关于几种CNG汽车加气子站安全性之浅见

2013-08-14谭高祥

河南科技 2013年14期

谭高祥

(重庆新概念仪器仪表有限责任公司，重庆 400020)

随着经济和社会的飞速发展，能源的日益匮乏，国际油价不断攀升，环保要求越来越高，压缩天然气作为廉价而清洁的燃料，近年来取得了飞速的发展，预计到2020年，我国天然气汽车保有量将达到1000万辆，压缩天气加气站数量将会以每年20%的速度递增。

然而，天然气属于易燃易爆危险化学品，其火灾危险性为甲类，且汽车加气站多建在城市市区交通主道旁，一旦发生事故，后果严重。国内也已发生了多起加气站的泄漏和火灾爆炸事故。如何提高加气站的安全性是加气站安全管理的又一重大课题，本文将从天然气发展、加气站工艺、灾害原因分析、加气子站工艺设备、设备投资及安全性等进行逐一阐述。

1 天然气汽车的发展

1.1 常压天然气汽车

我国20世纪50年代末60年代初开始天然气汽车的应用。那时主要应用在公共客运系统，俗称“气包车”，“气包车”的真正名字叫做“常压天然气汽车”，也就是将天然气不经过任何压缩，直接灌装到燃料充装容器中。在公交车车顶上安一个金属架，金属架上放上橡胶气囊(气包)，天然气装在橡胶气囊里，装满了就上路。

1.2 压缩天然气(CNG)汽车的应用

1990 年开始CNG汽车的应用，主要在四川、重庆地区;

1990 年—1998年是压缩天然气的发展阶段，此间，压缩天然气相关设备以进口产品为主;

1999 年我国成立了全国清洁汽车行动协调领导小组，开始建立示范站，CNG汽车进入了快速发展时期;但气源限制严重影响了其发展速度;

2003 年后东部和中部依赖“西气东输”和“钟武线”;华北、东北地区依靠当地油气田资源;山西等富煤地区依靠本地丰富的煤层气资源解决了部分气源问题，CNG汽车的应用才真正进入了一个快速发展时期。由于国外进口设备价格高以及售后服务不方便，加速了CNG设备的国产化，到目前为止CNG汽车产业链上的相关设备已经实现全国产化。

2 CNG加气站的分类及工艺设备

2.1 CNG母站

母站是从中、高压输气干线(母站一般靠近门站或集输站)直接取气经过下述述流程图进入储气装置后通过加气柱完成给CNG拖车加气的功能。(有些加气母站也配备直接给CNG汽车加气和城市管网调峰的功能)。

CNG加气母站工艺流程图

2.2 CNG标准站

标准站是城市主管网(一般是中压管网)直接取气经过下述述流程图进入储气装置后通过加气机完成给CNG汽车加气的功能。

CNG加气标准站工艺流程图

2.3 CNG加气子站

CNG加气子站是建在周围没有天然气管网的地方，通过CNG拖车把母站生产好的CNG运输到子站，通过子站相关设备(卸气柱、增压装置、储气装置、加气机)完成给CNG汽车加气的功能。

目前国内有三种工艺形式的CNG加气子站：机械式压缩机CNG加气子站、液压活塞式压缩机CNG加气子站、液压平推式CNG加气子站;具体工艺流程如下：

2.3.1 机械式压缩机CNG加气子站

机械式压缩机CNG加气子站工艺流程图

2.3.2 液压活塞式压缩机CNG加气子站

液压活塞式压缩机CNG加气子站工艺流程图

2.3.3 液压平推式CNG加气子站

液压平推式CNG加气子站工艺流程图

3 火灾危险性及火灾爆炸事故的原因分析

天然气的主要成分为甲烷，属一级可燃气体，甲类可燃危险性，爆炸浓度极限为5% ～15%，最小点火能量仅为0.28mJ，燃烧速度快，燃烧热值高(平均热值为33440kJ/m3)，对空气的密度为0.55，扩散系数为0.196，极易燃烧爆炸，且扩散能力强，火势蔓延快，一旦发生火灾将难以施救。加气站火灾爆炸事故因素分析如图1所示：

图1 加气站火灾爆炸事故因素分析图

从图1我们分析发现，子站发生火灾爆炸事故的因素中，天然气泄漏和一些人为过失(包括出现火源和未及时发现等)是子站爆炸的主要缘故，人为过失属于子站安全的外界因素，不在本文的讨论范围内，本文主要从天然气泄漏和达到爆炸极限的条件来进行比较。

4 三种不同形式CNG子站系统的特点

4.1 机械式压缩机CNG加气子站

(1)结构复杂，故障点较多;(2)大型传动部件多(带传动或电机直连)，传递效率低;(3)管道、阀门、填料、焊点多，压力变化频繁，设备振动大，漏点多;(4)系统功率大，能耗大，节能效果差，运行成本高;(5)工艺流程及控制系统复杂，可靠性相对较低;(6)非标件多，维修复杂，维修成本高;(7)活塞运动速度快，填料寿命短，气体泄漏量大。

4.2 液压活塞式压缩机CNG加气子站

(1)结构简单，无大型机械传动部件，传动效率高;(2)系统总功率小，效率高，最为节能;(3)液压系统运行更为平稳，可靠性高;(4)无需填料，活塞运行速度低，密封件寿命更长;(5)无喷油现象，设备安全性和可靠性更高(6)油箱容积小，液压油耗损少，维护费用也低;(7)活塞的阻隔作用，减少了油气直接接触的机会，多级CNG专用过滤器的设置，使得天然气含油量降到更低;

(8)模块化设计，设备标准化程度高，拆卸方便，维护成本低;(9)无须专用CNG拖车，普通拖车和液压拖车均可使用。

4.3 液压平推式CNG加气子站

(1)工艺流程最为简单，无大型机械传动部件，传动效率高;(2)系统总功率介于机械式压缩机和液压活塞式压缩机之间，节能效果较好;(3)无活塞、无填料，密封件少且为常规密封件;(4)无需专用的强制冷却系统，结构简单，维护方便;(5)回油噪音大、压力高，时有喷油现象，液压油损耗大，安全性低;(6)油箱容积大，液压油使用成本高;(7)油气直接接触，油气含量高;

(8)标准件多，设备维护成本最低;(9)需要使用液压专用拖车，通用化程度不高。

5 三种不同形式CNG子站的设备投资比较

从图2可知，三种不同形式CNG子站设备投资上，机械式压缩机CNG子站与液压活塞式压缩机CNG子站差不多，液压平推式CNG加气子站投资最高。

图2 三种不同形式CNG子站的设备投资比较

6 三种不同形式CNG子站的安全性分析比较

6.1 机械式压缩机CNG加气子站

(1)机械式压缩机控制系统复杂，阀门、管道、活塞环、焊点等很多，压缩机本身不停的压缩释放天然气，而且多数执行元件在动作时，还必须由先导阀带动，而先导阀一般使用管路中的高压CNG经减压阀减压后来工作。整个系统压力变化频繁，设备振动大，各元件很容易出现泄漏，直接影响安全运行，因此其漏点多，泄漏的几率大。

(2)机械式压缩机普遍采用两级压缩方式压缩天然气，活塞线速度很快，在工作过程中不断的对气体做功，气体的不停压力变化带来整个系统的高温，必须配备冷却系统，目前，普通压缩机都采用的水循环风冷，中高压气体进入冷凝器循环，造成冷凝器故障频发，开焊，泄漏天然气，高、低压气体窜通导致冷凝器损坏，增大了爆炸可能性。

(3)机械式压缩机本身就是一个曲柄连杆的大型机械传动系统，无论选择所谓的无油润滑还是有油润滑，压缩机转速通常在600RPM以上，转动半径大，本身重量大，动能就大，快速旋转易导致活塞杆的断裂，这种断裂多出现在和十字头的连接部位或者活塞的紧固处，这种断裂的冲击通常会造成设备周围部件的松动或损坏，导致天然气大量泄漏，是造成设备损坏和人身伤害的重大隐患。

(4)机械式压缩机系统往往设计成多缸式，为了平衡，一般采用对称布置。由于转动部件多，一般采用具有一定压力的油润滑系统(湿式润滑)，以便提高其使用寿命。目前提出的无油、少油润滑仍必须有润滑油消耗，采用湿式润滑，润滑油会混合于天然气中，在压缩后还要使用油气分离装置，将其分离出来。润滑系统在活塞连杆式压缩机中起着很关键的作用，必须随时监控供油压力、供油温度、回油温度等重要技术指标，并且要具有报警和联锁控制功能，使操作变得复杂。如果润滑系统出现故障，系统温度会急剧上升，气缸积碳增多，密封件可能出现烧毁，因此复杂的控制系统增大了这种潜在风险。

(5)机械式压缩机易损件多、非标件多，气体不停压缩释放导致整个系统的压力变化频繁，温度升高，不正常的温升导致气阀、填料、活塞环等易损件的密封性能下降，引起泄漏，使用寿命也会缩短，机械式压缩机子站一般有压缩机房，一旦通风不良，任何泄漏都会导致天然气的积聚，极易形成爆炸性蒸气云，非常危险。

6.2 液压活塞式压缩机CNG加气子站

(1)液压活塞式压缩机相对于机械式压缩机结构较简单，没有复杂的控制执行机构，各种阀门、管道、控制点减少了三分之二，泄漏点也就减少了三分之二，使得整个系统的泄漏不安全因素只有机械式压缩机子站的三分之一。

(2)液压活塞式压缩机一般也采用两级压缩，活塞线速度较低，系统运行也比较平稳，系统温升相对于机械式压缩机较低。冷却系统(气体冷却、油冷却)一般采强制风冷，冷凝器的故障风险与机械式压缩机冷凝器类似。

(3)液压活塞式压缩机无大型传动机构，直接采用电机驱动液压泵，驱动系统都是标准件，机构简单，动能低、惯性小，如果出现损坏，拆卸维修容易，不存在意外的安全隐患。

(4)无独立的润滑系统，液压油本身就具有自润滑作用，气缸内密封件使用寿命长，密封件使用寿命在4000小时以上，再加上气体和液压油之间有活塞的密封，油气混合几乎没有，且油箱内无气体窜入，相对于液压平推式子站无需油箱放空系统，安全性从根本上提高。

(5)液压活塞式压缩机安装在露天状态下，通风始终保持良好，况且其结构较为简单，泄漏点少，天然气几乎没有积聚的可能性，安全性能始终处于良好的状态下。

6.3 液压平推式CNG加气子站

(1)液压平推式增压装置，结构最为简单，也没有复杂的控制执行机构，泄漏点最少，且采用单线高压供气，系统本身压力基本恒定，发热量低，设备表面温度低，各阀门、管道、控制点的寿命也大大增加了，大大的降低了气体泄漏风险。

(2)无活塞缸筒，直接将高压液压油注入CNG拖车中，系统运行效率高，系统最为平稳，单线供气，加气能力佳，系统温度上升低，无需专用的强制冷却系统，直接自然风冷即可，所以，不存在由冷凝器故障带来的潜在安全风险。

(3)无大型传动机构，驱动系统原理与液压活塞式压缩机一样，传动机构结构类似，二者在传动结构上存在的潜在安全风险属于同一级别。

(4)无润滑系统，液压油与CNG直接接触，气液之间无活塞阻隔，油气混合大，高压气体会窜入油箱中，其油箱容积较大(大于4m3)，回油时瞬间压力高(20MPa)，回油时时常有喷油现象出现，回油振动和噪音都很大，同时油箱顶部设有呼吸管，与大气相通，油箱内处于持续气体混合状态(天然气与空气)，油箱处于爆炸0区，爆炸危险性极高。

(5)液压平推式子站也安装在露天状态下，通风始终保持良好，正是基于这一原因，降低了其油箱内的爆炸风险，但是，一旦设备处于日加气量较低、非正常的连续性工作的时候，油箱爆炸危险性急剧升高，目前国内已经发生多起类似事故，必须引起高度的安全重视。