，未有效降溫時，超出環境溫度10～30 ℃。根據某CNG母站實測數據，夏季壓縮機出口天然氣溫度在40 ℃左右，經過充裝放熱至充裝結束CNG槽車溫度可高達70 ℃左右，在容積和槽車壓力一定的情況下，溫度升高必然導致槽車充裝量降低，使運輸成本增加。

2 節能降耗措施及效果

2.1 降低壓縮機電耗的措施及效果

2.1.1 針對壓力影響的降耗措施

針對新建CNG母站和標準站項目，建議與上游長輸管道高壓分輸站相連，同時壓縮機機組選型要選擇與進站壓力匹配的進口壓力，減少降壓再升壓過程的重復能源損耗。同時，為降低工藝設施和管道阻力，建議優化過濾器選型，有效匹配壓縮機排氣量，同時應適當減小管道長度、增大管道直徑，減少壓力損失。

在營CNG母站和標準站，可針對部分加氣站現有進氣壓力較高的有利條件，對現用設備進行技術改造，如某CNG母站，通過對壓縮機技術研究，改變內部閥室結構，實現借用管道壓力不啟動壓縮機情況下對槽車進行直接充裝，以降低壓縮機工作時長，延長壓縮機保養周期和壽命，降低能耗。經數據分析，技改后每臺槽車可利用管線壓力直充300～400 m3。依照壓縮機功率計算，利用直充后每臺槽車可節約用電10 kWh。按照母站每天充裝17臺車輛計算，每天可節約電量近170 kWh，每年可節約電費5.6萬元左右。

2.1.2 針對溫度影響的降耗措施

為保障壓縮機級間冷卻效果，在新建加氣站時，要重視冷卻系統的選型，宜優先選用閉式冷卻塔，使用閉式循環冷卻水轉移和放散熱量，可有效減少外部雜質進入冷卻系統；在過濾器的選用上，要選用合適的過濾網，既有效攔截雜質又不產生過高阻力，使用便于檢修的三通型冷卻水過濾器，方便定期清理雜質；在冷卻水的選擇上，建議使用軟化水，降低形成水垢的可能。

為保障冷卻系統的長期高效運行，需定期進行壓縮機冷卻系統清洗。根據運行周期和工況進行循環清洗或深度拆卸清洗，保障冷卻系統的換熱效率，確保壓縮機正常運行時消耗更少的電能，并延長壓縮機的使用壽命。

2.1.3 針對設備維保影響的措施及效果

為保障壓縮機組運轉效率，降低設備故障率，需強化執行潤滑五定管理要求，特別是加強潤滑油加注的自動量化改造。壓縮機系統一般選用自動注油器，潤滑效果有較好保障，所以壓縮機驅動電機潤滑系統定量潤滑是改進重點。建議配備自動注油器，減少對操作人員經驗的依賴，實現定時、定量加注潤滑油，避免注油不足和注油過量對電機造成損壞。通過推廣該措施，某加氣站運營單位全年壓縮機電機因注油不足導致的故障率下降90%，非計劃性停機檢修大大減少，壓縮機安全經濟運行得到有效保障。

2.2 降低天然氣異常損耗的措施及效果

一方面，加氣站經營單位需加強經營管理，嚴格把好合同關，對可能出現的損溢情況有充分的預判，在合同中明確雙方的利益關系，盡量規避損耗風險，爭取溢余的利益。另一方面，更應該通過加強加氣站設備管理達到有效降耗的目的。一是建站時設計BOG回收系統，二是對在營站根據站內設備布局和工藝流程分析主要損耗環節，增加全部或局部工藝BOG回收流程。通常BOG回收有兩種方案：一是將BOG就近回收到燃氣管網中。此方案需加氣站周圍有燃氣管網，需與區域燃氣公司合作；二是將BOG回收到站內CNG儲氣井(或氣瓶)中。此方案需加氣站自身有CNG儲氣設施，一般適用于L-CNG加氣站。常用方案為第二種。

對于在營加氣站，需結合本站生產工藝確定改造方案。如某加氣站因市場需求，同時具備CNG標準站工藝流程和L-CNG工藝流程，可同時加注LNG和CNG。根據站內實際情況，由LNG儲罐放空管道根部處添加一條放空管道接入氣化器中，將氣化后的氣體通過管道再接入CNG進氣管道(加濕器前段進氣管道，進站管道壓力為0.6 MPa)，經壓縮機至儲氣設施中儲存，以CNG形式下手。為加強損溢分析，需精確統計LNG放散后氣體的回收量，在回收管線安裝流量計用于統計，改造后21個月，該站共計回收LNG約9.3×104m3，LNG異常損耗大大降低。加氣站BOG回收到儲氣設施工藝流程見圖1。某L-CNG加氣站BOG回收工藝系統照片見圖2。

圖1 LNG/L-CNG加氣站BOG回收到儲氣設施流程示意圖

圖2 某L-CNG加氣站BOG回收工藝系統照片

2.3 降低天然氣運輸能耗措施及應用效果

針對CNG母站與CNG子站運輸環節因充裝溫度過高造成充裝量不足的問題，加氣母站可使用技改措施對CNG槽車進行降溫，設計建設了槽車噴淋降溫系統[3]，實現高溫季節槽車飽和充裝。同時，未降低用水量，設計修建三級循環水池對噴淋降溫水進行回收利用。在日常運營中，循環水池可兼顧加氣站防洪排水、雨水收集循環利用等功能。CNG槽車噴淋冷卻系統及循環水池照片見圖3。

圖3 CNG槽車噴淋冷卻系統及循環水池照片

3 結束語

(1)通過壓縮機工況分析，從壓力、溫度、設備維保方面著手，通過使用加氣站直連天然氣管網分輸站、進站壓力直接充裝、提高冷卻系統工作效率、自動定量潤滑等技術措施，可有效降低壓縮機電耗。

(2)通過對LNG加氣站進行BOG回收工藝改造，可有效降低LNG異常損耗。

(3)利用CNG槽車噴淋降溫系統，在較高的環境溫度下，可有效增加CNG槽車充裝量，減少運輸成本。

(4)通過加強節能降耗管理，制定并執行有效的技術措施，加氣站經營企業可有效降低經營成本，在市場競爭中取得優勢地位。