CNG加气站工艺设计及设备配置

2015-12-21杨杰中冶东方工程技术有限公司山东青岛266555

化工管理 2015年8期

杨杰(中冶东方工程技术有限公司，山东青岛 266555)

1 压缩天然气（CNG）加气站的发展

根据国家环保局的监测数据可知，全国机动车每年排放的有害气体达到2000万吨。汽车尾气对人们的健康生活造成极大的危害。天然气具有使用安全便捷、高效益、无污染的优点，代替汽油和柴油作为汽车燃料可以很大程度上降低污染物的排放。但从近年来国内外汽车CNG加气站的设计、运行过程中也发现了不少现实问题，如何能保证加气站安全运行，实现最大的经济效益，需要对CNG加气站的各个设备选用进行经济分析，才能最终选择一个安全并且经济的优化方案。

2 CNG加气站的工艺流程

CNG加气站工艺流程由调压及计量系统、净化和干燥系统、压缩系统、压缩天然气储气系统、控制系统及售气系统总共六大系统组成。以下为CNG加气站流程的示意图。

图1 CNG加气站流程工艺图

对于不同规模的用户来说，压缩天然气站的设备配置可能有很大的差别，但是作为一个完整的CNG加气站，这六大系统却是缺一不可的，其中天然气压缩系统和压缩天然气储存系统是CNG加气站工艺流程中最核心的部分，加气站的运行实用性及安全可靠性与这两个部分的设备配置直接关系，也决定着CNG加气站的经济效益。

CNG加气站的结构型式从安装型式上可分为开放式结构和撬装式结构两大类。开放式结构是将加气站的所有设备安装在厂房内，通过高低压管道及阀门将各个设备组装成整套的工艺系统，开放式结构具有设备空间较大，便于维修保养的优点，但是自动化程度低。撬装式结构是指将加气站压缩机前的天然气缓冲罐、过滤器、压缩机主机、空气冷却器、驱动机、储气瓶、电控盘和优先顺序盘、仪表风系统等主要设备集成在一个成撬的底座上，形成一个闭环控制的整体设备系统。这种结构型式有便于运输和露天安装，自动化程度高，安全可靠性高，且可减少现场安装调试的工作量的优势，但是一次性投资造价较高。

3 CNG加气站设计及系统配置

3.1 主要设备选型影响因素

由于CNG加气站全天在不同时段的加气车辆数量受到气温条件，交通状况和作息制度等因素的影响，会有很大程度的差异，因此加气量也会呈现出不均衡性。在进行加气站设备选型时一定要充分考虑这种不均衡性，并且要根据设备的工作特性来充分利用这个不均衡性，合理进行设备选型。如果设备负荷大于实际负荷，会造成投资大，资源浪费，储气效率低；如果设备负荷小于实际负荷，压缩机频繁启动，降低使用性，造成加气时间延长和加气汽车拥堵。这两种情况不但会影响加气站的正常工作，也会影响到经济效益。所以确定与优化加气站的压缩机与储气规模的配比是CNG加气站设计首要解决的问题。

CNG加气站设备配置需要考虑的问题主要有:

加气站主要服务对象、服务数量、加气时间和服务速度，

压缩机容积流量的选定，数量的确定

压力容器的容积及尺寸

充气软管数量的确定

每日加气车辆数量和充气量

为保证加气站工作的安全可靠、技术先进，在进行工艺设计和设备选型时，加气站的主机应优先选择技术先进的设备，电机启动器、脱硫脱水装置、储气井等辅助设施可以采用一般性设备，既要保证系统安全运行还要兼顾降低加气站的建设成本。在本文论述中，以一级标准站日天然气销售10000Nm3/d来进行讨论和设计计算。

3.2 CNG加气站设计计算条件

为便于常规站的设计分析计算，对以下设计参数和设计条件进行合理的规定和假设:

压缩机进口压力:0.3MPa,

压缩机排气压力:25MPa

CNG汽车储气容积:综合考虑CNG出租车配备一个钢瓶容积0.06m3及CNG公交车配备四个钢瓶总容积0.36 m3，核算后平均储气容积为0.105 m3

储气系统设计工作压力:25MPa

加气系统设计温度:20℃

3.3 加气站各系统设备配置

3.3.1 调压计量系统

调压装置安装在天然气进站主管道上，调压器的选择要求性能好，体积小，能够实现天然气调压和流量的计量。调压、计量装置的主要设备由天然气过滤器、调压器、就地压力表、流量计、旁通阀门等组成。

3.3.2 天然气净化和干燥系统

根据天然气的含水、含硫状况和设计环境温度及湿度等因素，确定脱水干燥和脱硫的工艺方法、装置的规格及结构型式的基本参数。国产压缩机的干燥工艺设计通常采用高压后置脱水，其优点是设备体积小，干燥气体露点低。天然气经过净化和干燥后，可确保天然气气质的纯净，实现保护压缩机的正常运行及天然气在发动机中良好燃烧，不会对汽车发动机造成任何危害。

净化和干燥系统主要包括除尘、脱水干燥设备，脱硫、脱油等设备。其中用来除尘、脱硫的净化设备主安装在压缩机之前，确保保护压缩机不会受到损坏和腐蚀。

3.3.3 天然气压缩系统

天然气压缩系统的主要设备由进气缓冲罐、压缩机主机、润滑系统和冷却系统等部分组成。CNG加气站的核心部分就是压缩系统，其性能的好坏，直接影响加气站的运行。CNG压缩机为连续性生产设备，为满足加气站间隙式充装的需要，必须设置储气系统，这样可以减少压缩机频繁开停机次数，减少对压缩机设备的磨损，从而保证设备安全和可靠运行。

缓冲罐和回收罐

为减少压缩机工作时气流压力波动以及由此引起的机组振动，在天然气进入压缩机组之前设置进气缓冲罐，对供气系统起到缓冲作用。

废气回收罐主要作用是回收压缩机排污及卸载时产生的天然气，同时回收压缩机内产生的废气、废液。在目前运行的CNG加气站中，会发生压缩机回收罐安全阀频繁起跳的现象，根源主要是压缩机启动频繁，卸载产生的回收气体回流，大量气体进入缓冲罐，造成压缩机进口压力超压，解决的方法是将回收罐接口接一根回流管道，连接至天然气进站管道，这样回收罐内的大量天然气可回流到供气管网，问题就得以解决。

压缩机组选择计算

压缩机型式有很多，目前在国内CNG汽车加气站中使用最为广泛的是往复活塞式压缩机。国产压缩机在运行安全可靠、长期服役、节能等特性上接近国际先进水平，且国产压缩机的成套价格仅为进口的1/2，售后服务和配件供应都有保证。压缩机的选择主要应根据加气站进、出站压力，压缩机的性能、加气的能力、储气井容积、施工场地条件等因素，进行综合考虑。

参照《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156-2012）中，压缩机宜按日开机时间10-12小时计算，压缩机的型号宜选择一致，装机数量不宜超过3台。本论述中加气站压缩机设计排气压力为25MPa，假设压缩机每日开机时间为12小时，因此可知加气站压缩机小时生产气量为:

Q总=Vopt/h

式中:Q总:压缩机每小时的生产气量,(Nm3/h)

Vopt:每日生产气体规模，本文中Vopt=10000Nm3/h

h:压缩机每日开机总时间，本文中h=12。

故:Q总=Vopt/h=10000/12=833Nm3/h

加气站在压缩机选型时，要根据压缩机的性能曲线，选择优化的组合方案。既要体现生产方案和经济规模，也要保证达到经济电耗，满足加气工况，实现投资的经济性。根据以上计算并结合工况，可以选择两台单机排气量为550 Nm3/h的压缩机组合方案，并设置两台备用压缩机，电机总功率为220kw。

根据气缸方式，压缩机的润滑油系统分为有油润滑，少油润滑和无油润滑；冷却系统则分为水冷冷却和风冷冷却。

3.3.4 压缩天然气储气系统

储气系统主要起到缓冲作用，是为顺应加气站间隙式生产的需要。汽车加气规律是按交通运输自身营运规律来确定的，加气站工作的基本规律决定于加气时间与气量上时多时少或间隙充装，且CNG压缩机的工作制度为连续性工作，要满足加气站间隙式充装的工作制度，则必须设置储气系统，这样就可以使压缩机开停机次数减少。根据加气站的加气时间是否集中来考量，并结合相关经验，储气量应该是日加气量的1/3到1/2。

若按每天两个加气高峰季相关经验来考虑，储气设备的储气量可以按照日加气量q=5000Nm3/d来计算，本设计中以储气系统的工作压力为25MPa,储气系统工作温度为20℃为设计条件，气体的压缩系数按下列经验公式计算:

Z=-0.000101217×Pr4+0.000779029×Pr3+0.0156975×Pr2-0.126047×Pr+l.01056

式中温度T和压力P是计算压缩因子Z的变量，其函数关系可表示为:

对比压力Pr=P／Pk

对比温度Tr=／Tk。其中:

Pk:气体临界压力，

Tk:气体临界温度。

天然气的临界压力为:Pk=4.58MPa,

天然气的临界温度为:Tk=190.7K（-82.3℃）；

在本设计条件下，t=20℃下时的气体压缩系数Z值经计算为0.8276。

标况下的储气容积为:

q=5000×

故储气设备总容积确定为18m3

储气设备可分为储气罐、储气瓶组和储气井。

储气罐是按照GB150《钢制压力容器》标准生产的3类压力容器。这种储气方式的优点是接头少，输气阻力小，储气系统的泄漏点少，缺点是容器容重比较小，耗用钢材量大，因此将这种储气方式一般作为代用储气装置。

储气瓶组是由多个CNG钢瓶组成，多组并联形成储气瓶组。按工艺需要，分成高、中、低压库储气系统，这种装置的优点是使用弹性大，但是也存在接头漏气处理困难、钢瓶表面防腐维护困难、检测不便及存在安全隐患等问题。

储气井相对于储气瓶组和储气罐来说是一种地下的储气方式。储气井管采用符合规范要求的石油套管，需要具有较高的和强度防腐能力。通过采用石油地质钻井中无焊点扣连方式，将储气井管深埋于地下，形成储气井的储气工艺设备。储气井的具有安全可靠，事故隐患少，占地面积小，操作使用简单，维护管理方便，使用寿命长，防火间距短的优点。因此在目前的CNG加气站设计中普遍采用储气井的方式进行储气。

3.3.5 控制系统

CNG加气站的控制系统包括电源控制、运行控制、储气压力控制、净化及干燥控制、系统安全控制和售气控制。大量使用自动控制设备的虽然会增加投资，但是在运行维护人员的数量上和日常运行的费用上却大大降低了，同时也确保了加气站的运行安全和效率，提高了运行可靠程度。

3.3.6 压缩天然气售气系统

售气系统由加气机及计算机管理系统组成，压缩天然气通过管道输送至加气机，依次通过入口球阀，过滤器，单向阀、流量计、高压软管、枪阀以及加气枪，最后给汽车加气。流量计计量出流经加气机气体的密度、流量等参数，相应模拟量信号转化成电脉冲信号远传至计算机控制器，经计算得出相应气体的体积、金额，并通过显示屏显示给用户。