成都城市燃?xì)鈶?yīng)急供氣的探索

作者：曹暉錢江彭洲煒張宇軒　來源：同濟(jì)大學(xué)　評(píng)論：　更新日期：2017年04月20日

摘　要：結(jié)合成都城市燃?xì)獾膽?yīng)急供氣方案，介紹采用LNG車載供應(yīng)的方式對(duì)重點(diǎn)客戶進(jìn)行應(yīng)急保障的工藝流程和設(shè)備配置，通過實(shí)踐進(jìn)行了驗(yàn)證，效果良好。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急供氣液化天然氣帶車灌裝

Exploration on City Gas Emergency Supply in Chengdu City

Abstract：Combined with the city gas emergency supply scheme in Chengdu City，the process flow and equipment configuration for supplying gas to key customers with LNG equipment in stalled on vehicles in emergency are introduced．This gas supply method is verified through practice，and the effect is good．

Keywords：emergency gas supply；liquefied natural gas(LNG)；filling with vehicle

1　項(xiàng)目背景

隨著西部大開發(fā)的不斷推進(jìn)，成都舉辦大型的國(guó)際會(huì)議、論壇和展覽的頻率不斷增加，燃?xì)夤?yīng)的可靠性需求也在悄然變化。成都市委市政府向成都城市燃?xì)庥邢挢?zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱成都燃?xì)?鄭重交辦了2012年9月底開幕的西博會(huì)重點(diǎn)單位燃?xì)鈶?yīng)急保障。成都燃?xì)庾鳛榻M織者，聯(lián)合成都城市燃?xì)庠O(shè)計(jì)研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱成燃設(shè)計(jì)院)，選擇了長(zhǎng)期從事燃?xì)廨斉湓O(shè)備成套制造的上海飛奧燃?xì)庠O(shè)備有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海飛奧)進(jìn)行合作，成立課題組，共同研究開發(fā)成都市燃?xì)鈶?yīng)急供應(yīng)的方案和配套設(shè)備。

經(jīng)過研究，初步確定把50m³／h的流量作為應(yīng)急方案供氣流量，把4h作為應(yīng)急供氣的時(shí)間?？紤]運(yùn)行的負(fù)荷安全系數(shù)，最終形成了小時(shí)額定流量為50m³／h，供氣時(shí)間為6～8h的設(shè)計(jì)需求。在供氣壓力方面，考慮該應(yīng)急裝置應(yīng)能夠根據(jù)要求輸出中壓0.2MPa或低壓3kPa天然氣，考慮下游存在早期的PE管道，要求出口溫度不低于5℃，并能夠?qū)崿F(xiàn)與下游管道的快速連接。

在燃?xì)庑袠I(yè)內(nèi)，非管輸供氣是各燃?xì)夤径荚佑|過的課題，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的是壓縮天然氣(CNG)的應(yīng)急供氣，例如北京奧運(yùn)會(huì)的天然氣應(yīng)急保障就采用這種模式^[1]。對(duì)成都市來講，雖然成都有提供壓縮天然氣的天然氣加氣母站，但是這種方式在運(yùn)輸上存在無(wú)法克服的矛盾，運(yùn)輸設(shè)備的集裝箱貨車在成都市區(qū)很多狹窄道路上無(wú)法通行，且設(shè)備處于高壓運(yùn)行狀態(tài)，多數(shù)重點(diǎn)客戶也無(wú)法提供應(yīng)急供氣需要臨時(shí)占用的安全場(chǎng)所，有些客戶聽到20MPa的儲(chǔ)氣壓力就不同意在其場(chǎng)地內(nèi)使用。除了CNG外，另一種就是液化天然氣(LNG)方式。相比CNG，LNG在非管輸運(yùn)行中有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。除了運(yùn)行壓力低(最高運(yùn)行壓力為0.8MPa)，最重要的一點(diǎn)是儲(chǔ)存比高，相同體積時(shí)，LNG儲(chǔ)存天然氣的量是CNG的3倍左右。

國(guó)內(nèi)也有一些單位實(shí)施過LNG應(yīng)急供氣，其主要方式是兩種，一種是類似國(guó)外的燃?xì)夤镜淖龇?，采用LNG槽車進(jìn)行運(yùn)輸，槽車的體積一般為20～51m³，但對(duì)成都市這種方式顯然也會(huì)碰到與CNG一樣的道路運(yùn)輸問題。同時(shí)每次運(yùn)輸?shù)腖NG量遠(yuǎn)多于需求量，造成的浪費(fèi)也不言而喻。另一種是采用小型的低溫杜瓦瓶來供應(yīng)^[2]，例如常見的l80L容積的杜瓦瓶。從成都市應(yīng)急實(shí)際供氣量的要求來看，無(wú)疑是選擇后者。

這種方式的問題主要是需要對(duì)杜瓦瓶進(jìn)行搬運(yùn)和連接管路的拆裝。目前多數(shù)LNG加氣站無(wú)法直接給杜瓦瓶進(jìn)行充裝，而180L杜瓦瓶空瓶質(zhì)量為122kg，充裝后質(zhì)量為185kg，兩個(gè)人徒手很難移動(dòng)，搬運(yùn)必須依靠升降設(shè)備，但在小型廂式車內(nèi)很難使用吊裝設(shè)施，搬運(yùn)杜瓦瓶也很麻煩。同時(shí)裝有低溫LNG的杜瓦瓶搬運(yùn)也存在風(fēng)險(xiǎn)，以前曾多次發(fā)生在裝卸操作中把杜瓦瓶摔裂的事故，對(duì)安全生產(chǎn)也造成影響。一旦杜瓦瓶破裂，除了排空稀釋處理也沒有更好的解決辦法。因此，課題組需解決杜瓦瓶LNG充裝和供氣的問題，盡量不要搬運(yùn)儲(chǔ)氣容器，而是直接進(jìn)行帶車充瓶。

成都市暫無(wú)LNG大型儲(chǔ)配站，目前獲取LNG的方式是市內(nèi)已經(jīng)建成的3個(gè)LNG加氣站，氣源通過槽車由外地運(yùn)輸而來。通過課題組調(diào)研，確定了成都市3個(gè)LNG加氣站在用設(shè)備加液槍的接口型號(hào)和制造廠家，并選擇最適合本LNG應(yīng)急供氣項(xiàng)目的配套設(shè)備。

2　設(shè)備研發(fā)

2．1　工藝流程

上海飛奧LNG產(chǎn)品部對(duì)杜瓦瓶的利用進(jìn)行過長(zhǎng)期深入的研究，對(duì)國(guó)內(nèi)常用的流程^[3]進(jìn)行了創(chuàng)新，創(chuàng)新的工藝流程申請(qǐng)了國(guó)家專利^[4-5]。該工藝專利實(shí)現(xiàn)了LNG正常供液，無(wú)需人員頻繁地手動(dòng)增壓，降低了人員的現(xiàn)場(chǎng)工作量。同時(shí)確保產(chǎn)生的BOG能夠順利排向下游。根據(jù)成都燃?xì)獾木唧w要求，上海飛奧在專利LNG供氣方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)了應(yīng)急供氣橇車的工藝流程，見圖1。

設(shè)備分別安裝在兩輛車上。一輛為L(zhǎng)NG儲(chǔ)存車(成都燃?xì)庾赓U，有危險(xiǎn)品運(yùn)輸證)，安裝有4個(gè)并聯(lián)的LNG杜瓦瓶。另一輛為L(zhǎng)NG氣化調(diào)壓車(五十鈴應(yīng)急搶修車)，安裝有空溫式氣化器、電加熱器和調(diào)壓設(shè)備。兩車之間采用保冷不銹鋼管加不銹鋼波紋管進(jìn)行連接。氣化調(diào)壓車上的出口通過加長(zhǎng)的不銹鋼波紋管和快裝接頭與下游用戶連接，提供壓力穩(wěn)定的流量不小于50m³／h的天然氣。

具體流程如下：

儲(chǔ)存車上4個(gè)杜瓦瓶固定在車上，不做搬運(yùn)移動(dòng)，液相和氣相匯管上分別裝有車用快裝接頭，液相為加液口，氣相為回氣口，通過連接加氣站上的加液槍和回氣槍，可以實(shí)現(xiàn)在加氣站內(nèi)帶車充瓶。

主流程：LNG液體(圖中紅色線)自杜瓦瓶通過不銹鋼波紋管、低溫長(zhǎng)軸截止閥進(jìn)入液相匯管，液相匯管上裝有帶冷凝彎的壓力表和低溫安全閥，其中安全閥并聯(lián)裝有手動(dòng)放散的低溫短軸截止閥。通過對(duì)液相管道上的調(diào)節(jié)閥l進(jìn)行設(shè)定，出口壓力低于p1時(shí)開啟，對(duì)外輸出低溫LNG液體，進(jìn)入空溫式氣化器氣化。出口(電加熱器后)天然氣管道(圖中藍(lán)色線)上設(shè)置溫度計(jì)，當(dāng)天然氣溫度低于5℃時(shí)，切換至旁通的水浴式電加熱器補(bǔ)熱，確保天然氣溫度在5℃以上?？諟厥綒饣髑霸O(shè)置低溫緊急切斷電磁閥，可與天然氣溫度進(jìn)行低溫連鎖，如低于5℃時(shí)間超過5min，電磁閥自動(dòng)切斷。電加熱器前后均設(shè)置并聯(lián)的安全閥和手動(dòng)放空閥，避免加熱時(shí)產(chǎn)生超壓。天然氣依次進(jìn)入兩級(jí)調(diào)壓器，一級(jí)調(diào)壓器出口設(shè)定中壓0.2MPa，二級(jí)調(diào)壓器出口設(shè)定低壓3kPa，可根據(jù)需求切換閥門選擇出口壓力。同時(shí)二級(jí)調(diào)壓旁通路上的手動(dòng)調(diào)節(jié)閥可根據(jù)下游要求調(diào)節(jié)，快速改變中壓輸出值。每級(jí)調(diào)壓器均自帶內(nèi)裝緊急切斷閥，壓力超出設(shè)定值能自動(dòng)切斷，配置壓力表和測(cè)試閥有利于觀察和調(diào)試。設(shè)備出口設(shè)置微流量安全閥(呼吸閥)，解決密閉空間氣體長(zhǎng)時(shí)間受熱壓力升高問題，避免緊急切斷閥的頻繁動(dòng)作，提高設(shè)備可靠性。

輔助流程：杜瓦瓶中的BOG氣體(圖中綠色線)通過不銹鋼波紋管、低溫長(zhǎng)軸截止閥進(jìn)入氣相匯管，氣相匯管上也裝有帶冷凝彎的壓力表和低溫安全閥。氣相管道上串聯(lián)調(diào)節(jié)閥2和單向閥，入口壓力低于p2時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，設(shè)定p1<p2。當(dāng)杜瓦瓶中的氣相壓力上升，通過液體傳遞，液相調(diào)節(jié)閥l出口壓力上升至p1時(shí)關(guān)閉，停止LNG供液。由于BOG增加，氣相壓力會(huì)繼續(xù)上升，氣相調(diào)節(jié)閥2入口壓力上升至p2時(shí)，調(diào)節(jié)閥2打開，將BOG氣體泄至液相管道中。卸壓后，氣相調(diào)節(jié)閥2入口壓力低于p2調(diào)節(jié)閥2關(guān)閉。如果下游用氣，液相壓力會(huì)降低，當(dāng)液相調(diào)節(jié)閥l出口壓力低于p1時(shí)，調(diào)節(jié)閥l開啟，恢復(fù)LNG供液。氣相上的單向閥主要防止液相倒流至氣相管道中。

放散流程：系統(tǒng)設(shè)備故障超壓時(shí)，少量的低溫超壓LNG液體或氣體通過低溫安全閥或手動(dòng)放散閥進(jìn)入不銹鋼EAG管道(圖中湖藍(lán)色線)。因量小未設(shè)置專用的EAG加熱器，通過不銹鋼管道被環(huán)境空氣加熱至密度低于空氣后，與后端天然氣管道(圖中藍(lán)色線)上的安全放散集中匯總，經(jīng)過阻火器進(jìn)入放散管高點(diǎn)放散(4m以上，車輛行駛時(shí)放散管收起)，未就地放散，確保放散現(xiàn)場(chǎng)安全。

流程的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于杜瓦瓶中LNG產(chǎn)生的低溫BOG氣體．通過調(diào)節(jié)閥控制，最終進(jìn)入液相管道中，也能被空溫式氣化器加熱后利用，未做常規(guī)的放空處理，減少了能源的浪費(fèi)和溫室氣體對(duì)環(huán)境的破壞。同時(shí)取消了BOG加熱器，減少了設(shè)備的占地面積，降低了成橇的管路復(fù)雜度。該流程也確保了氣相保持一定的壓力值，為L(zhǎng)NG供液提供驅(qū)動(dòng)力，保證系統(tǒng)可靠供氣，減少了手動(dòng)增壓的頻率。

2．2　技術(shù)難點(diǎn)

①快速響應(yīng)問題和日常儲(chǔ)存問題。為了應(yīng)急時(shí)能夠快速響應(yīng)，必須儲(chǔ)存一定量的LNG，但日常儲(chǔ)存LNG會(huì)產(chǎn)生BOG氣體排放，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響。

②尺寸限制。受城市道路所限，成都燃?xì)庥糜趹?yīng)急供應(yīng)車輛的尺寸固定，一期成都燃?xì)馓峁┑膽?yīng)急搶修車車廂尺寸為：長(zhǎng)×寬×高：長(zhǎng)2.72m×寬1.84m×高l.76m，可利用的空間非常小。為提高設(shè)備適應(yīng)環(huán)境的能力，必須在冬季也能夠正常投運(yùn)，除常用空溫式氣化器外，必須考慮強(qiáng)制換熱，對(duì)設(shè)計(jì)中的空間利用提出更大的挑戰(zhàn)。

③車載運(yùn)輸要求。必須有效解決減振和防松問題，并且能夠?qū)崿F(xiàn)在成都LNG加液站進(jìn)行順利充裝，不需要拆卸和搬運(yùn)杜瓦瓶。與加液槍的連接和充灌杜瓦瓶在設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮。

④供電方式要求。設(shè)備本身為應(yīng)急保障而設(shè)，必須提高設(shè)備的適應(yīng)性和安全性。現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電源的情況下應(yīng)保障設(shè)備的運(yùn)行安全。

2．3　解決方案

①成燃設(shè)計(jì)院對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)了下游接收的接口，由成都燃?xì)鈱?duì)設(shè)備停放的清江調(diào)壓站進(jìn)行改造，將BOG氣體自供氣口排至下游中壓管網(wǎng)。

②采用三維設(shè)計(jì)技術(shù)，反復(fù)優(yōu)化布置方式，使設(shè)備滿足車廂尺寸要求。上海飛奧按成都燃?xì)庖笤O(shè)計(jì)了三維圖，課題組審核通過后再進(jìn)行制造，完全滿足了實(shí)際的要求。

③采用設(shè)備整體防振的方式，底盤支撐處加裝防振墊，非常有效。螺栓的防松從使用來看，加裝彈簧墊片已能解決該問題。

④考慮采用雙路供電的模式，一路由車上電瓶提供電源，保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，另一路由供氣現(xiàn)場(chǎng)提供常規(guī)供電。即使現(xiàn)場(chǎng)供電出現(xiàn)故障，也能夠保證控制系統(tǒng)不間斷運(yùn)行。

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行上海飛奧企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q／FcA l051《RLY系列液化天然氣應(yīng)急供氣橇》，符合GB5002S—2006((城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》，參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)EN l473《液化天然氣設(shè)備與安裝陸上裝置》和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NFPA-59A((液化天然氣生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝卸標(biāo)準(zhǔn)》。

3　設(shè)備投運(yùn)

車載移動(dòng)氣化調(diào)壓橇見圖2，LNG低溫瓶組儲(chǔ)存橇見圖3。在LNG加氣站對(duì)LNG瓶組儲(chǔ)存車進(jìn)行了LNG帶瓶充灌，見圖4。

該設(shè)備在成都燃?xì)馇褰具M(jìn)行停放(見圖5)，日常產(chǎn)生的少量BOG自動(dòng)排放至下游燃?xì)庵袎汗艿?，?jīng)過試運(yùn)完全符合LNG儲(chǔ)存的設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)場(chǎng)無(wú)BOG放空。

LNG應(yīng)急供氣設(shè)備就位后，考慮到運(yùn)載LNG的車輛為?；愤\(yùn)輸車，行駛路線和行駛車速都有所限制，成都燃?xì)饨M織人員和運(yùn)輸車輛，實(shí)地測(cè)試設(shè)備從車輛停放點(diǎn)至各應(yīng)急供氣單位的運(yùn)輸時(shí)間。從實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)來看，對(duì)多數(shù)地點(diǎn)從車輛停放點(diǎn)至供氣點(diǎn)的時(shí)間不超過40min(見表l)，考慮到現(xiàn)場(chǎng)連接的時(shí)間為20min，從接到客戶電話到應(yīng)急供氣車輛行駛至現(xiàn)場(chǎng)開始供氣，可以確保在60min內(nèi)完成。

在設(shè)備制造的同時(shí)，成都燃?xì)庖步M織工程公司對(duì)需要保障的幾個(gè)重點(diǎn)客戶的燃?xì)夤艿兰友b了應(yīng)急接口，確保與橇車供氣口不銹鋼波紋管的快裝接頭快速連接。

在成都燃?xì)獾慕M織下，充灌好的LNG應(yīng)急設(shè)備運(yùn)輸至成都市某辦公區(qū)進(jìn)行試運(yùn)行，一次投運(yùn)成功，能夠滿足該用戶廚房全部炊事設(shè)備同時(shí)開啟工況的供氣，供氣壓力為3kPa，高峰流量超過60m³／h，供氣時(shí)間超過4h。設(shè)備完全滿足設(shè)計(jì)要求。

設(shè)備已在成都燃?xì)馇褰景踩\(yùn)行超過了一年的時(shí)間。環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)了各季節(jié)全覆蓋，對(duì)應(yīng)環(huán)境的變化，成都燃?xì)舛啻谓M織人員對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了全工況的測(cè)試，包括杜瓦瓶充裝試驗(yàn)、空溫式氣化器額定負(fù)荷試驗(yàn)、空溫式氣化器超負(fù)荷50％試驗(yàn)、空溫式氣化器超負(fù)荷100％試驗(yàn)、冬季整機(jī)過載l00％試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果來看，即使在成都冬季環(huán)境溫度為2℃，電加熱器開啟的情況下，LNG應(yīng)急供氣設(shè)備能保證供應(yīng)出口溫度在10℃以E的天然氣l00m³／h，完全滿足應(yīng)急供氣的需求。LNG應(yīng)急設(shè)備無(wú)論是在2012年的西博會(huì)還是2013年的全球財(cái)富論壇，都發(fā)揮了重要保障作用，涉及的重要會(huì)場(chǎng)及重點(diǎn)酒店全部試運(yùn)行合格，其機(jī)動(dòng)性和可靠性在實(shí)踐中得到了良好的檢驗(yàn)。圖6～7為實(shí)際投運(yùn)現(xiàn)場(chǎng)。