CNG、LNG、調峰三站合一系統解決方案

    一、前言

     人們所說的非常規天然氣，一般指頁巖眾所周知，  燃油汽車尾氣已成為城市大氣的主要污染源，從環境 保護和發展替代能源的戰略考慮，我國從80年代起 開始積極推動清潔能源汽車的墳術研究和產業發展，目前取得了豐碩的成果，天然氣汽車、電動汽車、燃料電池汽車等都已進入試用、推廣及規模應用等階段。   

    就天然氣汽車而言，目前壓縮天然氣(cNG)汽車已在全國廣泛使用，不少城市在政府的政策支持下，公交車和出租車已全部改用CNG作為燃料，為降低城市大氣污染做出了重大貢獻。但由于CNG是氣態，在有限的車載容器中存儲量有限，以出租車為例，一般每臺車一次加氣量不超過12m3，運行距離不超過200公里，導致CNG汽車加氣需求頻繁，對城市加氣站的

建設數量要求較多，限制了CNG汽車的進一步發展。近幾年，隨著液化天然氣技術的發展，從海外進口LNG和國內LNG工廠的建設，使得LNG產品得到有效供應。

    LNG與CNG相比有以下幾點優勢：①LNG比CNG的壓縮比高3倍多，即同樣容積的容器中，使用LNG的汽車比使用CNG的汽車在運距上高3倍多；②LNG為低溫低壓，不像CNG處于高壓狀態，危險性相對較小；③LNG比CNG更加純凈。

    所以研究LNG汽車也成為滿足市場需求和環保要求的必然選擇，并且目前已經取得了長足的發展，在貴陽、烏魯木齊和北京，使用LNG作為燃料的公交車已形成一定規模。另外，LNG汽車技術的發展對中長距離的客運、貨運汽車及船只使用天然氣作為燃料成為可能，由此可創造出一個巨大的LNG應用市場。

無論是CNG汽車還是LNG汽車都需要天然氣加注站，目前使用的主要有以下形式：

    1．CNG母站

該類加氣站使用長輸高壓管道燃氣或城市中壓管道燃氣作為氣源，按照CNG產品標準要求進行脫硫、脫水后，通過CNG壓縮機壓縮至25Mpa，并通過CNG加氣柱向CNG瓶組拖車充氣，并由CNG瓶組拖車配送到CNG子站、偏遠城鎮管網、工業用戶等處作為天然氣氣源，常規CNG瓶組一次有效配送量為4000Nm³左右  

    該類加氣站一般使用城市中壓管道氣作為氣源，工藝及設備配置基本與CNG母站相同，只是處理規模相對較小，是通過CNG加氣機向天然氣汽車直接進行加氣。

    3．CNG子站

    該類加氣站一般建于沒有管道燃氣的邊遠城鎮，使用CNG瓶組車配送的CNG作為氣源，CNG瓶組車到達子站后，通過卸氣柱、CNG壓縮機和CNG加氣機向CNG汽車進行加注。

    4．L—CNG力口氣站

    該類加氣站使用LNG作為氣源，通過低溫高壓泵將LNG增壓至20Mpa，通過汽化器氣化后，由CNG加氣機向CNG汽車進行加注。

    5．LNG加注站

    該類加氣站使用LNG作為氣源，由低溫泵適當增壓，通過LNG加注機直接向LNG汽車進行加注。

    在中國各大城市及周邊地區，CNG母站、CNG標準站和CNG子站已普遍使用，據不完全統計，已建站和規劃新建站數量合計超過10000座，但是由于氣源供應不足和站內設備調峰能力有限，CNG標準站普遍存在的問題是在高峰期時缺少充足的氣源為汽車加氣，而導致來加氣的汽車長時間排隊，影響了城市交通和營運車輛的經濟效益，為此不少城市限制了非公交車輛油改氣的數量，進而限制了清潔能源汽車的使用范圍。

  三、關于建設CNG、LNG、調峰混合站的方案介紹

    在對天然氣加氣站運行特點和國內外LNG技術的調研后，我們提出了利用設備共享和設備撬裝，建設CNG、LNG、調峰混合站的方案，即在同一站內，利用CNG現有生產模式，通過增加部分LNG設施，實現CNG和LNG的聯產，可同時對CNG汽車和LNG汽車進行充裝，并且由于LNG便于儲存，在加氣站加氣低峰期時，將天然氣進行液化存儲，不僅可以作為高峰期運行時的調峰氣源，還可以作為優質氣源向工業用戶、偏遠城鎮的燃氣管網、加氣子站等進行配送，從而擴大了天然氣最為清潔燃料的使用范圍。另外，由于該系統的模塊化、撬裝化設計，使得該系統機動性很強，非常適用于油氣田放空天然氣回收j煤層氣放空回收、沼氣回收等其它氣源市場，具有較高的節能減排經濟效益和社會效益。

    CNG、LNG、調峰混合站的工藝原理框圖如圖l：

    1．工作原理說明

    下面論述以氣源為城市管道天然氣為例，可推廣至油氣田放空天然氣、煤層氣、沼氣等其它氣源領域。

    一般情況下，管道燃氣通過CNG預處理、CNG壓縮機、CNG加氣機等主要工藝設備直接向CNG汽車進行加氣。當管道燃氣使用有富裕時，如CNG低峰運行期間，或者是根據市場需求，需要進行LNG生產時，可將部分管道燃氣引進LNG預處理裝置，達到LNG生產氣質要求時，利用空閑的CNG壓縮機進行增壓，通過LNG預冷撬和LNG液化撬將天然氣進行液化，并儲存在LNG儲罐撬內，根據需要，可通過L—CNG撬將LNG轉化為CNG后，由CNG加氣機進行加注，也可以通過LNG加注機直接向LNG汽車或LNG槽車進行加注，LNG槽車可將LNG配送到需要的地方。

    2．主要工藝設備簡介

    (1)CNG預處理設備

    CNG預處理設備包括脫硫設備和脫水設備，預處理深度達到硫化氫含量低于每標方15mg、常壓水露點低于一55⁰C，該類設備為目前CNG加氣站的標準配置。

  (2)LNG預處理設備

  由于LNG為深冷液化，對氣質中的含硫量、含碳量和含水量的要求比CNG要嚴格，故新設LNG預處理裝置，預處理深度達到含硫量低于5ppm、二氧化碳含量低于50ppm、常壓水露點低于一1000C。目前此類脫硫脫碳的工藝主要為醇胺法，不容易實現整體撬裝，但隨著技術和工藝的發展，實現整體撬裝還是有可能的。

    (3)CNG壓縮機

    CNG壓縮機為成熟產品，一般加氣站根據加氣規模配置多臺，出口壓力設計為25MPa，本方案利用空閑時的CNG壓縮機對經過LNG預處理后的天然氣進行增壓，經穩壓至20MPa后進入LNG預冷撬。

    (4)LNG預冷撬

    本方案液化部分工藝原理為將高壓天然氣經過膨脹制冷進行液化，為補充冷量，新設LNG預冷撬，通過冷量回收和制冷機將天然氣溫度降至一70⁰C。

    (5)LNG液化撬

    LNG液化撬將20MPa、一70~C的天然氣經過膨脹制冷，使得天然氣在0．4MPa、一145~C的條件下進行液化。該撬內使用的膨脹制冷部件為俄羅斯的專利技術一引射器，在進行節流膨脹的同時，可將未液化的部分低壓氣白吸回引射器進行膨脹，制冷效率較高，單個LNG液化撬的設計生產規模一般為1～10×104Nm³

    (6)LNG儲罐撬

  從LNG液化撬中產生的LNG送入LNG儲罐撬，根據上游供給量、下游消耗量以及場地大小等實際情況可靈活選擇LNG儲罐撬的規格。

    (7)L-CNG撬

    L-CNG撬由低溫高壓泵和汽化器組成，可將LNG增壓氣化成CNG，并通過CNG加氣機對車輛進行加氣。

  (8)自動控制系統

  本方案需要配置高性能的自動控制系統，主要實現生產過程中各工藝設備參數的精確監控、出于安全考慮的連鎖保護以及生產切換和啟停的連鎖控制等功能，如果條件具備，還可將生產自動化與管理信息化結合起來，實現銷售管理、遠程診斷、物流管理、成本管理、績效管理等功能。

  3．該方案的特點

  ①在同一站內可實現CNG和LNG的生產和加注，提高了氣源的利用率和產品的覆蓋范圍，解決了調峰問題，并且可根據上游供應和下游消費市場的變化靈活調整CNG和LNG的產量；

②工藝流程簡單，操作維護方便，并且該工藝及配備設備方便用戶根據實際情況靈活選擇啟動與停止LNG的生產過程，LNG冷態啟動時間為20分鐘左右；

    ③大部分工藝設備和輔助工程可在CNG和LNG生產中共用，提高了設備及工程的使用效率及減少了一次性投資；

    ④所有設備均為成熟產品，有應用業績，并且絕大部分可實現車載撬裝化，對設備的占地、安裝、調試和搬遷極為有利；

    ⑤LNG運行成本較低，能耗不高于單方0．5度電；

    ⑥L-CNG撬根據需要還可進行冷量綜合利用，提高能源利用效率。

  四、CNG站、LNG站、調峰站及三站合一對比分析

    表l為CNG站、LNG站、調峰站及三站合一對比分析，對比以日處理5萬方城市管道天然氣為例，價格為估算值。

表1  GNG站、LNG站、調峰站及三站合一對比

 

五、結語