CNG加氣母站的建設(shè)與探索

王海濤 田祥 陳云平

【摘要】天然氣作為清潔能源已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)各個(gè)角落，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用，改善了國家的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，有利于節(jié)能降排和環(huán)境保護(hù)。CNG加氣母站從設(shè)計(jì)和施工均是在探索過程中完成，本文結(jié)合工程建設(shè)的實(shí)際，對(duì)加氣母站的基本概況、國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀、系統(tǒng)的基本構(gòu)成和設(shè)備參數(shù)選擇進(jìn)行了詳盡敘述。加氣母站建設(shè)時(shí)，設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行，詳盡深入理解各種工藝流程的原理，所有材料設(shè)備需為生產(chǎn)運(yùn)營服務(wù)。

【關(guān)鍵詞】加氣母站 工藝流程 裝置

改革開放二十年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平保持著強(qiáng)勁發(fā)展勢(shì)頭，一個(gè)新興的工業(yè)大國正在崛起。隨著人民生活水平的日益提高，人們對(duì)于汽車的熱愛與依賴持續(xù)升溫，汽車在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)、拉動(dòng)市場(chǎng)、帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面是其它商品難以比擬的。天然氣作為高效率、無污染的新能源來逐步替代牽動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)神經(jīng)的石油是一種大趨勢(shì)。在此情況下，關(guān)于CNG加氣母站的建設(shè)與研究就成為了最新的努力方向。

1 國內(nèi)外加氣站發(fā)展?fàn)顩r

壓縮天然氣汽車簡(jiǎn)稱CNGV（Compressed Natural Gas Vehicle），是將天然氣壓縮至25MPa，儲(chǔ)存于氣瓶中，經(jīng)減壓器減壓后供給汽車內(nèi)燃機(jī)燃燒的技術(shù)。國外自二十世紀(jì)30年代開始進(jìn)行天然氣汽車技術(shù)研究，目前已形成系列成熟的配套技術(shù)，并發(fā)展成為一種新興產(chǎn)業(yè)。天然氣汽車是以天然氣作為燃料的汽車，按照天然氣的化學(xué)成分和形態(tài)，可分為壓縮天然氣（CNG）汽車、液化天然氣（LNG）汽車和液化石油氣（LPG）汽車3種。1929年，意大利在世界上首先應(yīng)用天然氣做汽車的燃料。為了促進(jìn)燃?xì)馄嚨陌l(fā)展，世界各國政府幾乎都制定了相關(guān)政策予以支持，主要有法規(guī)性政策和扶持氣價(jià)性政策。國內(nèi)CNG技術(shù)研究始于上世紀(jì)70年代，川渝是全國最大的天然氣開采和最早開發(fā)利用CNG的地區(qū)。通過對(duì)國外技術(shù)的消化吸收，已取得了突破性進(jìn)展，能自行開發(fā)完成CNG汽車系統(tǒng)工程，與國外相比，國內(nèi)設(shè)備價(jià)格低廉、配套性好、便于維修。但設(shè)備操作相對(duì)復(fù)雜，維修較為頻繁。

2 加氣母站工藝流程及工藝裝置

2.1 工藝流程

CNG加氣母站的主要功能是接受上游管道來氣進(jìn)行計(jì)量、調(diào)壓、過濾，然后進(jìn)入前置脫水裝置進(jìn)行脫水處理，使天然氣的露點(diǎn)達(dá)到規(guī)定的-55℃后，由壓縮機(jī)增壓至25Mpa，通過加氣柱向車載儲(chǔ)氣瓶（20MPa）充裝壓縮天然氣。主要包括計(jì)量調(diào)壓、脫水、壓縮、儲(chǔ)氣、售氣幾個(gè)部分。另外還配備自控、給排水、供配電等系統(tǒng)。目前，國內(nèi)外工藝流程大體相同，只是工藝設(shè)備的選擇、安全防范措施存在一定差異。CNG加氣母站供氣接自分輸站內(nèi)匯管，調(diào)壓后進(jìn)入壓縮機(jī)前緩沖罐穩(wěn)壓，再進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至25MPa，經(jīng)過硅膠、分子篩雙塔再生干燥器進(jìn)行脫水處理，使天然氣含水量達(dá)到國家車用燃料氣標(biāo)準(zhǔn)，直接向加氣柱供氣。站內(nèi)設(shè)有排污罐，主要是回收干燥裝置、緩沖罐、壓縮機(jī)的液體。干燥裝置、緩沖罐、壓縮機(jī)的安全放散氣體匯到放空立管進(jìn)行放空。壓縮機(jī)等設(shè)備區(qū)域安裝氣體泄漏檢測(cè)、報(bào)警系統(tǒng)。國內(nèi)加氣母站主要有低壓凈化流程和高壓凈化流程。

2.2 工藝裝置

工藝裝置的選擇要滿足技術(shù)要求，在不影響安全生產(chǎn)的前提下，盡量節(jié)省投資的原則。加氣母站內(nèi)主要設(shè)備有：進(jìn)站閥組、脫水裝置、壓縮裝置、儲(chǔ)氣裝置、控制系統(tǒng)、售氣系統(tǒng)。

2.2.1 進(jìn)站閥組

閥組設(shè)進(jìn)站放空、緊急切段、來氣計(jì)量、調(diào)壓，以保證來氣的穩(wěn)定性和交接計(jì)量的準(zhǔn)確性，閥組內(nèi)還設(shè)有緩沖罐，以保證壓縮機(jī)工作平穩(wěn)。青島CNG加氣母站工程氣源管線自濟(jì)-淄-青天然氣管線已建王家莊閥室接入，考慮到王家莊閥室內(nèi)原預(yù)留即墨及周邊地區(qū)的天然氣管線接頭，加氣母站利用了此接頭，因此在氣源管線進(jìn)站后預(yù)留即墨及周邊地區(qū)的天然氣接頭。

2.2.2 脫水裝置

《城市天然氣的含水量要求》（GB/T17820）為在天然氣交接點(diǎn)壓力和溫度條件下水露點(diǎn)應(yīng)比最低環(huán)境溫度低5℃。而汽車用壓縮天然氣的水露點(diǎn)為在汽車駕駛的特定地理區(qū)域內(nèi)，在最高操作壓力下，水露點(diǎn)不應(yīng)高于-13℃；當(dāng)最低氣溫低于-8℃，水露點(diǎn)應(yīng)比最低氣溫低5℃（《汽車用壓縮天然氣》GBl8047-2001）。顯然以城市天然氣為氣源的CNG加氣站，還必須對(duì)城市天然氣進(jìn)行深度脫水才能輸出合格的汽車用壓縮天然氣。脫水裝置為分子篩吸附處理方式。進(jìn)入CNG加氣母站的天然氣是經(jīng)過初步凈化的干氣，符合《天然氣》GB17820-99中Ⅱ類氣質(zhì)的要求，目前國內(nèi)生產(chǎn)的脫水裝置出口干氣含水量完全可以滿足車用壓縮天然氣的使用要求。本工程使用的國內(nèi)脫水裝置為LND5000/2.5型，該裝置由兩個(gè)并列的干燥塔及加熱器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、冷卻器、分離器、過濾器組成，它們連接在一起組成完整的系統(tǒng)，兩個(gè)干燥塔以循環(huán)的方式交替作為吸附和再生使用；為確保連續(xù)工作，當(dāng)一個(gè)塔吸附水蒸氣時(shí)，另一個(gè)塔已完成再生過程。吸附與再生為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，互不干擾運(yùn)行，再生為閉式循環(huán)，再生氣來源和排放與外界基本無關(guān)。

2.2.3 壓縮裝置

（1）壓縮機(jī)選型。

①設(shè)備機(jī)型選擇。天然氣壓縮機(jī)是CNG加氣母站的關(guān)鍵設(shè)備，CNG加氣母站生產(chǎn)能力不大，氣體壓力變化很大，這種高壓縮比、低排量的機(jī)型，以往復(fù)式壓縮機(jī)最適合。國內(nèi)生產(chǎn)天然氣壓縮機(jī)始于80年代末期，經(jīng)過幾十年的生產(chǎn)、建設(shè)經(jīng)驗(yàn)積累，已完全能夠滿足CNG加氣站的工藝要求，而其價(jià)格遠(yuǎn)低于進(jìn)口設(shè)備，且現(xiàn)有國內(nèi)許多壓縮機(jī)廠家生產(chǎn)的大排量壓縮機(jī)的許多關(guān)鍵部件選用的是進(jìn)口配置件，如壓縮機(jī)的填料、活塞環(huán)、氣閥、高壓閥等，其運(yùn)行也非常平穩(wěn)，維修費(fèi)用低且及時(shí)。進(jìn)口壓縮機(jī)由于配件提供不夠及時(shí)而影響生產(chǎn)的情況在國內(nèi)CNG加氣站內(nèi)時(shí)有發(fā)生?，F(xiàn)有國產(chǎn)CNG加氣站天然氣壓縮機(jī)的機(jī)型有L型、D型、ZW型、W型、M型、星型等。M型壓縮機(jī)屬對(duì)稱平衡式壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)重心低，振動(dòng)小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、易損件壽命長（少潤滑油）、排氣量大適用于加氣母站。

②冷卻方式選擇。國產(chǎn)CNG加氣站天然氣壓縮機(jī)的冷卻方式主要為風(fēng)冷、水冷。由于本工程壓縮機(jī)排量較大，選用風(fēng)冷冷卻方式，存在噪音高、空冷氣耗電量大等問題，設(shè)置了隔音設(shè)施（每套約20萬元）后，減少了整個(gè)壓縮機(jī)撬體的內(nèi)部空間，不利于維修。水冷冷卻方式，存在循環(huán)水多次循環(huán)后結(jié)垢的問題，可以設(shè)置加藥裝置。

③設(shè)備選擇。本工程采用國內(nèi)壓縮機(jī)M-1.65/25-250JX。進(jìn)口壓力1.6～2.5MPa，最大排量2430Nm³/h。機(jī)組采用整體撬裝，采用高壓密封填料設(shè)計(jì)和無平衡段設(shè)計(jì)，無級(jí)差平衡段，因而無自耗氣。氣缸、填料無油潤滑設(shè)計(jì)和氣缸倒級(jí)差設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)氣缸、填料采用無油潤滑結(jié)構(gòu)，強(qiáng)制少油潤滑，壓縮介質(zhì)（天然氣）不會(huì)受潤滑油污染，同時(shí)節(jié)省了潤滑油的消耗（50g/h·臺(tái)），降低了使用成本。電動(dòng)機(jī)通過彈性聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，機(jī)組的其他系統(tǒng)均布置于撬座上，撬裝壓縮機(jī)組包含機(jī)組運(yùn)行所必需的總成及系統(tǒng)（含壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)、冷卻器、過濾裝置、控制系統(tǒng)等）。壓縮機(jī)為四列四缸水平對(duì)稱平衡式的4M機(jī)型，四列曲拐分成互成90°。兩列兩缸水平式對(duì)稱平衡，使得慣性力、慣性力矩完全平衡，活塞力分布更加均勻，所以振動(dòng)非常小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、可靠，易損件使用壽命長。一缸一列，兩列氣缸布置于壓縮機(jī)兩側(cè)，其切向力較D型、L型、W型相比為最小，故只需配置質(zhì)量較輕的飛輪。即可保證設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行，并節(jié)約大量電耗。

2.2.4 控制系統(tǒng)

加氣站的控制系統(tǒng)對(duì)于加氣站的正常運(yùn)行非常重要，一個(gè)自動(dòng)化程度高、功能完善的控制系統(tǒng)可以極大地提高加氣站的工作效率，保證加氣站的安全、可靠運(yùn)行。根據(jù)生產(chǎn)管理要求，自控系統(tǒng)本著安全、可靠、平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。加氣站的控制系統(tǒng)主要有電源控制、壓縮機(jī)運(yùn)行控制、售氣控制。壓縮機(jī)的運(yùn)行控制系統(tǒng)主要有壓縮機(jī)的自動(dòng)起停、進(jìn)出口壓力的控制、壓縮機(jī)潤滑油壓等的控制。售氣控制可設(shè)置在售氣機(jī)內(nèi)。站內(nèi)常規(guī)自控設(shè)施包括進(jìn)站調(diào)壓閥、高級(jí)孔板閥、可燃?xì)怏w濃度報(bào)警儀等。

2.2.5 售氣裝置

加氣母站售氣主要通過售氣機(jī)（加氣柱）來實(shí)現(xiàn)。售氣機(jī)設(shè)有流量計(jì)，由先進(jìn)的微電腦控制，自動(dòng)計(jì)量、自動(dòng)計(jì)價(jià)；在每個(gè)加氣槍軟管上設(shè)有安全斷開閥，如果加氣槍軟管被汽車拖走，拉斷閥將自動(dòng)斷開，關(guān)閉氣路，保證了系統(tǒng)的安全性。本工程采用國產(chǎn)加氣柱，額定壓力25MPa，加氣流量60～5000Nm³/h，計(jì)量準(zhǔn)確度： ±0.5%，采用進(jìn)口大通徑CNG加氣機(jī)專用質(zhì)量流量計(jì)，確保計(jì)量準(zhǔn)確、工作穩(wěn)定。

2.3 自控控制系統(tǒng)

2.3.1 系統(tǒng)內(nèi)容

在進(jìn)氣管線上設(shè)氣動(dòng)緊急切斷閥1套，采用儀表風(fēng)供氣。采用高級(jí)孔板閥配套流量管理器進(jìn)行流量檢測(cè)，配溫度壓力檢測(cè)，信號(hào)進(jìn)流量管理器進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，并遠(yuǎn)傳至控制室的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)顯示流量、溫度、壓力等信號(hào)。采用自力式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，將燃?xì)鈮毫Ψ€(wěn)定在2.5MPa。采用可燃?xì)怏w探測(cè)器檢測(cè)壓縮機(jī)區(qū)、閥組區(qū)、加氣棚區(qū)可燃?xì)怏w濃度，將信號(hào)遠(yuǎn)傳至控制室的可燃?xì)怏w報(bào)警控制器上進(jìn)行報(bào)警。在控制室設(shè)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，并在巡檢通道及壓縮機(jī)房等出入口設(shè)手動(dòng)報(bào)警按鈕。壓縮機(jī)組進(jìn)出管線高低壓報(bào)警及停車裝置、冷卻水的報(bào)警及停車裝置、潤滑油系統(tǒng)的報(bào)警及停車裝置等由壓縮機(jī)組成套。

2.3.2 自動(dòng)控制

根據(jù)加氣母站工藝和生產(chǎn)管理的要求，自控系統(tǒng)本著安全、可靠、平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。加氣母站設(shè)一控制室，在控制室設(shè)PLC系統(tǒng)對(duì)工藝過程進(jìn)行集中控制、顯示、記錄和報(bào)警及切斷。在進(jìn)站管線及儲(chǔ)氣井進(jìn)出管線上設(shè)緊急切斷閥。在天然氣容易泄露的地方設(shè)可燃?xì)怏w檢測(cè)。加氣母站為易燃、易爆危險(xiǎn)場(chǎng)所。自控設(shè)備要求質(zhì)量可靠、技術(shù)先進(jìn)、性能穩(wěn)定、安全防爆，有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)儀表選用隔爆儀表。

3 結(jié)束語

我國天然氣汽車的發(fā)展已多年，作為有利于大氣環(huán)境，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，天然氣汽車已受到國內(nèi)各界的廣泛關(guān)注，因而加強(qiáng)CNG加氣母站的建設(shè)與研究是十分有必要的。