黃理文

〔北京龍禹石油化工有限公司 北京 100011〕

近年來(lái)，隨著國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn), 傳統(tǒng)的汽車燃料汽油與柴油受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)部分地區(qū)甚至制定了燃油汽車退出市場(chǎng)的計(jì)劃，清潔能源汽車發(fā)展走上快車道。天然氣作為一種清潔的一次能源，車用天然氣加氣站具有較好的發(fā)展前景，特別是在公路物流行業(yè)，柴油貨車污染防治被國(guó)家和各級(jí)政府列為環(huán)境監(jiān)管的重點(diǎn)內(nèi)容，加之沿海LNG接收站、內(nèi)陸地區(qū)LNG液化工廠的布局和建設(shè)，LNG、CNG運(yùn)輸車輛的區(qū)域限制逐步破除，新的車用天然氣行業(yè)生態(tài)逐步形成。另一方面，因?yàn)槌鋼Q電技術(shù)、燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)家對(duì)電動(dòng)汽車、氫能源汽車有一定政策傾向，給車用天然氣市場(chǎng)帶來(lái)一定的沖擊。在這種市場(chǎng)環(huán)境下，加氣站經(jīng)營(yíng)企業(yè)既要找準(zhǔn)在行業(yè)生態(tài)中的定位，提前做好經(jīng)營(yíng)網(wǎng)點(diǎn)布局，通過(guò)終端市場(chǎng)的構(gòu)建發(fā)展和培育市場(chǎng)。另一方面，在市場(chǎng)培育期又面臨著較大的經(jīng)營(yíng)壓力，需要不斷提高精細(xì)化管理水平。通過(guò)管理和技術(shù)手段，加強(qiáng)節(jié)能降耗管理，降低運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的經(jīng)營(yíng)發(fā)展。

本文從加氣站的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)各環(huán)節(jié)展開(kāi)分析，從電能損耗、天然氣異常損耗、運(yùn)輸能耗等方面分析能耗問(wèn)題并提出解決方案。

1 主要耗能環(huán)節(jié)及影響因素

1.1 電能損耗

在CNG加氣站生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中，主要的耗能環(huán)節(jié)是天然氣的壓縮過(guò)程。加氣站90%以上電耗是由電驅(qū)往復(fù)式壓縮機(jī)組給槽車充裝后對(duì)儲(chǔ)氣井加壓時(shí)消耗的，所以降低壓縮機(jī)用電消耗是加氣站節(jié)能降耗的主要途徑，而影響壓縮機(jī)能耗的主要因素在于進(jìn)站壓力、溫度、設(shè)備維保等幾方面。

1.1.1 壓力影響

CNG標(biāo)準(zhǔn)站和母站的管道進(jìn)站壓力決定了壓縮機(jī)的一級(jí)進(jìn)氣壓力，而壓縮機(jī)的生產(chǎn)效率直接受一級(jí)進(jìn)氣壓力影響。進(jìn)站壓力由供氣管網(wǎng)的壓力和加氣站工藝管道及設(shè)施的阻力決定。加氣站運(yùn)營(yíng)中的能耗監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)站壓力對(duì)加氣站用電量有較大影響，壓縮機(jī)組電耗量與進(jìn)站壓力呈負(fù)相關(guān)。

1.1.2 溫度影響

加氣站溫度影響主要有兩方面，一是環(huán)境溫度，二是各級(jí)進(jìn)氣溫度。管道進(jìn)氣溫度、壓縮機(jī)組散熱效率均受環(huán)境溫度影響，在環(huán)境溫度較低時(shí)，壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)耗能降低。環(huán)境溫度取決于氣候、季節(jié)等因素，除加強(qiáng)壓縮機(jī)機(jī)房散熱管理外，暫無(wú)其他有效措施。

除環(huán)境溫度外，各級(jí)進(jìn)氣溫度主要取決于冷卻器的冷卻效果。在壓縮機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生大量熱量，這些熱量部分被壓縮介質(zhì)(天然氣)吸收，部分被壓縮機(jī)本體的缸套、活塞等部件吸收。被壓縮介質(zhì)吸收的熱量在排管式冷卻器中由冷卻液與壓縮介質(zhì)對(duì)流換熱，實(shí)現(xiàn)冷卻。被壓縮機(jī)本體吸收的熱量由冷卻介質(zhì)在設(shè)備內(nèi)部的冷卻液流動(dòng)中吸收并導(dǎo)出。加氣站多采用循環(huán)水進(jìn)行天然氣冷卻，長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致循環(huán)水中夾雜大量雜質(zhì)，極易在壓縮機(jī)氣缸外套和冷卻器排管外壁、冷卻水管、過(guò)濾器等部位形成水垢，造成冷卻系統(tǒng)傳熱效率

降低，增加冷卻系統(tǒng)能耗。

1.1.3 設(shè)備維保影響

壓縮機(jī)中部分部件在運(yùn)行中存在高頻的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如氣缸、缸蓋、活塞、氣閥、活塞環(huán)、填料等，而設(shè)備的潤(rùn)滑系統(tǒng)可有效減少運(yùn)動(dòng)部件的摩擦阻力，從而減少易損件的損傷，延長(zhǎng)設(shè)備和部件的使用壽命。電驅(qū)式壓縮機(jī)除本體內(nèi)的各部件需要進(jìn)行注油潤(rùn)滑外，驅(qū)動(dòng)電機(jī)中軸承部位也需要定期加注潤(rùn)滑油脂。電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，潤(rùn)滑油脂會(huì)因?yàn)闄C(jī)械雜質(zhì)、氧化、滲漏、揮發(fā)等原因臟污變質(zhì)和減少，造成軸承轉(zhuǎn)動(dòng)部位摩擦發(fā)熱升溫和電機(jī)軸承損壞。綜上，設(shè)備維保不及時(shí)會(huì)影響設(shè)備效率和能耗，甚至?xí)p少設(shè)備使用壽命。

1.2 天然氣異常損耗

一方面，LNG加氣站運(yùn)行中，因系統(tǒng)正常超壓排放、加液操作、槽車卸液軟管吹掃、設(shè)備正常維護(hù)、工藝管道置換等因素存在正常損耗，另一方面，工藝設(shè)計(jì)不合理、儲(chǔ)罐及工藝管道保溫設(shè)計(jì)有缺陷、LNG氣源溫度高、儲(chǔ)存時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等因素也會(huì)導(dǎo)致異常損耗[1]。

BOG是低溫LNG液體吸收了環(huán)境熱量而蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體。在LNG/L-CNG加氣站運(yùn)營(yíng)中，LNG低溫儲(chǔ)罐、真空泵池、真空管、加液機(jī)、L-CNG高壓柱塞泵、空溫式蒸發(fā)器等設(shè)備設(shè)施及LNG槽車的殘留余壓、加注LNG車輛的回氣是BOG的主要來(lái)源。BOG產(chǎn)生后，儲(chǔ)罐和工藝管道壓力隨之上升，當(dāng)壓力高于安全閥設(shè)定壓力時(shí)，安全閥起跳，超壓部分氣體通過(guò)低壓放散管向外排放。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)LNG加氣站每天可排放100～200 m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))超壓氣體。

在天然氣管網(wǎng)未覆蓋地區(qū)，隨著LNG接收站、LNG液化工廠的建設(shè)，在LNG公路物流輻射半徑內(nèi)，LNG/L-CNG加氣站的逐步建設(shè)構(gòu)建了完整的車用天然氣產(chǎn)業(yè)鏈。但在市場(chǎng)的培育和形成時(shí)期，必然存在一個(gè)銷量較低階段，導(dǎo)致LNG儲(chǔ)存時(shí)間較長(zhǎng)，因氣相空間不斷增大，BOG產(chǎn)生量隨之變大，較正常狀態(tài)下發(fā)生更多的儲(chǔ)罐超壓排放，使加氣站LNG損耗率異常升高，最高可達(dá)10%，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。

以某LNG加注站為例，建設(shè)有50 m3的LNG儲(chǔ)罐1個(gè)，儲(chǔ)存LNG約20 t，LNG存儲(chǔ)周轉(zhuǎn)期不超過(guò)5 d，其經(jīng)濟(jì)效益較優(yōu)。在LNG市場(chǎng)開(kāi)發(fā)較慢的情況，每車LNG(20 t)銷售周期需要20 d左右，儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG隨著儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間的增大和溫度升高，不斷氣化導(dǎo)致壓力升高，當(dāng)儲(chǔ)罐壓力升高至安全閥設(shè)定壓力(0.9 MPa)時(shí)，就需對(duì)壓力進(jìn)行釋放，通過(guò)放空管道直接排放到大氣中。從安全閥起跳到停止排放(從0.9 MPa排放到0.5 MPa)，每次超壓排放量約為600 m3。根據(jù)該站銷量，每車LNG至少需排放6次，每年僅LNG損耗就高達(dá)5×104m3，造成經(jīng)濟(jì)損失10萬(wàn)余元。

1.3 天然氣運(yùn)輸能耗

CNG母站與CNG子站間需要使用CNG槽車運(yùn)輸。槽車的充裝量一方面受環(huán)境溫度的影響，另一方面氣體的充裝是放熱過(guò)程。在槽車充裝過(guò)程中，槽車儲(chǔ)罐溫度逐漸上升，未有效降溫時(shí)，超出環(huán)境溫度10～30 ℃。根據(jù)某CNG母站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，夏季壓縮機(jī)出口天然氣溫度在40 ℃左右，經(jīng)過(guò)充裝放熱至充裝結(jié)束CNG槽車溫度可高達(dá)70 ℃左右，在容積和槽車壓力一定的情況下，溫度升高必然導(dǎo)致槽車充裝量降低，使運(yùn)輸成本增加。

2 節(jié)能降耗措施及效果

2.1 降低壓縮機(jī)電耗的措施及效果

2.1.1 針對(duì)壓力影響的降耗措施

針對(duì)新建CNG母站和標(biāo)準(zhǔn)站項(xiàng)目，建議與上游長(zhǎng)輸管道高壓分輸站相連，同時(shí)壓縮機(jī)機(jī)組選型要選擇與進(jìn)站壓力匹配的進(jìn)口壓力，減少降壓再升壓過(guò)程的重復(fù)能源損耗。同時(shí)，為降低工藝設(shè)施和管道阻力，建議優(yōu)化過(guò)濾器選型，有效匹配壓縮機(jī)排氣量，同時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小管道長(zhǎng)度、增大管道直徑，減少壓力損失。

在營(yíng)CNG母站和標(biāo)準(zhǔn)站，可針對(duì)部分加氣站現(xiàn)有進(jìn)氣壓力較高的有利條件，對(duì)現(xiàn)用設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，如某CNG母站，通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)技術(shù)研究，改變內(nèi)部閥室結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)借用管道壓力不啟動(dòng)壓縮機(jī)情況下對(duì)槽車進(jìn)行直接充裝，以降低壓縮機(jī)工作時(shí)長(zhǎng)，延長(zhǎng)壓縮機(jī)保養(yǎng)周期和壽命，降低能耗。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，技改后每臺(tái)槽車可利用管線壓力直充300～400 m3。依照壓縮機(jī)功率計(jì)算，利用直充后每臺(tái)槽車可節(jié)約用電10 kWh。按照母站每天充裝17臺(tái)車輛計(jì)算，每天可節(jié)約電量近170 kWh，每年可節(jié)約電費(fèi)5.6萬(wàn)元左右。

2.1.2 針對(duì)溫度影響的降耗措施

為保障壓縮機(jī)級(jí)間冷卻效果，在新建加氣站時(shí)，要重視冷卻系統(tǒng)的選型，宜優(yōu)先選用閉式冷卻塔，使用閉式循環(huán)冷卻水轉(zhuǎn)移和放散熱量，可有效減少外部雜質(zhì)進(jìn)入冷卻系統(tǒng)；在過(guò)濾器的選用上，要選用合適的過(guò)濾網(wǎng)，既有效攔截雜質(zhì)又不產(chǎn)生過(guò)高阻力，使用便于檢修的三通型冷卻水過(guò)濾器，方便定期清理雜質(zhì)；在冷卻水的選擇上，建議使用軟化水，降低形成水垢的可能。

為保障冷卻系統(tǒng)的長(zhǎng)期高效運(yùn)行，需定期進(jìn)行壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)清洗。根據(jù)運(yùn)行周期和工況進(jìn)行循環(huán)清洗或深度拆卸清洗，保障冷卻系統(tǒng)的換熱效率，確保壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)消耗更少的電能，并延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命。

2.1.3 針對(duì)設(shè)備維保影響的措施及效果

為保障壓縮機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)效率，降低設(shè)備故障率，需強(qiáng)化執(zhí)行潤(rùn)滑五定管理要求，特別是加強(qiáng)潤(rùn)滑油加注的自動(dòng)量化改造。壓縮機(jī)系統(tǒng)一般選用自動(dòng)注油器，潤(rùn)滑效果有較好保障，所以壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)定量潤(rùn)滑是改進(jìn)重點(diǎn)。建議配備自動(dòng)注油器，減少對(duì)操作人員經(jīng)驗(yàn)的依賴，實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定量加注潤(rùn)滑油，避免注油不足和注油過(guò)量對(duì)電機(jī)造成損壞。通過(guò)推廣該措施，某加氣站運(yùn)營(yíng)單位全年壓縮機(jī)電機(jī)因注油不足導(dǎo)致的故障率下降90%，非計(jì)劃性停機(jī)檢修大大減少，壓縮機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行得到有效保障。

2.2 降低天然氣異常損耗的措施及效果

一方面，加氣站經(jīng)營(yíng)單位需加強(qiáng)經(jīng)營(yíng)管理，嚴(yán)格把好合同關(guān)，對(duì)可能出現(xiàn)的損溢情況有充分的預(yù)判，在合同中明確雙方的利益關(guān)系，盡量規(guī)避損耗風(fēng)險(xiǎn)，爭(zhēng)取溢余的利益。另一方面，更應(yīng)該通過(guò)加強(qiáng)加氣站設(shè)備管理達(dá)到有效降耗的目的。一是建站時(shí)設(shè)計(jì)BOG回收系統(tǒng)，二是對(duì)在營(yíng)站根據(jù)站內(nèi)設(shè)備布局和工藝流程分析主要損耗環(huán)節(jié)，增加全部或局部工藝BOG回收流程。通常BOG回收有兩種方案：一是將BOG就近回收到燃?xì)夤芫W(wǎng)中。此方案需加氣站周圍有燃?xì)夤芫W(wǎng)，需與區(qū)域燃?xì)夤竞献?；二是將BOG回收到站內(nèi)CNG儲(chǔ)氣井(或氣瓶)中。此方案需加氣站自身有CNG儲(chǔ)氣設(shè)施，一般適用于L-CNG加氣站。常用方案為第二種。

對(duì)于在營(yíng)加氣站，需結(jié)合本站生產(chǎn)工藝確定改造方案。如某加氣站因市場(chǎng)需求，同時(shí)具備CNG標(biāo)準(zhǔn)站工藝流程和L-CNG工藝流程，可同時(shí)加注LNG和CNG。根據(jù)站內(nèi)實(shí)際情況，由LNG儲(chǔ)罐放空管道根部處添加一條放空管道接入氣化器中，將氣化后的氣體通過(guò)管道再接入CNG進(jìn)氣管道(加濕器前段進(jìn)氣管道，進(jìn)站管道壓力為0.6 MPa)，經(jīng)壓縮機(jī)至儲(chǔ)氣設(shè)施中儲(chǔ)存，以CNG形式下手。為加強(qiáng)損溢分析，需精確統(tǒng)計(jì)LNG放散后氣體的回收量，在回收管線安裝流量計(jì)用于統(tǒng)計(jì)，改造后21個(gè)月，該站共計(jì)回收LNG約9.3×104m3，LNG異常損耗大大降低。加氣站BOG回收到儲(chǔ)氣設(shè)施工藝流程見(jiàn)圖1。某L-CNG加氣站BOG回收工藝系統(tǒng)照片見(jiàn)圖2。

圖1 LNG/L-CNG加氣站BOG回收到儲(chǔ)氣設(shè)施流程示意圖

圖2 某L-CNG加氣站BOG回收工藝系統(tǒng)照片

2.3 降低天然氣運(yùn)輸能耗措施及應(yīng)用效果

針對(duì)CNG母站與CNG子站運(yùn)輸環(huán)節(jié)因充裝溫度過(guò)高造成充裝量不足的問(wèn)題，加氣母站可使用技改措施對(duì)CNG槽車進(jìn)行降溫，設(shè)計(jì)建設(shè)了槽車噴淋降溫系統(tǒng)[3]，實(shí)現(xiàn)高溫季節(jié)槽車飽和充裝。同時(shí)，未降低用水量，設(shè)計(jì)修建三級(jí)循環(huán)水池對(duì)噴淋降溫水進(jìn)行回收利用。在日常運(yùn)營(yíng)中，循環(huán)水池可兼顧加氣站防洪排水、雨水收集循環(huán)利用等功能。CNG槽車噴淋冷卻系統(tǒng)及循環(huán)水池照片見(jiàn)圖3。

圖3 CNG槽車噴淋冷卻系統(tǒng)及循環(huán)水池照片

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)通過(guò)壓縮機(jī)工況分析，從壓力、溫度、設(shè)備維保方面著手，通過(guò)使用加氣站直連天然氣管網(wǎng)分輸站、進(jìn)站壓力直接充裝、提高冷卻系統(tǒng)工作效率、自動(dòng)定量潤(rùn)滑等技術(shù)措施，可有效降低壓縮機(jī)電耗。

(2)通過(guò)對(duì)LNG加氣站進(jìn)行BOG回收工藝改造，可有效降低LNG異常損耗。

(3)利用CNG槽車噴淋降溫系統(tǒng)，在較高的環(huán)境溫度下，可有效增加CNG槽車充裝量，減少運(yùn)輸成本。

(4)通過(guò)加強(qiáng)節(jié)能降耗管理，制定并執(zhí)行有效的技術(shù)措施，加氣站經(jīng)營(yíng)企業(yè)可有效降低經(jīng)營(yíng)成本，在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)地位。