本發(fā)明涉及建立一種在同位具有超小型液化系統(tǒng)的低投資液化天然氣汽車加氣站。這種液化天然氣汽車加氣站特別適用于沿高速公路迅速構(gòu)建公共液化天然氣汽車加氣站網(wǎng)絡(luò)，使得液化天然氣汽車能夠沿該高速公路從起始點(diǎn)至終點(diǎn)自由行駛。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，液化天然氣(LNG)汽車加氣站的液化天然氣源都是來自一個大型天然氣液化工廠，通過液化天然氣槽車運(yùn)送。一個容積為56立方米液化天然氣槽車其儲罐是真空絕熱的，但是，由於漏熱每天平均要有260立方米天然氣被蒸發(fā)，而引起槽車儲罐內(nèi)壓力增高。當(dāng)儲罐內(nèi)壓力高過設(shè)定的安全壓力，槽車儲罐內(nèi)的液化天然氣蒸氣必須排空至大氣以確保液化天然氣槽車的安全。蒸氣排空除了浪費(fèi)了資源，因其主要成分是甲烷，甲烷氣的溫室效應(yīng)是二氧化碳?xì)獾?6倍，所以造成更大的大氣污染。液化天然氣槽車運(yùn)送液化天然氣其運(yùn)費(fèi)也增加了液化天然氣汽車加氣站的運(yùn)營成本。從城鎮(zhèn)低壓天然氣管網(wǎng)取得氣源，使用在同位的超小型液化系統(tǒng)自主地生產(chǎn)液化天然氣的液化天然氣汽車加氣站節(jié)約了液化天然氣運(yùn)輸成本，降低了大氣污染。

液化天然氣汽車加氣站肯定且連續(xù)地產(chǎn)生汽化氣(BOG)，汽化氣的產(chǎn)生有三個來源：(1)液化天然氣儲罐的漏熱，每天儲罐內(nèi)有0.25％的儲量蒸發(fā)成BOG.(2)槽車內(nèi)的LNG卸到LNG加氣站儲罐內(nèi)的過程中不可避免地產(chǎn)生BOC，且最終積聚在LNG加氣站儲罐的頂部。(3)從LNG加氣站儲罐向LNG汽車加氣過程中也不可避免地產(chǎn)生BOC，大約LNG加氣流量的2％蒸發(fā)成BOG，也最終積聚在LNG加氣站儲罐的頂部。所有的BOC都會導(dǎo)至LNG加氣站儲罐內(nèi)的壓力增高。當(dāng)此壓力高過儲罐的最大安全壓力時，這些LNG蒸氣也必須放空，造成資源浪費(fèi)和大氣污染。經(jīng)驗數(shù)據(jù)表明，一個設(shè)有容積為50立方米LNG儲罐的加氣站平均每天有200立方米LNG蒸氣放空，每年就是70000立方米天然氣排空。如果此LNG加氣站具有天然氣液化設(shè)施，這些LNG蒸氣不必放空，可再液化成LNG，確保設(shè)備安全，節(jié)約資源，而且減排溫室效應(yīng)氣體。

以“西氣東輸”管網(wǎng)為骨干網(wǎng)，中國全國天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)正在形成。在有城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)地區(qū)，依靠天然氣管網(wǎng)運(yùn)送天然氣比較用LNG槽車運(yùn)送天然氣具有運(yùn)輸成本低，損耗少， 安全可靠的優(yōu)點(diǎn)。而且避免了LNG槽車在運(yùn)輸過程中遇到交通事故造成大量LNG潑濺散逸的風(fēng)險。LNG汽車加氣站從城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)取得氣源，使用在同位的超小型液化系統(tǒng)生產(chǎn)LNG滿足液化天然氣汽車的需要。

現(xiàn)在美國正推行”American’s Natural Gas Highway(美國天然氣高速公路)”計劃，歐洲共同體正在推行“Blue Corridors(藍(lán)色走廊)”計劃。這些計劃的實(shí)施實(shí)質(zhì)是沿著某條高速公路從起點(diǎn)至終點(diǎn)地建立一完整的LNG加氣站網(wǎng)絡(luò)。這個LNG加氣站網(wǎng)絡(luò)要求設(shè)有足夠數(shù)量的LNG加氣站，站與站之間的距離要在300-500千米之間。在建設(shè)LNG加氣站網(wǎng)的起始階段，現(xiàn)有的基地型LNG加氣站是不適用的，規(guī)模過大且要建設(shè)大型天然氣液化工廠，這需有極大的投資。建設(shè)LNG加氣站網(wǎng)的最佳戰(zhàn)略是從小到大，階段性發(fā)展。在起始階段，用極低的投資建設(shè)具有從城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)進(jìn)氣的LNG液化器的超小型LNG加氣站，使得LNG加氣站網(wǎng)絡(luò)盡可能快地建成，液化天然氣汽車能夠沿該高速公路從起始點(diǎn)至終點(diǎn)自由行駛。一旦LNG加氣站網(wǎng)絡(luò)建成，將極大促進(jìn)液化天然氣汽車應(yīng)用發(fā)展。液化天然氣汽車燃料需求快速增長，LNG加氣站進(jìn)入擴(kuò)容發(fā)展階段，引進(jìn)大容量儲罐，甚至需要從大型LNG液化廠運(yùn)進(jìn)LNG，已有的超小型LNG液化裝置繼續(xù)使用，成為BOG或排空天然氣的LNG液化器，LNG加氣站則始終運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)高效狀態(tài)。本發(fā)明就是為實(shí)現(xiàn)建設(shè)LNG加氣站網(wǎng)的這一最佳戰(zhàn)略而專門設(shè)計的。

為了減少附有LNG液化裝置的LNG加氣站之建設(shè)投資，只選用成批生產(chǎn)商品化的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備做系統(tǒng)集成，不選用價格高昂的如渦輪壓縮-膨脹機(jī)等。令天然氣液化過程變得簡單而直接，故障時間大大降地，且容易實(shí)現(xiàn)完全自動化和無人運(yùn)行。

天然氣汽車的壓縮天然氣(CNG)燃料是將城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)中的天然氣直接壓縮而成的。天然氣汽車的LNG燃料同樣可以取城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)中的天然氣為原料液化而成。當(dāng)前傳統(tǒng)天然氣液化技術(shù)通常都採用焦耳-湯瑪遜(Joule-Thomson)致冷循環(huán)。為了防止在天然氣液化過程中原料氣中的CO₂，H₂S和H₂O固相形成而阻斷液化過程的進(jìn)行，要求原料進(jìn)氣組分含量必須滿足下列要求：

因此，在天然氣液化之前必須進(jìn)行精細(xì)的預(yù)處理使其上述組分達(dá)到要求。這要求增加去除上述組分的預(yù)處理設(shè)備，加大了投資與運(yùn)行成本。本發(fā)明不直接使用天然氣本身為致冷劑，不對其採用焦耳-湯瑪遜(Joule-Thomson)致冷循環(huán)。對來自城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)中的原料氣不需做上述的嚴(yán)格的預(yù)處理，滿足天然氣管網(wǎng)內(nèi)天然氣標(biāo)準(zhǔn)的原料氣就滿足LNG汽車燃料的天然氣標(biāo)準(zhǔn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一工藝過程系統(tǒng)，包括方法和相應(yīng)的工藝裝備，在一LNG汽車加氣站以城鎮(zhèn)低壓天然氣管網(wǎng)為氣源液化天然氣生產(chǎn)LNG汽車燃料，對LNG汽車加氣。天然氣首先進(jìn)入一預(yù)冷單元，將天然氣從室溫冷卻到193K，其冷量是由一商品化的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備：二級級聯(lián)致冷機(jī)提供的。這個冷量相當(dāng)于天然氣從室溫氣態(tài)變?yōu)樵谝粋€大氣壓下，溫度在110K的飽和液態(tài)所需總冷量的20％。在預(yù)冷單元內(nèi)，天然氣中二氧化碳，硫化氫和水的組分濃度會進(jìn)一步降低，加在天然氣管網(wǎng)中的天然氣示嗅劑也被去除。用價格低廉的級聯(lián)致冷機(jī)分擔(dān)20％的冷量，節(jié)約設(shè)備投資成本與提高了天然氣液化的生產(chǎn)率。

經(jīng)過預(yù)冷的天然氣進(jìn)入液化單元。在液化單元由一斯特林(Stirling)循環(huán)低溫致冷機(jī)提供冷量，運(yùn)行在100K-110K.天然氣在液化單元的熱交換器被液化成LNG而儲存在一個小型的原始儲罐。通常認(rèn)為斯特林(Stirling)循環(huán)低溫致冷效率高于焦耳-湯瑪遜(Joule-Thomson)致冷循環(huán)。一個商品化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備LNG汽車加氣機(jī)與原始儲罐相聯(lián)，將LNG送到天然氣汽車的儲罐內(nèi)。此LNG汽車加氣站這時處于初始階段。

當(dāng)該高速公路的公共液化天然氣汽車加氣站網(wǎng)建成后，行駛在高速公路上的天然氣汽車數(shù)量會迅猛增加，對LNG需求大大增加。此時此液化天然氣汽車加氣站的LNG產(chǎn)額已滿足不了這個需求，此液化天然氣汽車加氣站進(jìn)入擴(kuò)容階段。引進(jìn)一大型LNG儲罐，由某大型LNG液化工廠提供LNG.現(xiàn)有的天然氣液化裝置則成為BOG再液化設(shè)施，該加氣站運(yùn)行過程中產(chǎn)生的BOG不必排空，再液化后儲存在原始儲罐中，供給加氣機(jī)。

通過相應(yīng)的管道和控制閥，液化天然氣槽車可將LNG燃料注入到大型LNG儲罐的頂部，也可以注入到大型LNG儲罐的底部。原始儲罐與新增加的大型LNG儲罐是相互連通的，借助 于LNG泵，相應(yīng)的管道和控制閥LNG燃料可在兩個儲罐之間相互傳送。但LNG加氣機(jī)仍然只于原始儲罐相連。

借助于有關(guān)的管道與閥門，兩個儲罐的頂部蒸發(fā)氣空間都于液化單元的天然氣入口相通。其蒸發(fā)氣可被再液化成液體而返回儲罐，儲罐內(nèi)的壓力和溫度都可降低。

附圖說明

圖1為處于初始階段的本發(fā)明工藝系統(tǒng)框架示意圖。

圖2為處于擴(kuò)容階段的本發(fā)明工藝系統(tǒng)框架示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明一個最佳方案的實(shí)現(xiàn)如下述構(gòu)成。來自城鎮(zhèn)低壓天然氣管網(wǎng)的原料氣10通過管道12被送進(jìn)天然氣原料氣預(yù)冷單元100。兩級級聯(lián)致冷機(jī)200的第二級蒸發(fā)器110設(shè)在預(yù)冷單元100內(nèi)。級聯(lián)致冷機(jī)200運(yùn)行在193K.級聯(lián)致冷機(jī)200的第二級致冷劑通過導(dǎo)管20，節(jié)流閥21和導(dǎo)管22流入兩級級聯(lián)致冷機(jī)200的第二級蒸發(fā)器110，蒸發(fā)節(jié)流后通過導(dǎo)管24返回到級聯(lián)致冷機(jī)200的第二級壓縮機(jī)。原料氣在第二級蒸發(fā)器110的銅管或翅板的外表面處被冷卻，然后通過導(dǎo)管14和31流出預(yù)冷單元100，而進(jìn)入天然氣液化單元300.在預(yù)冷單元100內(nèi)原料氣所含的某些重碳?xì)浠衔铮s質(zhì)，如CO₂，H₂S和H₂O等，以及示嗅劑會轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)或液態(tài)而沉積在預(yù)冷單元100的底部，然后通過導(dǎo)管16排出預(yù)冷單元100。

如圖1所示，一個特殊設(shè)計的熱交換器310安裝在液化單元300內(nèi)。熱交換器310內(nèi)有較寬的LNG通道，使得混在原料氣中的極少量高冰點(diǎn)組分變?yōu)楣虘B(tài)而堵塞液化過程連續(xù)進(jìn)行的機(jī)率大大降低。因此減少了停機(jī)檢修時間，提高了LNG生產(chǎn)率。

低溫致冷機(jī)400提供液化天然氣的冷量。工作在100K溫區(qū)斯特林(Stirling)循環(huán)低溫致冷機(jī)是最好的選擇。斯特林(Stirling)循環(huán)低溫致冷機(jī)的致冷系數(shù)(Coefficient of Performance(COP))高于G-M循環(huán)低溫致冷機(jī)，脈沖管低溫致冷機(jī)以及焦耳-湯瑪遜(Joule-Thomson)循環(huán)低溫致冷機(jī)等。斯特林(Stirling)循環(huán)低溫致冷機(jī)的致冷功率在100K能達(dá)到千瓦數(shù)量級。荷蘭STIRLING CRYOGENICS公司專門開發(fā)了產(chǎn)品：StirLNG-1；StirLNG-4低溫致冷機(jī)為了液化天然氣，但它對天然氣原料氣也有特殊要求如下：

H₂O＜-70℃露點(diǎn)(2mg/Nm³)

H₂S＜3.3PPM(4.6mg/Nm³)

顆粒物直徑＜0.1微米。

因此，天然氣管網(wǎng)中的天然氣不能直接進(jìn)入StirLNG-1；StirLNG-4低溫致冷機(jī)去液化。于是在本發(fā)明由導(dǎo)管41與42組成的氦氣循環(huán)回路，連接熱交換器310的冷端與斯特林(Stirling)循環(huán)低溫致冷機(jī)400的冷頭。氦氣被循環(huán)低溫致冷機(jī)400的冷頭冷卻，通過導(dǎo)管41流入熱交換器310.天然氣與熱交換器310的冷卻通道表面接觸，吸收冷量，轉(zhuǎn)變?yōu)長NG，被收集在液化單元300的底部，經(jīng)導(dǎo)管32流入原始儲罐500內(nèi)。經(jīng)熱交換后氦氣經(jīng)導(dǎo)管42回流至低溫致冷機(jī)400內(nèi)，再獲取冷量。

天然氣管網(wǎng)中的天然氣可以直接進(jìn)入本發(fā)明的液化流程系統(tǒng)而被液化，不需另外附加預(yù)處理流程，因此簡化了工藝流程，節(jié)約了投資和運(yùn)行成本。

液化單元300內(nèi)可能有少部分天然氣沒有被液化，從液化單元300的頂部排出。而通過管道33，34，與31，返回液化單元300，再進(jìn)行液化。

原始儲罐500的上部是LNG蒸氣空間53，容儲LNG蒸氣52.經(jīng)過導(dǎo)管54，閥55，導(dǎo)管34和31，LNG蒸氣52流進(jìn)液化單元300，而再液化。原始儲罐500的下部是LNG空間51，所儲的LNG通過導(dǎo)管61可傳送到一個商品化的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備：LNG加氣機(jī)600，通過一彈性的有熱絕緣的燃料供給線63將LNG輸送到LNG汽車儲罐。伴隨燃料供給線63，有一條BOG返回管62，它用于收集LNG蒸氣。當(dāng)LNG輸送給LNG汽車的儲罐，首先要用LNG冷卻LNG汽車儲罐和LNG燃料供給線63，這將導(dǎo)致LNG蒸氣的產(chǎn)生。最后這些蒸氣通過BOG返回管62，集中到原始儲罐500的LNG蒸氣空間53。本發(fā)明所勾畫出的LNG汽車加氣站其優(yōu)點(diǎn)之一就是對LNG加氣過程產(chǎn)生的BOG和由儲罐漏熱產(chǎn)生的蒸氣有再液化的能力。不需用過壓排空的方式保護(hù)儲罐的安全，也提高了此LNG汽車加氣站的經(jīng)濟(jì)效益。原始儲罐500採用雙層高真空結(jié)構(gòu)，且安裝在室內(nèi)，其漏熱也大大降低。

一套電子控制系統(tǒng)(未顯示)用以控制本發(fā)明的工藝流程系統(tǒng)，使其容易實(shí)現(xiàn)自動無人運(yùn)行與管理。

在本發(fā)明初始階段實(shí)施中所有主要工藝流程設(shè)備，如級連致冷機(jī)，斯特林(Stirling)循環(huán)低溫致冷機(jī)和LNG汽車加氣機(jī)等都是商品化的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，它們外型尺寸小，能將本發(fā)明的整個工藝流程系統(tǒng)集成在一個或兩個標(biāo)準(zhǔn)40英尺貨柜中，節(jié)約了占地成本，且完全滿足安全要求。

本發(fā)明在擴(kuò)容階段的實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。同時出現(xiàn)在圖1與圖2的同一單元和設(shè)備以及它們相同的功能，用同一標(biāo)號來標(biāo)明，不再重復(fù)贅述。本發(fā)明擴(kuò)容階段實(shí)現(xiàn)僅增加一大容積LNG儲罐800和相應(yīng)的管道和閥門。這個儲罐也是定型標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。儲罐800的頂部是蒸氣空間81，用于容納LNG蒸氣82.儲罐800的底部是液體空間84用于存儲LNG 83.

從LNG槽車向儲罐800卸車流程如下：將LNG槽車的LNG輸液管與接口85a相連，蒸氣回收管與接口85b相連，關(guān)閉閥863與868，打開閥861與閥869，通過導(dǎo)管823，824，832與829，LNG流入低溫液體泵池810.關(guān)閉閥965與閥867，打開閥門866和閥門864，運(yùn)行LNG低溫泵811，LNG從低溫泵811的輸出端，通過導(dǎo)管826，825，注入到儲罐800的底部84；或者保持閥863，867與閥868關(guān)閉，關(guān)閉閥864與打開閥865，LNG則通過導(dǎo)管822從低溫泵811的輸出端注入到儲罐800的頂部81.

當(dāng)LNG槽車儲罐內(nèi)的壓力高于儲罐800內(nèi)的壓力，關(guān)閉閥869與閥865，打開閥863，通過導(dǎo)管822LNG能直接注入到儲罐800的頂部。

打開閥862，卸車流程產(chǎn)生的蒸氣能通過導(dǎo)管821從LNG槽車的儲罐注入到儲罐800的頂部蒸氣空間81.

原始儲罐500與大容積儲罐800彼此之間是相通的。關(guān)閉閥869與867，儲存在原始儲罐500內(nèi)的LNG通過導(dǎo)管827，打開的閥868，低溫液體泵池810，低溫泵811，打開的閥866與864和導(dǎo)管825，從儲罐800的底部注入儲罐800。或者關(guān)閉閥863，打開閥865，儲存在原始儲罐500內(nèi)的LNG通過導(dǎo)管822注入到儲罐800的底部。關(guān)閉閥865，866和閥868，打開閥864與閥867，沿著導(dǎo)管825與828，儲存在儲罐800內(nèi)的LNG依靠重力流進(jìn)原始儲罐500.

聚集在儲罐800頂部蒸氣空間81的LNG蒸氣經(jīng)導(dǎo)管86與31可注入進(jìn)液化單元300再液化成液體，使得儲罐800內(nèi)的壓力始終保持在安全值或更低。

繼續(xù)保持LNG注入機(jī)600直接與原始儲罐500相連，儲存在儲罐800內(nèi)的LNG不能直接送進(jìn)LNG注入機(jī)600，而通過原始儲罐500中介。

如果某種極嚴(yán)重事故突然發(fā)生，大量LNG瞬間蒸發(fā)，儲罐800內(nèi)的壓力急劇增加超過預(yù)設(shè)的安全值，儲罐本身有破壞的危險，這時LNG蒸氣可通過自動壓力釋放閥891和排空閥892排空。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。