佛山市天然氣高壓管網(wǎng)有限公司 陳雷星

在CNG汽車加氣站產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，以一座母站帶動(dòng)若干子站的建站方式近年來在國內(nèi)很多大、中城市已成為一個(gè)主流方向。它以不受管網(wǎng)布局、管網(wǎng)壓力和供氣能力限制，站址選擇靈活，占地少，投資低等優(yōu)勢(shì)而成為投資人的首選。

CNG加氣子站以CNG拖車自母站運(yùn)來的高壓天然氣為氣源，建在距離母站250 km范圍內(nèi)為宜。加氣子站一般設(shè)計(jì)日供氣量為10 000～15 000 m3[1]。

1 CNG加氣子站工藝

CNG加氣子站是用CNG長管拖車為氣源，通過加氣機(jī)給CNG汽車儲(chǔ)氣瓶進(jìn)行充裝。其工藝核心主要體現(xiàn)在如何高效利用CNG拖車內(nèi)高壓天然氣給汽車加氣，系統(tǒng)核心設(shè)備是壓縮機(jī)系統(tǒng)[2]。當(dāng)前國內(nèi)應(yīng)用較多的壓縮機(jī)系統(tǒng)主要有：液壓平推式子站集成和傳統(tǒng)機(jī)械式壓縮機(jī)系統(tǒng)，以及本文介紹的一種新型液壓活塞式壓縮機(jī)系統(tǒng)。這3種設(shè)備在加氣子站中均能起到增壓作用，但由于其工作原理及結(jié)構(gòu)形式的差異，所以在加氣站中的工藝流程有較大不同，在加氣站運(yùn)行的可靠性、安全性、高效性、經(jīng)濟(jì)性等方面給建設(shè)方帶來較大差異。

1.1 液壓平推式子站集成

采用液壓平推式子站集成的加氣子站是引進(jìn)具有專利技術(shù)的液壓子站系統(tǒng)，利用專用的CNG拖車從母站運(yùn)來的高壓天然氣，通過液壓泵、加氣機(jī)給CNG汽車加氣。其工藝流程如圖1所示。

其工作原理是：液壓泵橇通過液壓泵提供高壓油，通過一系列控制閥逐次注入專用槽車的長管鋼瓶內(nèi)。每只長管鋼瓶內(nèi)的天然氣以20 MPa的恒定壓力輸出，通過加氣機(jī)給CNG汽車加氣。

1.2 傳統(tǒng)機(jī)械式壓縮機(jī)系統(tǒng)

采用傳統(tǒng)機(jī)械式壓縮機(jī)系統(tǒng)的加氣子站是利用CNG拖車從母站運(yùn)來的高壓天然氣，通過卸氣柱、壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣系統(tǒng)和加氣機(jī)給CNG汽車加氣。其工藝流程如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)機(jī)械式壓縮機(jī)系統(tǒng)加氣子站工藝流程

傳統(tǒng)機(jī)械式壓縮機(jī)通常采用往復(fù)式壓縮機(jī)，其傳動(dòng)模式是：電機(jī)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，通過連桿、十字頭、活塞桿，帶動(dòng)活塞在氣缸內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮過程[3]，達(dá)到增壓目的。

1.3 液壓活塞式壓縮機(jī)系統(tǒng)

近年來國內(nèi)出現(xiàn)了一種新型液壓活塞式壓縮機(jī)系統(tǒng)用于加氣子站。其充分利用拖車內(nèi)天然氣壓力能，既可以實(shí)現(xiàn)無儲(chǔ)氣瓶對(duì)汽車加氣(同液壓平推式)，也可以提高加氣效率，通過配置儲(chǔ)氣瓶方式對(duì)汽車加氣(同傳統(tǒng)機(jī)械式)。其工藝流程如圖3所示，虛線表示可根據(jù)需要配置。

圖3 液壓活塞式壓縮機(jī)系統(tǒng)加氣子站工藝流程

國內(nèi)的液壓壓縮機(jī)經(jīng)歷了從進(jìn)口到國產(chǎn)的發(fā)展過程[4]。國產(chǎn)液壓活塞式壓縮機(jī)主要有立式和臥式兩種結(jié)構(gòu)形式。兩者工作原理相同，只是結(jié)構(gòu)形式的不同帶來性能上的差別，下面以立式為例介紹。

2 液壓壓縮機(jī)的工作原理及特點(diǎn)

2.1 工作原理

特殊的工字形活塞桿將上面氣缸分隔為上行氣腔、上行油腔兩個(gè)腔，將下面氣缸分隔為下行油腔、下行氣腔兩個(gè)腔，如圖4所示。

圖4 液壓活塞式壓縮機(jī)工作原理

其工作原理是：液壓站輸出的高壓油進(jìn)入下行油腔，上行油腔的油回油箱，活塞桿向下運(yùn)動(dòng)，槽車內(nèi)氣體進(jìn)入上行氣腔(一級(jí)進(jìn)氣)，而下行氣腔的氣體則經(jīng)壓縮后流出(一級(jí)壓縮)進(jìn)入冷卻器，完成一級(jí)壓縮過程；當(dāng)活塞運(yùn)行到極點(diǎn)時(shí)，液壓站換向閥將會(huì)換向，輸出的高壓油進(jìn)入上行油腔，下行油腔的油回油箱，活塞桿向上運(yùn)動(dòng)，槽車內(nèi)氣體進(jìn)入下行氣腔(一級(jí)進(jìn)氣)，而上行氣腔的氣體則經(jīng)壓縮后流出(一級(jí)壓縮)進(jìn)入冷卻器，完成一級(jí)壓縮過程。當(dāng)兩個(gè)這樣的氣缸串聯(lián)時(shí)，就構(gòu)成了兩級(jí)壓縮。

2.2 性能特點(diǎn)

(1) 節(jié)能效果好。特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可充分利用拖車內(nèi)氣體壓力做功，使其相較其他類型壓縮機(jī)處理單位氣體所需功率更小或單位功率可壓縮更多氣體，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

(2) 結(jié)構(gòu)簡單。氣缸和油缸雙缸一體結(jié)構(gòu)，液壓油每運(yùn)行一個(gè)行程，都會(huì)將氣缸壁冷卻一次，因此氣體和氣缸壁的溫度較低，不需水套缸冷卻；一組氣缸只有一級(jí)壓縮，實(shí)現(xiàn)兩級(jí)壓縮需用兩組氣缸；軸向尺寸相對(duì)較短，大于兩倍行程，可以立式安裝；各支承環(huán)和液壓活塞環(huán)不存在偏磨現(xiàn)象。

(3) 油泵工作壓力較低。由于槽車壓力低時(shí)，進(jìn)排氣壓差較大，需經(jīng)兩級(jí)壓縮，所以經(jīng)過受力分析，所需油壓＝(排氣壓力－進(jìn)氣壓力)/2；油泵工作范圍始終在16 MPa以下。

(4) 噪聲低。實(shí)測噪聲不高于70 dB。

(5) 幾乎無泄漏量。設(shè)計(jì)上規(guī)避了填料等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)幾乎沒有泄漏點(diǎn)。

(6) 耗油量極小。油附著在缸壁上形成極薄油膜，使輸出氣體內(nèi)含極少量油，且設(shè)備內(nèi)還增設(shè)了除油器。

(7) 易損件少。只有活塞環(huán)、O形圈等少量易損件。

3 各子站技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

3.1 壓縮技術(shù)性能對(duì)比

根據(jù)目前國內(nèi)CNG子站運(yùn)行情況，各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)3種子站壓縮技術(shù)性能進(jìn)行對(duì)比分析，見表1。

表1 三種子站壓縮技術(shù)性能比較

3.2 投資對(duì)比

以15 000 m3/d的建站規(guī)模為例，對(duì)3種子站設(shè)備系統(tǒng)投資成本進(jìn)行分析，見表2。

表2 3種子站設(shè)備投資比較 萬元

3.3 運(yùn)行成本分析

計(jì)算參考：加氣子站規(guī)模15 000 m3/d、天然氣價(jià)格4.50元/m3、計(jì)算周期1年(360 d)、平均電費(fèi)0.8元/ kW·h，3種子站設(shè)備運(yùn)行成本見表3。

表3 3種子站運(yùn)行成本比較

從表3可看出，液壓活塞式壓縮機(jī)運(yùn)行成本最低、氣損率最低，能給建設(shè)方帶來長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

液壓活塞式子站壓縮機(jī)克服了液壓平推式壓縮機(jī)和傳統(tǒng)機(jī)械式壓縮機(jī)的不足，延續(xù)了工藝簡單、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，具有更好的設(shè)備適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)環(huán)保性，代表了子站壓縮機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向，是CNG建站天然氣壓縮機(jī)很好的選擇。隨著液壓活塞式子站壓縮機(jī)技術(shù)的不斷完善，將會(huì)受到越來越多的關(guān)注。