CN106151866A

CN106151866A - 一种在同位具有超小型液化系统的低投资液化天然气汽车加气站

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Publication number: CN106151866A
Application number: CN201510184819.2A
Authority: CN
Inventors: 沈慧贤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-04-20
Filing date: 2015-04-20
Publication date: 2016-11-23

Abstract

本发明展示一低投资，低运行成本的LNG汽车加气站，它附有一液化流程最为简捷有效的超小型天然气液化系统，特别适用于快速构建LNG汽车加气站网络，实现”液化天然气高速公路网“。这个工艺流程系统涉及一预冷单元，将直接来自城镇天然气管网中的天然气预冷，然后送进由斯特林(Stirling)循环低温致冷机提供冷量的液化单元，产出液化天然气，供给液化天然气汽车。当液化天然气汽车燃料需求急剧增长，只增添一大容积储罐接受外供的LNG。而天然气液化系统继续运行，做为此加气站的沸腾气(BOG)再液化设施，节约了资源，减少温室效应气体排放。

Description

一种在同位具有超小型液化系统的低投资液化天然气汽车加气站

技术领域

本发明涉及建立一种在同位具有超小型液化系统的低投资液化天然气汽车加气站。这种液化天然气汽车加气站特别适用于沿高速公路迅速构建公共液化天然气汽车加气站网络，使得液化天然气汽车能够沿该高速公路从起始点至终点自由行驶。

背景技术

当前，液化天然气(LNG)汽车加气站的液化天然气源都是来自一个大型天然气液化工厂，通过液化天然气槽车运送。一个容积为56立方米液化天然气槽车其储罐是真空绝热的，但是，由於漏热每天平均要有260立方米天然气被蒸发，而引起槽车储罐内压力增高。当储罐内压力高过设定的安全压力，槽车储罐内的液化天然气蒸气必须排空至大气以确保液化天然气槽车的安全。蒸气排空除了浪费了资源，因其主要成分是甲烷，甲烷气的温室效应是二氧化碳气的26倍，所以造成更大的大气污染。液化天然气槽车运送液化天然气其运费也增加了液化天然气汽车加气站的运营成本。从城镇低压天然气管网取得气源，使用在同位的超小型液化系统自主地生产液化天然气的液化天然气汽车加气站节约了液化天然气运输成本，降低了大气污染。

液化天然气汽车加气站肯定且连续地产生汽化气(BOG)，汽化气的产生有三个来源：(1)液化天然气储罐的漏热，每天储罐内有0.25％的储量蒸发成BOG.(2)槽车内的LNG卸到LNG加气站储罐内的过程中不可避免地产生BOC，且最终积聚在LNG加气站储罐的顶部。(3)从LNG加气站储罐向LNG汽车加气过程中也不可避免地产生BOC，大约LNG加气流量的2％蒸发成BOG，也最终积聚在LNG加气站储罐的顶部。所有的BOC都会导至LNG加气站储罐内的压力增高。当此压力高过储罐的最大安全压力时，这些LNG蒸气也必须放空，造成资源浪费和大气污染。经验数据表明，一个设有容积为50立方米LNG储罐的加气站平均每天有200立方米LNG蒸气放空，每年就是70000立方米天然气排空。如果此LNG加气站具有天然气液化设施，这些LNG蒸气不必放空，可再液化成LNG，确保设备安全，节约资源，而且减排温室效应气体。

以“西气东输”管网为骨干网，中国全国天然气管网系统正在形成。在有城镇天然气管网地区，依靠天然气管网运送天然气比较用LNG槽车运送天然气具有运输成本低，损耗少，安全可靠的优点。而且避免了LNG槽车在运输过程中遇到交通事故造成大量LNG泼溅散逸的风险。LNG汽车加气站从城镇天然气管网取得气源，使用在同位的超小型液化系统生产LNG满足液化天然气汽车的需要。

现在美国正推行”American’s Natural Gas Highway(美国天然气高速公路)”计划，欧洲共同体正在推行“Blue Corridors(蓝色走廊)”计划。这些计划的实施实质是沿着某条高速公路从起点至终点地建立一完整的LNG加气站网络。这个LNG加气站网络要求设有足够数量的LNG加气站，站与站之间的距离要在300-500千米之间。在建设LNG加气站网的起始阶段，现有的基地型LNG加气站是不适用的，规模过大且要建设大型天然气液化工厂，这需有极大的投资。建设LNG加气站网的最佳战略是从小到大，阶段性发展。在起始阶段，用极低的投资建设具有从城镇天然气管网进气的LNG液化器的超小型LNG加气站，使得LNG加气站网络尽可能快地建成，液化天然气汽车能够沿该高速公路从起始点至终点自由行驶。一旦LNG加气站网络建成，将极大促进液化天然气汽车应用发展。液化天然气汽车燃料需求快速增长，LNG加气站进入扩容发展阶段，引进大容量储罐，甚至需要从大型LNG液化厂运进LNG，已有的超小型LNG液化装置继续使用，成为BOG或排空天然气的LNG液化器，LNG加气站则始终运行在经济高效状态。本发明就是为实现建设LNG加气站网的这一最佳战略而专门设计的。

为了减少附有LNG液化装置的LNG加气站之建设投资，只选用成批生产商品化的标准设备做系统集成，不选用价格高昂的如涡轮压缩-膨胀机等。令天然气液化过程变得简单而直接，故障时间大大降地，且容易实现完全自动化和无人运行。

天然气汽车的压缩天然气(CNG)燃料是将城镇天然气管网中的天然气直接压缩而成的。天然气汽车的LNG燃料同样可以取城镇天然气管网中的天然气为原料液化而成。当前传统天然气液化技术通常都採用焦耳-汤玛逊(Joule-Thomson)致冷循环。为了防止在天然气液化过程中原料气中的CO₂，H₂S和H₂O固相形成而阻断液化过程的进行，要求原料进气组分含量必须满足下列要求：

因此，在天然气液化之前必须进行精细的预处理使其上述组分达到要求。这要求增加去除上述组分的预处理设备，加大了投资与运行成本。本发明不直接使用天然气本身为致冷剂，不对其採用焦耳-汤玛逊(Joule-Thomson)致冷循环。对来自城镇天然气管网中的原料气不需做上述的严格的预处理，满足天然气管网内天然气标准的原料气就满足LNG汽车燃料的天然气标准。

发明内容

本发明提供一工艺过程系统，包括方法和相应的工艺装备，在一LNG汽车加气站以城镇低压天然气管网为气源液化天然气生产LNG汽车燃料，对LNG汽车加气。天然气首先进入一预冷单元，将天然气从室温冷却到193K，其冷量是由一商品化的标准设备：二级级联致冷机提供的。这个冷量相当于天然气从室温气态变为在一个大气压下，温度在110K的饱和液态所需总冷量的20％。在预冷单元内，天然气中二氧化碳，硫化氢和水的组分浓度会进一步降低，加在天然气管网中的天然气示嗅剂也被去除。用价格低廉的级联致冷机分担20％的冷量，节约设备投资成本与提高了天然气液化的生产率。

经过预冷的天然气进入液化单元。在液化单元由一斯特林(Stirling)循环低温致冷机提供冷量，运行在100K-110K.天然气在液化单元的热交换器被液化成LNG而储存在一个小型的原始储罐。通常认为斯特林(Stirling)循环低温致冷效率高于焦耳-汤玛逊(Joule-Thomson)致冷循环。一个商品化标准设备LNG汽车加气机与原始储罐相联，将LNG送到天然气汽车的储罐内。此LNG汽车加气站这时处于初始阶段。

当该高速公路的公共液化天然气汽车加气站网建成后，行驶在高速公路上的天然气汽车数量会迅猛增加，对LNG需求大大增加。此时此液化天然气汽车加气站的LNG产额已满足不了这个需求，此液化天然气汽车加气站进入扩容阶段。引进一大型LNG储罐，由某大型LNG液化工厂提供LNG.现有的天然气液化装置则成为BOG再液化设施，该加气站运行过程中产生的BOG不必排空，再液化后储存在原始储罐中，供给加气机。

通过相应的管道和控制阀，液化天然气槽车可将LNG燃料注入到大型LNG储罐的顶部，也可以注入到大型LNG储罐的底部。原始储罐与新增加的大型LNG储罐是相互连通的，借助于LNG泵，相应的管道和控制阀LNG燃料可在两个储罐之间相互传送。但LNG加气机仍然只于原始储罐相连。

借助于有关的管道与阀门，两个储罐的顶部蒸发气空间都于液化单元的天然气入口相通。其蒸发气可被再液化成液体而返回储罐，储罐内的压力和温度都可降低。

附图说明

图1为处于初始阶段的本发明工艺系统框架示意图。

图2为处于扩容阶段的本发明工艺系统框架示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一个最佳方案的实现如下述构成。来自城镇低压天然气管网的原料气10通过管道12被送进天然气原料气预冷单元100。两级级联致冷机200的第二级蒸发器110设在预冷单元100内。级联致冷机200运行在193K.级联致冷机200的第二级致冷剂通过导管20，节流阀21和导管22流入两级级联致冷机200的第二级蒸发器110，蒸发节流后通过导管24返回到级联致冷机200的第二级压缩机。原料气在第二级蒸发器110的铜管或翅板的外表面处被冷却，然后通过导管14和31流出预冷单元100，而进入天然气液化单元300.在预冷单元100内原料气所含的某些重碳氢化合物，杂质，如CO₂，H₂S和H₂O等，以及示嗅剂会转变为固态或液态而沉积在预冷单元100的底部，然后通过导管16排出预冷单元100。

如图1所示，一个特殊设计的热交换器310安装在液化单元300内。热交换器310内有较宽的LNG通道，使得混在原料气中的极少量高冰点组分变为固态而堵塞液化过程连续进行的机率大大降低。因此减少了停机检修时间，提高了LNG生产率。

低温致冷机400提供液化天然气的冷量。工作在100K温区斯特林(Stirling)循环低温致冷机是最好的选择。斯特林(Stirling)循环低温致冷机的致冷系数(Coefficient ofPerformance(COP))高于G-M循环低温致冷机，脈冲管低温致冷机以及焦耳-汤玛逊(Joule-Thomson)循环低温致冷机等。斯特林(Stirling)循环低温致冷机的致冷功率在100K能达到千瓦数量级。荷兰STIRLING CRYOGENICS公司专门开发了产品：StirLNG-1；StirLNG-4低温致冷机为了液化天然气，但它对天然气原料气也有特殊要求如下：

H₂O＜-70℃露点(2mg/Nm³)

H₂S＜3.3PPM(4.6mg/Nm³)

颗粒物直径＜0.1微米。

因此，天然气管网中的天然气不能直接进入StirLNG-1；StirLNG-4低温致冷机去液化。于是在本发明由导管41与42组成的氦气循环回路，连接热交换器310的冷端与斯特林(Stirling)循环低温致冷机400的冷头。氦气被循环低温致冷机400的冷头冷却，通过导管41流入热交换器310.天然气与热交换器310的冷却通道表面接触，吸收冷量，转变为LNG，被收集在液化单元300的底部，经导管32流入原始储罐500内。经热交换后氦气经导管42回流至低温致冷机400内，再获取冷量。

天然气管网中的天然气可以直接进入本发明的液化流程系统而被液化，不需另外附加预处理流程，因此简化了工艺流程，节约了投资和运行成本。

液化单元300内可能有少部分天然气没有被液化，从液化单元300的顶部排出。而通过管道33，34，与31，返回液化单元300，再进行液化。

原始储罐500的上部是LNG蒸气空间53，容储LNG蒸气52.经过导管54，阀55，导管34和31，LNG蒸气52流进液化单元300，而再液化。原始储罐500的下部是LNG空间51，所储的LNG通过导管61可传送到一个商品化的标准设备：LNG加气机600，通过一弹性的有热绝缘的燃料供给线63将LNG输送到LNG汽车储罐。伴随燃料供给线63，有一条BOG返回管62，它用于收集LNG蒸气。当LNG输送给LNG汽车的储罐，首先要用LNG冷却LNG汽车储罐和LNG燃料供给线63，这将导致LNG蒸气的产生。最后这些蒸气通过BOG返回管62，集中到原始储罐500的LNG蒸气空间53。本发明所勾画出的LNG汽车加气站其优点之一就是对LNG加气过程产生的BOG和由储罐漏热产生的蒸气有再液化的能力。不需用过压排空的方式保护储罐的安全，也提高了此LNG汽车加气站的经济效益。原始储罐500採用双层高真空结构，且安装在室内，其漏热也大大降低。

一套电子控制系统(未显示)用以控制本发明的工艺流程系统，使其容易实现自动无人运行与管理。

在本发明初始阶段实施中所有主要工艺流程设备，如级连致冷机，斯特林(Stirling)循环低温致冷机和LNG汽车加气机等都是商品化的标准设备，它们外型尺寸小，能将本发明的整个工艺流程系统集成在一个或两个标准40英尺货柜中，节约了占地成本，且完全满足安全要求。

本发明在扩容阶段的实现，如图2所示。同时出现在图1与图2的同一单元和设备以及它们相同的功能，用同一标号来标明，不再重复赘述。本发明扩容阶段实现仅增加一大容积LNG储罐800和相应的管道和阀门。这个储罐也是定型标准设备。储罐800的顶部是蒸气空间81，用于容纳LNG蒸气82.储罐800的底部是液体空间84用于存储LNG 83.

从LNG槽车向储罐800卸车流程如下：将LNG槽车的LNG输液管与接口85a相连，蒸气回收管与接口85b相连，关闭阀863与868，打开阀861与阀869，通过导管823，824，832与829，LNG流入低温液体泵池810.关闭阀965与阀867，打开阀门866和阀门864，运行LNG低温泵811，LNG从低温泵811的输出端，通过导管826，825，注入到储罐800的底部84；或者保持阀863，867与阀868关闭，关闭阀864与打开阀865，LNG则通过导管822从低温泵811的输出端注入到储罐800的顶部81.

当LNG槽车储罐内的压力高于储罐800内的压力，关闭阀869与阀865，打开阀863，通过导管822LNG能直接注入到储罐800的顶部。

打开阀862，卸车流程产生的蒸气能通过导管821从LNG槽车的储罐注入到储罐800的顶部蒸气空间81.

原始储罐500与大容积储罐800彼此之间是相通的。关闭阀869与867，储存在原始储罐500内的LNG通过导管827，打开的阀868，低温液体泵池810，低温泵811，打开的阀866与864和导管825，从储罐800的底部注入储罐800。或者关闭阀863，打开阀865，储存在原始储罐500内的LNG通过导管822注入到储罐800的底部。关闭阀865，866和阀868，打开阀864与阀867，沿著导管825与828，储存在储罐800内的LNG依靠重力流进原始储罐500.

聚集在储罐800顶部蒸气空间81的LNG蒸气经导管86与31可注入进液化单元300再液化成液体，使得储罐800内的压力始终保持在安全值或更低。

继续保持LNG注入机600直接与原始储罐500相连，储存在储罐800内的LNG不能直接送进LNG注入机600，而通过原始储罐500中介。

如果某种极严重事故突然发生，大量LNG瞬间蒸发，储罐800内的压力急剧增加超过预设的安全值，储罐本身有破坏的危险，这时LNG蒸气可通过自动压力释放阀891和排空阀892排空。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.本发明所阐明的工艺流程系统包括工艺方法和有关的设备装置为一个LNG汽车加气站液化从城镇低压天然气管网中来的天然气，将其产品：LNG输送到LNG汽车的储罐，其组成如下：(1)原料天然气预冷单元，一个二级级连致冷机提供冷量将原料天然气预冷到193K.级连致冷机的第二级蒸发器安装在预冷单元内；(2)天然气液化单元，一个特别设计的热交换器安装在此液化单元内，它有较宽的LNG通道，使得天然气内少量高冰点组分在液化过程中结成固体而阻断液化过程连续进行的几率大大降低，在液化单元中少量未液化的天然气流出液化单元后再返回液化；(3)选择斯特林(Stirling)循环低温致冷机提供液化天然气的冷量，由於斯特林(Stirling)循环低温致冷机对原料进气的组分有严格的要求，来自天然气管网的原料气不能直接送进斯特林(Stirling)循环低温致冷机去液化，採用纯氦气做为热交换介质，循环在液化单元内的热交换器与斯特林(Stirling)循环低温致冷机的冷头之间，使得来自天然气管网的原料气能直接送进本发明的液化单元去液化，省去对原料进气额外与精细的预处理，简化了工艺流程，节约了投资和运行成本；(4)选择斯特林(Stirling)循环低温致冷机提供冷量，运行在110K或更低，多组分混合致冷剂致冷机也可选作液化天然气的冷源，如果它能运行在110K或更低。这时一特殊设计的混和致冷剂致冷机的蒸发器装设在液化单元内；(5)一个原始储罐与液化单元相连，用于储存LNG；(6)一个LNG汽车燃料加气机与原始储罐相接，向LNG汽车内的储罐输送LNG；(7)当实现本发明的LNG汽车加气站其LNG产量不能满足众多LNG汽车对LNG的需求时，只增添一大容积LNG储罐，由LNG运输槽车从一大型天然气液化工厂运送LNG，注入此大容积LNG储罐，原来的LNG液化系统继续保留运行，成为本LNG汽车加气站的BOG再液化设施。

2.根据权利要求1.的流程系统，其中天然气原料气预冷单元为双层金属真空热绝缘结构。

3.根据权利要求1.的流程系统，其中天然气液化单元为双层金属真空热绝缘结构。

4.根据权利要求1.的流程系统，其所有的LNG流导管，LNG蒸气流导管都是双层金属真空热绝缘结构。

5.根据权利要求1.的流程系统，送进预冷单元(权利要求1.(1))的天然气原料气流的温度，压力与天然气管网内的温度，压力相同，不需另外增压。

6.可能有些原料天然气在液化单元(权利要求1.(3))内尚未液化，可通过相应的管道和阀门再循环进入液化单元内液化。

7.根据权利要求1.(6)的原始储罐还有容纳在LNG加气过程中产生的蒸气和由於漏热产生的蒸气的作用，这些蒸气最后都可通过相应的回流管道和阀门返回液化单元再液化成液体。

8.根据权利要求1.的流程系统，其中的原始储罐为双层金属真空热绝缘结构。

9.根据权利要求1.(7)的后添加的大容量储罐还有容纳在LNG槽车在卸载过程中产生的蒸气和由於漏热产生的蒸气的作用，这些蒸气最后都可通过相应的回流管道和阀门返回液化单元再液化成液体。

10.根据权利要求1.的流程系统中的两个储罐，原始储罐与大容积储罐，它们之间是相互连通的，依靠相应的管道，阀门，LNG液池和浸在液池内的低温泵，按照一定的程序，储存在原始储罐内的LNG可从大容积储罐的顶部或底部被注入进大容积储罐；LNG加气机只和原始储罐相连。储存在大容量储罐内的LNG不能直接被送进LNG加气机，需借助原始储罐中介。