技术改造完成CNG高效安全充气的实际应用

王云德，郭丽萍，刘刚

（沈阳燃气有限公司，辽宁　沈阳　110000）

1 概述

天然气是国家支持发展的新型能源，其重要成分是甲烷（含量在95%以上），另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气以及微量的惰性气体，如氦和氩等。天然气已广泛使用在居民家庭用气，锅炉采暖，交通燃料等方面。其应用方式也多种多样：常压天然气、高压天然气、CNG（压缩天然气）、LNG（液化天然气）等。CNG是一种最理想的车用替代能源，它具有成本低，效益高，无污染，使用安全便捷等特点，正日益显示出强大的发展潜力。自上世纪80年代我国引进了部分CNG加气站设备，在四川建立了我国第一座CNG加气站开始[1]，全国各地的CNG加气站犹如雨后春笋般纷纷拔地而起。

沈阳作为东北第一大城市，CNG使用量也正逐年提高。目前沈阳机动车保有量为110万辆，其中1.7万辆的出租车，5000多辆的公交车和越来越多的私家车改用CNG作为原料，CNG日使用量约30万m³，沈阳燃气集团为满足日益增长的CNG市场需求，近三年CNG母站项目建设见表1:

表1 近三年CNG母站项目建设一览表

2 汽车储气罐充气过程

（1）从加气柱枪盒上却下快速接头，将加气枪嘴插入汽车储气罐上的加气接口，可靠连接；（2）关闭加气柱上的放空球阀，打开汽车储气罐上的球阀，此时可从加气柱上的放空压力表读出汽车储气罐的残余压力；（3）打开加气柱上的加气球阀。然后按“加气”键开始加气，当达到设定值时自动结束加气，如果汽车不需要加足气，也可以按“停止”键手动停止加气；（4）关闭汽车储气罐上的球阀；

（5）关闭加气柱的加气球阀，打开放空球阀排除汽车储气罐上的球阀至加气柱的加气球阀之间的管道中的高压气体；（6）从汽车储气罐取下快速接头放回加气柱枪盒内，结束加气。

3 CNG加气柱排空回收技术

3.1 基本思路

每次给汽车储气罐加气结束都需要将长约3米的加气软管内残余气体排空后才能去下软管连接，为了减少排空过程中造成的资源浪费，避免排空气体形成安全隐患，研究出一套行之有效的方法和装置[2]，对排空天然气减压、回收，进而再次利用，以实现加气过程中“零排放”、“零污染”。

3.2 具体过程

实现的具体方式是在加气柱排空口加一个控制阀门，并增加一路余气减压回收装置，将原来直接排入大气的天然气通过该装置回收入燃气气柜。以单台CNG加气柱型号JQF-A90B为例，在排空口焊接上DN15球阀后通过管线将残余CNG排到集气缓冲罐中，再通过天然气回收降压装置存入燃气气柜，实现再利用。

改造后对CNG槽车加气操作过程完全一样并无增加操作难度和工作量，且具有防止排空气体聚集形成爆炸源，提高了操作的安全性，降低了对大气的污染。此外针对CNG压缩机填料密封漏气和安全阀排空天然气进行改造，改造方式与CNG加气柱放散回收结构类似，将原本直接排向大气的气体出口改造成带有天然气气体减压回收装置，几乎实现了整个CNG生产和出厂过程中的“零损耗”，大大削弱了CNG生产过程中的资源浪费，提高了经济效益。

3.3 排空回收改造后的经济性

沈阳燃气集团每天CNG槽车约60辆，单台加气机每次排空天然气约0.5 m³，天然气排空回收改造后每年回收天然气超10000 m³；另外CNG加气柱本体或前端管道进行维修需要排空时也可以利用改造后的装置进行回收[3]，此项每年回收天然气约500 m³；还有对CNG压缩机填料密封漏气和安全阀排空天然气回收改造每年回收天然气约5000 m³。此两处装置每年回收气体总量约15500 m³，为公司每年节约资金8万余元。

4 充车方式研究

（1）我站共有4台CNG压缩机可以满足4台加气柱重启，即4打4。以每台车能装3500m3计算，需要1小时45分钟。并且中间换车时，需要将压缩机停止（停压缩机需要5分钟），拆地线，拆安全绳，拔管，关车门（需要5分钟），引领下一台车入位，接地线，开车门，接管，接安全绳（部分车需要接空气接头）需要10分钟，再次启动压缩机（需要5分钟）。所以一台车在如此情况下从进站开始到结束离站，最快也要2小时10分钟。以上4打4方式，有很多缺点：①充车浪费的时间长；②充车结束后需要停压缩机，再次充车需要再次启动。造成启停压缩机频繁，再次浪费时间；③员工操作任务重，增加了误操作的机率；④压缩机启停频繁，对电机造成损害。总结以上经验，时间浪费在换车时，每车共计浪费25分钟。如果压缩机不停，以上浪费的时间可以缩短甚至没有中间过程，那么充车效率将大大加快。针对以上要求特制定方案：充车方式2台压缩机给1个加气柱打气，这样就有2台车在充气，2台车在等待，既2打1。以每台车能装3500m3计算，需要50-55分钟。充气过程中等待的车辆可以先把准备工作做好，即接地线，开车门，接管，接安全绳（部分车需要接空气接头），把这部分时间统筹到充气的时间中。当充气车充满时，利用卸车台连通阀门将气立即导入等待的车中，实现了压缩机不停，连续供气，又消除了启停压缩机所需要的时间。2充2等的优点：①消除的中间环节的时间浪费；②减少了压缩机的启停频次，可以实现连续运行；③操作简便，易懂。减少了误操作的机率；④充车效率提高。

（2）充车时间受多种因素影响。如进站压力，调压器调压后压力，温度，压缩机运行情况，来车压力，温度等，本次研究只针对[4]，压缩机运行正常，温度一定时只对压力进行的研究。经过大量数据的采集如表2：

表2 充车时间多种因素影响

通过对数据的分析,得出以下结论：①最长等车时间：3小时左右；②充车时间受减压撬出口压力影响，压力越高，充车用时越短；③减压撬出口压力从1.8Mpa提到1.95Mpa充车用时提高约5分钟。

一期加气站CNG压缩机充车用时在1小时10分至1小时20分之间。因为一期加气站为一打一，所以一期加气站仍然有频繁起停压缩机和拆卸管等浪费时间的问题，时间浪费在换车时，每车共计浪费25分钟。这样充车总时间将达到1小时45分钟。操作上也比二期任务要重，误操作机率也比较高。

除去以上因素，还需要进一步提高效率，实现多充，那么我们就要想进一步从车上找方法，降温就是其中之一，建造槽车喷淋系统。具体如下：

水箱1→水泵1→凉水塔→水箱2→水泵2→喷淋系统→过滤装置→水箱1

喷淋系统只在夏季运行，冬季由于气温较低，本身就会多充一些，夏季由于温度较高，喷淋后车体降温，进而实现槽车内气体降温，压力降低实现多充。我站已经对CNG充气母站进行改造[5-7]，加设喷淋系统，经过夏季运行情况理想。

5 结语

中国汽车需求量和保有量的快速增长加重了石油资源短缺和环境污染的严峻形势，近年来中国大中城市雾霾天气次数逐年攀升，燃油汽车尾气排放是其重要形成原因之一，发展CNG汽车将成为解决能源问题和环境问题的重要途径。合理高效使用天然气，对改善大气污染，降低用车燃料成本，尤其在气源紧张的东部地区显得至关重要。CNG汽车用户群是中国最具发展潜力的天然气市场，在未来的中国以CNG为主打的天然气汽车，无论是在技术、市场[8-10]，还是产业上，都会有一个前所未有的发展前景。CNG母站如何根据自己的实际情况高效安全的完成CNG充装，也是为祖国能源事业贡献了一份自己的量。

参考文献：

[1]郇庆金,王守震.浅析车用CNG的发展前景[J].现代经济信息,2010,(02):212-213.

[2]刘道信.中国天然气市场研究[J].中国市场,2009(01).

[3]周怡沛,周志斌.中国车用CNG市场发展现状、趋势与策略[J].国际石油经济,2009,(10):295-302.

[4]李树旺,罗东晓.CNG加气枪排空天然气的回收技术[J].中国燃气,2012,(05):7-9.

[5]乔国发,张孔明,李多金,等.撬装式LNG/CNG汽车加气站[J].天然气工业,2005,25,(3):148-150.

[6]GB 50156-2002中华人民共和国国家标准汽车加油加气站设计与施工规范.

[7]崔雁清,尤琦,汤传琦,杨富斌,张红光. 基于双有机朗肯循环的CNG发动机余热回收系统参数优化及工质选择[J]. 车用发动机,2016,(05):61-68.

[8]王贵勇,胡海龙,毕玉华,申立中,王伟超. 基于瞬时转速的CNG-柴油双燃料单缸机判缸策略[J]. 农业机械学报,2014,45(10):34-38+21.

[9]张欣,许健,侯效森,王涛,郑士卓. CNG/CO_2气体发动机湍流火焰结构的大涡模拟[J]. 内燃机学报,2014,32(05):448-453.

[10]吴昊,游向东,张志远,王小雷. 一种新型CNG加气机中的Modus协议的研究和实现[J]. 软件,2014,35(04):138-140.