不同类型压缩机在CNG加气子站中应用对比

佛山市天然气高压管网有限公司 陈雷星

在CNG汽车加气站产业的发展过程中，以一座母站带动若干子站的建站方式近年来在国内很多大、中城市已成为一个主流方向。它以不受管网布局、管网压力和供气能力限制，站址选择灵活，占地少，投资低等优势而成为投资人的首选。

CNG加气子站以CNG拖车自母站运来的高压天然气为气源，建在距离母站250 km范围内为宜。加气子站一般设计日供气量为10 000～15 000 m3[1]。

1 CNG加气子站工艺

CNG加气子站是用CNG长管拖车为气源，通过加气机给CNG汽车储气瓶进行充装。其工艺核心主要体现在如何高效利用CNG拖车内高压天然气给汽车加气，系统核心设备是压缩机系统[2]。当前国内应用较多的压缩机系统主要有：液压平推式子站集成和传统机械式压缩机系统，以及本文介绍的一种新型液压活塞式压缩机系统。这3种设备在加气子站中均能起到增压作用，但由于其工作原理及结构形式的差异，所以在加气站中的工艺流程有较大不同，在加气站运行的可靠性、安全性、高效性、经济性等方面给建设方带来较大差异。

1.1 液压平推式子站集成

采用液压平推式子站集成的加气子站是引进具有专利技术的液压子站系统，利用专用的CNG拖车从母站运来的高压天然气，通过液压泵、加气机给CNG汽车加气。其工艺流程如图1所示。

其工作原理是：液压泵橇通过液压泵提供高压油，通过一系列控制阀逐次注入专用槽车的长管钢瓶内。每只长管钢瓶内的天然气以20 MPa的恒定压力输出，通过加气机给CNG汽车加气。

1.2 传统机械式压缩机系统

采用传统机械式压缩机系统的加气子站是利用CNG拖车从母站运来的高压天然气，通过卸气柱、压缩机、储气系统和加气机给CNG汽车加气。其工艺流程如图2所示。

图2 传统机械式压缩机系统加气子站工艺流程

传统机械式压缩机通常采用往复式压缩机，其传动模式是：电机带动曲轴旋转，通过连杆、十字头、活塞杆，带动活塞在气缸内做往复运动，实现气体的压缩过程[3]，达到增压目的。

1.3 液压活塞式压缩机系统

近年来国内出现了一种新型液压活塞式压缩机系统用于加气子站。其充分利用拖车内天然气压力能，既可以实现无储气瓶对汽车加气(同液压平推式)，也可以提高加气效率，通过配置储气瓶方式对汽车加气(同传统机械式)。其工艺流程如图3所示，虚线表示可根据需要配置。

图3 液压活塞式压缩机系统加气子站工艺流程

国内的液压压缩机经历了从进口到国产的发展过程[4]。国产液压活塞式压缩机主要有立式和卧式两种结构形式。两者工作原理相同，只是结构形式的不同带来性能上的差别，下面以立式为例介绍。

2 液压压缩机的工作原理及特点

2.1 工作原理

特殊的工字形活塞杆将上面气缸分隔为上行气腔、上行油腔两个腔，将下面气缸分隔为下行油腔、下行气腔两个腔，如图4所示。

图4 液压活塞式压缩机工作原理

其工作原理是：液压站输出的高压油进入下行油腔，上行油腔的油回油箱，活塞杆向下运动，槽车内气体进入上行气腔(一级进气)，而下行气腔的气体则经压缩后流出(一级压缩)进入冷却器，完成一级压缩过程；当活塞运行到极点时，液压站换向阀将会换向，输出的高压油进入上行油腔，下行油腔的油回油箱，活塞杆向上运动，槽车内气体进入下行气腔(一级进气)，而上行气腔的气体则经压缩后流出(一级压缩)进入冷却器，完成一级压缩过程。当两个这样的气缸串联时，就构成了两级压缩。

2.2 性能特点

(1) 节能效果好。特殊的结构设计，可充分利用拖车内气体压力做功，使其相较其他类型压缩机处理单位气体所需功率更小或单位功率可压缩更多气体，从而实现节能。

(2) 结构简单。气缸和油缸双缸一体结构，液压油每运行一个行程，都会将气缸壁冷却一次，因此气体和气缸壁的温度较低，不需水套缸冷却；一组气缸只有一级压缩，实现两级压缩需用两组气缸；轴向尺寸相对较短，大于两倍行程，可以立式安装；各支承环和液压活塞环不存在偏磨现象。

(3) 油泵工作压力较低。由于槽车压力低时，进排气压差较大，需经两级压缩，所以经过受力分析，所需油压＝(排气压力－进气压力)/2；油泵工作范围始终在16 MPa以下。

(4) 噪声低。实测噪声不高于70 dB。

(5) 几乎无泄漏量。设计上规避了填料等结构设计，系统几乎没有泄漏点。

(6) 耗油量极小。油附着在缸壁上形成极薄油膜，使输出气体内含极少量油，且设备内还增设了除油器。

(7) 易损件少。只有活塞环、O形圈等少量易损件。

3 各子站技术经济对比分析

3.1 压缩技术性能对比

根据目前国内CNG子站运行情况，各项指标对3种子站压缩技术性能进行对比分析，见表1。

表1 三种子站压缩技术性能比较

3.2 投资对比

以15 000 m3/d的建站规模为例，对3种子站设备系统投资成本进行分析，见表2。

表2 3种子站设备投资比较 万元

3.3 运行成本分析

计算参考：加气子站规模15 000 m3/d、天然气价格4.50元/m3、计算周期1年(360 d)、平均电费0.8元/ kW·h，3种子站设备运行成本见表3。

表3 3种子站运行成本比较

从表3可看出，液压活塞式压缩机运行成本最低、气损率最低，能给建设方带来长远的经济效益。

4 结语

液压活塞式子站压缩机克服了液压平推式压缩机和传统机械式压缩机的不足，延续了工艺简单、节能等优点，具有更好的设备适应性、经济环保性，代表了子站压缩机的一个发展方向，是CNG建站天然气压缩机很好的选择。随着液压活塞式子站压缩机技术的不断完善，将会受到越来越多的关注。