LNG加氣站損耗原因分析及管控對策

韓建明 楊曉楠

〔中國石化江蘇石油分公司 江蘇南京 210003〕

LNG是一種低溫極易氣化的液體。在其處于飽和狀態的環境下,溫度或壓力升高將直接導致氣化。在加氣站的應用場景下,LNG一旦發生氣化將再難被液化,由此產生的閃蒸氣體也將無法再利用。對于目前工藝條件而言,只能通過加氣站的放散系統進行放散。LNG的主要成分是甲烷。甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體,是一種“短期氣候污染物”,其在大氣中的存續時間相對較短,排放量也比二氧化碳少,但其全球增溫潛勢(GWP,即甲烷氣體捕捉大氣中熱量的能力)在100年的時間框架內卻是二氧化碳的28倍,在20年的時間框架內,這一數值則上升為84倍。據測算,甲烷對當前人類感知的全球變暖的貢獻率為 25%[1]。大氣中甲烷含量比二氧化碳低很多,但單位體積甲烷能夠產生的溫室效應遠大于二氧化碳。國際能源署近日發布的報告指出,甲烷排放是全球變暖的第二大原因。我國的甲烷排放已經引起高度關注?！吨腥A人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中明確,我國要力爭于2030年前碳達峰,努力爭取2060年前實現碳中和目標。綱要在“積極應對氣候變化”部分強調,要加大甲烷等其他溫室氣體控制力度,并明確了時間表和路線圖,因此不僅需要控制住二氧化碳這個主要因素,更要狠抓甲烷排放的管控。因此,加強LNG加氣站的損耗管理,迅速降低損耗率和排放量,成為企業降本增效和減碳環保的必然選擇。

1 LNG加氣站損耗原因分析

LNG加氣站損耗的成因主要分為兩部分,即運行損耗和卸車損耗。運行損耗主要指LNG加氣站管路內、泵池內LNG與外部環境換熱氣化所產生的損失;卸車損耗主要包括LNG液相和氣相殘留在槽車罐體中無法有效卸出的槽車余液、增壓汽化器增壓過程中以及長時間卸車過程中軟管傳熱導致的冷量損失。具體來講,主要有以下幾個方面。

1.1 加氣站工藝設計

部分加氣站因場地面積或安全距離的原因,在LNG設備設施的擺布上存在先天的缺陷,在設計上存在工藝管路走線過長的問題。工藝管線過長必然客觀上形成各類閥門、法蘭、彎頭較多。在現有的LNG設備工藝條件下,LNG潛液泵撬作為整站設備運行的核心,要保證LNG潛液泵正常運轉,必須保持泵池或者柱塞泵泵頭進液充分。如果設計管彎過多管線過長,LNG液體流動不暢或回氣不暢,儲罐出液口與潛液泵進液口之間的正壓小,必將導致潛液泵池入口的正壓頭不足形成潛液泵進液不足。在這樣的工況下啟動潛液泵,泵體瞬間出液量大于進液量,泵池內產生氣相空間,會直接導致潛液泵跳停。潛液泵跳停后,泵池內的氣相空間壓力增大,需要排散泵池氣相,降壓引流,多次非正常跳泵排氣是導致損耗上升的主要原因之一。此外,還有部分加氣站在設計施工過程中,由于潛液泵撬與儲罐之間工藝管線安裝的坡度要求不達標,也會導致LNG液體在管線內的流速不正常,間接形成潛液泵空轉,同樣會形成上述問題,同時也容易形成工藝設備預冷時間過長,增加氣損的情況。

1.2 設備及材料

1.2.1 儲罐

LNG儲罐的保溫絕熱效果是影響泄壓排放的重要因素。目前儲罐的絕熱方式通常有兩類,即填珠光砂和高真空多層纏繞絕熱。填珠光砂儲罐制造工藝相對簡單,價格也相對較低。高真空多層纏繞絕熱是用錫箔紙、鋁箔紙及保溫紙將儲罐內膽反復纏繞后再對儲罐抽真空,絕熱效果較前者好,也減輕了罐體質量,但價格相對較高。無論哪類儲罐,隨著時間推移真空度會不斷衰減,絕熱效果變差都將成為必然。

1.2.2 保溫材料

工藝管道保冷設計中主要采用絕熱材料保冷或者是真空管道兩種方法。絕熱材料包覆結構形式基本可靠,在選擇材料時應嚴格按照《GB/T 11790設備及管道保冷技術通則》執行。但是目前很多加氣站采用的絕熱材料并不是用于保冷的而是用于保溫。保溫材料使用的溫度一般在-50 ℃ 以上,而 LNG 最低溫度在-162 ℃,因此使用保溫材料用于 LNG 工藝管道,均表現為壽命短、效果差;真空管道保冷設計,目前沒有可執行的技術規范,很多廠家都是按照該企業標準設計生產,生產制造質量不高,導致真空度壽命較低,最長的約在 2 年,有的甚至運行數月就失效,并且現場抽真空難度大,效果差。

1.2.3 工藝系統熱量漏入

LNG加氣站的工藝系統及相關加注設備包括低溫泵池、控制閥門、加氣和卸液軟管、加液槍等均暴露在空氣之中,在設備運行過程中不可能處于絕熱狀態,通過工藝系統及設備表面都可以通過空氣的熱量交換形成熱量漏入。因此,對于運行一段時間的加氣站設備設施而言,都會隨著時間的推移形成越來越多的熱量漏入源。特別是對于銷量較小的站點,由于傳統設備工藝加液間隔時間較長,當潛液泵停止運行時,泵池及管道中殘留的液體,在泵池進液閥門常開的情況下,泵池中LNG會隨著熱量交換的影響不斷升溫氣化蒸發,壓力不斷升高后,這部分氣體會通過泵后回流管回到儲罐的氣相空間,累積形成儲罐壓力上升,最終產生泄壓排放。

1.3 加氣站經營及管理

1.3.1 運營方面

在傳統泵撬工藝流程下運營的LNG加氣站,由于運營不可能始終處于連續不間斷的液體加注狀態,在每次間隔加注作業的過程中,都必須啟動潛液泵撬對工藝管線、加液機進行加注前的預冷作業,在預冷、升溫、預冷的循環往復中,工藝管線中的LNG液體實際上處于一個間隙升溫過程,本身就會帶來升壓升溫的損耗增加,同時由于預冷升溫帶來的熱能會通過下一次加液時的預冷過程回流到儲罐,無疑會導致儲罐壓力上升形成排散。這部分由于工藝流程因素形成的排放增加,固然可以通過與客戶協商盡可能集中加注的方法來有所改善,但并不能解決經營周轉較慢、儲罐存液周期延長后液溫不斷升高所帶來的排放增多、損耗不斷加大的問題。

1.3.2 管理方面

管理方面形成的損耗主要有兩個方面,一是卸車作業不規范。在目前的工藝條件下,只有保持LNG運輸槽車的壓力大于儲罐壓力時,才能將LNG液體卸入儲罐。增壓到高于儲罐壓力時才能進行,但儲罐經過一段運行時一般壓力較高,通常達到0.8 MPa 以上,而槽車壓力一般較低,約為 0.2 MPa,甚至更低。如果直接對槽車增壓且對儲罐排放將會增加大量排放。同時卸車完畢后槽車壓力直接排出或與儲罐上進液進行壓力平衡,使槽車泄壓不到位,造成卸車損失。此外,使用泵增壓卸車,泵的頻率設置不當,在卸車后期容易造成泵池進出液流量不平衡,潛液泵的葉輪無法或少量接觸介質,發生空轉后需要對泵池進行排空導致損耗增加。二是加氣站對設備設施的日常保養不及時、不規范,導致設備故障、泄漏、保溫失效等也是加氣站的損耗異常的重要原因。

2 損耗管控的實踐和探索

2.1 明確損耗管控的基本原則和工作方針

2.1.1 明確基本原則

加氣站的損耗管控是一個系統工程,必須用系統觀念進行統籌謀劃,形成完整的責任目標體系。要著眼于以擴大銷售規模、規范管理、工藝優化、考核激勵等幾個方面作為切入點,通過制定年度降本增效實施方案,根據銷量等級逐站設定具體損耗管控目標,量化節能降耗工作表,層層分解目標責任,落實考核獎懲措施,努力做到全員、全過程、全方位的損耗管控運行體系。

2.1.2 確定工作方針

(1)堅持科學化、專業化、制度化、流程化、規范化的工作方向,有序推進工藝流程再造,解決工藝設備的根本性問題,努力實現本質降耗。

(2)確立職責明確、權責明晰的分工原則。省公司要集中發揮資源統籌、技術改造、體系運行方面的優勢,地市公司要發揮地方協調、政府審批、基層管理方面的優勢,上下銜接配合,共同推動損耗管理工作體系的建立和有效運行。

(3)明確統籌規劃分步實施、循序漸進的方針。根據損耗的主要成因分類處置,抓住損耗重點站集中資源快速解決,確保在技術改造實施過程中,市場不丟、管理有序。

(4)建立健全激勵和約束機制,最大限度調動損耗管控相關人員工作的主觀能動性,實行損耗管理不達標一票否決制。

2.2 推進分類處置預案,改善工藝設備運行工況

2.2.1 優化工藝設計

針對管線距離的長短是推高損耗至關重要的決定因素之一的原理,著手開展對管線過長的站點專項論證,在符合規范的前提下,力求對低溫管道進行合理敷設,盡最大可能縮短存儲區與加液區的距離、儲罐與泵撬、泵撬與加液機間的直線距離,減少管線內熱交換量。根據這一原則,一是對此類有設計缺陷,損耗不正常的站點制定技改時間表,推動二次設計優化,技改過程中充分借助伯努利方程對有關參數進行計算,降低儲罐與潛液泵間的差值;二是通過改進設計,在改造過程中對進液管和回氣管敷設管線時設定坡度,以達到減少管線壓力和流體損失、提高進液和回氣速度的目的。加大儲罐與低溫泵的位差,減少液流自然阻力,同時簡化結構,盡可能減少管彎、避免過多閥門;三是通過優化工藝管線布置、優化控制工藝,降低潛液泵或者柱塞泵無法正常起泵頻次,避免通過對回氣管線或者泵池排放才能正常起泵的情況,通過對連云港新光路加氣站、吳莊加氣站的改造優化,減少了其液位低于50%時需要經常性對泵池排放才能正常運行的情況。

2.2.2 優化過程控制工藝

國內LNG車用市場在2011-2015年高速發展,諸多廠家在設備配置近似,但是系統控制原理不盡相同,參數設定亦有差別。通過不斷加強研究,根據不同情況優化控制邏輯。

(1)柱塞泵后管道每次起泵前的引壓排放工藝參數設定值要科學合理,盡可能減少排放時間。

(2)PLC控制系統設置泵池進液閥關閉時間、潛液泵的頻率設定建立遠程監控系統,建立報警機制,實行動態跟蹤,對作業不當的行為及時糾偏。

(3)對全省控制系統影響損耗的功能模塊進行摸排,對功能存在缺陷的系統及時修復完善。

2.3 新工藝技術的探索

2.3.1 無泵加注工藝流程

針對傳統設備工藝運行中存在的諸多弊端,在某加氣站進行無泵工藝試點,從本質上解決加氣站損耗問題。

無泵加液技術利用過冷液體的吸收機理,使管路中氣化的BOG(氣態天然氣)在加氣過程中實現自身再液化,及時將BOG氣體液化成LNG,采用30～60 m3高壓儲罐的雙罐系統,一個作為儲存罐、一個作為加注罐,兩罐間可自由切換,可分加氣模式、換罐模式、卸車模式。加氣模式中需要保持兩個罐中的一個罐為高壓狀態,維持壓力在1.40 MPa,另一個罐為低壓罐。高壓罐可以實現加氣功能,低壓罐用來回收預冷及加氣過程的回氣[2]。無泵加流工藝流程見圖1。

圖1 無泵加注工藝流程

2.3.2 無泵加氣技術優勢

(1)低壓罐中產生的BOG可以通過BOG回收機抽到高壓罐內,從而維持高壓罐的壓力。一方面避免了系統中產生的BOG排放造成損失,另一方面有效保障了高壓罐維持在高壓狀態,從而可以順利加氣。

(2)利用BOG回收機將最大損耗源管路中蒸發的氣體通過吹掃從儲存罐轉移到加注罐的下進液或上進氣補壓,熱量就從儲存罐轉移到加注罐。通過壓差將LNG加注到客戶車輛,成功將產生的熱量轉移到客戶車載鋼瓶中,保持了儲罐液體溫度壓力穩定,最大化減少熱能發生。相比于傳統工藝對管路系統產生的熱能只能回到儲罐推高儲罐壓力有了顛覆性的技術變革。

(3)相對于傳統工藝卸車時需對槽車進行增壓,增壓氣化器產生的熱量吸收及2～3 h的卸車時間金屬軟管吸收的熱量最終進入儲罐;無泵工藝采用BOG回收設備抽取儲罐壓力,冷量損耗減少,卸車時間大大減少,液體溫度相對傳統工藝設備明顯降低。

(4)預冷時間縮短。傳統加氣技術儲罐和加氣機之間配備了泵和泵池,儲罐和加氣機距離通常超過50 m,預冷時間長,BOG產生嚴重,加氣機很難完美工作,并且加氣速度慢;而無泵技術可以實現超過100 m以上的距離,預冷時間只需要幾十秒,可以大大提高加液效率,增強站內車輛通過率。

2.4 運用新思路解決傳統工藝問題

在傳統工藝條件下,目前LNG 加氣站在卸車環節通常采用泵增壓和自增壓卸液,或者將兩者結合使用,卸一車液通常需要花費2～3 h的時間,同時余液卸不盡的問題也非常突出。主要是由于無論是采用泵增壓卸車還是自增壓卸車,卸車完成時槽車內均留存較高壓力的低溫BOG氣體,而槽車司機為了車輛運營安全、方便下次裝車并降低車重等原因,往往在卸完車后對空排放 BOG,這不僅增加了安全隱患,同時也增加了進貨成本以及無謂的排放。

為解決槽車余液卸盡以及卸車自增壓過程的冷量損耗問題,公司引入新型設備BOG回收機,有選擇的在卸車頻次高的站點投入使用,通過在卸液過程中抽取儲罐中的BOG充入槽車,建立槽車與儲罐中的壓差進行卸車(見圖2),減少自增壓過程LNG氣化的冷能損耗,同時可將卸車時間縮短至2 h以內。此做法的另一大優勢是可將槽車余壓壓縮至0.15 MPa以下,最大化做到進貨少虧損甚至盈余,同時能滿足槽車的裝車壓力要求。以連云港雙店加氣站為例,其全年配送約840車次,一年可帶來92 t的額外收益。

圖2 卸車工藝示意圖

3 結束語

LNG加氣站損耗管理是一項復雜的系統工程,限制BOG的產生涉及到設備選型、工藝設計、進貨調度、銷售管理、規范作業、設備維保、計量管理等諸多環節。新建站點要從源頭把關,在設計環節要著手在站內平面布局、管路走線、管線距離、坡度設置上嚴格設計審核,在符合規范的前提下,應盡量縮短設備間距離,減少管線長度,增加儲罐與泵進口的凈正壓頭,禁止采用凹凸型布置管道,儲罐與泵之間的管道要盡可能采用斜坡布置方式,距離盡可能保持在2～2.5 m以內。在設備選型上要選擇保溫絕熱效果優良、工藝品質穩定的儲罐,管線要選擇真空效果上佳真空管或性能好的保溫材料。在傳統加氣工藝設備條件下,針對管線頻繁預冷存在的熱交換現象以及接卸環節槽車余液難以卸盡,以及卸車自增壓過程的冷量損耗問題,可積極探索無泵工藝和BOG回收機試點,推動技術升級、管理升級,開辟節能降耗新路徑。