【技术风暴】浅析液化天然气移动加液车

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楼主 2019-05-26 22:10:40
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随着国民经济的快速发展,液化天然气(LNG)作为一种新兴清洁能源,已被广泛应用在汽车领域。LNG汽车具有经济、安全、环保等优势,是天然气汽车的发展方向,也是城市规模化发展天然气汽车的理想途径。测试数据显示,公交车使用LNG燃料,其尾气综合排放与燃油车辆相比可下降80 %,而城市大气环境污染中大多数来源于机动车的尾气排放,LNG汽车的发展有利于改善大气环境质量。LNG移动加液车扮演着可移动的临时加气站角色,为广大用户提供“贴身”和“就地”的服务,LNG移动加液车的研制将为推动我国液化天然气产业发展产生积极的促进作用。

LNG移动加液车是指由LNG贮罐、低温泵、加气机、汽化器、车载发电机、管道和控制阀门等设备与走行装置采用永久连接组成的LNG移动加气站,具有机动灵活、安全可靠、操作方便等特点,主要用于LNG汽车加气项目及其他小规模用气项目的推广。LNG移动加液车的技术在我国目前还处于发展阶段,现以某公司LNG移动加液车的研制为例,对典型LNG移动加液车的技术参数、工艺流程、设备选型与安全性等进行分析。

1技术参数

根据国家能源局发布的《液化天然气(LNG)汽车加气站技术规范》( NB /T 1001-2011)标准要求,某公司研发了一款容积为19. 9m³的LNG移动加液车,设计参数见表1。

表1 19.9LNG移动加液车整车技术参数

底盘类型

一类底盘

外形尺寸(长x宽x高)

11960 mm x 2s00 mm x 3380 mm

总质量

29350 kg

整备质量

21135kg

主要配置参数

供液罐容积

19.9m³

输液泵型号

TC-34 /1 x 2 x 6-2VSL

汽化器形式

空温铝制翅片式

最大加气流量

225L/min

发电机输出电压

AC 380V

2工艺流程

根据LNG移动加液车应用工程方提出的使用功能要求,按充装、升压、加气及泄压四个功能设定工艺流程,其流程如图1所示。

2.1充装流程

充装流程是LNG移动加液车接收LNG储存设备供液的流程。

LNG移动加液车配有底部及顶部进液管线。第一次或久置不用后充装时,由于内容器处于常温“暖贮槽”状态,须通过顶部喷淋管线预冷充装,预冷充装将会消耗一定量的液体。预冷充装流程:供液容器→V17阀→V2阀→LNG移动加液车贮罐。

当LNG移动加液车内部温度接近充装压力下的饱和温度时,可采用底部进液管线充装,能加快充装速度,即:供液容器→V17阀→V1阀→X-3阀→LNG移动加液车贮罐。

2.2 升压流程

为了满足运输期间不放空、安全泄放装置不动作的无损运输需要,LNG移动加液车储运工况压力一般较低。但当工况转换为加气作业时,需要提高LNG移动加液车贮罐内的LNG压力。

用户LNG汽车上的LNG车载瓶设计压力在1.2~1.6 MPa之间,但LNG移动加液车储运压力一般低于1. 2 MPa,当给LNG车载瓶加气作业时,LNG移动加液车输出端口压力需要大于LNG车载瓶的工作压力。

LNG移动加液车采用低温潜液泵来提高输出端口压力,选择合适进出口压差的泵即可满足给LNG车载瓶加气的需要。但因输液泵的工作特性,需要维持泵吸入口压力不低于泵的汽蚀临界压力,故需要给LNG移动加液车的贮罐增压。

增压功能由配置的汽化器实现。汽化器升压流为:LNG移动加液车贮罐→V3阀→汽化器→V4阀→LNG移动加液车贮罐。

2.3 加气流程

LNG移动加液车贮罐中的饱和液体LNG通过低温潜液泵后,经低温质量流量计再由加气枪给汽车上的LNG车载瓶加注LNG。须先经过加气枪预冷和内循环流程后才可正式加气。

加气枪预冷流程:LNG移动加液车贮罐→X阀→低温潜液泵→低温质量流量计→X-1阀→加注口E-3→加气枪→加气枪预冷连接口E-7→V1阀→X-3阀→LNG移动加液车贮罐

加气流程:LNG移动加液车贮罐→X-4阀→低温潜液泵→低温质量流量计→X-1阀→

LNG车载瓶(或LNG贮罐)。

2.4 泄压流程

根据使用需要,每次LNG加气前后都会出现贮罐内LNG经管道循环后重新进入罐体的现象,长时间加气容易造成贮罐内压力升高。当LNG移动加液车贮罐内压力大于内容器安全阀的整定压力时,内容器安全阀打开,释放BOG气体,降低贮罐内压力,保证LNG移动加液车的安全。

3主要设备选型

LNG移动加液车的主要设备有用于贮运LNG的19.9 m3 LNG贮罐、用于装卸液的低温潜液泵、用于计量加气的加气机、用于增压的空温式汽化器、用于发电的车载发电机以及汽车底盘等等。

3.1 LNG贮罐

LNG贮罐采用高真空多层绝热结构,贮罐上设有差压变送器、压力变送器、温度变送器、液位计和压力表等仪表,实现对贮罐液位、压力、温度的现场指示及远程监控,设计参数见表2。

表2 LNG贮罐技术参数

技术参数

内容器

外罐

工作压力

1. 2 MPa

真空

设计压力

1. 44MPa

-0. 1 MPa

工作温度

-162~-118℃

-20~+ 50℃

设计温度

-196 / + 20℃

-20 / + 50℃

几何容积

19. 9 m³

5. 84 m³(夹层)

安全阀整定压力

1. 54 MPa

0. O5MPa(外罐安全装置)

罐体材质

s30408

Q345 R

绝热形式

高真空多层绝热

静态日蒸发率(按液氮测试时)

0. 41%/d


3.2 低温潜液泵

低温潜液泵是实现充装液和计量加气的主要设备,美国某公司的TC- 34型立式潜液泵被广泛应用于LNG汽车加气站项目。根据加气机流量,LNG移动加液车中的低温潜液泵设计流量0 ~320 L/min。低温潜液泵的主要技术参数见表3。

表3 LNG低温潜液泵技术参数

LNG低温潜液泵型号

TC-34/1 x2 x6-2VSL

设计温度

-196℃

设计流量

0 ~320 L/min

设计扬程

144 m

最大扬程

250 m

转速范围

1500~6000 r/min

所需进口净压头

0.7~3m

电机功率

11 kw

所需电源

380 V

3. 3汽化器

汽化器是实现设备充装液和计量加气的主要设备,LNG移动加液车的汽化器采用空温铝制翅片式换热器,使用环境空气作为热源,达到汽化增压的目的,投入及运行成本低。汽化器技术参数见表4。

表4汽化器技术参数

形式

空温式

汽化能力

100 m³/ h

最大工作压力

2. 5 MPa

介质入口温度

-162℃

介质出口温度

>一140℃

允许压降

0. O5MPa

3.4 加气机

加气机是给LNG车载瓶加气和计量的终端设备,主要包括流量计、加气枪、加气枪预冷连接口、回气枪和PLC控制系统等。LNG移动加液车中的流量计采用进口低温质量流量计,具有温度补偿功能。加气枪采用快装连接器,操作简单,设计流量为225 L/min。

3. 5车载发电机

车载发电机与汽车PTO取力器通过传动轴连接,由汽车电机驱动发电,发出交流三相380 V电源电压。经过发电机控制箱自动调节电压,输出AC380 V电源供LN G移动加液车的设备使用,方便没有外接电源的情况使用。

4安全性

LNG移动加液车贮罐的内容器设有两个安全阀,其中一个正常使用,一个备用。当贮罐内部压力超过1. 54 MPa时,安全阀会自动打开,泄放压力,安全阀的排放能力可保证容器处于火灾情况下不发生超压现象;外罐顶部设有安全防爆装置,当容器泄漏引起真空夹层压力上升至0. O5 MPa时,安全防爆装置会自动打开,确保容器安全运行。

操作系统主要集中在后部操作仓内,由于贮运介质液化天然气为易燃、易爆液化气体,故所有液相管道根部都加装紧急切断阀,并配有远程紧急切断控制系统,以便发生异常情况时远程切断。所有管道安全阀及放散口都集中连接到放空管系,并通过波N带蜂窝式阻火器排放。操作仓内还设有可燃气体泄漏报警器,一旦有气体泄漏,报警器会在第一时间鸣叫报警并切断电气设备的运行。

为防止设备运行时产生静电火花,在整车底盘和加气机上分别加装导静电接地装置,接地电阻不超过5Ω。

5静态日蒸发率

标准《低温液体汽车罐车》( JB /T 4783-2007)规定的静态日蒸发率指标是不带泵低温车静态蒸发率标准指标,而带泵低温车由于高真空多层绝热管、典型LNG泵池漏热量均将产生热量,其静态蒸发率将客观升高,故蒸发率指标应合理修正。

5.1 高真空多层绝热管及接头的总漏热量

《压力管道元件型式试验规则》(TSG D7002-2006)附录B4. 4. 2. 4. 2中(1)规定,DN50 mm刚性管道漏热量应≤1.01 W/m,典型设计长度1. 75 m的管道漏热量应≤1. 77 W;典型阴接头(DN50 mm, L =0. 6 m)的漏热量应≤2. 69 W,典型阳接头(DN50 mm, L = 0. 6 m)的漏热量应≤2.45 W,阴、阳接头的总漏热量应≤5.142 W。所以,典型带泵车高真空多层绝热管及接头的总漏热量Q1=6.91 W

5.2 高真空多层绝热典型LNG泵池漏热量

低温潜液泵通用泵池内筒内径Di=315 mm筒体外径D。=412mm,容积50 ~70 L,高真空多层绝热典型LNG泵池的总漏热量Q2≈23.3W(容积70 L时液氮的计算标准日蒸发率约为13.3% /d)。

5.3 带泵低温车静态日蒸发率指标的修正

带泵低温车静态日蒸发率NErLN2(20m³原值)= 0.34%/d (3.935 x 0.00000001s-1),液氮密度ρ≈810kg/m³,过冷态液氮的汽化潜热γ≈213kJ/kg。

反算修正前带泵低温车漏热量Q3

Q3=NErLN2x(ρxγxV)=3.935 x 0.00000001x810x213000x20≈135.8w

绝热管及典型LNG泵池漏热量:

(Q1+Q2)=6.91+23.3=30.21 W。

修正后带泵低温车静态日蒸发率指标:

NErLN2修正= (20 m³)=Q1+Q2+Q3)/(ρxγxV)=166.0l÷(810x213000 x20)

=4.811x0.00000001s-1≈0.42%/d。

6技术关键及解决办法

LNG低温潜液泵是实现正常加气作业的关键设备,实践证明:LNG贮罐中的液位高度与泵池顶部气相空间的高度差、进泵管的布置和直径都直接影响LNG低温潜液泵的正常运行。

为此,LNG低温潜液泵在操作仓中的布置需下沉一定高度,使得LNG贮罐液位最低点高于低温泵池的回流口,从LNG贮罐出来的液体进泵管道需配合泵池进泵口的高度设置。LNG移动加液车进泵管道还需设置保冷措施,以防管道中的部分液体汽化进入低温泵池,使得泵池进口处蒸汽压力过高,泵池汽蚀余量下降,影响潜液泵正常工作。根据以上要求,LN G低温泵池与LNG贮罐布置成如图2所示的结构。

另外,由于整个流程相对复杂,管线布置较长,加上正常加气作业前需要对潜液泵及加气机预冷内循环,以及加气作业后管道残余液体汽化回流进LNG贮罐,为此在一些必要的管线上同样需要设置保冷措施,以防长时间的加气作业造成贮罐压力升高,安全阀起跳,排放BOG气体。

7、结束语

LNG移动加液车研制完成投入使用后,目前平均日加气作业20余次,设备已正常使用近1年。

LNG移动加液车的研制开发,借鉴了国内外先进技术,该项目的建设,弥补了LNG汽车加气站固定不可移动的缺陷,为推动LNG汽车在国内的广泛应用,改善城市环境质量,促进我国城市经济建设的可持续发展做出积极贡献。

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