LNG瓶組氣化站無人值守自動供氣技術(shù)

王 晨

(深圳市燃?xì)饧瘓F股份有限公司，廣東深圳518049)

1 概述

根據(jù)國家能源局發(fā)布的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，到2020年天然氣在能源消費結(jié)構(gòu)中所占比例將提高到10%以上，到2030年天然氣消費量占比需提高到15%，天然氣消費量可能達(dá)到5 000×108m3，產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間大。隨著天然氣“十三五”規(guī)劃的落地，天然氣市場發(fā)展迅速。對燃?xì)鈴S站及管網(wǎng)無法覆蓋的偏遠(yuǎn)區(qū)域的小型用戶，投資規(guī)模小、占地面積小、建設(shè)期短的區(qū)域LNG瓶組氣化站將成為城市輸配系統(tǒng)的有益補充[1]。

LNG瓶組氣化站一般用于在供氣管網(wǎng)尚未到達(dá)的情況下對小型用戶的臨時或過渡供氣，尤其是小區(qū)用戶，用氣量有限。LNG瓶組氣化站若采用有人值守的運行管理模式，將會極大增加運行成本，甚至導(dǎo)致虧損。因此，對給小型用戶供氣的LNG瓶組氣化站，采用無人值守的運行模式是一種有效控制成本的措施。

2 工藝流程

深圳市某社區(qū)安置房位于大鵬半島，設(shè)計戶數(shù)約1 000戶，另增加周邊餐飲等商業(yè)用戶，經(jīng)計算，高峰小時用氣量約為450 m3/h。出站壓力0.11～0.16 MPa。該社區(qū)距離最近的城市中壓管道約13 km，且多為山路，修建中壓管道的成本極大。因此，鑒于該社區(qū)的實際用氣量，對該社區(qū)采用LNG瓶組氣化站的供氣模式是經(jīng)濟可行的方案。

根據(jù)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》第9.3.1條的要求，液化天然氣瓶組氣化站采用氣瓶組作為儲存及供氣設(shè)施，應(yīng)符合以下要求：

① 氣瓶組總?cè)莘e不應(yīng)大于4 m3。

② 單個氣瓶容積宜采用175 L鋼瓶，最大容積不應(yīng)大于410 L，灌裝量不應(yīng)大于其容積的90%。

③ 氣瓶組儲氣容積宜按1.5倍計算月最大日供氣量確定。

此外，GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》第9.3.4條要求，氣化裝置的總供氣能力應(yīng)根據(jù)高峰小時用氣量確定，氣化裝置的配置臺數(shù)不應(yīng)少于2臺，且應(yīng)有1臺備用。

鑒于此，該LNG瓶組氣化站設(shè)計規(guī)模為選用22個175 L的低溫鋼瓶，總?cè)莘e為3.85 m3，高峰小時供氣量為450 m3/h。選用2臺600 m3/h的空溫氣化器和1臺50 m3/h的BOG加熱器。為保證LNG瓶組氣化站在供氣過程中不出現(xiàn)間斷，將22個175 L的低溫鋼瓶分為A和B兩組布置，每組各11個鋼瓶。該LNG瓶組氣化站工藝流程見圖1。

由圖1可知，A瓶組間和B瓶組間各有11個鋼瓶，鋼瓶通過金屬軟管分別與液相管道和氣相管道連接。鋼瓶內(nèi)的LNG流入液相管道后經(jīng)過自動切斷閥、截止閥后進入空溫式氣化器，氣化后進入調(diào)壓區(qū)，降至指定壓力經(jīng)計量后進入市政中壓管網(wǎng)。瓶組間的氣相管道內(nèi)天然氣壓力超過自力式閥前壓力調(diào)節(jié)閥設(shè)定值后，會自動排放至下游，經(jīng)BOG加熱器復(fù)熱，并調(diào)壓、計量后進入市政中壓管網(wǎng)。此外，A瓶組間和B瓶組間的氣、液相管末端，空溫式氣化器出口和出站管道上均安裝了安全閥，保證整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。在正常供氣情況下，A瓶組間和B瓶組間處于一用一備狀態(tài)，假定A瓶組間處于使用狀態(tài)，B瓶組間處于備用狀態(tài)。當(dāng)A瓶組間的液相用盡后，自動切斷閥會自動切換，保證下游用戶連續(xù)用氣需求。

3 LNG瓶組氣化站無人值守技術(shù)的實現(xiàn)

3.1 壓力參數(shù)的設(shè)置

為滿足瓶組氣化站的安全穩(wěn)定運行，在氣、液相管道均設(shè)計了安全閥，在瓶組間的氣相管上均安裝了自力式閥前壓力調(diào)節(jié)閥，在空溫式氣化器和BOG加熱器后均設(shè)置了調(diào)壓器。通過對上述設(shè)備的壓力值進行設(shè)定，從而實現(xiàn)LNG瓶組氣化站的自動、安全、穩(wěn)定供氣，設(shè)備的壓力設(shè)定值見表1。鋼瓶本體上的雙組安全閥的設(shè)定值分別為1.60 MPa和1.80 MPa。

表1 設(shè)備的壓力設(shè)定值

續(xù)表1

安全閥超壓控制主要包含調(diào)壓前和調(diào)壓后，調(diào)壓前超壓主要是因為鋼瓶產(chǎn)生的BOG量大于下游用戶用氣量，調(diào)壓后超壓主要是因為調(diào)壓器內(nèi)漏、失效或參數(shù)設(shè)定不合理。調(diào)壓前超壓控制點有鋼瓶本體安全閥、瓶組間氣相安全閥、瓶組間液相安全閥和空溫式氣化器出口安全閥。

3.2 鋼瓶存量檢測和自動切換技術(shù)

LNG鋼瓶存量檢測和液相管自動切斷閥自動切換是瓶組氣化站實現(xiàn)無人值守的關(guān)鍵技術(shù)。A瓶組間和B瓶組間的液相管道上均設(shè)置了自動切斷閥，當(dāng)在用瓶組間內(nèi)的鋼瓶液相用盡后，自動切斷閥會自動切換，備用瓶組間會切換到運行狀態(tài)，以保證供氣不中斷。如何準(zhǔn)確檢測鋼瓶內(nèi)LNG的存量，確保液相用盡時及時切換，主要方法有以下3種。

① 壓力檢測法

兩個瓶組間的氣相管道上均安裝了自力式閥前壓力調(diào)節(jié)閥和壓力變送器，在空溫氣化器前的液相總管上也安裝了壓力變送器。根據(jù)運行經(jīng)驗，在正常使用時，壓力比較穩(wěn)定，在下游用戶用氣時會稍有下降。當(dāng)鋼瓶內(nèi)液相快用盡時，在用瓶組間的氣相管道上的壓力會明顯下降，直至降至0.20 MPa，自動切斷閥切換。根據(jù)這一特性，對瓶組間的氣相管壓力設(shè)定報警值，設(shè)定值為0.30 MPa，當(dāng)報警發(fā)生時表明液相即將用完，提醒運行人員要及時與灌裝站聯(lián)系充瓶，并及時更換。

② 電子地磅稱重法

由于每個鋼瓶保冷效果的差異，在使用過程中，每個鋼瓶內(nèi)的液位會稍有差異。因此，最有效的檢測方法是在每個鋼瓶下方安裝電子地磅，從而準(zhǔn)確地檢測鋼瓶內(nèi)的LNG存量，發(fā)出可靠的報警和動作信號，運行人員也可提前做好換瓶準(zhǔn)備。

③ 氣量檢測法

理論上，鋼瓶內(nèi)的LNG都能夠經(jīng)氣化、計量后進入下游管網(wǎng)。鋼瓶接入系統(tǒng)并投入使用后，通過計算理論可產(chǎn)生的氣量，對比流量計實際流過的氣量，從而判斷鋼瓶內(nèi)的存量。將理論產(chǎn)生的量錄入系統(tǒng)，當(dāng)從流量計經(jīng)過的量達(dá)到某一設(shè)定值時，系統(tǒng)會自動報警。由于鋼瓶在使用過程中，存在超壓放散的情況，因此該方法在使用過程中誤差較大。只有當(dāng)下游用氣量較大時，該方法的準(zhǔn)確性較高。因此，在使用中要尋找規(guī)律，在比較準(zhǔn)確掌握鋼瓶內(nèi)LNG實際有效利用率后，方可作為檢測依據(jù)。

上述3種方法中，壓力檢測法最易實現(xiàn)，且準(zhǔn)確性較高；電子地磅稱重法最直接，但成本較高；氣量檢測法在下游用氣量小時，會存在較大誤差。綜合以上因素，采用壓力檢測法最合適，并且配合使用氣量檢測法。在保證安全供氣的前提下，經(jīng)濟性也達(dá)到最優(yōu)。

3.3 自力式閥前壓力調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓保供技術(shù)

LNG瓶組氣化站的穩(wěn)定供氣是供氣方對用戶的最基本保證，如何實現(xiàn)在無人值守的情況下，保證下游用戶壓力平穩(wěn)且不斷供尤其重要。目前，國內(nèi)在運行的LNG瓶組氣化站，在氣相管道上壓力控制設(shè)備的安裝方式有以下兩種：

① 只在BOG加熱器后的氣相總管上安裝調(diào)壓器。

② 在BOG加熱器后的氣相總管上安裝自力式閥前壓力調(diào)節(jié)閥+調(diào)壓器。

上述兩種氣相管道壓力控制設(shè)備安裝方式見圖2。

圖2 氣相管道壓力控制設(shè)備安裝方式

采用上述安裝方式①和安裝方式②，均無法保證瓶組氣化站的平穩(wěn)供氣。根據(jù)前文所述，自力式閥前壓力調(diào)節(jié)閥的設(shè)定壓力為0.80 MPa，BOG調(diào)壓器的設(shè)定壓力為0.16 MPa。在正常供氣情況下，A瓶組間和B瓶組間處于一用一備狀態(tài)，假定A瓶組間處于使用狀態(tài)，B瓶組間處于備用狀態(tài)。安裝方式①只在氣相總管上安裝了BOG調(diào)壓器，這種安裝方式存在一大弊端。由于BOG調(diào)壓器的設(shè)定值比主供氣路調(diào)壓器的設(shè)定值高，BOG調(diào)壓器會優(yōu)先工作，瓶組間氣相管道內(nèi)的氣體會優(yōu)先使用，氣相管內(nèi)的壓力始終處于較低狀態(tài)，導(dǎo)致沒有足夠的壓力將液相壓入液相管并流入空溫氣化器。安裝方式②雖然在BOG調(diào)壓器前增加了自力式閥前壓力調(diào)節(jié)閥，會保證瓶組間氣相管道維持在0.8 MPa以上，但是隨著下游用戶對天然氣的不斷消耗，A瓶組間鋼瓶內(nèi)的LNG不斷減少，當(dāng)鋼瓶內(nèi)的液相用盡時，氣相管與液相管連通。隨著天然氣的繼續(xù)使用，氣相管與液相管內(nèi)天然氣的壓力會逐漸降低至0.20 MPa。此時，將由A瓶組間切換至B瓶組間供氣，由于氣相空間的壓力已經(jīng)降至0.20 MPa，與調(diào)壓出口的壓力相接近，B瓶組間的LNG液相沒有足夠的壓差流入空溫氣化器，這就有可能造成下游用戶的用氣得不到保證，存在斷供的風(fēng)險。

針對以上兩種安裝方式存在的斷供風(fēng)險，通過分析，氣相管上的壓力控制設(shè)備采用了安裝方式③，在A瓶組間和B瓶組間氣相管上分別安裝自力式閥前壓力調(diào)節(jié)閥，并在BOG加熱器后的氣相總管上安裝調(diào)壓器，優(yōu)化后的氣相管道壓力控制設(shè)備安裝方式見圖1。這種安裝方式首先解決了安裝方式①的弊端，BOG調(diào)壓器的設(shè)定值比主供氣路調(diào)壓器的設(shè)定值高，但是BOG調(diào)壓器前安裝的自力式閥前壓力調(diào)節(jié)閥，只有在瓶組間氣相管道的壓力大于0.8 MPa時，BOG才會供氣。這種安裝方式也解決了安裝方式②存在的不足，即瓶組間液相用完后，只有該瓶組間氣相管道的壓力會下降，而備用路的氣相管內(nèi)壓力維持不變，確保液相能夠順利進入空溫氣化器，保證下游的穩(wěn)定供氣。

3.4 BOG優(yōu)先供氣技術(shù)

BOG優(yōu)先供氣也是LNG瓶組氣化站關(guān)鍵的無人值守技術(shù)。若采用鋼瓶出液的方式進行供氣，當(dāng)下游用氣量較小時，LNG進入氣化器氣化后，下游用戶無法消納氣化后的氣量，最終導(dǎo)致管道壓力上升。當(dāng)采用BOG優(yōu)先供氣后，可充分利用站內(nèi)及站與社區(qū)用戶終端之間的管網(wǎng)，保證管網(wǎng)處于較高的壓力，增大管儲，減少超壓放散的天然氣量。

鋼瓶內(nèi)的LNG在正常使用過程中會不斷產(chǎn)生BOG，居民用戶和餐飲商業(yè)用戶使用天然氣具有典型特征，在早、中、晚集中用氣，在低峰時間段內(nèi)用氣量極少，正因為如此，不斷產(chǎn)生的BOG會使氣相管道的壓力逐漸上升，這是引起LNG鋼瓶壓力升高甚至超壓放散的主要原因。在低峰時間段內(nèi)，因產(chǎn)生的BOG不斷增加，LNG瓶組氣化站氣相管內(nèi)的壓力較高，BOG管道優(yōu)先供氣。

BOG優(yōu)先供氣功能是通過以下原理實現(xiàn)的。在A瓶組間和B瓶組間的氣相管上安裝的自力式閥前壓力調(diào)節(jié)閥，可自動保持氣相管壓力始終穩(wěn)定在較高的壓力值，從而保證LNG鋼瓶有足夠的氣相壓力維持正常運行。當(dāng)處于用氣低峰時間段，氣相壓力會緩慢上升至超過自力式閥前壓力調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值，自力式閥前壓力調(diào)節(jié)閥、BOG調(diào)壓器自動打開，BOG進入管網(wǎng)。因為BOG調(diào)壓器設(shè)定壓力值高于LNG氣化回路的調(diào)壓器的設(shè)定值，所以BOG能優(yōu)先LNG氣化氣進入管網(wǎng)。即使在管網(wǎng)壓力較高、主回路調(diào)壓器關(guān)閉的情況下，BOG仍能夠進入管網(wǎng)，以保證LNG鋼瓶組不超壓。

4 LNG瓶組氣化站的運行管理

LNG瓶組氣化站無人值守管理以SCADA系統(tǒng)監(jiān)控為基礎(chǔ)，實行調(diào)度中心集中調(diào)度、運行班組SCADA界面查看的模式，共同對現(xiàn)場的各種運行數(shù)據(jù)，如氣相和液相的壓力、調(diào)壓前壓力、出站壓力、氣化器后溫度和自動切斷閥閥位狀態(tài)等信號進行監(jiān)控。此外，運行班組還需定期開展巡查巡檢、設(shè)備維護保養(yǎng)和靜密封點管理等工作，確保瓶組氣化站的安全穩(wěn)定運行。

5 結(jié)語

城市供氣的管道化是城市發(fā)展的必然趨勢，但對燃?xì)鈴S站及管網(wǎng)無法覆蓋的偏遠(yuǎn)社區(qū)的小型用戶，采用無人值守的LNG瓶組氣化站供氣是最經(jīng)濟可行的方案。一方面，要合理選擇鋼瓶存量檢測和自動切換、自力式閥前壓力調(diào)節(jié)閥穩(wěn)壓保供、BOG優(yōu)先供氣等無人值守技術(shù)；另一方面，要加強瓶組氣化站的運行管理，采用系統(tǒng)與人相結(jié)合的監(jiān)控模式，從而確保LNG瓶組氣化站的安全穩(wěn)定運行。

無人值守的LNG瓶組氣化站工程建設(shè)項目，建議僅作為試點項目，并應(yīng)取得當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)和安全管理部門批準(zhǔn)，方可建設(shè)。