CNG加气母站的建设与探索

王海涛 田祥 陈云平

【摘要】天然气作为清洁能源已经广泛的应用于社会经济各个角落，对国民经济的发展起到了很大的推动作用，改善了国家的能源供应结构，有利于节能降排和环境保护。CNG加气母站从设计和施工均是在探索过程中完成，本文结合工程建设的实际，对加气母站的基本概况、国内的发展现状、系统的基本构成和设备参数选择进行了详尽叙述。加气母站建设时，设计必须严格按照标准规范进行，详尽深入理解各种工艺流程的原理，所有材料设备需为生产运营服务。

【关键词】加气母站 工艺流程 装置

改革开放二十年来，我国经济发展水平保持着强劲发展势头，一个新兴的工业大国正在崛起。随着人民生活水平的日益提高，人们对于汽车的热爱与依赖持续升温，汽车在推动经济、拉动市场、带动产业发展方面是其它商品难以比拟的。天然气作为高效率、无污染的新能源来逐步替代牵动全球经济神经的石油是一种大趋势。在此情况下，关于CNG加气母站的建设与研究就成为了最新的努力方向。

1 国内外加气站发展状况

压缩天然气汽车简称CNGV（Compressed Natural Gas Vehicle），是将天然气压缩至25MPa，储存于气瓶中，经减压器减压后供给汽车内燃机燃烧的技术。国外自二十世纪30年代开始进行天然气汽车技术研究，目前已形成系列成熟的配套技术，并发展成为一种新兴产业。天然气汽车是以天然气作为燃料的汽车，按照天然气的化学成分和形态，可分为压缩天然气（CNG）汽车、液化天然气（LNG）汽车和液化石油气（LPG）汽车3种。1929年，意大利在世界上首先应用天然气做汽车的燃料。为了促进燃气汽车的发展，世界各国政府几乎都制定了相关政策予以支持，主要有法规性政策和扶持气价性政策。国内CNG技术研究始于上世纪70年代，川渝是全国最大的天然气开采和最早开发利用CNG的地区。通过对国外技术的消化吸收，已取得了突破性进展，能自行开发完成CNG汽车系统工程，与国外相比，国内设备价格低廉、配套性好、便于维修。但设备操作相对复杂，维修较为频繁。

2 加气母站工艺流程及工艺装置

2.1 工艺流程

CNG加气母站的主要功能是接受上游管道来气进行计量、调压、过滤，然后进入前置脱水装置进行脱水处理，使天然气的露点达到规定的-55℃后，由压缩机增压至25Mpa，通过加气柱向车载储气瓶（20MPa）充装压缩天然气。主要包括计量调压、脱水、压缩、储气、售气几个部分。另外還配备自控、给排水、供配电等系统。目前，国内外工艺流程大体相同，只是工艺设备的选择、安全防范措施存在一定差异。CNG加气母站供气接自分输站内汇管，调压后进入压缩机前缓冲罐稳压，再进入压缩机，经压缩机压缩至25MPa，经过硅胶、分子筛双塔再生干燥器进行脱水处理，使天然气含水量达到国家车用燃料气标准，直接向加气柱供气。站内设有排污罐，主要是回收干燥装置、缓冲罐、压缩机的液体。干燥装置、缓冲罐、压缩机的安全放散气体汇到放空立管进行放空。压缩机等设备区域安装气体泄漏检测、报警系统。国内加气母站主要有低压净化流程和高压净化流程。

2.2 工艺装置

工艺装置的选择要满足技术要求，在不影响安全生产的前提下，尽量节省投资的原则。加气母站内主要设备有：进站阀组、脱水装置、压缩装置、储气装置、控制系统、售气系统。

2.2.1 进站阀组

阀组设进站放空、紧急切段、来气计量、调压，以保证来气的稳定性和交接计量的准确性，阀组内还设有缓冲罐，以保证压缩机工作平稳。青岛CNG加气母站工程气源管线自济-淄-青天然气管线已建王家庄阀室接入，考虑到王家庄阀室内原预留即墨及周边地区的天然气管线接头，加气母站利用了此接头，因此在气源管线进站后预留即墨及周边地区的天然气接头。

2.2.2 脱水装置

《城市天然气的含水量要求》（GB/T17820）为在天然气交接点压力和温度条件下水露点应比最低环境温度低5℃。而汽车用压缩天然气的水露点为在汽车驾驶的特定地理区域内，在最高操作压力下，水露点不应高于-13℃；当最低气温低于-8℃，水露点应比最低气温低5℃（《汽车用压缩天然气》GBl8047-2001）。显然以城市天然气为气源的CNG加气站，还必须对城市天然气进行深度脱水才能输出合格的汽车用压缩天然气。脱水装置为分子筛吸附处理方式。进入CNG加气母站的天然气是经过初步净化的干气，符合《天然气》GB17820-99中Ⅱ类气质的要求，目前国内生产的脱水装置出口干气含水量完全可以满足车用压缩天然气的使用要求。本工程使用的国内脱水装置为LND5000/2.5型，该装置由两个并列的干燥塔及加热器、循环风机、冷却器、分离器、过滤器组成，它们连接在一起组成完整的系统，两个干燥塔以循环的方式交替作为吸附和再生使用；为确保连续工作，当一个塔吸附水蒸气时，另一个塔已完成再生过程。吸附与再生为两个独立的系统，互不干扰运行，再生为闭式循环，再生气来源和排放与外界基本无关。

2.2.3 压缩装置

（1）压缩机选型。

①设备机型选择。天然气压缩机是CNG加气母站的关键设备，CNG加气母站生产能力不大，气体压力变化很大，这种高压缩比、低排量的机型，以往复式压缩机最适合。国内生产天然气压缩机始于80年代末期，经过几十年的生产、建设经验积累，已完全能够满足CNG加气站的工艺要求，而其价格远低于进口设备，且现有国内许多压缩机厂家生产的大排量压缩机的许多关键部件选用的是进口配置件，如压缩机的填料、活塞环、气阀、高压阀等，其运行也非常平稳，维修费用低且及时。进口压缩机由于配件提供不够及时而影响生产的情况在国内CNG加气站内时有发生。现有国产CNG加气站天然气压缩机的机型有L型、D型、ZW型、W型、M型、星型等。M型压缩机属对称平衡式压缩机，该压缩机重心低，振动小、运转平稳、易损件寿命长（少润滑油）、排气量大适用于加气母站。

②冷却方式选择。国产CNG加气站天然气压缩机的冷却方式主要为风冷、水冷。由于本工程压缩机排量较大，选用风冷冷却方式，存在噪音高、空冷气耗电量大等问题，设置了隔音设施（每套约20万元）后，减少了整个压缩机撬体的内部空间，不利于维修。水冷冷却方式，存在循环水多次循环后结垢的问题，可以设置加药装置。

③设备选择。本工程采用国内压缩机M-1.65/25-250JX。进口压力1.6～2.5MPa，最大排量2430Nm³/h。机组采用整体撬装，采用高压密封填料设计和无平衡段设计，无级差平衡段，因而无自耗气。气缸、填料无油润滑设计和气缸倒级差设计，可实现气缸、填料采用无油润滑结构，强制少油润滑，压缩介质（天然气）不会受润滑油污染，同时节省了润滑油的消耗（50g/h·台），降低了使用成本。电动机通过弹性联轴器直接驱动压缩机，机组的其他系统均布置于撬座上，撬装压缩机组包含机组运行所必需的总成及系统（含压缩机、电动机、冷却器、过滤装置、控制系统等）。压缩机为四列四缸水平对称平衡式的4M机型，四列曲拐分成互成90°。两列两缸水平式对称平衡，使得惯性力、惯性力矩完全平衡，活塞力分布更加均匀，所以振动非常小，运转平稳、可靠，易损件使用寿命长。一缸一列，两列气缸布置于压缩机两侧，其切向力较D型、L型、W型相比为最小，故只需配置质量较轻的飞轮。即可保证设备平稳运行，并节约大量电耗。

2.2.4 控制系统

加气站的控制系统对于加气站的正常运行非常重要，一个自动化程度高、功能完善的控制系统可以极大地提高加气站的工作效率，保证加气站的安全、可靠运行。根据生产管理要求，自控系统本着安全、可靠、平稳、经济的原則进行设计。加气站的控制系统主要有电源控制、压缩机运行控制、售气控制。压缩机的运行控制系统主要有压缩机的自动起停、进出口压力的控制、压缩机润滑油压等的控制。售气控制可设置在售气机内。站内常规自控设施包括进站调压阀、高级孔板阀、可燃气体浓度报警仪等。

2.2.5 售气装置

加气母站售气主要通过售气机（加气柱）来实现。售气机设有流量计，由先进的微电脑控制，自动计量、自动计价；在每个加气枪软管上设有安全断开阀，如果加气枪软管被汽车拖走，拉断阀将自动断开，关闭气路，保证了系统的安全性。本工程采用国产加气柱，额定压力25MPa，加气流量60～5000Nm³/h，计量准确度： ±0.5%，采用进口大通径CNG加气机专用质量流量计，确保计量准确、工作稳定。

2.3 自控控制系统

2.3.1 系统内容

在进气管线上设气动紧急切断阀1套，采用仪表风供气。采用高级孔板阀配套流量管理器进行流量检测，配温度压力检测，信号进流量管理器进行温压补偿，并远传至控制室的计算机控制系统显示流量、温度、压力等信号。采用自力式调节阀进行压力调节，将燃气压力稳定在2.5MPa。采用可燃气体探测器检测压缩机区、阀组区、加气棚区可燃气体浓度，将信号远传至控制室的可燃气体报警控制器上进行报警。在控制室设火灾自动报警系统，并在巡检通道及压缩机房等出入口设手动报警按钮。压缩机组进出管线高低压报警及停车装置、冷却水的报警及停车装置、润滑油系统的报警及停车装置等由压缩机组成套。

2.3.2 自动控制

根据加气母站工艺和生产管理的要求，自控系统本着安全、可靠、平稳、经济的原则进行设计。加气母站设一控制室，在控制室设PLC系统对工艺过程进行集中控制、显示、记录和报警及切断。在进站管线及储气井进出管线上设紧急切断阀。在天然气容易泄露的地方设可燃气体检测。加气母站为易燃、易爆危险场所。自控设备要求质量可靠、技术先进、性能稳定、安全防爆，有成熟的应用经验。现场仪表选用隔爆仪表。

3 结束语

我国天然气汽车的发展已多年，作为有利于大气环境，调整能源结构，实现可持续发展的有效途径，天然气汽车已受到国内各界的广泛关注，因而加强CNG加气母站的建设与研究是十分有必要的。