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lng撬装加气站LNG汽车加气站的橇装化
LNG汽车加气站的橇装化
LNG汽车具有单次加气行驶里程长、清洁、环保等特点,受到越来越广泛的关注[1]。
北京、乌鲁木齐、长沙、贵阳、海南、杭州等地正在积极推广LNG汽车及加气站,并已建成了4座LNG常规加气站(以下简称LNG常规站)和2座LNG橇装加气站(以下简称LNG橇装站)。
1LNG橇装站的规模
LNG橇装站可分为3个橇块,分别为储存橇、电气自控橇和加气机橇。
1.1储存橇的规模
确定LNG橇装站中储存橇的规模时,主要考虑的因素如下:
①橇块的机动灵活性强、工厂化生产、易于异地运输、场地适应性强等特点要求储存橇的规模不宜过大。
②LNG橇装站有可能与城区内的加油站合建,为了在城区加油站内找到合适的场地,且对周边环境影响较小,不引起公众的恐慌心理,要求储存橇的规模不宜过大。
③国内规范中关于LNG站场的消防系统配置要求也决定了储存橇的规模不宜过大。
《城镇燃气设计规范》(GB50028—2006)中规定,总容积<50m3且单罐容积≤20m3的液化天然气储罐或储罐区可单独设置固定喷淋装置或移动水枪,其消防用水量应按水枪用水量计算[2]。
在此规模的情况下,《城镇燃气设计规范》(GB50028—2006)中规定的水枪用水量为20L/s。
《建筑设计防火规范》(GB50016—2006)中规定,当消防用水量不超过25L/s时,可不设置消防水池[3]。
因此,从LNG橇装站的消防系统配置角度看,要求储存橇的规模不宜大于20m3。
④为了体现LNG橇装站的经济效益,使之能够快速得到推广,储存橇的规模又不能太小。
以配置240L车载储气瓶的公交车为例,20m3的储存规模能满足约70辆公交车的需求(日加气量约为1.0×104m3/d,折合成液态LNG约17m3/d),既能满足初期加气的需求,也能取得一定经济效益。
建设1座20m3储存规模的橇装站,总造价约370×104元,当LNG(气态)购销差价为0.6元/m3时,投资回收期约7.0年,内部收益率约12.4%。
⑤确定储存橇的规模时,还应考虑国内LNG储罐的产品规格,尽量采用常规的产品规格。
通过对这5个因素的综合考虑,本文认为LNG橇装站中储存橇的规模确定为20m3比较合适。
1.2LNG橇装站的规模
确定了储存橇的规模为20m3后,可以根据城市汽车加气市场的发展确定LNG橇装站的规模。
在满足国内相关规范要求的前提下,要想使储罐不设置固定喷淋装置且站内不设置消防水池,LNG橇装站的规模存在着两种选择:
一种为配置单个储存橇,即规模为20m3;另一种为配置两个储存橇,即规模为40m3。
这2种规模的LNG橇装站都属于总容积<50m3且单罐容积≤20m3的LNG站场。
2LNG橇装站的设备配置
2.1撬块的设备配置
储存橇的主要作用为装卸、储存和输送LNG,以及对LNG进行调饱和。
主要包括20m3低温卧式储罐(采用真空粉末绝热罐,设计压力为1.2MPa,设计温度为-196℃)、低温潜液泵、卸车调饱和器等,设备之间采用真空绝热管进行连接。
根据功能,整个橇块分为卸车区、储存区、泵区和阀门操作区。
管道连接在满足应力要求的前提下,力求简洁、美观。
考虑到储罐的外形尺寸及运输要求,储存橇的外形尺寸初步定为12.0m×2.8m×3.0m。
橇装站主要利用泵进行卸车,泵启动前需要将槽车内的LNG压到泵壳内,以防止产生气蚀。
因此,需要配置增压器对槽车进行增压。
考虑到橇块布置的紧凑要求,本文认为可以利用卸车调饱和器实现卸车增压和调饱和的功能。
电气自控橇的作用是为橇装站提供动力,控制橇装站的安全运行。
主要包括配电柜、变频器、UPS电源、动力线路、控制柜等设备。
电气自控橇的外形尺寸初步定为7.0m×2.0m×2.5m。
如橇装站与加油站合建,则电气自控系统可利用加油站的已有设施。
加气机橇的作用是利用LNG加气机给汽车加气。
加气机橇主要包括1台LNG加气机。
2.2撬块的生产、安装模式
①以独立的橇块为基本单元,各个橇块在工厂预制成独立产品。
②各橇块之间在现场仅需通过管道进行连接,原则上不考虑动火施工。
③各橇块的底座采用整体钢架底座,现场安装时只需放置在预先施工好的混凝土基础上,采用膨胀螺栓固定即可。
加气机橇应设置罩棚。
3LNG橇装站的消防方案
目前国内没有关于LNG加气站的专门规范,本文参照现行的《城镇燃气设计规范》(GB50028—2006)和《建筑设计防火规范》(GB50016—2006)中对LNG气化站的消防要求,确定LNG橇装站的消防方案。
LNG橇装站的规模为20m3或40m3,都属于总容积<50m3且单罐容积≤20m3的LNG站场。
3.1消防水系统
根据《城镇燃气设计规范》(GB50028—2006)的规定,总容积<50m3且单罐容积≤20m3的液化天然气储罐或储罐区可单独设置固定喷淋装置或移动水枪,其消防用水量应按水枪用水量计算。
因此,LNG橇装站中的LNG储罐单独设置移动水枪。
《城镇燃气设计规范》(GB50028—2006)还规定,单罐容积≤50m3,总容积4200m3时的水枪用水量为20L/s。
因此,LNG橇装站的移动水枪用水量为20L/s,即橇装站的消防用水量为20L/s。
根据《建筑设计防火规范》(GB50016—2006)的规定,当消防用水量≤25L/s时,可不设置消防水池。
因此,LNG橇装站不需要设置消防水池。
橇装站的消防用水量为20L/s,可配置3支8L/s的室外消火栓和DN200mm的消防水管道,消防水管道从市政给水管网接入。
3.2高倍数泡沫灭火系统
高倍数泡沫发生器采用压力泡沫混合液驱动微型冲击式水轮机作为动力,发生器自带泡沫液罐和比例混合器。
使用时接上水源,用吸液管从泡沫液桶中吸取泡沫原液,就可发泡。
橇装站可在集液池处设置1台PF4型水轮式移动高倍数泡沫发生器,作为移动式消防设施机动使用,能适用于不同位置的火灾现场,灵活、快速地作出反应,迅速覆盖泄漏的LNG。
3.3化学消防器材等
储存橇设置35kg手推式干粉灭火器1台和8kg手提式干粉灭火器4台。
加气岛设置8kg手提式干粉灭火器2台。
此外,配备灭火砂1m3,多层复合灭火毯2块,并设置铁锹、水桶等灭火工具。
4LNG橇装站的安全技术
①由于LNG橇装站的各个橇块为工厂预制生产,生产及检验过程可以得到有效的控制,故其总体质量性能良好,安全性能有保障。
②通过在易泄漏点(比如阀门操作区、储罐接管处等),设置低温报警装置和可燃气体泄漏报警装置,对易泄漏点进行检测和监控[4]。
一旦出现泄漏,报警器发出声光报警,使工作人员在第一时间内发现泄漏点,从而确保及时采取安全措施。
③设置紧急切断装置,一旦监控到异常情况,系统将自动紧急切断,确保事故不会扩散和蔓延。
④对于橇装站,一旦液体泄漏,如何控制事故的蔓延,将LNG控制在最小范围内,是一个大问题。
通过对LNG的特性、储罐的结构、辅助安全设施的分析,确定在储存橇的储罐接口下方设置集液槽,四周设置导流沟。
通过集液槽和导流沟将泄漏的LNG引至设置在储存橇外侧的集液池,再通过高倍数泡沫覆盖,就可以将事故控制在最小范围内。
这样设置的具体原因如下:
a.LNG或低温气体(-110℃以下)的密度大于环境空气密度,泄漏后向低洼处沉积。
b.事故的多发位置一般在设备的接口处,这是由于设备的接口处焊接点多,易产生应力集中。
事实上,国内的几起事故都发生在设备的接口处。
c.集液池收集的泄漏的LNG很容易被高倍数泡沫覆盖。
可见,橇装站设置集液槽、导流沟和集液池可以起到LNG常规站设置围堰的作用。
⑤操作人员必须进行岗位培训,持证上岗。
5LNG橇装站的适应性
橇装站在站址选择、建站地区土建条件、建设期等方面均具有优势。
在城市建成区内,橇装站可以做到易于选址,快速安装。
①橇装站可以设置在建成的加油站中,采用油气合建的形式。
②橇装站可以适应绝大部分的公交车停车场、调度场、高速公路服务区等场所。
③橇装站特别适用于初期加气车辆较少,建设期短,资金相对短缺而占地可以扩容的情况。
在项目初期,由于加气车辆较少,考虑采用橇装站启动。
一旦加气车辆达到饱和,只需把储存橇移走,扩容成常规站,而电气自控橇、加气机橇可留下继续为常规站服务。
这样可以取得更好的经济效益,更有利于项目的推广。
6结语
目前,海南、杭州等地建成运行的LNG橇装站(单罐)采用的规模为30m3,主要参照2006年版《汽车加油加气站设计与施工规范》(GB50156—2002)中液化石油气加气站三级站的上限规模[5]。
但按照《城镇燃气设计规范》(GB50028—2006)和《建筑设计防火规范》(GB50016—2006)的相关要求,这样的规模下LNG储罐应设置固定喷淋装置,也就必然需要在LNG加气站内建设消防水池,增大了加气站的占地面积。
如果参照国外的LNG加气站规范,不设置储罐固定喷淋装置,未必能得到消防主管部门的批准。
本文将LNG橇装站的规模确定为20m3或40m3(储存橇的规模为20m3),能够满足国内现行的适用于LNG站场的设计规范的要求,从而得到消防主管部门的认可。
这样的规模也可以满足车辆加气的需求,体现一定的经济效益。
因此,20m3或40m3规模的LNG橇装站更有利于LNG加气站的推广与发展。
第一部分建站背景与意义
1项目背景
目的:
服务市汽车产业,服务东风商用车公司、东风特种商用车公司、东风客车公司、东风专用汽车底盘有限公司、东风特种汽车有限公司等公司的卡车及客车销售事业。
(下图为东风天龙LNG牵引车)
背景说明:
1.根据东风商用车市场报告情况,山东重汽、北汽福田等公司在LNG车型国际国内市场发展迅猛,前期东风集团在该类车型上的研发已经结束,同时其技术在国内属于领先水平,但是由于市在LNG液化天然气发展落后于其他城市,造成生产出来的车无法顺利运出,基本上全部采用背车的形式运输,造成大量浪费,成本举高不下,从而制约了其市汽车产业,东风汽车公司的发展。
2.LNG车型采用液化天然气燃料,更清洁环保,东风LNG技术目前在国内属于领先水平。
同时世纪中远车辆有限公司正在研究开发采用新能源的混合动力卡车和LNG车型。
以上体现了东风商用车领先的未来科技。
东风商用车公司、东风特种商用车公司、世纪中远车辆有限公司、东风客车公司、东风专用汽车底盘有限公司、东风特种汽车有限公司、东风汽车股份有限公司在LNG卡车和客车研发方面,现已研发燃气底盘30多个车型,产品覆盖6m—12m前、后置客货车底盘,是国内燃气汽车底盘产品链最丰富的厂家。
产品综合技术水平居国内同类产品领先地位。
3.如何抓住契机,快速发展LNG小型移动加气站业务市场,是我公司中心任务。
由于东风公司生产LNG汽车,而地区目前还没有LNG汽车加气站,为适应市场发展夺得先机,本公司筹划建设LNG小型移动加气站。
2LNG定义
当天然气在大气压下,冷却至约-162℃时,天然气由气态转变成液态,称为液化天然气(LiquefiedNaturalGas,缩写为LNG)。
LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性,其体积约为同量气态天然气体积的1/625,LNG的重量仅为同体积水的45%左右,热值为52MMBtu/t(1MMBtu=2.52×108cal)。
液化天然气较其它可燃气体比,具有以下优点:
(1)清洁
是地球上最干净的化石能源,完全燃烧后生成二氧化碳和水。
.LNG作为优质的车用燃料与汽油相比,它可将汽油汽车尾气中HC减少72%,NOX减少39%,CO减少90%,SOX、Pb降为零。
(2)高效
天然气在联合循环发电利用中,热能利用率可达55%,高于用原油和煤作燃料发电机组的热能利用率。
(3)安全性能高
着火温度高(590℃);着火下限比液化石油气高,天然气为5%,而液化石油气1~1.5%;不含一氧化碳,不会引起一氧化碳中毒;比空气轻、如有泄漏易于扩散。
而液化石油气比空气重,在泄漏处聚集容易引起火灾或爆炸。
(4)经济
价格相对稳定,波动比油价小,有利于国民经济长期稳定发展;相同热值比较,天然气比轻柴油、液化石油气便宜20~30%;使用天然气的装置一般投资省、建设周期短,占地少并节省劳动力。
(5)方便
点火方便,火焰稳定、容易控制;管道供气和燃料油、灌装液化石油气相比无需仓储、搬运。
(6)可靠
资源丰富;生产、液化、运输、存储和再气化、管输运输技术相当成熟;有着良好的长期安全、稳定供应的历史记录,从开展LNG海上运输以来30年,还没有发生严重事故(如LNG泄漏)的记录。
但石油海上运输严重事故(石油泄漏)时有发生。
3LNG汽车和LNG加气站
3.1LNG汽车
LNG汽车就是将LNG储存到低压绝热的容器中,气化后作为燃料供车辆使用。
它同样拥有CNG汽车的高经济性能,大气污染小等优点。
LNG作为替代燃料,同样容积的燃料储罐,储存的天然气量是CNG的3倍,行驶里程也是后者的3倍。
而且由于生产工艺的原因,LNG几乎是纯甲烷,不含硫等有害成分,汽车使用相当干净,对环境和汽车发动机都有利。
车辆改装LNG系统主要有以下部分:
①低温绝热罐。
一般LNG被储存在-162℃以下,储存压力0.3—0.6MPa。
要求储存容器耐低温、耐压,一般为双层金属真空加多层缠绕绝热。
②车用LNG气化器。
就是利用发动机冷却水做热源,将LNG气化的装置。
可以由铝合金制造,以减轻重量。
③减压调压阀和混和器。
其基本原理和性能与CNG系统相同,就是将气化器产生的天然气压力(约0.45MPa)调压到车用压力(约0.15MPa)。
CNG由于压力高采用三级调压,LNG采用一级调压就可以了。
混合器是一种利用文丘里原理,在静态与动态下均能保证空气/燃料混合气为正确比例的机械装置。
④控制装置。
根据发动机状况,调节气化量。
LNG汽车加气站有两种形式,一种是专门对LNG汽车加气的单一站,一种是可对LNG汽车,也可对CNG汽车加气的L-CNG站。
对于后者就是前者外加一套LNG转化CNG流程。
3.2LNG汽车加气站
LNG汽车加气站的主要设备有:
①LNG储罐。
是一种双层真空绝热容器,国内技术成熟,能够生产50—200m3大小的罐(超过200m3主要用在码头,用于接收)。
作为汽车加气站的储罐,罐可以是地上的,也可以是地下的,即可以是卧式的,也可做成立式的。
②LNG低温泵。
是一种适用于LNG的低温泵,用于将罐内的LNG输送到车上储罐。
用在汽车加气站上的有普通形式的泵,也有浸没式的,即液下泵,后者可以减小占地。
目前国内制造刚刚开始,主要设备依赖进口。
③LNG加气机。
专门为LNG汽车制造的加气装置,它与加油机和CNG加气机一样,可以计量加到车辆中的LNG质量,而且速度很快,与加油一样方便,一般可以在3—5min内加气完毕。
地点:
经济技术开发区。
4车辆运营收益分析
表1:
LNG出租车效益估算
燃料
项目
天然气(LNG)
汽油(93#)
价格
3.5/立方米
6.05/升
百公里耗油量
9立方米
10升
百公里燃料费
31.5元
60.5元
百公里效益
29元
0
每天效益/元/行驶里程
101.5/(350Km/天)
全年330天效益/万元
3.35
表2:
LNG公交车效益估算
燃料
项目
天然气(LNG)
汽油(90#)
价格
3.5/立方米
5.7/L
百公里耗油量
31立方米
31L
百公里燃料费/元
108.5
176.7
百公里效益
68.2
每天效益/元/行驶里程
136.4/(2Km/天)
全年330天效益/万元
4.5
②改善区域空气环境,完善城市功能。
③增加财政税收。
第二部分项目投资预算及项目进度
1成本预算
工程成本如表:
表3:
工程总成本预算
序号
项目名称
价格(万元)
备注
1
L-CNG汽车加气站工艺设备
276
2
L-CNG汽车加气站控制系统
33
PLC全自动
3
工艺设备安装、保冷材料安装
16
含储罐吊装、找平等
4
设备、管道监检
2.5
5
项目报建、竣工验收等
2.5
6
设备运输费
3
公路运输
7
设备调试及预投费用
1.2
含预冷用液氮、置换等费用
不含初次LNG进液费用
8
项目措施费用
1
施工人员、机械进退场搬迁,脚
手架等现场措施费
9
土地成本费用
50
合计
总价:
385.2万元
2项目进度
工程设计周期为20天,设备制造周期为80天,设备运输时间1-2天,安装周期30天,调试投产3天,本工程总的完成时间115—120天。
表4:
项目进度表
项目阶段
时间(周)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
工程设计
设备制造
设备运输
设备安装
调试投产
3资金筹措
项目投资的资金来源包括自有资金,银行融资。
项目总投资为528.2万元,项目所需投入的自有资金、银行借款见下表:
表5:
项目资金来源表
序号
项目名称
总额(万元)
比例(%)
1
自有资金
150
39%
2
银行贷款
235.2
61%
3
总投资
385.2
100%
4项目盈利能力分析
经估算,该LNG加气站日售气可达1万Nm3,总投资约为385.2万元,动力不超过10kW,人员不超过十人。
以年售气300*104Nm3计算,年总经营成本约为50万,当LNG的进价与售价差保持0.8元/Nm3时,年利润(税后)约为120万元,2.5—3年即可以收回投资。
第三部分技术方案
1总论
1.1项目慨况
1.1.1项目名称
移动式LNG汽车加气站
市位于,属北亚热带季风气候,历年平均气温15.2摄氏度,年平均降雨量828毫米。
是鄂、豫、陕、渝毗邻地区唯一的区域性中心城市。
位于华中、西南、西北三大经济板块的结合部,地处五省交界处,承担着东进西出、南北相连的作用,是鄂西北部周边地区人流、物流、教育、卫生和文化的集散地。
辖五县一市两区和一个经济技术开发区,即房县、郧县、郧西县、竹山县、竹溪县、张湾区、茅箭区、丹江口市和经济技术开发区。
是我国重要的汽车生产和科研基地,是以汽车工业为主的新兴工业城市。
2006年全市生产总值达345亿,人平过万元,连续三年跻身全国综合百强城市,居民生活质量居全国第63位。
城区人均收入在全省位居第二位,仅次于武汉。
全市国土总面积2.36万平方公里,总人口351余万,城区人口52万人。
LNG汽车具有经济、安全、环保、机动等优势,是天然气汽车的又一发展方向。
发展清洁燃料汽车是世界各国减少汽车尾气污染的主要手段。
传统的CNG相比,LNG更清洁,充气时间更短、更安全。
1.1.3设计基础
(1)原料气(LNG)
压力:
0~0.5MPa(A)
温度:
-162~-130℃
(2)加气条件
LNG汽车的最大充装压力为20MPa,站内LNG储存压力为25MPa。
单车充气时间最大不超过10分钟。
(3)供气范围
主要共给东风每年2000多台的LNG改装车和物流车
(4)气源保障
由中国燃气提供资源
1.2设计依据及原则
(1)采用先进、可靠、成熟的技术和设备,保证安全生产、保护环境、节约能源、方便用户;
(2)低投入高效益的原则;
(3)严格遵守国家、行业的有关规范、标准和规定,尽量参照国外先进标准。
1.3主要设计规范
《液化天然气(LNG)生产、储存和装卸标准》NFPA59A-2000
《液化天然气汽车系统技术要求》NFPA57-2000
《汽车加油加气站设计规范》GB50156-2002
《火灾自动报警系统设计规范》GBJ116-88
《中华人民共和国爆炸危险场所电气安装规程》GBJ16-87
《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058-92
《低压配电设计规范》GB50054-95
《供配电系统设计规范》GB50052-95
《汽车加油加气站设计规范》GB50183-2006
1.4主要技术经济指标
加气能力:
15000Nm/d
加气速度:
小车30辆/小时或大车20辆/小时
LNG储存量:
30000Nm3
电机功率:
30Kw
控制系统:
全自动控制(PLC)或仪表式控制
单车加气时间:
小车小于5分钟,大车小于8分钟
LNG卸车时间:
LNG槽车卸车时间小于1小时。
CNG瓶组储存能力:
600-800Nm3
2总图布置
LNG站采用整体设计,储罐及其相关阀件组合在一起,自成一台单体设备,布置储罐基础上,高压气化器和高压LNG泵单独布置在一个撬装式底座上,成为一个独立的撬座设备,符合安全距离的地方,两台售气机布置在单独的加气岛上,从而使整个加气站比较简洁。
3工艺流程和主要设备
3.1工艺流程特点
本工程采用成熟的生产工艺,生产过程为密闭流程,既保障了生产安全,又减少了天然气的损耗,起到了保护环境的作用。
站内LNG采用低压低温储存,气化后的天然气(CNG)直接进CNG储气瓶组,再由售气机对汽车加气。
3.2工艺流程说明
LNG汽车加气站工艺流程图,共有卸车单元、LNG储罐单元、LNG--CNG气化,CNG储存单元、售气单元五部分组成。
主要装置有LNG低温储罐、高压LNG泵、高压LNG汽化器、电加热式复热器,CNG高压储气瓶组、CNG售气机、安全装置和自动控制系统等。
3.2.1卸车流程:
LNG由LNG槽车或集装箱运来,在卸车台用槽车自带的增压器给槽车增压,利用压差将LNG送入站用LNG储罐内。
如果LNG槽车(如集装箱式储槽)不带增压器,可以利用站内气化器进行增压。
3.2.2气化流程:
当LNG泵起动时,储罐内的LNG被抽出加压到25Mpa以上的压力进入强制式空温汽化器,在汽化器中,LNG与空气换热,成为气体,经程序阀进入CNG储罐的高压组,当高压组压力达到25Mpa时,自动切换到低压组,低压组压力达到25Mpa时,泵自动停止运行。
3.2.3加气流程:
当售气机与加气车辆连接好后,系统首先打开CNG气瓶组的低压组对汽车加气,当加气速度低于某一设定值时,系统自动转换到中压组,达到设定值时自动切换到高压组继续充气,直到20Mpa,自动停止加气。
3.2.4储罐调压流程:
LNG储罐的压力由机械式增压调节阀和顺序阀控制:
当储罐压力低于增压调节阀的设定压力(设计为0.4MPa)时,增压调节阀打开,部分LNG由增压器气化后返回储罐的气相空间使罐内压力上增,当压力升至设定压力时,增压调节阀自动关闭。
3.3主要工艺设备选型
3.3.1LNG储罐
安装方式:
撬装式
有效容积:
50m3
LNG卧式储罐1台,约储存30000Nm3天然气。
最大LNG充装率:
90%
绝热形式:
真空粉末绝热
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