CNG加气站工艺系统与设备优化研究

吴　东（中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆　400016）

CNG加气站工艺系统与设备优化研究

吴东
（中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆400016）

CNG主要以甲烷（CH4），同时含有少量丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10）。和汽油相比较，CNG具有较高的辛烷值（100以上）和热值，抗爆性能明显优于汽油，燃烧性能也较好，天然气是一种高自燃点的低密度气体，在正常的温度和压力下，比之汽油不易发生燃烧和爆炸，安全性比较好。是一种理想的具有绿色意义的车用燃料。文章分析研究了CNG加气站工艺系统与设备优化措施，以实现HCNG加气站的产业化发展。

CNG加气站工艺系统设备优化

天然气是公认的低污染燃料。燃用天然气的汽车和燃油汽车相比，不仅能够有效地降低汽车尾气中的有害物的排放量，而且从根本上杜绝了铅、苯、烃等对人体有害的物质。压缩天然气（CNG）汽车因而被称为绿色环保事业。发展CNG汽车，不仅是治理城市汽车尾气污染的有效途径，而且对于改变城市交通能源结构、缓解成品油供应的紧张局面、降低燃料成本起到直接有效的作用，具有显著的环保效益、良好的经济效益和社会效益。

1　CNG加气站工艺系统

1.1处理系统

CNG 处理系统主要包括调压、除尘、脱水、干燥等工序。由于工程设计考虑不周，施工时埋下的隐患或设备、管道、阀门等质量原因，造成气体泄漏，形成爆炸性混合气体，遇到火源就会发生爆炸和燃烧。气体在处理过程中有可能出现阀门、法兰盘及焊缝处泄漏等现象。以脱水为例，如果天然气含水量较高，那么脱硫后的天然气需要进行脱水处理。脱硫后的天然气根据脱水工艺在气体压缩的前、中、后，分为前置脱水、中间脱水和后置脱水。一般地，压缩机为集成设备，很少中间导出天然气，因此一般不用中间脱水的工艺方式。后置脱水工艺要求脱水设备的配件、阀件质量比较高；同时，由于工作压力较高，析出的重烃组分容易使脱水剂中毒。目前国内在这方面的技术工艺问题仍未有较好的处理措施，后置脱水一般用于处理量不大，压缩机对气质要求不高的场合，如配置国产压缩机的常规站或小型母站。前置脱水与后置脱水相比，脱水设备的安全性能好、设备配备的阀件性能要求低、吸附剂不易油中毒等优点，结合本站压缩前的工作压力，在五里届CNG母站设计中，选用前置脱水的生产工艺。

1.2压缩系统

CNG 压缩系统是CNG 加气站的核心部分，该系统主要通过压缩机进行多级压缩，将天然气的压力提高至25 MPa，然后通过管线输送至储气设施。气体在压缩时，处于受压、受热状态，工艺管网易泄漏，遇到火源就会发生火灾和爆炸。

1.3控制系统

设备控制系统主要是对加气站内各种设备实施手动或自动控制，故加气站内存在潜在的点火源。若各生产环节防静电接地不良或各种电器设备、电气线路不能防爆、接头封堵不良，则在天然气稍有泄漏时，就易发生安全事故。以压缩机保护系统为例，压缩机是加气站的核心设备，是加气站的心脏。压缩机一旦出现故障，这个加气站必将停止营业。保护压缩机，使压缩机正常工作，是该站设计的必不可少的部分。按照传统加气母站对压缩机的保护，就是在压缩机撬前增设进气缓冲罐，平衡压缩机的进气量，减少气体脉冲对压缩机的冲击，同时减少压缩机进口管线的震荡。为解决上述问题，结合站场用地，设计考虑在每台压缩机撬内均撬装一个小型的进气缓冲罐，在每台压缩机进口管线上设有一个长为600mm的金属软管。例如，可以采用的压缩机为活塞推动式压缩机，根据压缩机的工作原理，在某一工作压力状态下，压缩机排气量成余弦线，为了减少压缩机后气体脉动对压缩机和充气系统的影响，以及两台压缩机排气量的相互影响，设计考虑在压缩机后增设储气井进行缓冲。

1.4储气井

井管储气是CNG 加气站普遍采取的方式，储气井的使用寿命一般在25 a 左右。然而，现实中储气井事故多发的主要原因多为：（1）天然气气质不合格。CNG 加气站来气大部分水和硫化氢含量偏高，易对井壁形成腐蚀，腐蚀产物加上尘垢极易造成高压管线或阀门堵塞失效。（2）井管本身的质量不过关。在CNG 加气站储气井设备选择初期，应严格材料采购、进场手续，保证所有材料符合国家标准。

2　CNG加气站工艺系统与设备优化

2.1压缩机选择

根据CNG 市场发展趋势，研发的专用压缩机具有操作方便、供气量大、可靠性高、经济实惠等特点。从动力配置方面考虑，可选择以下两种方案：（1）隔爆型异步电动机联接飞轮盘，直接驱动压缩机。联接简单，运转平衡，噪音小。（2）天然气发动机通过皮带传动驱动压缩机。具有操作容易、工作可靠、起动迅速、使用寿命长、结构紧凑、维修方便等优点。但因其噪声较大，有燃烧废气排放，故适用于电力匮乏或电力成本较高的地方。

2.2加气设备

CNG 加气设备遵循的原则应为：可靠、适用。加气系统有快充式和慢充式两种，快充加气系统实际与加油机的使用基本一样，一次典型的加气过程需要1～3分钟，有显示屏和计量装置。慢充是指汽车在一段时间很长的停放时间（例如过夜或两个车次之间）内加气，压缩机在这期间给所有的汽车同时加气，不采用储气装置和顺序充气控制装置。投资小，不需要设置储气装置，而起压缩机的排放量也可以小得多。加气机的类型包括快充加气机和加气柱，快充加气机包括计量仪表、顺序取气控制单元、显示单元、温度补偿单元和整套连接软件（软管、脱开装置和加气枪）。加气柱不需要进行计算和顺序取气，它可以作为标准快充式加气机的廉价代用品，它还可以适用于每辆汽车都需要有自己的加气点的慢充系统。

2.3安全防护装置

（1）在作业区的天然气管道上应设紧急手动截断阀，一旦发生火灾或其他事故，自控系统失灵时，操作人员可靠近并关闭截断阀，切断气源，防止事故扩大。手动紧急截断阀的位置应便于发生事故时能及时切断气源。（2）气瓶组进气总管上应设安全阀及紧急放散管、压力表及超压报警器。每个储气瓶（井）出口应设截止阀。以保证储气设备的安全运行及发生事故时能及时切断气源。为防止进站加气汽车控制失误撞上储气设施造成事故，储气瓶组或储气井与站内汽车通道相邻一侧，应设安全防撞拦。（3）加气机应设安全限压装置。加气机的进气管道上宜设置防撞事故自动切断阀；加气机的加气软管上2.4自控设置

应设拉断阀，拉断阀在外力作用下分开后，两端应自行密封。（4）加气站内的天然气管道和储气瓶组应设置泄压保护装置，以便迅速排放天然气管道和储气瓶组中需泄放的天然气。

（1）加气工艺参数检测和自动控制加气全过程，采用计算机实时监视与控制，实现数据集中管理。（2）根据工艺条件用可燃气体传感器监测天然气的泄漏情况，用计算机实时采集显示，设置报警联锁等功能。及时通知操作工检查设备运行情况，防止发生事故。（3）安装和连接控制室内PLC可编程序控制器与液压撬装子站上的仪表信号电缆、控制电缆、自控阀门的气源管线等外网线；新建加气站可燃气体泄漏报警系统。

3　结语

随着天然气在城市能源供应中的普及，CNG越来越多的为燃气汽车所用。作为生产CNG的加气母站，设计合理的工艺流程、配置经济可靠的工艺设备是保证加气站安全、可靠、经济运行的关键因素。CNG加气母站工艺技术不断开拓、完善，工艺设备的合理选择，对于推动CNG加气子站的建设，促进燃气汽车的发展，净化城市环境具有不可替代的作用。

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