楊杰(中冶東方工程技術(shù)有限公司，山東 青島 266555)

1 壓縮天然氣（CNG）加氣站的發(fā)展

根據(jù)國(guó)家環(huán)保局的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，全國(guó)機(jī)動(dòng)車每年排放的有害氣體達(dá)到2000萬(wàn)噸。汽車尾氣對(duì)人們的健康生活造成極大的危害。天然氣具有使用安全便捷、高效益、無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)，代替汽油和柴油作為汽車燃料可以很大程度上降低污染物的排放。但從近年來(lái)國(guó)內(nèi)外汽車CNG加氣站的設(shè)計(jì)、運(yùn)行過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了不少現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，如何能保證加氣站安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益，需要對(duì)CNG加氣站的各個(gè)設(shè)備選用進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，才能最終選擇一個(gè)安全并且經(jīng)濟(jì)的優(yōu)化方案。

2 CNG加氣站的工藝流程

CNG加氣站工藝流程由調(diào)壓及計(jì)量系統(tǒng)、凈化和干燥系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、壓縮天然氣儲(chǔ)氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及售氣系統(tǒng)總共六大系統(tǒng)組成。以下為CNG加氣站流程的示意圖。

圖1 CNG加氣站流程工藝圖

對(duì)于不同規(guī)模的用戶來(lái)說(shuō)，壓縮天然氣站的設(shè)備配置可能有很大的差別，但是作為一個(gè)完整的CNG加氣站，這六大系統(tǒng)卻是缺一不可的，其中天然氣壓縮系統(tǒng)和壓縮天然氣儲(chǔ)存系統(tǒng)是CNG加氣站工藝流程中最核心的部分，加氣站的運(yùn)行實(shí)用性及安全可靠性與這兩個(gè)部分的設(shè)備配置直接關(guān)系，也決定著CNG加氣站的經(jīng)濟(jì)效益。

CNG加氣站的結(jié)構(gòu)型式從安裝型式上可分為開放式結(jié)構(gòu)和撬裝式結(jié)構(gòu)兩大類。開放式結(jié)構(gòu)是將加氣站的所有設(shè)備安裝在廠房?jī)?nèi)，通過(guò)高低壓管道及閥門將各個(gè)設(shè)備組裝成整套的工藝系統(tǒng)，開放式結(jié)構(gòu)具有設(shè)備空間較大，便于維修保養(yǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但是自動(dòng)化程度低。撬裝式結(jié)構(gòu)是指將加氣站壓縮機(jī)前的天然氣緩沖罐、過(guò)濾器、壓縮機(jī)主機(jī)、空氣冷卻器、驅(qū)動(dòng)機(jī)、儲(chǔ)氣瓶、電控盤和優(yōu)先順序盤、儀表風(fēng)系統(tǒng)等主要設(shè)備集成在一個(gè)成撬的底座上，形成一個(gè)閉環(huán)控制的整體設(shè)備系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)型式有便于運(yùn)輸和露天安裝，自動(dòng)化程度高，安全可靠性高，且可減少現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試的工作量的優(yōu)勢(shì)，但是一次性投資造價(jià)較高。

3 CNG加氣站設(shè)計(jì)及系統(tǒng)配置

3.1 主要設(shè)備選型影響因素

由于CNG加氣站全天在不同時(shí)段的加氣車輛數(shù)量受到氣溫條件，交通狀況和作息制度等因素的影響，會(huì)有很大程度的差異，因此加氣量也會(huì)呈現(xiàn)出不均衡性。在進(jìn)行加氣站設(shè)備選型時(shí)一定要充分考慮這種不均衡性，并且要根據(jù)設(shè)備的工作特性來(lái)充分利用這個(gè)不均衡性，合理進(jìn)行設(shè)備選型。如果設(shè)備負(fù)荷大于實(shí)際負(fù)荷，會(huì)造成投資大，資源浪費(fèi)，儲(chǔ)氣效率低；如果設(shè)備負(fù)荷小于實(shí)際負(fù)荷，壓縮機(jī)頻繁啟動(dòng)，降低使用性，造成加氣時(shí)間延長(zhǎng)和加氣汽車擁堵。這兩種情況不但會(huì)影響加氣站的正常工作，也會(huì)影響到經(jīng)濟(jì)效益。所以確定與優(yōu)化加氣站的壓縮機(jī)與儲(chǔ)氣規(guī)模的配比是CNG加氣站設(shè)計(jì)首要解決的問(wèn)題。

CNG加氣站設(shè)備配置需要考慮的問(wèn)題主要有:

加氣站主要服務(wù)對(duì)象、服務(wù)數(shù)量、加氣時(shí)間和服務(wù)速度，

壓縮機(jī)容積流量的選定，數(shù)量的確定

壓力容器的容積及尺寸

充氣軟管數(shù)量的確定

每日加氣車輛數(shù)量和充氣量

為保證加氣站工作的安全可靠、技術(shù)先進(jìn)，在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選型時(shí)，加氣站的主機(jī)應(yīng)優(yōu)先選擇技術(shù)先進(jìn)的設(shè)備，電機(jī)啟動(dòng)器、脫硫脫水裝置、儲(chǔ)氣井等輔助設(shè)施可以采用一般性設(shè)備，既要保證系統(tǒng)安全運(yùn)行還要兼顧降低加氣站的建設(shè)成本。在本文論述中，以一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)站日天然氣銷售10000Nm3/d來(lái)進(jìn)行討論和設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.2 CNG加氣站設(shè)計(jì)計(jì)算條件

為便于常規(guī)站的設(shè)計(jì)分析計(jì)算，對(duì)以下設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)條件進(jìn)行合理的規(guī)定和假設(shè):

壓縮機(jī)進(jìn)口壓力:0.3MPa,

壓縮機(jī)排氣壓力:25MPa

CNG汽車儲(chǔ)氣容積:綜合考慮CNG出租車配備一個(gè)鋼瓶容積0.06m3及CNG公交車配備四個(gè)鋼瓶總?cè)莘e0.36 m3，核算后平均儲(chǔ)氣容積為0.105 m3

儲(chǔ)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作壓力:25MPa

加氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度:20℃

3.3 加氣站各系統(tǒng)設(shè)備配置

3.3.1 調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)

調(diào)壓裝置安裝在天然氣進(jìn)站主管道上，調(diào)壓器的選擇要求性能好，體積小，能夠?qū)崿F(xiàn)天然氣調(diào)壓和流量的計(jì)量。調(diào)壓、計(jì)量裝置的主要設(shè)備由天然氣過(guò)濾器、調(diào)壓器、就地壓力表、流量計(jì)、旁通閥門等組成。

3.3.2 天然氣凈化和干燥系統(tǒng)

根據(jù)天然氣的含水、含硫狀況和設(shè)計(jì)環(huán)境溫度及濕度等因素，確定脫水干燥和脫硫的工藝方法、裝置的規(guī)格及結(jié)構(gòu)型式的基本參數(shù)。國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)的干燥工藝設(shè)計(jì)通常采用高壓后置脫水，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小，干燥氣體露點(diǎn)低。天然氣經(jīng)過(guò)凈化和干燥后，可確保天然氣氣質(zhì)的純凈，實(shí)現(xiàn)保護(hù)壓縮機(jī)的正常運(yùn)行及天然氣在發(fā)動(dòng)機(jī)中良好燃燒，不會(huì)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)造成任何危害。

凈化和干燥系統(tǒng)主要包括除塵、脫水干燥設(shè)備，脫硫、脫油等設(shè)備。其中用來(lái)除塵、脫硫的凈化設(shè)備主安裝在壓縮機(jī)之前，確保保護(hù)壓縮機(jī)不會(huì)受到損壞和腐蝕。

3.3.3 天然氣壓縮系統(tǒng)

天然氣壓縮系統(tǒng)的主要設(shè)備由進(jìn)氣緩沖罐、壓縮機(jī)主機(jī)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等部分組成。CNG加氣站的核心部分就是壓縮系統(tǒng)，其性能的好壞，直接影響加氣站的運(yùn)行。CNG壓縮機(jī)為連續(xù)性生產(chǎn)設(shè)備，為滿足加氣站間隙式充裝的需要，必須設(shè)置儲(chǔ)氣系統(tǒng)，這樣可以減少壓縮機(jī)頻繁開停機(jī)次數(shù)，減少對(duì)壓縮機(jī)設(shè)備的磨損，從而保證設(shè)備安全和可靠運(yùn)行。

緩沖罐和回收罐

為減少壓縮機(jī)工作時(shí)氣流壓力波動(dòng)以及由此引起的機(jī)組振動(dòng)，在天然氣進(jìn)入壓縮機(jī)組之前設(shè)置進(jìn)氣緩沖罐，對(duì)供氣系統(tǒng)起到緩沖作用。

廢氣回收罐主要作用是回收壓縮機(jī)排污及卸載時(shí)產(chǎn)生的天然氣，同時(shí)回收壓縮機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的廢氣、廢液。在目前運(yùn)行的CNG加氣站中，會(huì)發(fā)生壓縮機(jī)回收罐安全閥頻繁起跳的現(xiàn)象，根源主要是壓縮機(jī)啟動(dòng)頻繁，卸載產(chǎn)生的回收氣體回流，大量氣體進(jìn)入緩沖罐，造成壓縮機(jī)進(jìn)口壓力超壓，解決的方法是將回收罐接口接一根回流管道，連接至天然氣進(jìn)站管道，這樣回收罐內(nèi)的大量天然氣可回流到供氣管網(wǎng)，問(wèn)題就得以解決。

壓縮機(jī)組選擇計(jì)算

壓縮機(jī)型式有很多，目前在國(guó)內(nèi)CNG汽車加氣站中使用最為廣泛的是往復(fù)活塞式壓縮機(jī)。國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)在運(yùn)行安全可靠、長(zhǎng)期服役、節(jié)能等特性上接近國(guó)際先進(jìn)水平，且國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)的成套價(jià)格僅為進(jìn)口的1/2，售后服務(wù)和配件供應(yīng)都有保證。壓縮機(jī)的選擇主要應(yīng)根據(jù)加氣站進(jìn)、出站壓力，壓縮機(jī)的性能、加氣的能力、儲(chǔ)氣井容積、施工場(chǎng)地條件等因素，進(jìn)行綜合考慮。

參照《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（GB50156-2012）中，壓縮機(jī)宜按日開機(jī)時(shí)間10-12小時(shí)計(jì)算，壓縮機(jī)的型號(hào)宜選擇一致，裝機(jī)數(shù)量不宜超過(guò)3臺(tái)。本論述中加氣站壓縮機(jī)設(shè)計(jì)排氣壓力為25MPa，假設(shè)壓縮機(jī)每日開機(jī)時(shí)間為12小時(shí)，因此可知加氣站壓縮機(jī)小時(shí)生產(chǎn)氣量為:

Q總=Vopt/h

式中:Q總:壓縮機(jī)每小時(shí)的生產(chǎn)氣量,(Nm3/h)

Vopt:每日生產(chǎn)氣體規(guī)模，本文中Vopt=10000Nm3/h

h:壓縮機(jī)每日開機(jī)總時(shí)間，本文中h=12。

故:Q總=Vopt/h=10000/12=833Nm3/h

加氣站在壓縮機(jī)選型時(shí)，要根據(jù)壓縮機(jī)的性能曲線，選擇優(yōu)化的組合方案。既要體現(xiàn)生產(chǎn)方案和經(jīng)濟(jì)規(guī)模，也要保證達(dá)到經(jīng)濟(jì)電耗，滿足加氣工況，實(shí)現(xiàn)投資的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)以上計(jì)算并結(jié)合工況，可以選擇兩臺(tái)單機(jī)排氣量為550 Nm3/h的壓縮機(jī)組合方案，并設(shè)置兩臺(tái)備用壓縮機(jī)，電機(jī)總功率為220kw。

根據(jù)氣缸方式，壓縮機(jī)的潤(rùn)滑油系統(tǒng)分為有油潤(rùn)滑，少油潤(rùn)滑和無(wú)油潤(rùn)滑；冷卻系統(tǒng)則分為水冷冷卻和風(fēng)冷冷卻。

3.3.4 壓縮天然氣儲(chǔ)氣系統(tǒng)

儲(chǔ)氣系統(tǒng)主要起到緩沖作用，是為順應(yīng)加氣站間隙式生產(chǎn)的需要。汽車加氣規(guī)律是按交通運(yùn)輸自身營(yíng)運(yùn)規(guī)律來(lái)確定的，加氣站工作的基本規(guī)律決定于加氣時(shí)間與氣量上時(shí)多時(shí)少或間隙充裝，且CNG壓縮機(jī)的工作制度為連續(xù)性工作，要滿足加氣站間隙式充裝的工作制度，則必須設(shè)置儲(chǔ)氣系統(tǒng)，這樣就可以使壓縮機(jī)開停機(jī)次數(shù)減少。根據(jù)加氣站的加氣時(shí)間是否集中來(lái)考量，并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，儲(chǔ)氣量應(yīng)該是日加氣量的1/3到1/2。

若按每天兩個(gè)加氣高峰季相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來(lái)考慮，儲(chǔ)氣設(shè)備的儲(chǔ)氣量可以按照日加氣量q=5000Nm3/d來(lái)計(jì)算，本設(shè)計(jì)中以儲(chǔ)氣系統(tǒng)的工作壓力為25MPa,儲(chǔ)氣系統(tǒng)工作溫度為20℃為設(shè)計(jì)條件，氣體的壓縮系數(shù)按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

Z=-0.000101217×Pr4+0.000779029×Pr3+0.0156975×Pr2-0.126047×Pr+l.01056

式中溫度T和壓力P是計(jì)算壓縮因子Z的變量，其函數(shù)關(guān)系可表示為:

對(duì)比壓力Pr=P／Pk

對(duì)比溫度Tr=／Tk。其中:

Pk:氣體臨界壓力，

Tk:氣體臨界溫度。

天然氣的臨界壓力為:Pk=4.58MPa,

天然氣的臨界溫度為:Tk=190.7K（-82.3℃）；

在本設(shè)計(jì)條件下，t=20℃下時(shí)的氣體壓縮系數(shù)Z值經(jīng)計(jì)算為0.8276。

標(biāo)況下的儲(chǔ)氣容積為:

q=5000×

故儲(chǔ)氣設(shè)備總?cè)莘e確定為18m3

儲(chǔ)氣設(shè)備可分為儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)氣瓶組和儲(chǔ)氣井。

儲(chǔ)氣罐是按照GB150《鋼制壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的3類壓力容器。這種儲(chǔ)氣方式的優(yōu)點(diǎn)是接頭少，輸氣阻力小，儲(chǔ)氣系統(tǒng)的泄漏點(diǎn)少，缺點(diǎn)是容器容重比較小，耗用鋼材量大，因此將這種儲(chǔ)氣方式一般作為代用儲(chǔ)氣裝置。

儲(chǔ)氣瓶組是由多個(gè)CNG鋼瓶組成，多組并聯(lián)形成儲(chǔ)氣瓶組。按工藝需要，分成高、中、低壓庫(kù)儲(chǔ)氣系統(tǒng)，這種裝置的優(yōu)點(diǎn)是使用彈性大，但是也存在接頭漏氣處理困難、鋼瓶表面防腐維護(hù)困難、檢測(cè)不便及存在安全隱患等問(wèn)題。

儲(chǔ)氣井相對(duì)于儲(chǔ)氣瓶組和儲(chǔ)氣罐來(lái)說(shuō)是一種地下的儲(chǔ)氣方式。儲(chǔ)氣井管采用符合規(guī)范要求的石油套管，需要具有較高的和強(qiáng)度防腐能力。通過(guò)采用石油地質(zhì)鉆井中無(wú)焊點(diǎn)扣連方式，將儲(chǔ)氣井管深埋于地下，形成儲(chǔ)氣井的儲(chǔ)氣工藝設(shè)備。儲(chǔ)氣井的具有安全可靠，事故隱患少，占地面積小，操作使用簡(jiǎn)單，維護(hù)管理方便，使用壽命長(zhǎng)，防火間距短的優(yōu)點(diǎn)。因此在目前的CNG加氣站設(shè)計(jì)中普遍采用儲(chǔ)氣井的方式進(jìn)行儲(chǔ)氣。

3.3.5 控制系統(tǒng)

CNG加氣站的控制系統(tǒng)包括電源控制、運(yùn)行控制、儲(chǔ)氣壓力控制、凈化及干燥控制、系統(tǒng)安全控制和售氣控制。大量使用自動(dòng)控制設(shè)備的雖然會(huì)增加投資，但是在運(yùn)行維護(hù)人員的數(shù)量上和日常運(yùn)行的費(fèi)用上卻大大降低了，同時(shí)也確保了加氣站的運(yùn)行安全和效率，提高了運(yùn)行可靠程度。

3.3.6 壓縮天然氣售氣系統(tǒng)

售氣系統(tǒng)由加氣機(jī)及計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)組成，壓縮天然氣通過(guò)管道輸送至加氣機(jī)，依次通過(guò)入口球閥，過(guò)濾器，單向閥、流量計(jì)、高壓軟管、槍閥以及加氣槍，最后給汽車加氣。流量計(jì)計(jì)量出流經(jīng)加氣機(jī)氣體的密度、流量等參數(shù)，相應(yīng)模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化成電脈沖信號(hào)遠(yuǎn)傳至計(jì)算機(jī)控制器，經(jīng)計(jì)算得出相應(yīng)氣體的體積、金額，并通過(guò)顯示屏顯示給用戶。

3.4 結(jié)語(yǔ)

CNG加氣站的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮汽車的加氣規(guī)律，合理確定高峰時(shí)加氣車輛數(shù)量，合理配置儲(chǔ)氣瓶組的儲(chǔ)氣能力，力求實(shí)現(xiàn)加氣站設(shè)備配置最理想工況，達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益，能確保設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

[1].《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（GB50156-2012）.

[2]《鋼制壓力容器》（GB150-2011）.

[3]申莉等.CNG加氣站設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)計(jì)通訊,2001(12).