基于实时参数的LNG加气站卸液流程优化

何才宁 吴大良 张永辉

〔中国石化广东石油分公司 广东 广州 510620〕

在液化天然气加气站运营的进销存各环节中，大都涉及LNG的低温特性，包括目前普遍存在的卸车慢、损耗和能耗大、安全环保风险多等诸多问题。为此，本文基于LNG在卸液过程中需控制的温度和压力两个参数在工艺各操作部位的实时变化，全面剖析了卸车损耗、时间、能耗等指标，探讨了最优的卸车流程和方法，以期促进卸车向更加标准化、自动化、智能化的方向发展。

1 目前的共性问题

采用普通卸车方式难于将LNG卸干净，卸车损耗大。不少加气站卸车时只是简单地启动潜液泵或者汽化器自增压卸车，没有考虑槽车、储罐、管线中的温度、压力等实时动态参数，存在卸车慢、槽车LNG余液多、损耗大等共性问题。平均每车卸车损耗约150 kg，损耗率在0.5%～1.0%之间。按年零售量60 000 t计算，卸车损耗450 t。折合人民币约300万元。

LNG卸不干净将导致安全环保的巨大风险。一般来说，LNG卸车作业完毕后仍有0.3～0.4MPa压力的LNG残留在槽车罐体内，由此造成每次作业大约有50～200 kg的卸车损耗。由于气库一般要求槽罐车降压到0.1MPa才允许进库装LNG，因此司机通常将罐车内余气直接排放到空气中。LNG排放出来造成的温室效应是CO2当量的21倍，这样既不安全，又不环保，还造成资源浪费。

2 内涵和主要做法

LNG在加气站进销存中温度一般宜保持在-155℃至-145℃，其低温特性以及储罐气液并存的状态决定了不同的卸车方式，操作流程将直接影响LNG槽车罐能否卸干净、卸得快、节能、安全。这就需要基于卸车时候的实时参数和工艺，合理优化、控制储罐、槽车的接卸操作流程，最大限度地利用LNG储罐与槽车罐LNG不同的压力差、温度差、液位差来提供卸车动力，减少冷损失和热交换，并从设计-操作、从规范-效率、从安全-节能等诸方面全面优化，选择最优的卸车模式。下面就从管道吹扫、平压(压力平衡)、增压、卸车各个环节进行分析和优化，最终实现降耗节能一体化。具体做法如下。

2.1 卸液前的准备工作

2.1.1 卸液管道充分吹扫

加气站卸液区卸液管线在日常管理中，虽然有盲板覆盖，但是也难免会有水杂沙石等进入卸液管道内。如果有积水冬季还会出现冰块、冰堵的现象，造成管道堵塞甚至造成设备损害，而在管道吹扫的过程中还会有对管线进行预冷的作用。

具体操作如图1所示：开启储罐上进液阀门SV3、GV3、卸车阀GV5，卸车增压阀SV8和卸车气相阀SV7，以及进口阀GV8全部打开，同时槽车的根部阀要全部处于关闭状态，打开槽车的放空阀，利用加气站内储罐的压力将管线内的杂质和空气吹扫干净。然后缓慢微开槽车的液相阀，打开放散阀SV9，这样从槽车放出少许LNG经常温管道汽化后可吹扫卸车液相管道，吹扫完成后关闭槽车液相阀。LNG卸液管道的吹扫流程详见图1所示。

图1 卸液吹扫流程

需注意的是，个别槽车增压液相无放空管，且要关闭液相阀门。因储罐下部都是液体，槽车和加气站储罐的位置虽有高度差，但储罐和槽车罐的压力差更大，一般压差达0.4 MPa，如不关闭加气站储罐液相阀门或液相阀门内漏，在平压的过程中就可出现液体跑到槽车的现象。

2.1.2 平压方式及其选择

一般来说，卸车前站内储罐压力都比较高，基本在0.5 MPa以上，销量小的加气站则更高。槽车有安全阀装置，安全阀起跳压力基本在0.7 MPa以上，要让LNG液体能够正常流进站内储罐，槽车罐内的压力要比储罐高0.2 MPa左右。如果直接对槽车罐进行增压，就会出现安全阀起跳喷液的现象。为了安全起见，应先将储罐压力降低，然后再对槽车罐进行增压，同时也能避免储罐放空，造成不必要的损耗和大气污染。

平压也称为加气站储罐和槽车罐的压力平衡，平压主要分为两种：

(1)液相平压。站内储罐气体从槽车底部进入槽车罐内，可以使站内储罐压力下降，槽车罐压力不变，储罐降压明显较快，但是对站内储罐液体的饱和度(温度)有影响。

(2)气相平压。站内储罐气体从槽车的顶部进入槽车罐内，可以使站内储罐压力下降，槽车罐的压力上升，而站内储罐压力下降有限，但能在平压的同时给槽车罐增压，减少增压时间。

两种平压将会出现不同效果，从槽车罐上部进行气相平压时，槽车罐的上部都是气体，站内储罐的气体经管线到达槽车罐上部空间后，槽车罐上方的气体越来越多，所以压力也越来越高；而当储罐的气体从下部进入槽车时，槽车下部都是液体，储罐的气体经过槽车的低温液体后，气体就会变成液体，所以槽车罐压力变化不大。需要注意的是底部平压时储罐内的液体和槽车罐的气体温差较大，容易出现翻滚的现象，要注意控制流速。

如果无法使用底部液相平压，顶部气相平压可以开启站内储罐上进液阀门，开启出口阀，完成顶部气相平压;使用底部液相平压，可以打开储罐上进液阀门，打开进口阀，完成底部平压。

由于每个站管线的设计不一样，可以通过上面所述的原理来操作。具体如下：

(1)根据各站内的(实际)压力情况来判断。一般来说，当站内储罐压力高于0.5 MPa时，可以先使用底部液相平压，当储罐压力降至0.4～0.5 MPa或者更低时再转换成顶部气相平压。大多数站都比较适用这种方法；如加气站内销量较小(3～7t/d)，应尽量将站内储罐压力降低，可直接用底部液相平压。

(2)如站内的销量较大，平均每天销量可以达到10 t/d以上，储罐本身的压力基本不超过0.4 MPa，液体的温度基本保持在-135℃以下，可以直接使用顶部气相平压。多数站是先使用底部液相平压，将储罐压力降至0.45～0.5 MPa后，再转换成顶部气相平压。

如何判断平压的完成是实际操作中比较重要的问题，可从“一看、二听”来判断：

看压力：查看站内储罐压力和槽车罐压力的情况，平压完成后，储罐压力和槽车罐压力基本是一致的。

听声音：注意听管道的声音，刚开始平压的时候，因两者的压差较大，流速也会很大，声音会比较大且刺耳，当平压完成后，声音明显会变缓变小。如果平压时出现跑液现象，严禁同时关闭增压软管两端阀门，否则增压软管内液体汽化升压后，由于增压软管没有安全阀释放超压气体会引起管道爆裂。

2.2 增压和卸车

2.2.1 利用内在压差为槽车罐增压

卸液前储罐压力一般都比槽车罐压力高0.1～0.6 MPa，槽车液体流动缓慢或者无法流进储罐，这时需对槽车罐进行增压，利用提高的压差加快槽车液体卸进储罐。增压方式有自增压和泵增压两种。自增压是利用槽车卸液系统中的增压汽化器增压，泵增压是利用加气站中的潜液泵增压。

2.2.2 增压与方式流程及操作

(1)自增压流程及操作。

自增压流程：一般利用增压液相管和增压气相管完成。槽车液体通过增压液相管流至增压汽化器，增压完成汽化后，再通过增压气相管回流至槽车顶部，完成增压。

自增压操作：将槽车的增压液相管和增压气相阀门打开，再将站内的卸车液相管和卸车气相阀门打开，槽车液体流经汽化器，再回流至槽车顶部。

(2)泵增压流程及操作。

泵增压流程：泵增压是指利用站内潜液泵将槽车或者站内储罐的液体加压后经过增压汽化器，增压完成汽化后，通过增压气相管回流至槽车顶部，完成增压。具体操作有两种情形：

利用储罐液体进行泵增压操作：利用站内储罐LNG，通过储罐出液管后，再由潜液泵加压抽送至增压汽化器，再通过增压气相管回流到槽车顶部，完成增压。增压前，加气站信息操作系统调至手动模式，潜液泵频率调低(一般为50 Hz)，打开LNG出液阀，其他气动阀门全部关闭，增压液相阀关闭，将汽化器进口阀手动拧开少许，注意听气体流动的声音和观察槽车压力变化速度，如过快或者过慢可以利用卸车气相手动阀进行控制。此种槽车增压方法适用于卸车后期槽车自身液体较少时。

利用槽车罐液体进行泵增压操作：利用卸车LNG，通过加气站卸车进液管后，再由潜液泵加压抽送至增压汽化器，再通过增压气相管回流到槽车顶部，完成增压。增压前，加气站信息操作系统调至手动模式，潜液泵频率调低(一般为50 Hz)，打开卸车液相手动阀，其他气动阀门全部关闭，增压液相阀关闭，将汽化器进口阀手动拧开少许，注意听气体流动的声音和观察槽车压力变化速度，如过快或者过慢可以利用卸车气相手动阀进行控制。此种槽车罐增压方法适用自增压困难时或需要快速增压时。

需要注意的是，由于每个槽车安全阀的起跳压力不同，要注意增压后槽车压力应低于安全阀起跳压力0.05 MPa，一般槽车安全阀起跳压力为0.7～0.8MPa。即便如此，槽车压力也不应该超过0.7 MPa。如果在卸车时，槽车的安全阀出现了起跳，应立即关闭增压液相阀和增压气相阀，停止继续对槽车的增压，并且立即打开增压液相管和增压气相管之间的放空阀，防止管道憋压破裂。卸车液相阀不要关闭，液体快速流到储罐内的时候，槽车罐压力也会快速下降，待降至安全阀自闭压力时，安全阀自动关闭，停止喷液。

2.2.3 两类增压方式的特点

自增压需要连接增压液相管和增压气相管，操作简单，压力稳定，在增压时加液不受影响，但是增压速度比较慢，从0.3 MPa增至0.6 MPa一般用时20～30 min(每个加气站的效果不一致，时间会存在差距)，同时该方法会在汽化时吸收热量，带进到储罐中。但在卸车后期槽车液体较少,增压效果不理想。加气站都能使用此方法进行增压，也是普遍使用的增压方法。

泵增压可以不连接增压液相管，利用站内液体或者槽车液体进行增压，特点是增压速度快，从0.3 MPa增至0.6 MPa一般只需用时5 min左右，而且加液不受影响。但是该方法用泵需消耗一定电量。同时操作比较复杂，操作人员的操作技能要求较高，同时站内管线设计布置需要支持此方法，压力波动受变频器的频率影响较大。如果站内压力较低，卸半车时应使用此方法进行增压。

2.2.4 自增压和潜液泵有机结合卸车

平压后储罐压力普遍在0.45 MPa左右，一般来说槽车罐比储罐高0.2 MPa时就可以卸车，即卸车时槽车罐压力应该增压并保持在0.60～0.65 MPa，因此卸车时需要给槽车继续增压或者提供动力。具体卸车模式如下：

(1)自增压模式卸车(不启动泵)。如图2所示，在该卸车模式(非启泵状态)，开启阀门SV7、SV8、SV9，槽车液体可通过卸车液相管，经过潜液泵，再通过卸车阀GV5、GV3、SV3经上进液口卸进储罐内。这种方法比较慢，只能完全通过压差进行卸车，卸车效率不高，加液不受影响，无公交车加液时，不用启动潜液泵，节约电能。

图2 自增压模式卸车

(2)启泵增压模式卸车。如图3所示，将加气站信息操作程序调整为启泵卸车状态，LNG出液阀门GV2和加液阀GV6关闭，卸车阀GV5打开,加气站信息操作系统进入卸车状态，阀门SV9、GV9开启，LNG从储罐的上进液或下进液(可根据站内实际情况选择)卸进储罐内。为了加快卸液速度，需要一直启动潜液泵，消耗部分电能，但卸车时加液不受影响,加液阀GV6在加液时会自动打开，卸车阀在加液时自动关闭)槽车液体可直接加注到用户车辆。

图3 启泵增压卸车(上下进液可以自由切换)

(3)自增压和潜液泵结合卸车。如图4所示，当潜液泵启动之后，液体通过泵后管道卸入储罐，同时，汽化器进口阀GV8打开少许让很小一部分的液体经过，完成对槽车罐增压。如果开启位置过大，汽化效果不好，还会有加温液体返回槽车罐，所以增压阀门开启的大小很关键，要控制适度，这样卸液速度会明显加快。启泵增压卸车(结合增压)见图4所示。

图4 启泵增压卸车(结合增压)

(4)卸车方法的选择。自增压和潜液泵结合卸车是目前较优的操作方式，既使用了潜液泵的动力，还充分利用了储罐和槽车之间压力和温度差异产生的内在能量平衡，缩短了卸车时间(表1)，相对减少了热交换和冷损失，降低了卸车损耗。尤其是在加气站加液高峰期时，不建议采用自增压卸车，主要采用自增压和潜液泵相结合(或泵)卸车模式，此时不仅卸液速度快，同时也能给公交车加液，而且加液速度快，这就是人们通常所说的边卸边发加液流程。

表1 自增压卸车和泵卸车时间差异表

(5)LNG进罐方式选择。通常LNG进入储罐有两种方式，包括上进液、下进液。①上进液：槽车罐液体从站内储罐的上部进入，对储罐进行喷淋，储罐气体越来越少，储罐压力会越来越低，槽车和储罐的压差越来越大，卸车速度会越来越快，所以，在开始卸车的时候应使用上进液卸车。如果卸车前站内压力高于0.3 MPa，也应使用上进液卸车。②下进液：槽车罐液体从储罐底部进入，随着储罐液体越来越多，会将一部分气体变成液体，但是效果不明显，降压速度也比较慢。如果站内储罐压力低于0.2 MPa，应使用下进液进行卸车，另外在来液温度较高时也应使用下进液卸车，避免储罐压力快速上升。

一般卸车都是先使用上进液卸车，待储罐压力降至最低值或者储罐压力开始出现上升时可以转换成下进液卸车，这样更加平稳、安全和快捷，而且有利于防止不同LNG气源的密度、温度差异造成储液分层现象发生。

2.2.5 最大限度抽尽底液

LNG槽车能否最大限度抽尽罐中底液，直接影响到损耗大小，是进货卸车损耗管理的主要节点，具体扫底操作流程如下：

(1) 卸车时槽车罐压力为0.65 MPa，储罐压力为0.45 MPa，一般来说，泵卸车的速度是每小时13～14 t，如果按照来液是20 t算，1 h后槽车罐压力应该为0.5～0.55 MPa，剩余量为6 t左右，槽车罐液位应为320 mm左右，储罐压力应为0.17～0.21 MPa，这时可以关闭增压阀门。

(2) 当槽车罐剩余2 t时，槽车罐压力大约为0.3～0.4 MPa，储罐压力大约为0.2 MPa时，处于气液共存状态，气体的流动速度比液体快，储罐的压力开始缓慢上升，这时候可以将卸车换成下进液，让槽车罐内液体从底部卸入储罐。

(3)将模式调至手动状态，把相应的卸车阀门打开，将潜液泵频率调低至不空载报警状态，缓慢将余液抽入储罐。

(4)利用公交车加气的高峰期，在公交车高峰加液的同时也能将槽车罐里面的余液抽回储罐。

(5)卸后抽压时间比较长，较快时大约半小时即可将压力抽尽。

一般来说卸后槽车罐压力应该为0.3～0.35 MPa，槽车罐带走的LNG在150 kg左右，如果高于0.35 MPa时较容易出现超差约为200 kg。需注意的是，如何判断是否卸完？需观察和判断，以免提前或推迟，造成数量、安全或能耗上的隐患。

(1)查看槽车罐和站内储罐液位表，如果槽车罐液位表在“O”位状态时，就表示已经没有液体，并查看站内储罐液位计的读数，计算核对进货量。

(2)查看槽车罐压力表，如果槽车罐液位表已经归“O”，而且槽车罐压力在0.35 MPa以下，证明基本卸完了。

(3)缓慢打开槽车罐放空阀查看喷气状态，注意观察槽车罐喷射物，如果呈白雾状态，证明已经没有液体。

(4)缓慢打开站内液相放空阀查看，先将站内的液相卸车阀门关闭，打开槽车罐液相阀和站内液相卸车阀之间的放空阀，观看放空管的结冰状态，如果立即出现结冰，证明槽车罐内还有液体，如果1 mim内放空管只有轻微结霜，说明槽车罐内已没有液体。

2.3 高度关注LNG气源温度对卸车的影响

要确保卸车更加干净，对来液温度必须严格控制，要求不高于-145 ℃(建议在采购合同中对供应商进行约定)，一旦超过-145 ℃，卸液时间、卸车和储存损耗会明显增加。来液温度越低，储罐的饱和压力也就越低，对卸液越有利，可以观察槽车罐的压力来判断温度，如压力为0.1 MPa或者更低时，来液温度大约为 -160～-155 ℃。压力在0.1～0.15 MPa时来液温度大约在-155～-150 ℃，这种温度还比较正常，如压力高于0.25 MPa或者更高时，温度为-145 ℃以上时，要密切跟踪供应商的LNG来源、槽车罐保温是否出现异常，若发现异常必须及时采取措施(见图5)。

图5 来液温度、压力对应关系图

3 实施效果

3.1 卸车损耗大幅下降

卸车操作和LNG来液温度会直接影响卸车损耗。本文根据实际温度、压力、工艺等参数来优化卸车方式，并加强相关操作人员培训和现场交流，确保卸车损耗最小、卸车最快，使卸车损耗明显降低，下降幅度超过50 %，进货损耗从2012年的平均每车大约150 kg，到现在平均大约在70 kg。按笔者所在企业每年进货约3 000车次，每年可实现降耗240 t，减少碳排放量超过8 000 t。

3.2 卸车时间大幅缩短

基于实时参数优化卸车模式后，卸车时间由原来每车4 h缩短为2.5～3.0 h，大幅减少了潜液泵的运行时间，节约大约30 %的电力，实现了卸车安全、规范、节能“一体化”，罐卸得更干净、更快捷、更安全、更节能和环保。

4 结语

综上所述，本文探讨了基于实时参数的加气站LNG卸液模式和流程优化，意在抛砖引玉，促进企业和使用单位共同关注和提升加气站的LNG卸车工艺、设备和操作，可从设计到操作、从降耗到节能、从规范到效率、从安全到环保等全环节全面提升。如通过信息系统全方位实时采集槽车罐和加气站储罐、潜液泵、管线等卸车时的压力、温度和流量等参数，并进行自动判断和优化，同时结合加气站硬件设备的升级和完善实现全过程自动控制和损耗监测，将进一步提升较为复杂的LNG加气站卸车流程的优化、标准化和自动化，最终实现槽车能自动实现卸得更干净、更快捷、更安全、更节能和环保。