劉玉紅，郭淑芬(石家莊安瑞科氣體機械有限公司，石家莊 051430)

·應用技術·

集成降溫系統(tǒng)裝置在CNG加氣母站中的應用

劉玉紅，郭淑芬
(石家莊安瑞科氣體機械有限公司，石家莊 051430)

當長管拖車的充裝量達不到理論值要求時，為了提高充裝率，采用在加氣母站之后增加集成降溫裝置的措施，并且該裝置也可達到節(jié)能效果。

降溫裝置；換熱器；加氣站；充裝

1 技術研發(fā)背景

天然氣燃料汽車以其環(huán)保性、安全性、經(jīng)濟性，得到了越來越快的發(fā)展，因此CNG加氣母站發(fā)展迅速。一般加氣母站建設在天然氣主管道附近，將主管道內(nèi)的氣體壓縮至20 MPa后儲存在長管拖車內(nèi)，然后再運到無氣源的子站供氣。加氣母站的主要特點是靠近主管網(wǎng)，進氣壓力穩(wěn)定而且壓力較高[1]。

加氣母站CNG經(jīng)無油壓縮機壓縮后出口溫度超過100℃，不能直接用于車輛的充裝。一般CNG加氣母站在無油壓縮機后均配備CNG冷卻裝置，冷卻一般采用水冷或風冷方式。水冷冷卻效果好，但是只能在0℃以上使用，而且水質(zhì)硬的區(qū)域要對水進行軟化處理，不然冷卻器內(nèi)積垢會嚴重影響冷卻效果[2]；而風冷需要大型冷卻風扇，用電量不容小覷。這兩種方式經(jīng)過初步冷卻后的CNG溫度一般仍會高達45℃以上，夏季溫度會更高一些。CNG長管拖車鋼瓶按國家標準充裝溫度為20℃，理論裝氣量也是按20℃和20 MPa計算得到。加氣站的加氣機按壓力控制充裝量，壓力達到20 MPa則停止加氣，但是由于實際充氣溫度較高，故實際長管拖車的充裝量達不到理論值，尤其是氣體在鋼瓶內(nèi)由低壓到高壓的充裝過程，是個絕熱充氣過程，造成氣體溫度更高。尤其是復合纏繞氣瓶的非金屬復合層具有一定保溫作用，更難以降溫，充裝量受影響更大。如實際充裝溫度為45℃，充裝壓力為20 MPa時實際CNG充裝量只達到理論充裝量的92%左右，造成CNG長管拖車的運輸效率較低，達不到用戶滿意。

2 技術研發(fā)過程

2.1 研發(fā)目的

該降溫裝置放置于CNG加氣母站一次冷卻裝置后，根據(jù)需要對CNG氣體溫度進行調(diào)節(jié)，達到理想的氣體溫度，從而提高長管拖車的充裝量，提高充裝效率。

CNG經(jīng)過降溫裝置后，既可以用于CNG鋼瓶的充裝，也可以用于CNG復合纏繞氣瓶的充裝。該裝置安裝于CNG加氣母站無油壓縮機出口的風冷或水冷裝置之后，加氣機之前的管路上，實現(xiàn)對CNG的二次降溫。

降溫裝置結(jié)構(gòu)適當調(diào)整和進行參數(shù)設置，就有可能部分替代目前的無油壓縮機一次水冷或風冷裝置，從而減少CNG加氣站的設備及運行成本。

2.2 技術方案

CNG降溫裝置流程圖見圖1。

圖1 降溫裝置流程圖

降溫裝置原理如下：冷卻介質(zhì)液體通過蒸發(fā)器(此處換熱器實現(xiàn)蒸發(fā)器的功能)時，冷卻介質(zhì)吸取CNG的熱量，從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，冷卻介質(zhì)蒸發(fā)吸熱，從而將CNG進行降溫，冷卻介質(zhì)氣體被無油壓縮機吸入，壓縮成高壓高溫的氣體后排入冷凝器，在冷凝器中被冷卻放熱冷凝為高壓液體，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流為低溫低壓的液體，再次進入蒸發(fā)器吸熱氣化，達到循環(huán)制冷的目的。

CNG通過該裝置后，通過設計計算和調(diào)整設定參數(shù)，可使CNG氣體溫度降低到需要的溫度，從而達到長管拖車及其它用氣裝置的理論充裝量，提高長管拖車的運輸效率。

3 降溫裝置的組成結(jié)構(gòu)

降溫裝置主要結(jié)構(gòu)由換熱器、制冷機組、控制裝置及連接管路等組成。

3.1 換熱器

換熱器是降溫裝置的核心設備，也是影響換熱效果的重要因素。本裝置從設計的諸多方面考慮并提高設備的換熱效率，使之既達到理想換熱效果，又非常經(jīng)濟實用。

換熱器整體結(jié)構(gòu)為新型螺旋管式換熱器，結(jié)構(gòu)緊湊，傳熱效果好[3]。因CNG壓力為高壓，所以換熱器的管程是CNG；冷卻介質(zhì)選取市場上常用的制冷劑氟利昂R404A，因氟利昂運行為低壓狀態(tài)，故殼程為氟利昂介質(zhì)。

不銹鋼殼體及換熱管結(jié)構(gòu)，使氟利昂循環(huán)系統(tǒng)保持潔凈無污染，延長了制冷劑無油壓縮機的使用壽命。

換熱管采用小直徑薄壁管，提高了換熱效率，且適合于CNG高壓狀態(tài)。換熱管布置采用多根螺旋管纏繞結(jié)構(gòu)，單位體積的換熱面積大大增大，同等換熱量下，體積較傳統(tǒng)換熱器小得多，使整體設備更輕型；螺旋纏繞管結(jié)構(gòu)，消除了換熱管與管板之間的連接拉脫力，提高了設備的使用壽命；螺旋管形式的換熱管換熱效率較直管換熱管換熱效率大大提高。

CNG流向與氟利昂流向設置為逆向，便于氣體更好地進行熱量交換。使用時流體產(chǎn)生湍流效果，雜質(zhì)沉積幾率小，結(jié)垢傾向低，延長了設備的使用壽命。

換熱器形狀為細長結(jié)構(gòu)，有利于CNG與氟利昂充分進行熱量交換，提高換熱效率。

3.2 制冷機組

制冷機組主要由制冷劑無油壓縮機、冷凝器、儲液罐、節(jié)流閥等組成。天然氣降溫裝置采用氟利昂R404A作為制冷劑。氟利昂無毒、非易燃易爆，且市場上常用，非常適合于作為制冷劑。氟利昂經(jīng)過蒸發(fā)、壓縮、冷凝和節(jié)流形成循環(huán)使用，不損耗，使用安全、方便。

制冷劑無油壓縮機、儲液罐、冷凝器、節(jié)流閥等集成于箱體中，占用面積較小。

通過計算所需冷量，可以得到制冷無油壓縮機的最小所需流量，保證CNG得到有效降溫。

3.3 控制裝置

電控裝置均為防爆設計，防爆等級需滿足加氣母站防爆的相關要求。控制裝置可以預設定參數(shù)，使用方便，無需人工值守。制冷劑無油壓縮機啟動溫度可根據(jù)客戶需求情況預設。控制裝置既可以與制冷機組集成在一起或單獨安裝固定于其它適合位置。

3.4 其他連接裝置

換熱器同無油壓縮機出口可以采用高壓軟管進行連接，亦可以通過高壓無縫鋼管進行連接，根據(jù)需要確定。

3.5 保溫層

制冷劑流通管道外表面及換熱器殼體外表面應進行保溫處理，以防熱量流失，使進入換熱器的制冷劑保持低溫狀態(tài)。保溫材料可以采用市場上常用的泡沫或橡塑等保溫層。

4 試驗驗證

4.1 設備連接

注：本試驗僅為試驗降溫裝置的降溫效果，降溫裝置安裝在加氣機和長管拖車之間。

設備狀態(tài)：

1. 換熱器的制冷劑進出口已經(jīng)與制冷機組的接口進行連接，并且進行了壓力試驗合格，制冷劑已經(jīng)充裝到制冷機組的儲液罐內(nèi)。

2. 換熱器CNG進出口端均安裝了閥門及快裝陽接頭，并且已經(jīng)進行了氣密性試驗合格。

3. 根據(jù)CNG加氣站的要求，將設備按指定地點就位。

4.2 試驗過程

4.2.1 充裝

1. 換熱器進口通過高壓軟管與加氣機連接；換熱器出口通過高壓軟管與長管拖車連接。長管拖車的主控閥和瓶端根部閥均處于關閉狀態(tài)。

2. 打開換熱器前后的閥門。

3. 開啟加氣機幾秒鐘后關閉。

4. 打開降溫裝置上的排氣閥將系統(tǒng)管道內(nèi)空氣排放幾秒鐘后，關閉。

5. 重復工序(3)～(4)2～3次后，關閉降溫裝置上的排氣閥，打開長管拖車主控閥和根部閥。

6. 開啟加氣機進行充裝。

7. 開啟制冷機組無油壓縮機，制冷機組根據(jù)實際環(huán)境氣溫及需要的降溫情況進行設定開啟和關閉溫度。

8. 記錄各時間段的換熱器前后的溫度及壓力數(shù)據(jù)，按5 min記錄一次；記錄各個時間段的充氣量，包括0.5，1，1.5，2 h及最終的充氣量；記錄制冷無油壓縮機的啟動頻率情況；測試車輛鋼瓶充裝前后的瓶壁溫度變化，并與未經(jīng)過降溫裝置的瓶壁溫度進行比較；記錄充裝時間并與未經(jīng)過降溫裝置的車輛充裝時間進行比較。

9. 加氣機壓力達到20 MPa時，加氣站人員關閉加氣機，充裝結(jié)束。

10. 可打開加氣機上的排氣閥或打開降溫裝置上的排氣閥進行排除管路中余氣，再斷開換熱器兩端高壓軟管的連接。

4.3 試驗數(shù)據(jù)

試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗數(shù)據(jù)

續(xù)表1

5 試驗結(jié)果分析

1. 初始15 min內(nèi)的測試數(shù)據(jù)不計入平均值，因為CNG剛充入空瓶時短時會出現(xiàn)降溫現(xiàn)象，測試數(shù)據(jù)不太準確。

2. 制冷機組設定開停的溫差建議在5～10℃，溫差太小會造成制冷無油壓縮機頻繁啟動；溫差太大使降溫裝置的降溫作用下降。

3. 試驗期間，換熱器進出口壓力差約0.5 MPa，未對系統(tǒng)造成大的壓力損失。

4. 試驗后期的穩(wěn)定階段，換熱器進出口溫差平均20.6℃。

5. 經(jīng)與加氣站人員核實，經(jīng)過降溫裝置后的充裝時間與不加降溫裝置的充裝時間沒有變化，說明降溫裝置沒有明顯的阻力，未對充裝時間造成影響。

6. 瓶壁初始溫度19℃，充裝結(jié)束后瓶壁溫度33℃，瓶壁溫度升高14℃。經(jīng)實際測試其余未經(jīng)過降溫裝置的瓶壁溫度充裝后比充裝前增加25℃。經(jīng)過降溫裝置的長管拖車比未經(jīng)過降溫裝置的長管拖車最終的瓶壁溫度低約11℃。

6 結(jié) 論

1. 加氣站安裝本降溫裝置后，不影響充氣速率。

2. 經(jīng)過多次實際充裝測試，證明本降溫裝置安全可靠。

3. 經(jīng)過降溫裝置后的CNG可降溫約20℃左右，達到預期要求。

4. 如加氣母站采用降溫裝置，對于市場上的31.02 m3纏繞瓶長管拖車，理論上可多充裝約500 Nm3；對于市場上的18 m3鋼質(zhì)氣瓶長管拖車，理論上可多充裝約300 Nm3。

5. 該集成降溫裝置占地面積小，耗能低，操作維護方便，安全可靠且降溫效果顯著，是加氣站值得推廣的裝置。

[1] 王少杰，王力勇，宋玉紅．CNG加氣母站建設期間應注意的問題與解決方法[J]. 城市燃氣，2010,11(429):8-12．

[2] 虞琳，郁永章．CNG加氣站無油壓縮機運行中的若干問題[J]. 無油壓縮機技術，2007(3): 25-27．

[3] 黃蕾，黃慶軍．世界換熱器產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J]. 石油與化工設備，2011,14(3): 5-10．

Application of Integrated Cooling System Device in CNG Parent Filling Station

LIU Yuhong, GUO Shufen

(Shijiazhuang ENRIC Gas Equipment Co., Ltd., Shijiazhuang 051430, China)

When the filling capacity of tube trailer cannot reach the theory value, the integrated cooling system device will be set after the CNG parent filling station and it will not only improve the filling efficiency and also can save energy.

cooling device; heat exchanger; filling station; filling

2016-08-03

TE97

A

1007-7804(2016)06-0037-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.06.011

劉玉紅(1973)，女，本科，高級工程師，主要從事壓力容器的設計工作。