LNG加氣站新型節能型儀表風系統設計

陳浩，陳毅，楊順之，吳瀟，張敏

(厚普清潔能源股份有限公司，四川 成都 610100)

0 引言

在2020年9月22日，國家主席習近平在聯合國大會一般性辯論上表示，中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和[1]。為了實現我國提出碳達峰目標、碳中和愿景，天然氣作為最清潔的化石燃料，在為世界提供能源和減少碳排放方面發揮著重要作用。液化天然氣(liquef ied natural gas, LNG)作為一種優質清潔能源，由于其具有燃燒發熱量大，燃燒后對環境污染小等優點，近年來需求量呈快速增長趨勢，目前已廣泛用于城市燃氣、燃料汽車、船舶、發電等工業領域，LNG取代燃油后可以減少90%的二氧化硫排放和80%的氮氧化物排放，環境效益十分明顯，是汽車的優質代用燃料[1]

因此，LNG加氣站的安全穩定運行是保障LNG穩定供應的基礎，安裝于現場的緊急切斷閥在其中發揮著重要作用。目前LNG加氣站現場使用緊急切斷閥大多數為氣動型，氣動型閥門的動作依靠LNG加氣站內的儀表風系統提供的壓縮空氣作為動力，儀表風系統能否提供壓力穩定且潔凈的壓縮空氣關系到緊急切斷閥能否及時關斷、LNG加氣站能否可靠運行；如果壓縮空氣水分過多則會導致儀表風管路的腐蝕和堵塞，氣動閥門損壞等。壓縮空氣的另一個作用是用于吹掃LNG加氣槍，因為LNG是低溫液體，加注槍口在經過加注后會將空氣中的水分冷凝附著在加氣槍密封圈處，在LNG加氣站通常都會要求操作員在連接LNG加氣槍之前，必須用吹掃槍對加氣槍進行徹底吹掃，否則，在加注的過程中，這些水分就會被LNG冷凍成堅硬的冰粒，進入加注槍密封環內部，影響加注槍的正常使用，嚴重的情況下會造成LNG的泄漏，甚至導致火災、人員凍傷等嚴重后果。

1 LNG加氣站能耗分析

LNG加氣站是利用LNG作為燃料的一種多功能加氣站，可為LNG車提供車用燃料。LNG汽車加注站由卸車、增壓、儲存、泵送、加注、安全控制等部分組成，主要耗電設備包括LNG潛液泵、LNG加氣機、儀表風系統、控制系統四大部分，具體參數如表1所示。

表1 站內主要用電設備及主要參數

1.1 低溫潛液泵

在LNG加氣站中，潛液泵由變頻器驅動，變頻器根據泵出口的壓力自動調整潛液泵頻率，以保證加注壓力穩定。根據厚普股份在國內站點的實際使用經驗統計，在正常加注過程中潛液泵的運行頻率在80～90 Hz，加注流量約 50 kg/min，預冷時間 1～2 min，加注時間約3 min，假設潛液泵的運行頻率90 Hz，根據變頻器輸出頻率與輸入功率立方成正比可得，在90 Hz時，額定功率為11 kW的潛液泵輸入功率約8 kW。

1.2 LNG加氣機

LNG加氣機在LNG加氣站起到LNG充裝和計量的功能，儲罐內的LNG經過低溫潛液泵增壓后輸送至LNG加氣機，經LNG加氣機計量后充裝至LNG卡車的鋼瓶中。LNG加氣機在空閑狀態和加注狀態耗電量沒有明顯區別，每臺LNG加氣機每小時耗電量按照銘牌確定約0.2 kW·h。

1.3 儀表風系統

目前大多數的LNG加氣站中，儀表風系統由一臺空壓機和一臺干燥機串聯的方式向外提供壓縮空氣。在LNG行業最常見的干燥機有兩種類型，吸附式干燥機和冷凍式干燥機，吸附式干燥機主要是利用吸附劑(活性氧化鋁、硅膠等)利用變壓吸附原理吸附空氣中的水分子，達到降低空氣中的水分子含量的目的。冷凍式干燥機主要是利用了降溫結露的原理，通過降低空氣溫度，將水分從空氣中析出，再經過水汽分離，水分經過排水器排出，低溫空氣經過換熱器升溫后輸出。

儀表風系統主要設備包含一臺空壓機和一臺干燥機，吸附式干燥機的功率通常可以忽略不計，冷凍式干燥機功率約2 kW。常規配置空壓機的功率約3 kW，空壓機根據LNG加氣站的運行情況間歇工作。

根據在某站點的測試數據記錄，在空閑狀態下，由于干燥機的吸附塔需要交替工作(默認為10 min循環工作)，干燥機每兩次循環工作，空壓機必須要啟動補充壓力，每次補充壓力工作約1 min，空壓機每小時工作約6次，全天工作時長約144 min，耗電約7.2 kW·h。由于需要用儀表風吹掃LNG加液槍，每一次LNG加注前空壓機都會啟動一次，平均每次的工作時間約1～1.5 min。

1.4 站控系統

站控系統主要包含PLC控制系統、工控機顯示器、收費系統、燃氣報警系統以及現場儀表等電氣裝置。

控制系統實時檢測現場傳感器、變送器等儀表信號，自動監測站內儲罐、泵、泵池、管路、氣化器、加氣機等設備狀態，采集包括壓力、溫度、液位、轉速、電流、狀態等參數。經處理分析，按照控制邏輯及參數，自動控制并驅動工藝設備，實現加氣站安全聯鎖及設備智能化運營管理。控制系統必須連續運行，每小時平均綜合耗電量按照額定數據約1.4 kW·h。

1.5 日均總能耗

假設站點累計每天連續24 h營業，對外累計加注100次共15 t LNG。總耗電量約為124.6 kW·h。

2 節能措施探討

從表1可以看出，LNG加氣站中潛液泵的單位能耗最高，儀表風系統耗電量排第三。在實際LNG加氣站的中，潛液泵采用了變頻器驅動，潛液泵的功率依據站的加注需求選擇，除非提升潛液泵本身的效率，其他措施難以降低其能耗；LNG加氣站控制系統由于自身的特點，它們在站內必須要連續運行，且無論是在加注狀態還是待機狀態中，能耗沒有明顯區別，難以有效降低其功耗。

針對以上分析結果，儀表風系統是LNG加氣站節能降耗的主要潛力，通過對儀表風系統的工藝進行優化，可以降低儀表風系統能耗，同時保證提供充足、穩定的壓縮空氣。

3 高分子膜式干燥器的原理與特點

高分子膜式干燥器主要利用了水分子滲透擴散原理，如果在高分子膜的兩側存在水分子濃度不等的空氣，則氣體分子會從高壓側向低壓側進行分子擴散。而經過試驗測試發現，一種合成的高分子膜，使得水分子的擴散速度是氧氣分子擴散速度的2 000倍以上。利用這一點可以快速的將水分子和空氣分離，且在這一過程中不需要額外的能量或者其他催化劑的參加，且其露點溫度可達-70 ℃。但是在使用過程中，空氣中的其他雜志會堆積到高分子膜上，為了清潔高分子膜，需要用少量的氣體反吹掃高分子膜，保證了高分子膜的長期有效工作[2]。

高分子膜式干燥機的主要特點；(1)排氣少，僅需要少量的反吹掃氣體清潔高分子膜和帶走水分；(2)壽命長，高分子膜使用壽命可達8～10年；(3)高效率，高分子膜式干燥機不需要預運行時間，干燥空氣可立即使用；(4)氣體質量保證，經過膜式干燥機后的氣體溫度沒有任何變化，氣體成分沒有任何其他雜質，潔凈度可用于醫藥設備；(5)節能，高分子膜在使用過程中，不需要額外能量；(6)環保，高分子膜沒有任何化學添加劑和催化劑參與；(7)體積小，高分子膜式干燥機的體積非常小，部分廠家的高分子膜式干燥機的體積僅有普通手電筒大小；(8)免維護，高分子膜式干燥機使用過程中無轉動部件，無電氣部件，在高分子膜的壽命期限內不需要任何維護。

3.1 流程與工作原理

該系統包含了空壓機、油霧過濾器、微霧過濾器、高分子膜式干燥器、緩沖罐、壓力開關、電池閥、單向閥、自動排水器等部件。流程圖如圖1所示。

圖1 儀表風系統氣路圖

在系統正常工作時，由于后端設備用氣，二級緩沖罐T2的壓力開始下降，當壓力降低到開啟壓力設定值時，電磁閥SV1打開，一級緩沖罐T1開始通過高分子干燥器往二級緩沖罐補充氣體。同時，當一級緩沖罐T1的壓力降低至啟動值時，空壓機開始工作，當二級緩沖罐T2壓力達到關閉值時，關閉電磁閥SV1，當一級緩沖罐T1的壓力達到停機壓力后，空壓機停止工作。

系統正常工作后，緩沖罐T1和緩沖罐T2中會存儲有壓縮空氣，而高分子膜式干燥器DA的出口和排氣口均設置有單向閥，這樣就充分保證了在后端沒有用氣時保證外部氣體不會進入到干燥器內部，也不會有氣體排出，當緩沖罐T2的壓力下降到開啟設置值時，PLC會控制電磁閥SV1打開，往緩沖罐T2補充氣體，直到緩沖罐T2的壓力達到關閉設定值時電磁閥SV1關閉。當緩沖罐T1的壓力低于啟動值時，空壓機自動啟動，往T1補充氣體，直到緩沖罐T1的壓力達到關閉設定值，空壓機自動停止。

3.2 測試結果

如圖2所示。為使用了節能型設計的儀表風系統，采用同一臺空壓機在待機狀態下進行測試的壓力曲線，由于空壓機的緩沖罐T1需要定期進行排水操作，空壓機大概是每隔70 min啟動一次，每次運行時間為1 min，全天實際運行20.5次，按照21次計算，運行時間約 21 m，合 0.35 h，2.1×0.35=1.05 kW·h。

圖2 新型儀表風系統的空壓機壓力曲線

以某一LNG加氣站在同一運行情況下，根據要求儀表風的壓力露點為-40 ℃[3]，優化后儀表風系統總計耗電約6.05 kW·h，優化前的儀表風系統每天累計耗電12.2 kW·h，優化后的儀表風系統耗電量下降約50.4%,整站耗電量下降約5%。

4 結語

該儀表風系統經過現場使用，反饋結果運行穩定、可靠性高，減少了空氣損耗、降低了電能消耗，各項指標均優于目前普遍應用的吸附式儀表風系統。該新型儀表風系統不僅可以在LNG行業大面積推廣使用，在其他需要高潔凈壓縮空氣的行業也同樣適用。