LNG加气站新型节能型仪表风系统设计

陈浩，陈毅，杨顺之，吴潇，张敏

(厚普清洁能源股份有限公司，四川 成都 610100)

0 引言

在2020年9月22日，国家主席习近平在联合国大会一般性辩论上表示，中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。为了实现我国提出碳达峰目标、碳中和愿景，天然气作为最清洁的化石燃料，在为世界提供能源和减少碳排放方面发挥着重要作用。液化天然气(liquef ied natural gas, LNG)作为一种优质清洁能源，由于其具有燃烧发热量大，燃烧后对环境污染小等优点，近年来需求量呈快速增长趋势，目前已广泛用于城市燃气、燃料汽车、船舶、发电等工业领域，LNG取代燃油后可以减少90%的二氧化硫排放和80%的氮氧化物排放，环境效益十分明显，是汽车的优质代用燃料[1]

因此，LNG加气站的安全稳定运行是保障LNG稳定供应的基础，安装于现场的紧急切断阀在其中发挥着重要作用。目前LNG加气站现场使用紧急切断阀大多数为气动型，气动型阀门的动作依靠LNG加气站内的仪表风系统提供的压缩空气作为动力，仪表风系统能否提供压力稳定且洁净的压缩空气关系到紧急切断阀能否及时关断、LNG加气站能否可靠运行；如果压缩空气水分过多则会导致仪表风管路的腐蚀和堵塞，气动阀门损坏等。压缩空气的另一个作用是用于吹扫LNG加气枪，因为LNG是低温液体，加注枪口在经过加注后会将空气中的水分冷凝附着在加气枪密封圈处，在LNG加气站通常都会要求操作员在连接LNG加气枪之前，必须用吹扫枪对加气枪进行彻底吹扫，否则，在加注的过程中，这些水分就会被LNG冷冻成坚硬的冰粒，进入加注枪密封环内部，影响加注枪的正常使用，严重的情况下会造成LNG的泄漏，甚至导致火灾、人员冻伤等严重后果。

1 LNG加气站能耗分析

LNG加气站是利用LNG作为燃料的一种多功能加气站，可为LNG车提供车用燃料。LNG汽车加注站由卸车、增压、储存、泵送、加注、安全控制等部分组成，主要耗电设备包括LNG潜液泵、LNG加气机、仪表风系统、控制系统四大部分，具体参数如表1所示。

表1 站内主要用电设备及主要参数

1.1 低温潜液泵

在LNG加气站中，潜液泵由变频器驱动，变频器根据泵出口的压力自动调整潜液泵频率，以保证加注压力稳定。根据厚普股份在国内站点的实际使用经验统计，在正常加注过程中潜液泵的运行频率在80～90 Hz，加注流量约 50 kg/min，预冷时间 1～2 min，加注时间约3 min，假设潜液泵的运行频率90 Hz，根据变频器输出频率与输入功率立方成正比可得，在90 Hz时，额定功率为11 kW的潜液泵输入功率约8 kW。

1.2 LNG加气机

LNG加气机在LNG加气站起到LNG充装和计量的功能，储罐内的LNG经过低温潜液泵增压后输送至LNG加气机，经LNG加气机计量后充装至LNG卡车的钢瓶中。LNG加气机在空闲状态和加注状态耗电量没有明显区别，每台LNG加气机每小时耗电量按照铭牌确定约0.2 kW·h。

1.3 仪表风系统

目前大多数的LNG加气站中，仪表风系统由一台空压机和一台干燥机串联的方式向外提供压缩空气。在LNG行业最常见的干燥机有两种类型，吸附式干燥机和冷冻式干燥机，吸附式干燥机主要是利用吸附剂(活性氧化铝、硅胶等)利用变压吸附原理吸附空气中的水分子，达到降低空气中的水分子含量的目的。冷冻式干燥机主要是利用了降温结露的原理，通过降低空气温度，将水分从空气中析出，再经过水汽分离，水分经过排水器排出，低温空气经过换热器升温后输出。

仪表风系统主要设备包含一台空压机和一台干燥机，吸附式干燥机的功率通常可以忽略不计，冷冻式干燥机功率约2 kW。常规配置空压机的功率约3 kW，空压机根据LNG加气站的运行情况间歇工作。

根据在某站点的测试数据记录，在空闲状态下，由于干燥机的吸附塔需要交替工作(默认为10 min循环工作)，干燥机每两次循环工作，空压机必须要启动补充压力，每次补充压力工作约1 min，空压机每小时工作约6次，全天工作时长约144 min，耗电约7.2 kW·h。由于需要用仪表风吹扫LNG加液枪，每一次LNG加注前空压机都会启动一次，平均每次的工作时间约1～1.5 min。

1.4 站控系统

站控系统主要包含PLC控制系统、工控机显示器、收费系统、燃气报警系统以及现场仪表等电气装置。

控制系统实时检测现场传感器、变送器等仪表信号，自动监测站内储罐、泵、泵池、管路、气化器、加气机等设备状态，采集包括压力、温度、液位、转速、电流、状态等参数。经处理分析，按照控制逻辑及参数，自动控制并驱动工艺设备，实现加气站安全联锁及设备智能化运营管理。控制系统必须连续运行，每小时平均综合耗电量按照额定数据约1.4 kW·h。

1.5 日均总能耗

假设站点累计每天连续24 h营业，对外累计加注100次共15 t LNG。总耗电量约为124.6 kW·h。

2 节能措施探讨

从表1可以看出，LNG加气站中潜液泵的单位能耗最高，仪表风系统耗电量排第三。在实际LNG加气站的中，潜液泵采用了变频器驱动，潜液泵的功率依据站的加注需求选择，除非提升潜液泵本身的效率，其他措施难以降低其能耗；LNG加气站控制系统由于自身的特点，它们在站内必须要连续运行，且无论是在加注状态还是待机状态中，能耗没有明显区别，难以有效降低其功耗。

针对以上分析结果，仪表风系统是LNG加气站节能降耗的主要潜力，通过对仪表风系统的工艺进行优化，可以降低仪表风系统能耗，同时保证提供充足、稳定的压缩空气。

3 高分子膜式干燥器的原理与特点

高分子膜式干燥器主要利用了水分子渗透扩散原理，如果在高分子膜的两侧存在水分子浓度不等的空气，则气体分子会从高压侧向低压侧进行分子扩散。而经过试验测试发现，一种合成的高分子膜，使得水分子的扩散速度是氧气分子扩散速度的2 000倍以上。利用这一点可以快速的将水分子和空气分离，且在这一过程中不需要额外的能量或者其他催化剂的参加，且其露点温度可达-70 ℃。但是在使用过程中，空气中的其他杂志会堆积到高分子膜上，为了清洁高分子膜，需要用少量的气体反吹扫高分子膜，保证了高分子膜的长期有效工作[2]。

高分子膜式干燥机的主要特点；(1)排气少，仅需要少量的反吹扫气体清洁高分子膜和带走水分；(2)寿命长，高分子膜使用寿命可达8～10年；(3)高效率，高分子膜式干燥机不需要预运行时间，干燥空气可立即使用；(4)气体质量保证，经过膜式干燥机后的气体温度没有任何变化，气体成分没有任何其他杂质，洁净度可用于医药设备；(5)节能，高分子膜在使用过程中，不需要额外能量；(6)环保，高分子膜没有任何化学添加剂和催化剂参与；(7)体积小，高分子膜式干燥机的体积非常小，部分厂家的高分子膜式干燥机的体积仅有普通手电筒大小；(8)免维护，高分子膜式干燥机使用过程中无转动部件，无电气部件，在高分子膜的寿命期限内不需要任何维护。

3.1 流程与工作原理

该系统包含了空压机、油雾过滤器、微雾过滤器、高分子膜式干燥器、缓冲罐、压力开关、电池阀、单向阀、自动排水器等部件。流程图如图1所示。

图1 仪表风系统气路图

在系统正常工作时，由于后端设备用气，二级缓冲罐T2的压力开始下降，当压力降低到开启压力设定值时，电磁阀SV1打开，一级缓冲罐T1开始通过高分子干燥器往二级缓冲罐补充气体。同时，当一级缓冲罐T1的压力降低至启动值时，空压机开始工作，当二级缓冲罐T2压力达到关闭值时，关闭电磁阀SV1，当一级缓冲罐T1的压力达到停机压力后，空压机停止工作。

系统正常工作后，缓冲罐T1和缓冲罐T2中会存储有压缩空气，而高分子膜式干燥器DA的出口和排气口均设置有单向阀，这样就充分保证了在后端没有用气时保证外部气体不会进入到干燥器内部，也不会有气体排出，当缓冲罐T2的压力下降到开启设置值时，PLC会控制电磁阀SV1打开，往缓冲罐T2补充气体，直到缓冲罐T2的压力达到关闭设定值时电磁阀SV1关闭。当缓冲罐T1的压力低于启动值时，空压机自动启动，往T1补充气体，直到缓冲罐T1的压力达到关闭设定值，空压机自动停止。

3.2 测试结果

如图2所示。为使用了节能型设计的仪表风系统，采用同一台空压机在待机状态下进行测试的压力曲线，由于空压机的缓冲罐T1需要定期进行排水操作，空压机大概是每隔70 min启动一次，每次运行时间为1 min，全天实际运行20.5次，按照21次计算，运行时间约 21 m，合 0.35 h，2.1×0.35=1.05 kW·h。

图2 新型仪表风系统的空压机压力曲线

以某一LNG加气站在同一运行情况下，根据要求仪表风的压力露点为-40 ℃[3]，优化后仪表风系统总计耗电约6.05 kW·h，优化前的仪表风系统每天累计耗电12.2 kW·h，优化后的仪表风系统耗电量下降约50.4%,整站耗电量下降约5%。

4 结语

该仪表风系统经过现场使用，反馈结果运行稳定、可靠性高，减少了空气损耗、降低了电能消耗，各项指标均优于目前普遍应用的吸附式仪表风系统。该新型仪表风系统不仅可以在LNG行业大面积推广使用，在其他需要高洁净压缩空气的行业也同样适用。