LNG汽车加气站控制系统设计

杨修杰 赵普俊 甘蓉 尹保来 熊茂涛 罗淑倩

(中国测试技术研究院,四川 成都 610021)

LNG汽车加气站控制系统设计

杨修杰 赵普俊 甘蓉 尹保来 熊茂涛 罗淑倩

(中国测试技术研究院,四川 成都 610021)

液化天然气(LNG)属于超低温液体,由于其低温、易气化的特性,对其流体实现无泄漏自动控制具有极大挑战性。为了能够将LNG高效、安全、可靠地加注到LNG汽车上,设计了一套LNG汽车加气站控制系统。介绍了LNG汽车加气站的系统构成及工作原理,着重对LNG汽车加气站的站控系统和授气系统进行了说明,详细剖析了LNG汽车加气站授气系统的工作流程及控制逻辑。实际运行表明,该系统自动化程度高,计量准确,具备自动保护功能,能够安全可靠地为LNG汽车充装液化天然气。

液化天然气(LNG) 站控系统 授气系统 自动保护 PLC

0 引言

当前,汽车尾气的排放已成为空气污染的重要来源之一,大气PM2.5含量越来越受到人们的关注。为了解决这一问题,各国积极寻找替代动力能源,以缓解汽油、柴油汽车尾气对环境的污染。天然气作为清洁能源被纳入使用范围,并越来越受到青睐,正在成为世界油气工业新的热点。当前液化天然气市场需求以每年约12%的高速增长。目前,我国筹划及在建液化天然气接收站22座,2015年液化天然气接收能力将达到年6 500万t,国内液化天然气工厂总产能将达年750万t左右。国内从20世纪80年代就开始发展燃气汽车,主要以压缩天然气(compressed natural gas,CNG)形式使用。但由于CNG本身的缺陷,致使CNG汽车只能在短途车上使用,如城市出租车,限制了其长途运输的使用。随着技术的发展,近年来液化天然气(liquefied natural gas, LNG)汽车应运而生,弥补了CNG汽车的不足,同时需要建设大量的LNG加气站,以辅助LNG的大范围推广使用。由于LNG的超低温特性,对LNG加气站的设计提出巨大的挑战,本文主要介绍LNG加气站控制系统的设计思路。

1 LNG特点

LNG是在-162℃下天然气液化形成的低温液体混合物。天然气属于易燃、易爆的危险气体,但是由于LNG需要气化后才能点燃,其燃点比汽油高230℃,爆炸极限比汽油高2.5～4.7倍,LNG的低温特性使其有效克服了易燃、易爆的特性,安全性大大提高。LNG的生产原料为脱除杂质的天然气,清洁性得到保障,是世界公认的清洁能源,其应用对环境保护有重要意义, LNG作为汽车燃料,比汽油、柴油的综合排放减少85%左右。另外,LNG属于低温液化气体,液态体积为其气态体积的1/625,同样大小的容器可存储更多的天然气,通过槽车或轮船可以将大量天然气运输到天然气管线难以达到的地方;LNG铺设投资小,方便可靠,实用性强;对于汽车而言,同样容积的储气罐, LNG汽车的续航能力大于CNG汽车的续航能力[1-2]。

2 LNG加气站构成

LNG汽车加气站与CNG加气站有着本质的不同, CNG加气机为汽车加注的是CNG,而LNG汽车加气站为LNG汽车直接加注LNG,其技术难度更大。LNG汽车加气站的典型结构如图1所示,目前LNG加气站多以橇装形式出现。

图1 LNG汽车加气站结构图Fig.1 Structure of LNG automobile filling station

图1中,箭头①、③、④、⑤、⑧代表LNG的流动方向,②、⑥、⑦代表气态天然气的流动方向[3-5]。

由于LNG的超低温特性,造成了LNG汽车加气站的复杂性。加气站工作过程中,将LNG加注到LNG汽车中,会有部分LNG气化,形成气态天然气。

3 LNG加气站控制系统设计

LNG加气站控制系统按其功能角度划分,可分为站控系统和授气系统两部分组成,其中站控部分主要任务是LNG卸车和输出LNG到授气系统,站控系统以PLC为中央控制器[6-7]。

3.1 LNG站控系统

3.1.1 LNG卸车

LNG卸车是LNG站控系统的重要工作之一,负责将槽车运来的LNG补给到LNG加气站中,其工作过程如图2所示。

图2 LNG汽车加气站卸车结构图Fig.2 Unloading structure of LNG automobile filling station

当LNG运输车与卸车管路连接后,控制系统检测LNG储罐压力P1与LNG槽车压力P2。当P1＜P2时, CV1开启,CV2关闭,LNG采用自流的方式将槽车内的LNG卸载到LNG加气站;当P1＞P2时,CV1关闭,CV2开启,通过低温泵将LNG卸载,低温泵通过变频器控制转速,以保证LNG站储气罐内压力要求。通常LNG站储气罐内压力不能超过1.2 MPa。另外,控制系统需要实时采集LNG站储气罐液位,防止过量加注[8-10]。

3.1.2 LNG输出

站控系统的LNG输出功能主要是将LNG输出到LNG授气系统,其工作流程由授气系统状态决定,两者之间通过RS-485总线方式通信,其工作流程在LNG授气控制系统中介绍。

3.2 LNG授气系统

LNG授气系统实际为LNG计量系统,通常称为LNG加气机,其作用是计量从加气站加注到LNG汽车上的加注量,完成贸易结算。授气系统不能独立工作,需要站控系统配合完成加气。

3.2.1 加气机内部结构

液化天然气的实际温度与压力有关,实际LNG从液化厂出厂,经过运输到LNG加气机,中间环节不可避免存在热交换环节。LNG加气站为了保证其处于液化状态,储罐压力一般维持在1 MPa左右,温度一般在-140℃以下,仍然为超低温液体。流量计是LNG加气机计量的核心部件。目前流量计的测试原理及种类很多,但针对低温液体的流量计量,采用科里奥利质量流量计最佳。LNG加气机基本结构图如图3所示[11]。

图3 LNG加气机基本结构图Fig.3 The basic structure of LNG filling machine

由于LNG极易气化,当LNG加气站为LNG汽车加气初期,将有部分LNG气化,处于气液混合状态,影响科里奥利质量流量计的准确计量。另外,LNG加注到LNG汽车储罐内后,由于LNG不断气化,使储气罐内压力不断升高。当压力达到一定值时,将无法将LNG加注到汽车内。在此情况下,如何将LNG顺利加注到LNG汽车,并准确计量加注量,对设计提出了新的要求。

图4为LNG加气机为汽车加气初期通过液相质量流量计的瞬时流量、密度和加气时刻对应曲线。设计试验中,低温液体无法回收,将大量液体气化后排放到大气中。如果直接采用LNG作为试验介质,大量液态天然气排放到空气中,排放过程将污染空气,同时也会浪费能源,更重要的是存在安全隐患,操作不当将引起爆炸事故。因此试验中采用液氮来替代LNG作为测试介质。液氮在带压的情况下,通常温度为-170℃左右,同LNG具有相同的超低温和易气化的特点,能够达到试验目的,满足试验要求。设计过程中采用液氮作为试验介质,LNG的密度约为400 kg/m3,实际密度与压力温度等因素有关[12-14]。

图4 瞬时流量与密度关系图Fig.4 Relationship between instantaneous flow and density

为了使LNG加气机实现加气任务,在图3中可以看到LNG加气机内部安装有液相流量计、气相流量计、控制阀CV1和CV2,以及一些附属管路等,通过采集流体状态,逻辑控制,实现加气机的准确计量。下面详细分析加气流程和控制阀作用。

3.2.2 加气流程

当LNG加气机为LNG汽车加气时,图3中加液枪插在LNG汽车储气瓶的加液口上,回气枪插到LNG汽车储气瓶的回气口上。LNG通过液相流量计CV1加液枪加注到LNG汽车内,完成加注任务。CV2的存在是由LNG的超低温和易气化特性决定的。LNG加气机在工作过程中,当LNG从加液通路上流过时,将有热交换产生,少量液体气化,升高汽车储气罐压力。如果没有回气通路,储气罐内部压力将不断上升。当加气机输出的压力与汽车储气罐压力达到平衡时,加气工作将无法继续进行。回气通路的作用即为将储气罐中的气态天然气回流到加气站,降低汽车储气罐内部压力,确保加气机能够顺利为汽车加注液态天然气。试验表明,一次加注过程回气量约为总加气机量的5%～10%左右。为了确保加气机的准确计量,回气通路上同样装有质量流量计,气相流量计负责计量从汽车储气罐中回流到加气站的气态天然气的质量,两者计量结果之差即为加气站实际加注到汽车储气罐中的天然气质量,该值作为贸易结算使用。目前LNG技术处于发展阶段,随着LNG储气罐的不断发展,气化率不断降低,储气罐的回气量将不断减少,回气通路可能被取消或在特殊情况下使用回气通路。

3.2.3 控制阀

由于LNG易气化,LNG加气机为储气罐加气过程前期,流量计及管道处于空气中,温度较高。同时由于热交换的原因,部分天然气发生气化,流过液相流量计的天然气处于气液两相状态,质量流量计处于测不准状态。因此,测量数据为非有效数据,无法保证加气机计量准确。为了保证加气机能够正确计量,采用控制阀CV1和CV2控制流体走向。通过调节CV1和CV2的开启顺序,使在计量过程中流过液相流量计的天然气一直处于液态,这样能够有效地保证LNG加气机的计量准确性。

从图4可以看出,加气机从加气开始,流经液相流量计的瞬时流量快速波动上升,而流体密度以一定斜率缓慢上升,流量计流过的介质约有20 s处于气液两相流状态,流量计测量的流量数据不能参加计量。加气机通过控制CV1和CV2的动作顺序可以有效避免由于测量介质气液两相造成计量不准的问题。具体工作原理为,当加气机开始加气时,CV1关闭,CV2打开,此时流量计测量流体状态,但不参与计量;当流体状态达到测量要求时,CV2关闭,同时打开CV1,测试流量计开始计量;当加注完成后,CV1关闭,CV2打开,完成加注任务。

3.3 加气站授气控制系统工作流程

加气站授气控制系统主要工作流程为:当加气站为汽车加气时,授气系统中的加气机发出加气命令到站控系统,站控系统开启加气阀门和低温泵,将液态LNG输出到加气机,此时加气机的工作流程将由流过加气机上液相流量计的流体状态决定。

具体工作流程如下。加气初期流进液相流量计的流体为两相流,加气机首先进行小循环,控制阀CV2开启,CV1关闭,LNG经液相流量计、CV2回到加气站中。此时流量计主要用于测量流体状态,不参与计量工作。当流过液相流量计的LNG为全液态时,控制阀CV2关闭,CV1开启,开始向储气罐中加注液化天然气,小循环的时间长短由流过液相流量计的流体状态决定。当加气结束时,加气机发出命令到站控系统,站控系统停止低温泵,完成加气。另外,在加气过程中,控制系统不断监测各个环节的运行状态,确保系统运行正常。当出现异常时具备自动保护功能,并发出报警[13-14]。

4 结束语

LNG属于低温介质,容易出现泄漏问题。天然气易燃易爆,当LNG加气站出现泄漏时,其安全运行将受到极大威胁。本系统充分考虑了安全运行这一要素,实现了自动运行和故障监测功能,能够充分保障系统运行过程中人员及现场安全。实践表明,本系统安全可靠。LNG加气站的不断建设将推动LNG汽车的大量出现,为节约能源实现可持续发展和改变城市大气质量做出重要贡献。

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Design of the Control System for LNG Automobile Filling Stations

Liquefied natural gas(LNG)is ultralow temperature liquid,due to the characteristics of low temperature and easy gasification;it is a challenge to implement automatic control without leakage for such liquid.In order to fill LNG into LNG automobile with high efficiency, reliability and safety,the control system for refueling station of LNG automobile has been designed.The system structure,operational principle of the station are introduced,the station control system and filling system are expounded emphatically,the working flowchart and control logic of the filling system for LNG automobile filling station are analyzed in detail.The practical application shows that the control system possesses high automation level,accurate metering and automatic protection function,it is capable to filling LNG for automobiles.

Liquefied natural gas(LNG) Station control system Filling system Automatic protection PLC

TP271+.3

A

修改稿收到日期:2014-02-17。

杨修杰(1981-),男,2009年毕业于成都理工大学测试计量技术及仪器专业,获硕士学位,工程师;主要从事流量检测及流体控制技术的研究。