LNG加气站成套气化装置设计.doc

西安交通大学本科生毕业设计（论文）前 言天然气是一种极为理想和相当安全的能源，20世纪后期以来为了消除传统汽车燃料给环境，尤其是城市大气造成的巨大污染，许多国家除了采取加强产业技术升级，严格排放法规等措施外，还积极开展清洁燃料汽车的开发和推广工作，目前已经在天然气，燃料电池，醇类燃料，氢能，太阳能等领域取得了丰硕的成果。相比之下，天然气汽车技术的发展尤其引人注目。在几十年的发展过程中，完成了从机械控制到电子控制，从进气道预混供气到电喷供气甚至缸内直喷供气的技术升级。根据不同的燃料储存形式，天然气汽车（NGV）又分为压缩天然气汽车（CNGV），液化天然气汽车（LNGV）和吸附天然气汽车（ANGV），其中CNGV的车用系统发展比较成熟和完善，LNGV在20世纪90年代也已开始小规模推广使用。从使用效果来看，LNGV弥补了CNGV很多不足指出，具有良好的推广使用价值。现在CNG汽车已经在国内广泛使用，CNG是指主要由甲烷构成的天然气在25Mpa左右的压力下储存在车内类似于油箱的气瓶内，用作汽车燃料。传统的工艺过程在CNG汽车站将0.30.8Mpa低压天然气，经过天然气压缩机升压到25Mpa，由顺序控制盘控制，按高、中、低压顺序储存到储气钢瓶组，再由CNG加气机向汽车钢瓶加注。而汽车钢瓶高压气再经过减压装置减压后经燃气混合器向发动机供气。燃用压缩天然气（CNG）与燃用汽油相比具有以下优点： 1）节约燃料费用，降低运输成本。1立方米天然气相当于1.1-1.3升汽油； 2）比燃油安全性高，CNG自燃温度为732，汽油自燃温度为232482 。同时天然气相对空气的比重仅为0.60.7。一旦泄漏，可在空气中迅速扩散，不易在户外聚集达到爆炸极限。 同时CNG是非致癌、无毒、无腐蚀性的，有记录以来未发生过重大燃烧和爆炸事故。从国内使用十多年CNG的经验来看，天然气汽车比燃油汽车更安全； 3）CNG燃料抗爆性能好。CNG的抗爆性相当于汽油的辛烷值在130左右，而目前使用的汽油辛烷值最高仅在96左右，所以CNG作为汽车燃料不需添加抗爆剂；4）CNG汽车具有很好的环保效果。使用CNG替代汽油作为汽车燃料，可使CO排放量减少97%，CH化合物减少72%，NO化合物减少39%，减少24%，减少90%，噪音减少40%。而且CNG不含铅、苯等制癌的有毒物质。所有CNG是汽车运输行业解决环保问题的首选燃料； 5）燃用CNG可延长汽车发动机的维修周期。汽车发动机以CNG为燃料，发动机运行平稳，噪音低。无重烃可减少积碳，可延长汽车大修理时间20%以上，润滑油更换周期延长到1.5万千米。提高了发动机寿命，维修费用降低，比使用常规燃料节约50%左右的维修费用。技术成熟的CNG汽车技术虽然有燃料价格，操作，安全，维修，环保等方面的优势，但却并没有使CNG汽车占有很大的市场份额。这主要是由CNG储气方式本身的缺陷导致的。因为CNG储气的特点，决定了其一次加注行驶的距离短，要想使CNG汽车真正进入商业运输，需要巨额的资金投入以建设足够数量的CNG加注站。如果加气站数量不够，客户会因为担心找不着加气站而放弃CNG汽车，已建成的加气站也会由于没有足够的客户而陷入停顿。而这一切问题在LNG汽车出现之后迎刃而解，天然气液化后，其密度为标准状态下甲烷的600多倍，体积能量密度约为汽油的72%，为CNG的两倍多，因而LNG汽车解决了CNG汽车存在的行程太近的问题。天然气在液化前必须经过严格的预净化，因而LNG中的杂质含量远低于CNG，这使得汽车尾气排放满足更高标准成为可能。LNG燃料储罐在低压下运行，避免了CNG因采用高压容器带来的潜在危险，同时也大大减轻了容器本身的重量。因而LNG汽车是21世纪天然气汽车发展的重要方向。几乎平行发展的CNG汽车和LNG汽车技术面临的一个共同问题就是没有足够的服务站与之配套。而传统的CNG加气站不能为LNG汽车服务，LNG加注站也不能产生CNG，这使本就不足的天然气汽车服务站更加分散。所以寻找一种兼容两种天然气汽车的服务站就成为当前天然气汽车发展的迫切需要。基于LNG在储运上的优势，基本的技术构想是采用LNG作为基本运输物，在LNG气化站（LCG）中气化后成为CNG，这样既可以为CNG汽车服务亦可为LNG汽车直接加注LNG，一举两得，如果可以实现这一气化站技术，将会大大加快天然气汽车的普及速度，更好的为绿色奥运，和谐环境，和谐世界服务。第1章 气化器技术综述LCG加气站的主要设备除去必不可少的LNG储罐，气化器，高压气瓶外，其它设备由具体工作流程决定。在这三个主要设备中气化器是整个加气站的核心，加气站的设计实际上就是根据需要设计合适的LNG气化器。现在国际上通用的气化器总体上来说分为四大类：空气加热型气化器，开架式气化器，燃烧式气化器以及有中间流体的气化器。下面就分别详细介绍这四类气化器的原理与大体结构。1.1空气加热型气化器 所谓空气加热型气化器就是指直接利用空气中蕴含的热能气化LNG的技术。传统的空气加热型气化器多采用翅片管的外型或其它伸展体表面直接与空气进行热交换，达到把液态天然气气化的目的。管外利用翅片加强换热，管内LNG自下而上流过气化器，这样就可以吸收空气中的热量实现LNG的气化。但这种类型的气化器受环境条件的影响较大，比如温度和湿度的影响。另外，这种气化器的气化能力还受到当地的最低温度和最高湿度的影响，它无法避免结冰现象的发生，结冰过多会减少有效的传热面积和堵塞空气的流动。空气加热型气化器的上限一般在标准状况下是1400。由于没有燃料消耗，所以结构简单，运行费用低，但单位容量的投入费用较高，而且最大气化能力相对是比较低的。图1-1 日本空气加热型气化器内部结构国内苏州新锐公司生产的系列气化器是利用空气自然对流加热换热管中的LNG，其工作压力：0.8-25.0MPa单台流量：50-3000，其主要优点在于： 无能耗、无污染、绿色环保 安装简便、维护方便 专用铝材换热，高效、轻量化设计、使用寿命长 特殊的160或200超大直径专用铝制换热管，化霜速度极快，有效的内翅片结构，大大提高换热管的换热效果 “桥”式连接元件美观大方，工作时消除各部位热胀冷缩产生的应力； 进行特殊的换热管表面抗氧化处理工艺； 优化流程设计，使压降降到最低，绝无偏流现象，保证流速控制在安全范围以内； 充足的设计裕量； 所有气化器完全按照服务标准进行清洗和制造，使用更安全； 可按电子级标准设计、制造； 设计条件：温度-10C、相对温度70%，连续使用8-12小时的气化量。图1-2 国产空气加热型气化器外观1.2开架式气化器用水作热源的LNG气化器应用很广，特别是海水中蕴含着大量的低品位热能，这种热能虽不能当作能源，但对天然气气化来说却有着积极的意义。开架式气化器ORV（Open Rack Vaporizer）就是以海水为能量来源的大型天然气气化装置。整个气化器用铝合金支架固定安装。气化器的基本单元是传热管，由若干传热管组成板状排列，两端与集气管或集液管焊接形成一个管板，再由若干个管板组成气化器。气化器顶部有海水分布喷淋装置，海水喷淋在管板外表面上，依靠重力作用自上而下流动。液化天然气在管内自下而上反向流动，在这个过程中通过管壁换热气化LNG。与空气式气化器相比，ORV的气化能力大增，最大天然气流量可达180t/h，气化成本相似，操作也很简单 。它的问题主要是对地理位置要求高，厂址要求临近海边或者大型湖泊，河流，而且这种气化器的气化能力也会受到气候等因素的影响，随着水温的降低，气化能力下降。通常气化器的进口水温的下限大约为5，开架式气化器对水质也有要求，为了避免水产生物在气化器管壁上生长还需要对进入的水进行预处理，而这一过程加入到水中的氯离子会对环境产生不良影响，设计时需要详细了解当地水文资料还有水产生物的生长情况。开架式气化器基本的工作流程和大体结构可以参看图1-3。图1-3 开架式气化器原理示意图1.3有中间流体的气化器所谓有中间流体的气化器就是指在气化天然气过程中在液化天然气与空气或者与水换热之间加入中间介质，这里的中间介质可以是盐水，丙烷，丁烷，氟利昂等。有中间流体的气化器有效的避免了结冰现象和冒“白烟”现象。实际使用的气化器典型传热过程是由两级换热组成：第一级是由LNG和中间流体进行换热；第二级是中间流体和热源换热。这样热源就不存在结冰问题，可以采用多种热源比如工厂废热产生的热水，同时对海水温度的要求也不存在了。中间流体图1-4 中间流体气化器原理示意成熟的中间流体技术主要有三菱公司的闭式循环液化天然气气化装置（Closed-Circulation LNG Vaporization Equipment）。该设备的工作流程图如图1-5。工作过程中盐水在加热塔中先行加热然后进入盐水储罐，再经过盐水泵进到盐水加热器再次加热，最后进入气化器与干空气换热；LNG则直接进入气化器通过与干空气的换热，吸热气化成天然气。整个过程避免了LNG与热源的接触，同时采用易得的干空气作为中间流体，既解决了结冰问题又使得成本比起采用乙二醇，丙烷，丁烷等小得多，而且不存在中间流体有毒带来的诸多问题。闭式循环空气汽化器在改进空气加热型气化器原有缺点的同时保持了固有优点，在总本增加不多的情况下较好的解决了经济性和环境适应性的矛盾。整套装置结构紧凑，效率高（1t/h/unit）。图1-5 闭式循环工作流程图图1-6 闭式循环气化器外型（2300mm x 2600mm x 1100mm）1.4 燃烧加热型气化器 燃烧加热型气化器主要用途是在大型气化站中充当调峰型气化器的角色。现在的成熟技术主要是日本住友公司的SMV浸没式燃烧气化器(Submerged Combustion type )，其原理是采用一个燃烧器，直接向水中喷射，由于燃气与水直接接触，燃气激烈的搅动水，使传热效率非常的高。水沿着气化器的管路向上流动，LNG在盘在水中的蛇管中吸收热量气化，气化装置的总的热效率在98%左右。每个燃烧器每小时有105GJ的加热能力，因而生产能力大，燃烧气化器的启动相当迅速，负荷在10%-100%内可调。当然运行成本方面的先天问题使它只能成为调峰型气化器。其主要工作示意图参看图1-7。图1-7 浸没燃烧式气化器1.5 蒸气加热型气化器蒸气加热型气化器是液化天然气运输船上的重要装置，它的气化能力不是最主要设计的指标。它具有多功能的特点，可以置换惰性气体，紧急供应少量天然气，加压卸货，气化惰性气体。由于其不是毕设的主要方向故不做过多介绍。1.6 专利新技术作为21世纪清洁能源的天然气，世界上有很多公司个人都致力于解决天然气汽车推广使用当中存在的一系列问题。这其中有很多专利技术可以为气化站的设计提供解决问题的思路。1.6.1 空温LNG气化装置的改良（申请号200610017337.9）图1-8 改良气化器结构（1-LNG 2-混合器 3-混合流体 4-空气气化器 5-控制阀 6-输出管线 7-天然气回流管 8-循环泵）空温式液化天然气气化器又称空气加热型气化器主要有混合器，液化天然器气化器，循环压缩机，安全阀及管线阀门阀件等连接而成。该项技术在原有气化器的工作流程上游增加了一个使已经气化的天然气回流与低温液化天然气混合的混合器，从而提高液化天然气操作温度，防止结冰现象的出现，保证了空温式液化天然气气化器的气化效果和连续运行。1.6.2 LNG气化器（申请号200480037440.9）该技术实际上还是采用中间流体的又一种形式，通过两个换热器的搭配，避免了水与低温的液化天然气接触，杜绝了结冰的出现。同时它的流程比较详尽，冷凝器的引入实际上起到辅助气化器的作用，通过有效的控制可以节省加热水塔中水的能耗。具体的流程是这样的，水塔中间的水通过泵驱动进入第一换热器与中间循环流体接触后回到水塔，水塔中的水可以采用各种手段加热或者直接为环境水。而通过加热的中间循环流体在通过泵的驱动进入第二换热器与LNG直接换热。回流的中间循环流体分两路，一路通过冷凝器与空气换热，一路直接回到第一换热器。LNG则在第二换热器中直接气化为天然气同时分出一个回路与进入第二换热器的LNG混合。图1-9 专利技术工作流程图第二章 气化器方案确定2.1 气化器方案我国地域广大，气候多样，从上一章的介绍中可以得知四种主要的气化器技术中空气加热型气化器和中间流体式气化器相对其它技术更加适合小型场合使用。空气加热型气化器存在的一个主要问题是无法从根本上消除结冰现象的出现，尤其是在低温条件下使用时，一旦空气湿度达到一定程度，气化器外壁面的结冰现象就难以避免，而出现结冰现象后又会进一步加剧换热条件恶化，使得壁面上的霜越来越多，最终导致气化器无法正常工作。为了能在我国广大的区域内适应多样的环境，必须对这一固有缺陷进行改进。表2-1 气化方式优劣比较空气加热型开架式中间流体型燃烧式环境适应性差差强强小型化可能性好困难好中运行费用低低中高技术成熟度一般良好不成熟良好中间流体型气化器存在的主要问题是中间流体的选择受到很大限制，如果选用乙二醇，氟利昂等介质会使整套设备的价格上涨，不能适应大规模气化站建设的需要，所以必须寻找一种价格低廉，同时又能适应LNG低温气化需要的导冷介质。日本三菱公司的闭式循环LNG气化系统采用干空气作为中间介质，干空气具有廉价易得的主要优点，虽然导热能力不强 ，但考虑到LCG加气站的气化量偏小，所以拟采用干空气作为中间流体。参考日本三菱公司的闭式循环气化器的方案，考虑到国内没有已经量产化的直肋型翅片管可供选择，所以采用环形肋片代替三菱公司产品中的直肋翅片蛇管。气化器内部结构也随之改变，原来采用的垂直蛇管布置方法失效，需要重新设计。环肋横向布置的翅片管需要空气垂直穿过管板，所以管排只能与地面平行布置，其它结构基本相同，具体示意图参看图2-2：图2-1 环形翅片管整个气化器方案宏观上采用两级换热，一级为干空气与LNG，二级为干空气与盐水。初步设想把两个换热器整合在一起放置于干空气的循环风道中，在循环风机的驱动下干空气快速通过管板与管内的LNG或盐水换热从而达到气化LNG的目的。图2-2 气化器结构图重新设计后确定最终的气化器方案如上图所示，该方案采用干空气作为中间流体，而盐水的加入在降低成本的同时提高了装置的适用性，只要盐水不凝结该装置可以在一切可能条件下使用。工作时盐水先行与环境换热达到环境温度，然后进入气化器与干空气换热，干空气再在循环风扇的驱动下与翅片管中的LNG换热，从而实现气化LNG的目的。整个装置安装在一个由非承重材料搭建的密闭空间内，系统中的两个换热器整合在一个结构框架中使得整套设备紧凑而且高效，相比日本三菱公司的设计，采用环形翅片管后用一个大的复合板式换热器代替了两个分离式换热器，整个设计更加紧凑，但同时也使得设备的清洗和维护更加困难。图2-3 机组装配图2.2 工作流程确定工作流程主要包括两个主要部分，一是加气站内LNG从接收到加给CNG汽车的流程，二是气化器的循环工作流程。加气站要实现同时为LNG汽车和CNG汽车服务的设计要求，就需要把气化后的天然气加压至22MPa-25MPa，达到这一要求有两种办法。一是采用压缩机把气化后的天然气加压至额定压力，另外一种办法是采用高压泵在气化前把LNG流体加压至额定压力。因为在质量流量和压缩比相同的条件下，低温泵的投资，能耗，占地面积等，均远小于气体压缩机。所以采用第二种加压方案，即采用低温泵加压流体后进入气化器。加气站正常工作时，经由槽车运送的LNG进入到加气站的LNG储罐中，一部分自然气化后为储罐提供一定的压强（压强大小由LNG汽车需要决定）LNG储罐中的压强可以使LNG储罐直接为LNG汽车加注LNG，另外的LNG从储罐中流出，经低温泵加压至22MPa-25MPa后进入气化器，气化后直接进入高压CNG气瓶等待输出到CNG汽车。图2-4 气化站工作流程示意图气化器的组成结构在上一个小节中已经仔细讨论过，本节旨在阐述气化器工作中各种流体之间的相互配合和有关设备的大体放置方位。气化器中一共有三种流体：LNG，盐水，干空气。其中盐水和干空气是需要循环再利用的工质，所以必须有配套设备使得这一循环可以实现。盐水循环的主要设备包括盐水循环泵，加热塔，盐水储罐以及相应管路系统。工作过程中盐水在盐水泵的驱动下在加热塔，盐水储罐，气化器之间循环，在加热塔中与空气换热吸收热量，循环至气化器中再与干空气换热放出热量。干空气的循环相对简单的多，在密闭的气化器中，循环风机驱动干空气不断与管板中的LNG和盐水换热，工作状态稳定时，整个系统达到一种热平衡。设备安装过程中应该以气化器为核心，其它设备在满足安全标准的基础上就近安装，LNG低温高压泵最好安装在气化器密闭空间内，这样就可以有效防止由于LNG泵的外壳结霜而影响正常的设备维护和检修的情况发生。LNG储罐与气化器应该按照有关设计标准安装在围堰内，以防止LNG泄露之后四处漫延造成严重后果。加热塔布置在尽量远离气化器的位置上，安装过程中优先挑选整个站址中最开阔而且最好不要被建筑物和植物遮挡阳光的地方。其它设备可以根据现场需要灵活布置。具体的布置示意图参看图2-5。图2-5 LNG气化循环示意图第三章 气化器设计计算3.1 宏观设计条件：1) 原始介质，常压（101325Pa）液态天然气（当作纯甲烷计算）=111.63K；2) 气化量1200N/h；0.772Kg/N（标准状态为一个大气压，20）3) 气化输出压力2225MPa；4) 气化输出温度-1045,计算中取（=20）；5) 液体比焓=-286.59KJ/Kg，蒸气比焓=223.83KJ/Kg；液体比熵=4.9919KJ/Kg.K;蒸气比熵=9.5643 KJ/Kg.K气体比定压热容取=1.62KJ/Kg.K(101325Pa)3.2 基本热力学计算： 首先LNG气化为蒸气，单位质量LNG在该过程中吸收热量为； =（-）+（-）=（223.83+286.59）+（9.5643-4.9919）=514.9924 KJ/Kg蒸气定压升温为环境温度过程中单位质量LNG吸热量为；=（）=1.62182=294.84 KJ/Kg所以整个气化过程吸热量为：q=+=809.8324 KJ/Kg与液化天然气技术254页得出的830 KJ/Kg相近，误差在3%以内。标准工况下每小时需要热量：Q=809.832412000.772=749457.6KJ，热负荷功率为208KW。3.3 换热计算条件假设1）盐水温度下降幅度的确定，现确定下降温差为2）换热器中的最小温差选3）确定气化器工作温度范围，LNG临界温度为192.85K，也就是说换热后的LNG只要达到192.85K就不会出现气化不彻底的情况，同时根据载冷剂物性参数，参考我国常年气象统计数据，确定工作温度范围为-4550。在此条件下只有在质量浓度大于29.4%时才能保证在零下50度时不凝固。4）整个过程中干空气在风扇的搅动下流速相对于整个换热空间来说是极快的，所以假设在换热空间内空气都保持一个稳定的温度。整个气化器内流体温度沿流程变化示意图：1LNGNG热盐水冷盐水图3-1 换热器内流体温度变化 由于低温情况时传热温差最小，需要换热面积最大，所以气化器设计能否满足传热要求取决于能否通过在最低温度条件下进行的校核计算。以下换热器设计计算采用环境温度为设计下限即零下45摄氏度。3.4 第一换热器（干空气与LNG）环境温度为-45时计算对数平均温差： （3-1）根据一次交叉流，两种流体不混合的设计条件，修正系数=0.95（P=0.95，R=0）以外径为25毫米的低温不锈钢0Cr18Ni9管试算：壁厚 按公式计算：P=压力；D=公称外径；S=公称壁厚；R=许用应力（205MPa）；S=1.524mm取管壁厚为2mm，则内径为21mm，0Cr18Ni9的导热系数=15 W/m.k，（XSFUL浮头式）管束参数为：钢 管：外径，管壁厚，铝管壁厚；铝肋片：片厚，肋片间距，肋片高度；管 簇：2排管，叉排，管间距；计算单位管长的参数值：每米管长的肋片表面积:每米管长肋片基管面积：每米管长总外表面积：选取迎面风速为2.5，则最窄面平均流速为：；最窄面空气质量流速空气横掠翅片管管外换热系数的确定，参考布利格斯（Briggs）和杨（Young）对正三角形排列的圆形翅片管束的管外空气侧换热系数进行研究获得的，以翅片外表面积为基准的换热系数计算式： （3-2）； ； 计算得到管外换热系数：管内的换热比较复杂因为在气化过程中存在相变的问题所以管内热阻的计算得分为两部分分别计算。总的热负荷也应该分为LNG气化潜热和天然气气体吸热两部分，在环境温度为零下45时：=（-）+（-）=514.9924 KJ/Kg；热负荷=（）=1.62117=189.54 KJ/Kg； 热负荷当LNG为液态时管内换热热阻很小可以忽略不计，此时若不考虑污垢热阻，以管外侧面积为基准的传热系数： （3-3）（为低温不锈钢导热系数） （3-4）所需翅片管长气化为天然气后管内换热计算需采用迪图斯-贝尔特（Dittus-Boelter）公式进行计算。 （3-5）气化后平均流速取；天然气导热率不计污垢热阻，则有：所需翅片管长总翅片管长两排管共40根，每根管长为4米，总共有管160米113.6米满足传热学计算设计要求，原设计可以使用。3.5 第二换热器（盐水与干空气）总的热负荷以181.3KW计算：水溶液的比热容以2.7kJ/kg.K计算，盐水温度下降；则载冷剂质量流量：体积流量为37.8所以管束表面对流换热系数忽略污垢热阻，管内换热热阻。传热系数总传热面积需要翅片管长度为原设计采用6排，每排20根管，管长480米379.75米，所以原换热面积设计方案满足要求可以采用。3.6 翅片管布置（板式）根据设计共需要8排管，从设计安全考虑增加1排管作为备用管排，防止由于生产过程中个别翅片管的质量问题而使得整个复合气化器报废。所以整个气化器的核心部分共有9排管，交叉布置，每排20根管，每排管与管间距50mm，排与排之间间距也为50mm。为防止管子自重造成的下垂现象在管排支架设计过程应在两端管板之间增加支撑结构。管排横截面具体结构视图如下所示：图3-2 管排布置示意图第四章 配套设备选取4.1 LNG低温泵选型工作流程要求LNG低温泵工作在零下160度的低温工况下，出口压力可以达到最少22MPa，可以选择的泵主要类型有LNG高压泵和柱塞泵两种，柱塞泵是容积泵的一种，本身就可以实现对流量的控制，因此更加适合LCG加气站的要求。国内的相关适用型号没有找到，暂时选用美国公司生产的PD3000型柱塞泵，其基本参数如下：介质： LNG使用温度： -164度流量 ： 1000 L/h最大吸气压力： 250 psig（磅每平方英寸）出口压力 ： 28 MPa必须NPSH： 2 psig转速： 约为353 RPM 4.2 盐水泵选择盐水泵的工作条件没有LNG泵那么苛刻，基本的清水离心泵就可以满足设计要求。根据设计结果，盐水泵流量大约为40左右，工作温度范围为-50-45，从安全出发尽量挑选耐腐蚀的型号。查机电手册，可供选择的型号包括CZ-50-250（沈阳黎明水泵厂）或者SIH标准化工泵（镇江远东耐酸碱泵厂）。实际购买设备时可以直接与生产盐水再热塔的厂家联系，最好能够一次买定整个盐水循环的全部设备，这样就无需为相关设备能否配套的问题作过多考虑了。4.3 盐水再热塔选型生产型的再热塔与中央空调的冷却塔无论在结构还是作用都很相似，冷却塔是根据流量和温差区分的，温差一般有5度，10度，和25度之分，分别称之为常规塔，中温塔，高温塔，根据设计结果，选择5度温差的，水流量接近45立方米每小时的冷却塔作为循环中的再热塔即可。这里预选山东安丘伟业冷却塔有限公司生产的圆形逆流玻璃钢冷却塔DBNL3-50型作为流程中的再热塔，具体参数参看下表。表4-1 再热塔参数型号参数T=28冷却水量（m3/h)T=27冷却水量（m3/h)主要尺寸（mm)风量（m3/h)风机直径(mm)电机功率（KW）重量（kg)进水压力104Pa直径Dmt=5t=8t=5t=8总高度最大直径自重运转重DBNL3-5050375744283022152800014001.559614802.652.14.4 风机选型两台风机总流量V=11.25，每台平均为6立方米每秒，21600立方米每小时，达到这一风量要求的风机很多，但是尺寸都偏小，要想安装在管板上，必须增加起到引风作用的锥形罩结构，从结构的简单和紧凑考虑，同时也为安全起见，放大风量要求选择大小和管板外形尺寸相近的风机。下面为广州市伟森机电科技有限公司生产出品的系列风机中大小合乎要求的风机的参数列表：表4-2 风机参数表型号扇口+直径(mm) 扇叶转数 (rm)空气流量 (m3/h)噪音（dB）功率（kw）额定电压（V）重量（Kg）外形尺寸(mm) 长X宽X厚 TUHE-4型77045029500560.3738043.5900X900X400TUHE-S5型79042729500560.3738036900X900X4004.5 LNG低温储罐气化站的主要设备有低温储罐、气化器，盐水冷却器，CNG储罐，盐水循环泵，LNG高压柱塞泵等。 目前国内低温液化天然气储罐的生产厂家有中山市南方空气分离设备有限公司(南空公司)，又名四川空分设备(集团)有限责任公司南方分厂、圣达因公司和杭州制氧机厂。其主要产品有:立式低温液体贮槽容积2立方米200立方米，真空粉末绝热(圣达因公司)容积50立方米100立方米真空粉末绝热。(南空公司及杭州制氧机厂)。大型常温低温液体贮槽容积 200立方米2000立方米，双层壁粉末绝热(圣达因公司)。低温液体罐式集装箱 规格20英尺、40英尺、真空粉末高真空多层缠绕。卧式低温液体贮槽容积 50立方米200立方米真空粉末绝热(南空公司)。低温液体贮槽(球形) 容积200立方米500立方米，真空粉末绝热(南空公司)。考虑到LCG加气站的工作流程要求LNG的最终压强比较高所以应该尽量增加可利用的静压差，所以采用立式真空罐，具体的容量可以参考相关设计标准通过计算后选取合适的国内成熟产品。表1 卧式储罐与立式储罐的对比比较项目立式真空储罐卧式真空储罐占地面积稍小稍大可利用的静压差大小液体界面和蒸发量小大基础难度稍大稍小风载荷大小安装就位难度大小设备投资差不多差不多第五章 冷量的利用LNG是天然气经过复杂过程制成的低温混合液体，每生产一吨LNG的动力及公用设施耗电量约为850kwh，而在LCG加气站中，LNG气化时放出很大的冷量，其值大约为830KJ/Kg(包括液态天然气的气化潜热和气态天然气从储存温度复温到环境温度的显热)。这一部分冷能通常在天然气气化器中随水或空气被释放了，造成了能源的浪费。为此，通过特定的工艺技术利用LNG冷能，可以达到节省能源、提高经济效益的目的。国外已对LNG冷能的应用展开了广泛研究，并在冷能发电、冷冰食品从空气液化等方面达到实用化程度，经济效益和社会效益非常明显。国内外主要有以下几种利用LNG冷量的技术：5.1 天然气直接膨胀发电概括地说冷量利用主要有三种方式：一是直接膨胀发电；二是降低蒸汽动力循环的冷凝温度；三是降低气体动力循环的吸气温度。首先分析天然气直接膨胀发电。图5-1 天然气直接膨胀发电示意图这种方法的特点是原理简单，但是效率不高，发电功率较小，还在系统中增加了一套膨胀机设备，如果单独使用这种方法，则LNG的冷量未能得到充分利用。因此，这一方法通常与其它LNG冷量利用的方法联合使用。除非天然气最终不是用于发电，这时可考虑利用此系统回收部分电能。该项技术在LCG加气站中成功利用的主要障碍是整套设备的投资回收年限是否可以被限制在一个可以接受的范围。通过第三章的计算可知依靠标准工况下200KW左右的冷负荷来回收膨胀机和配套发电机的成本在经济上是不合算的，当然如果有合适的设备可供选择，利用该流程回收一部分电能也是可以考虑的。5.2 利用的蒸汽动力循环通常，冷凝器采用冷却水作为冷源。这样，循环的最低温度就限制为环境温度。LNG的气化温度很低(162)，秋冬季由于海水本身温度较低，LNG在海水气化器中大量放热，有结冰的危险。另一方向，从汽轮机排出的水蒸气在冷凝器中由冷媒水冷却，这部分冷媒水吸收热量后，温度有了明显升高。因此对于LNG气化来说，可以利用冷媒水气化LNG，既避免了结冰的危险，又降低了气化费用。对于朗肯循环来说，如果保持吸热过程不变而降低冷凝器放热温度，则循环净功会显著增大；因此，循环净功和循环效率都将随着冷凝温度的降低而增加在冷凝温度显著降低的情况下，蒸发温度也可显著降低，从而有可能利用工业余热或海水这一类价值低甚至无需成本的热源。事实上，这一种低温朗肯循环是利用LNG冷量的朗肯循环的主要方式。因此，LNG可用于朗肯循环发电。在循环中，LNG的气化与乏汽的加热整合在一起。本文所附外文翻译低耗LNG气化器主要讨论的就是该项技术，文中提及该技术已在美国热电站中得到利用，并附有设备结构简图，详情参看翻译文稿。5.3 液化天然气冷量用于空气分离根据前述LNG冷能分析的原理，低温火用是在越远离环境温度时越大，因此应在尽可能低的温度下利用LNG冷量，才能充分利用其低温火用。否则，在接近环境温度的范围内利用LNG冷量，大量宝贵的低温火用已经耗散掉了。从这个角度来看，由于空分装置中所需达到的温度比LNG温度还低，因此，LNG的冷量火用能得到最佳的利用。如果说在发电装置中利用LNG冷量是最可能大规模实现的方式的话，在空分装置中利用LNG冷能应该就是技术上最合理的方式。利用LNG的冷量冷却空气，不但大幅度降低了能耗，而且简化了空分流程，在减少了建设费用的同时LNG气化的费用也可得到降低。作为世界上最大的液化天然气进口国，日本在将LNG冷量应用于空气分离方面已有较为成功的实践，数据显示日本一些主要的利用LNG冷量的空分装置中大胶煤气公司利用LNG冷量的空气分离装置流程与普通的空气分离装置相比，电力消耗节省50以上，冷却水节约70。5.4 制取液化二氧化碳和干冰液态二氧化碳是二氧化碳气体经压缩、提纯最终液化得到的。传统的液化工艺将二氧化碳压缩至2.53.0MPa，再利用制冷设备冷却和液化。而如果利用LNG的冷量，则很容易获得冷却和液化二氧化碳所需要的低温，从而将液化装置的工作压力降至0.9MPa左右。与传统的液化工艺相比在降低对设备要求的前提下制冷设备的负荷大为减少，电耗也降低为原来的3040。当然制取液化二氧化碳和干冰不仅要求LNG的流量稳定，而且要求流量越大越具有利用价值。这两点要求小型的LCG加气站都不能满足。所以，该技术更加适合沿海地区的大型LNG接受终点站。5.5 冷库食品的腐坏主要是由于产品发生了生物化学反应，而低温环境可以延缓生物化学反应，使食品能够保存较长时间。目前，低温冷藏食品的工艺已在世界范围内被广泛采用。例如，为防止腐坏变质，深海捕捞的金枪鱼必须储存在至的冷库中。传统的冷库采用多级压缩机和螺杆式制冷装置维持冷库的低温，耗电量很大。如果采用的冷量作为冷库的冷源，将载冷剂氟利昂冷却到65，然后通过氟利昂制冷循环冷却冷库，可以很容易地将冷库温度维持在，电耗会有明显降低。而且LCG加气站一般会密集分布在交通流量大的城市的核心地带，这一分布规律也和城市冷库的要求不谋而合。所以建立气-冷联动的复合型服务站将会有很大的发展意义和发展空间。5.6 低温破碎和粉碎大多数物质在一定温度下会失去延展性，突然变得很脆。目前低温工艺的进展可以利用物质的低温脆性，采用液氮进行破碎和粉碎。低温破碎和粉碎具有以下特点： 1)室温下具有延展性和弹性的物质，在低温下变得很脆、可以很容易地被粉碎；2)低温粉碎后的微料有极佳的尺寸分布和流动持性； 3)食品和调料的味道和香味没有损失。根据上述特点，已对低温破碎轮胎等废料的资源回收系统和食品、塑料的低温粉碎系统进行深入研究。目前，低温粉碎系统已投入使用，其主要工作原理是利用超低温液氮速冷需要破碎处理的物质，然后再把经过速冻的原料在常规破碎装置中粉碎为微小颗粒再通过分类装置分门别类的存放粉碎后的产物。低温破碎在集成电路板回收和食品加工方面都有很好的利用前景。LNG在低温破碎方面的利用目前还停留在起步阶段，主要的研究方向集中在如何利用LNG代替液氮作为速冷剂。如果实现这一技术就可以在处理大量电子垃圾的同时回收利用其中的大部分铜和其它贵重金属。5.7 蓄冷装置LNG主要用于发电和城市燃气，的气化负荷将随时间和季节发生波动。对天然气的需求是白昼和冬季多，所以气化所提供的冷量多；而在夜晚和夏季对天然气的需求减少则可以利用的冷量亦随之减少，冷量的波动将会对冷量利用设备的运行产生不良影响，必须予以重视：日本大版煤气公司正在研究蓄冷装置，利用相变物质的潜热储存LNG冷量。工作原理如下：白天冷量充裕时，相变物质吸收冷量而凝固；夜间冷量供应不足时，相变物质熔解，释放冷量供给冷量利用设备。相变物质的选择是蓄冷装置研究的关键，要充分考虑相变物质的熔点、沸点及安全性问题，目前正处于实验研究阶段。第六章 机组控制与安全防护6.1 机组控制根据任务书要求机组控制目标为实现设备的连续工作，随时开停，工作负荷要求在60%100%之间可调。方案中气化量为被控参数，从整个系统的工作流程来看可以采用作为操作变量的只有盐水流量和LNG流量两个可控变量。如果采用控制盐水流量来实现对气化量的控制有两大不利因素：1）气化器换热面积设计有一定安全余量，因此在外界气温一年四季变化的情况下很难确定气化器实际工作时内部循环空气与盐水的温差，所以无法准确预知气化器在某一温度条件下的换热能力。这就会造成无法精确控制气化量。 2）如果盐水流量被调节的过小，就会造成大量未气化的LNG进入气体回路，这种事故对整套装置来说是致命的，所以应该从设计源头上排除这种可能性。考虑到上述两条原因，采用LNG流量作为单一操作变量。对于这个系统因为只有一个操作变量，所以控制方案采用相对简单的开环控制系统就可以实现要求的控制目标了。具体控制系统和逻辑关系参看图6-1和图6-2。图6-1 控制系统图在这个开环控制系统中对流量的控制信号由人工根据需要确定，控制信号输入比较器与气体流量计测的当前气化量作比较，由此产生的差值信号再输入到控制器中，控制器根据差值信号输出相应的控制信号，这一信号经由放大器放大后直接驱动电磁自动阀改变气化输出量。控制信号一经设定后，系统就具有自稳功能，任何波动都会使比较器中的两个信号不相同，进而触发控制系统的调节功能，如此便可以实现气化器连续稳定工作的目标。图6-2 系统控制流程图除此之外还需对LNG储罐内压强，温度以及高压气瓶内的压强进行监控因为这方面的技术比较成熟设备比较多，控制流程也相似。所以这里不做详细说明。具体仪表的选用如下：1) 站场压力表选用不锈钢压力表和普通压力表。2) 压力变送器选用FC系列智能型变送器。3) 温度检测仪表选用隔爆式热电阻及双金属温度计。4) 流量测量仪表选用进口的E十H公司生产的电容式涡街流量计。5) 调节器选用FC系列的单回路调节器。6) 记录仪表选用多点无笔记录仪。7) 输入输出安全栅选用与设备联合取证的齐纳式安全栅。6.2 安全防护LNG既有可燃的特性，又有低温的特性。低温液体的处理和操作技术已经比较成熟了。对于安全的考虑，主要是在低温条件下一些材料会变脆，易碎。使设备产生损坏，引起LNG的泄漏。所以LNG设备安全考虑的关键是防止低温条件下材料的脆性断裂和冷收缩对设备引起的危害。人员操作时主要是防止低温流体对人体的低温灼伤。据报道，人员暴露在甲烷体积分数为9%的气氛中没有什么不良反应。如果吸入含量更高的气体，会引起前额和眼部有压迫感，但只要呼吸新鲜空气，就可以消除这种不适感。如果持续暴露在这样的气氛环境下，会引起意识模糊和窒息。甲烷时一种普通的窒息物质。LNG与外露的皮肤短暂接触，不会产生什么伤害，可是持续的接触，会引起严重的低温灼伤和组织损害。天然气在空气中的体积分数大于40%时，如果吸入过量的天然气会引起缺氧窒息。如果吸入的是冷气体，对健康是有害的。若是短时间吸入冷气体，会使呼吸不舒畅，而长时间呼吸冷气体，会造成严重的疾病。虽然LNG蒸气是无毒的，如果吸进纯的LNG蒸气，会迅速失去知觉，几分钟后死亡。当大气中的氧的含量逐渐减少时，工作人员有可能警觉不到，慢慢地窒息，待到发觉时已经很晚了。所以必须安装安全检测设备，在有可燃气体，火焰，烟，高温，低温等潜在危险存在的地方队危险状况进行预报，可以使工作人员及时采取紧急处理措施。LNG气化站可以采用以下几种检测设备：甲烷气体检测器，火焰检测器，高低温检测器，烟火检测器。除了低温检测器外，其它几种检测器是必备设备。每一个检测器都应与控制系统整合在一起，以备发生危险是可以自动起作用。由于目前我国尚无关于LNG供气站的设计及施工的规范.相关的规范有城镇燃气设计规范( GT350028- 93, 98年版)和石油化工企业设计防火规范（GT350160- 92, 99年版)。城镇燃气设计规范虽将天然气作为城镇气源.但没有LNG的章节.因此主要套用石油化工企业设计防火规范（以下简称石化规)。经请示石化规国家规范管理组确认液化烃半冷冻式储罐可参照石化规对液化烃全压力式储罐的要求进行防火设计。在建设LCG气化站时，应充分考虑装置对附近交通，周边环境可能产生的影响。从设备的角度，应防止LNG从系统中漏泄或溢出，同时还必须考虑意外情况下万一发生LNG漏泄或溢出时，配套相应得防范措施，如在LNG储罐周围设置围堰或蓄液区。即使发生LNG漏泄或溢出事故。可燃液体可被限制在蓄液区内，不会四处流淌。围堰区的作用处了控制可燃液体四处流淌以外，如果发生火灾，换能阻止火焰蔓延到周边地区。可以将事故产生的危害降低到最小。气化器和存储设备距离控制室，办公室，车间和场地边界也需要离开一定的距离。用于管道输送的液化天然气连接装置距工艺区，储罐，控制室，办公室和其它重要装置至少在15米以上。LNG设施内的关键位置，应有便携式或轮式灭火器，应能扑灭气体发生的火灾。如果使用机动或移动式灭火器，则不得将它们用于其它目的。进入站区的机动车辆最少应配备一个便携式干粉灭火器。用于处理液化天然气的建筑物和围墙，应采用轻质的，不可燃的非承重墙。有LNG流体的工作间，控制室或车间之间的墙体至少有两层，而且能承受4.8KPa的静压，墙体上不能有门和其它连通的通道，墙体还需要有足够的防火能力。有LNG流体的建筑物内，应当具有良好的通风，防止可燃气体或蒸气聚集而产生燃爆。每个LNG设备都应该装上一个紧急关闭系统（ESD），可以进行LNG来源的隔离或切断操作，并关闭一些设备。紧急关闭系统（ESD）可以有效控制LNG的连续释放产生的危害，如果设备的关闭会引起另外的危险或者导致重要部件的损坏，这些设备或辅助设备的关闭可以不包括在ESD系统中。如果储存LNG的储罐没有保护措施，当它暴露在火灾中时，有可能会受到金属过热的影响并造成灾难性的后果，所以LNG储罐一定要有紧急泄放系统。ESD系统本身也应该有实效保护装置，使紧急情况时失控的可能性降到最小。没有实效保护的ESD系统，距离索要控制的设备在15米以内。安装在不可能被火焰直接燃烧到的地方，即使被火焰包围，至少应能安全运行10分钟以上。ESD系统的启动可以是手动，自动或者两者兼有。紧急关闭系统本身应由良好的保护系统，避免在紧急状态下不起作用。工作人员应进行定期的培训，使他们了解LNG的特性及LNG暴露在外能产生的危害和影响，防护用品的作用和正确的使用方法。紧急情况下需要进入对健康有害的大气中时，工作人员除了应具备必需的防护衣外，还应该装备头盔，面罩，手套和靴子。应配备完备的呼吸用具。由于工艺设备中的LNG及其蒸气都没有味道，凭嗅觉检测不到它们的存在时，需要安装有合适的可燃气体指示器。结 论综上所述，实现LNG汽车与CNG汽车服务站合二为一是可能的。通过采用新式的气化器技术和气化流程可以实现同时为两种汽车服务的设计目标。本文