卧式虹吸深冷液体贮罐在LNG/L-CNG加气站中的应用

李 响

（江苏秋林特能装备股份有限公司，江阴 214400）

1 研究背景

燃油汽车是空气污染的重要影响因素，随着国家对大气环境污染的治理不断推进，使用清洁燃料的天然气汽车近些年也得到了快速发展。随之，天然气汽车加气站近几年在各地也得到了一定程度的展开，特别是LNG/L-CNG汽车加气站的建设，既可以为LNG汽车加气，也可以为CNG汽车加气，因此，得到大力推广和建设。

以往对液化天然气的储存，通常使用常规的液化天然气贮罐，它们均无虹吸构造设计，管口有效外接数量也有限。普通卧式液化天然气贮罐，容器封头处每个管线出口都必须在封头处单独开孔，焊接点多，工作量大。管线出口尤其是液相的出口均采用非真空绝热方式，造成了极大的漏热，使贮罐液相根部很容易结冰。普通的管线设计，由于液相出口离地面高度限制，与泵连接后，无法给泵足够大的启动静压头，造成泵的气蚀和损坏。由于贮罐液位和静压头的限制，无法在使用过程中最大限度用尽罐内液体，造成了经济损失。此外，普通的卧式液化天然气贮罐没有专门的底部气相回流管，泵在运行过程中产生的大量气体只能回到贮罐顶部气相空间，造成贮罐压力急速上升，极易造成贮罐超压排放，造成保存气体浪费。而新型卧式虹吸深冷液体贮罐在LNG/L-CNG加气站的应用将有效解决常规液化天然气贮罐无法解决的诸多问题。

2 LNG/L-CNG加气站的流程

LNG/L-CNG加气站流程分为LNG加注部分和CNG加注部分。LNG/L-CNG加气站加气工艺流程如图1所示。LNG/L-CNG加气站及其虹吸贮罐与低温高压柱塞泵、低温潜液泵的布置如图2、图3所示。

2.1 LNG加注部分

卧式虹吸深冷液体贮罐→LNG潜液泵→LNG加气机→LNG车用气瓶

2.2 CNG加注部分

卧式虹吸深冷液体贮罐→低温高压柱塞泵→高压气化器→顺序控制盘 储气瓶组→CNG加气机→CNG车用气瓶

3 卧式虹吸深冷液体贮罐与低温高压柱塞泵的连接方式及其工作原理

图1 LNG/L-CNG加气站加气工艺流程

图2 LNG/L-CNG加气站

图3 LNG/L-CNG加气站中虹吸贮罐与低温高压柱塞泵、低温潜液泵的布置

卧式虹吸深冷液体贮罐，包括：卧式罐体，卧式罐体筒体段底部设置有垂直筒体向下的虹吸包，虹吸包上连接有虹吸供液管与虹吸返回管，虹吸供液管与虹吸返回管分别通过真空绝热管道与低温高压柱塞泵连接，具体连接方式如图4所示。罐体内的液化天然气通过虹吸供液管及真空绝热管道进入柱塞泵，进泵前管道良好的绝热性能保证了泵体入口处液体的静压头，确保泵体入口处的液化天然气处于过冷状态，避免泵体启动时产生气蚀从而损坏泵体，同时可以充分使用卧式罐体内部的液体，避免造成经济损失。流入泵体内的液化天然气一部分进入泵腔，通过加压后从泵的出液口进入高压路管，另一部分液体在进液腔内由于吸热及泵运行中产生部分气泡，形成气液两相流，此部分流体从泵体进液腔的顶部回气管沿着真空管道及虹吸返回管进入贮罐底部液相区，沿着罐体内部继续上升到液体表面，在这个过程中部分饱和气体被液化，降低了卧式罐体内部的压力，减少了气体排放造成的损失。

图4 卧式虹吸深冷液体贮罐与低温高压柱塞泵的连接方式

而常规贮罐为了能够提高进入柱塞泵的静压头，安装时需要将卧式罐体底部加高，贮罐内的液体进入泵进液腔后，受热后的气液混合物会从气相管返回至贮罐顶部的气相空间，增加贮罐气相空间的压力，容易造成贮罐的超压排放，具体如图5所示。

图5 普通卧式深冷液体贮罐与低温高压柱塞泵的连接方式

卧式虹吸深冷液体贮罐就是利用虹吸原理将液体从低位经过高出液面的地方引向更低的液位，虹吸现象是液态分子间引力与位能差所造成的，使液体上升后再流到低处，由于管口所承受不同的大气压力，液体会由大气压力大的一边流向压力小的一边，直到两边大气压力相等，容器内的液面变成相同高度，液体就会停止流动，利用虹吸现象很快就可以将容器内部的液体抽出。卧式虹吸深冷液体贮罐利用虹吸包及虹吸管道的设置加大了卧式罐体内的液体与泵体之间的液位高度差，加大了两者之间的压力差，加上液体进入泵体后，由于在泵体进液腔内吸热，产生部分气泡，并随饱和液体通过回气口进入虹吸返回管道，再返回管道内形成两相流，泵进口的静液位与两相流间存在密度差，形成使液体可以更顺畅地通过液位差及密度差直接流入泵体，确保深冷低温泵体的启动和运行。

卧式虹吸深冷液体贮罐可以与低温高压柱塞泵底座安装于同一高度的基础上，底部无需另外加高，能有效降低LNG/L-CNG加气站的土建成本。卧式虹吸深冷液体贮罐底撬上可以同时安装低温离心泵，减小泵与贮罐罐体间的管线距离，且方便LNG/L-CNG加气站中不同用途泵的布置。

4 卧式虹吸深冷液体贮罐应用在LNG/L-CNG加气站的优点

第一，保证罐体内部的液化天然气充分用尽，减少了液化天然气的浪费；第二，与罐体相连接的低温泵可以在贮罐压力极低（0.7bar）的情况下正常启动，而无需增压；第三，快速启动低温高压泵，减少了气蚀现象的发生，大大延长了低温泵体的使用寿命；第四，最大程度减少泵体启动过程带来的气体损失；第五，虹吸罐可以连接低压泵、高压泵，且可以同时运行，提高了工作效率；第六，虹吸罐用于加气站，底部无需加高，与低温泵的连接更方便，距离更紧凑，可以降低场站的土建成本。

5 注意事项

5.1 设计、安装过程注意事项

第一，卧式虹吸深冷液体贮罐与低温高压柱塞泵间的管道尽可能短且尽量减少弯头以降低流体流动过程中的阻力；第二，虹吸出液管线安装时应朝柱塞泵方向向上倾斜一定角度，建议倾角为5°，这样可以使可能产生的任何气泡自由的流出管道液封处；第三，虹吸回气管线安装时应朝贮罐方向向上倾斜一定角度，建议倾角为10°，这样可以使可能产生的气泡自由的随回流流体进入罐内；第四，低温高压柱塞泵进口应安装过滤器以防止污染物进泵；第五，低温高压柱塞泵进液口及回气口应设置柔性软管以减小管道的载荷与振动；第六，卧式虹吸深冷液体贮罐与低温高压柱塞泵间的管道应采用高真空多层绝热管道，以减少管道漏冷；优异的保冷性能可以确保液体维持较低的饱和压力，以避免闪蒸现象发生。

注：如果卧式虹吸深冷液体贮罐虹吸出液口与柱塞泵进液口间的管道较长，管线保温效果较差，管线的吸热量就越多，虹吸效应就会变差。

5.2 日常使用及待机过程中的注意事项

在柱塞泵开启使用时，卧式虹吸深冷液体贮罐与柱塞泵间的气动阀门处于开启状态；在待机状态时，卧式虹吸深冷液体贮罐与柱塞泵间的气动阀门保持关闭状态。