CNG加氣站工藝系統與設備優化研究

吳　東（中煤科工集團重慶設計研究院有限公司，重慶　400016）

CNG加氣站工藝系統與設備優化研究

吳東
（中煤科工集團重慶設計研究院有限公司，重慶400016）

CNG主要以甲烷（CH4），同時含有少量丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10）。和汽油相比較，CNG具有較高的辛烷值（100以上）和熱值，抗爆性能明顯優于汽油，燃燒性能也較好，天然氣是一種高自燃點的低密度氣體，在正常的溫度和壓力下，比之汽油不易發生燃燒和爆炸，安全性比較好。是一種理想的具有綠色意義的車用燃料。文章分析研究了CNG加氣站工藝系統與設備優化措施，以實現HCNG加氣站的產業化發展。

CNG加氣站工藝系統設備優化

天然氣是公認的低污染燃料。燃用天然氣的汽車和燃油汽車相比，不僅能夠有效地降低汽車尾氣中的有害物的排放量，而且從根本上杜絕了鉛、苯、烴等對人體有害的物質。壓縮天然氣（CNG）汽車因而被稱為綠色環保事業。發展CNG汽車，不僅是治理城市汽車尾氣污染的有效途徑，而且對于改變城市交通能源結構、緩解成品油供應的緊張局面、降低燃料成本起到直接有效的作用，具有顯著的環保效益、良好的經濟效益和社會效益。

1　CNG加氣站工藝系統

1.1處理系統

CNG 處理系統主要包括調壓、除塵、脫水、干燥等工序。由于工程設計考慮不周，施工時埋下的隱患或設備、管道、閥門等質量原因，造成氣體泄漏，形成爆炸性混合氣體，遇到火源就會發生爆炸和燃燒。氣體在處理過程中有可能出現閥門、法蘭盤及焊縫處泄漏等現象。以脫水為例，如果天然氣含水量較高，那么脫硫后的天然氣需要進行脫水處理。脫硫后的天然氣根據脫水工藝在氣體壓縮的前、中、后，分為前置脫水、中間脫水和后置脫水。一般地，壓縮機為集成設備，很少中間導出天然氣，因此一般不用中間脫水的工藝方式。后置脫水工藝要求脫水設備的配件、閥件質量比較高；同時，由于工作壓力較高，析出的重烴組分容易使脫水劑中毒。目前國內在這方面的技術工藝問題仍未有較好的處理措施，后置脫水一般用于處理量不大，壓縮機對氣質要求不高的場合，如配置國產壓縮機的常規站或小型母站。前置脫水與后置脫水相比，脫水設備的安全性能好、設備配備的閥件性能要求低、吸附劑不易油中毒等優點，結合本站壓縮前的工作壓力，在五里屆CNG母站設計中，選用前置脫水的生產工藝。

1.2壓縮系統

CNG 壓縮系統是CNG 加氣站的核心部分，該系統主要通過壓縮機進行多級壓縮，將天然氣的壓力提高至25 MPa，然后通過管線輸送至儲氣設施。氣體在壓縮時，處于受壓、受熱狀態，工藝管網易泄漏，遇到火源就會發生火災和爆炸。

1.3控制系統

設備控制系統主要是對加氣站內各種設備實施手動或自動控制，故加氣站內存在潛在的點火源。若各生產環節防靜電接地不良或各種電器設備、電氣線路不能防爆、接頭封堵不良，則在天然氣稍有泄漏時，就易發生安全事故。以壓縮機保護系統為例，壓縮機是加氣站的核心設備，是加氣站的心臟。壓縮機一旦出現故障，這個加氣站必將停止營業。保護壓縮機，使壓縮機正常工作，是該站設計的必不可少的部分。按照傳統加氣母站對壓縮機的保護，就是在壓縮機撬前增設進氣緩沖罐，平衡壓縮機的進氣量，減少氣體脈沖對壓縮機的沖擊，同時減少壓縮機進口管線的震蕩。為解決上述問題，結合站場用地，設計考慮在每臺壓縮機撬內均撬裝一個小型的進氣緩沖罐，在每臺壓縮機進口管線上設有一個長為600mm的金屬軟管。例如，可以采用的壓縮機為活塞推動式壓縮機，根據壓縮機的工作原理，在某一工作壓力狀態下，壓縮機排氣量成余弦線，為了減少壓縮機后氣體脈動對壓縮機和充氣系統的影響，以及兩臺壓縮機排氣量的相互影響，設計考慮在壓縮機后增設儲氣井進行緩沖。

1.4儲氣井

井管儲氣是CNG 加氣站普遍采取的方式，儲氣井的使用壽命一般在25 a 左右。然而，現實中儲氣井事故多發的主要原因多為：（1）天然氣氣質不合格。CNG 加氣站來氣大部分水和硫化氫含量偏高，易對井壁形成腐蝕，腐蝕產物加上塵垢極易造成高壓管線或閥門堵塞失效。（2）井管本身的質量不過關。在CNG 加氣站儲氣井設備選擇初期，應嚴格材料采購、進場手續，保證所有材料符合國家標準。

2　CNG加氣站工藝系統與設備優化

2.1壓縮機選擇

根據CNG 市場發展趨勢，研發的專用壓縮機具有操作方便、供氣量大、可靠性高、經濟實惠等特點。從動力配置方面考慮，可選擇以下兩種方案：（1）隔爆型異步電動機聯接飛輪盤，直接驅動壓縮機。聯接簡單，運轉平衡，噪音小。（2）天然氣發動機通過皮帶傳動驅動壓縮機。具有操作容易、工作可靠、起動迅速、使用壽命長、結構緊湊、維修方便等優點。但因其噪聲較大，有燃燒廢氣排放，故適用于電力匱乏或電力成本較高的地方。

2.2加氣設備

CNG 加氣設備遵循的原則應為：可靠、適用。加氣系統有快充式和慢充式兩種，快充加氣系統實際與加油機的使用基本一樣，一次典型的加氣過程需要1～3分鐘，有顯示屏和計量裝置。慢充是指汽車在一段時間很長的停放時間（例如過夜或兩個車次之間）內加氣，壓縮機在這期間給所有的汽車同時加氣，不采用儲氣裝置和順序充氣控制裝置。投資小，不需要設置儲氣裝置，而起壓縮機的排放量也可以小得多。加氣機的類型包括快充加氣機和加氣柱，快充加氣機包括計量儀表、順序取氣控制單元、顯示單元、溫度補償單元和整套連接軟件（軟管、脫開裝置和加氣槍）。加氣柱不需要進行計算和順序取氣，它可以作為標準快充式加氣機的廉價代用品，它還可以適用于每輛汽車都需要有自己的加氣點的慢充系統。

2.3安全防護裝置

（1）在作業區的天然氣管道上應設緊急手動截斷閥，一旦發生火災或其他事故，自控系統失靈時，操作人員可靠近并關閉截斷閥，切斷氣源，防止事故擴大。手動緊急截斷閥的位置應便于發生事故時能及時切斷氣源。（2）氣瓶組進氣總管上應設安全閥及緊急放散管、壓力表及超壓報警器。每個儲氣瓶（井）出口應設截止閥。以保證儲氣設備的安全運行及發生事故時能及時切斷氣源。為防止進站加氣汽車控制失誤撞上儲氣設施造成事故，儲氣瓶組或儲氣井與站內汽車通道相鄰一側，應設安全防撞攔。（3）加氣機應設安全限壓裝置。加氣機的進氣管道上宜設置防撞事故自動切斷閥；加氣機的加氣軟管上2.4自控設置

應設拉斷閥，拉斷閥在外力作用下分開后，兩端應自行密封。（4）加氣站內的天然氣管道和儲氣瓶組應設置泄壓保護裝置，以便迅速排放天然氣管道和儲氣瓶組中需泄放的天然氣。

（1）加氣工藝參數檢測和自動控制加氣全過程，采用計算機實時監視與控制，實現數據集中管理。（2）根據工藝條件用可燃氣體傳感器監測天然氣的泄漏情況，用計算機實時采集顯示，設置報警聯鎖等功能。及時通知操作工檢查設備運行情況，防止發生事故。（3）安裝和連接控制室內PLC可編程序控制器與液壓撬裝子站上的儀表信號電纜、控制電纜、自控閥門的氣源管線等外網線；新建加氣站可燃氣體泄漏報警系統。

3　結語

隨著天然氣在城市能源供應中的普及，CNG越來越多的為燃氣汽車所用。作為生產CNG的加氣母站，設計合理的工藝流程、配置經濟可靠的工藝設備是保證加氣站安全、可靠、經濟運行的關鍵因素。CNG加氣母站工藝技術不斷開拓、完善，工藝設備的合理選擇，對于推動CNG加氣子站的建設，促進燃氣汽車的發展，凈化城市環境具有不可替代的作用。

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［2］彭輝華.CNG 汽車加氣站防火防爆設計［D］.重慶:重慶大學，2011.

［3］姚東，楊明，楊豪.CNG汽車加氣站火災爆炸危險分析與預防［J］.工業安全與環保，2007，33（12）.

［4］張華.壓縮天然氣加氣站技術的探討［J］.煤氣與熱力，2005，25（6）.