CNG加氣站工藝設計及設備配置

楊杰(中冶東方工程技術有限公司，山東 青島 266555)

1 壓縮天然氣（CNG）加氣站的發展

根據國家環保局的監測數據可知，全國機動車每年排放的有害氣體達到2000萬噸。汽車尾氣對人們的健康生活造成極大的危害。天然氣具有使用安全便捷、高效益、無污染的優點，代替汽油和柴油作為汽車燃料可以很大程度上降低污染物的排放。但從近年來國內外汽車CNG加氣站的設計、運行過程中也發現了不少現實問題，如何能保證加氣站安全運行，實現最大的經濟效益，需要對CNG加氣站的各個設備選用進行經濟分析，才能最終選擇一個安全并且經濟的優化方案。

2 CNG加氣站的工藝流程

CNG加氣站工藝流程由調壓及計量系統、凈化和干燥系統、壓縮系統、壓縮天然氣儲氣系統、控制系統及售氣系統總共六大系統組成。以下為CNG加氣站流程的示意圖。

圖1 CNG加氣站流程工藝圖

對于不同規模的用戶來說，壓縮天然氣站的設備配置可能有很大的差別，但是作為一個完整的CNG加氣站，這六大系統卻是缺一不可的，其中天然氣壓縮系統和壓縮天然氣儲存系統是CNG加氣站工藝流程中最核心的部分，加氣站的運行實用性及安全可靠性與這兩個部分的設備配置直接關系，也決定著CNG加氣站的經濟效益。

CNG加氣站的結構型式從安裝型式上可分為開放式結構和撬裝式結構兩大類。開放式結構是將加氣站的所有設備安裝在廠房內，通過高低壓管道及閥門將各個設備組裝成整套的工藝系統，開放式結構具有設備空間較大，便于維修保養的優點，但是自動化程度低。撬裝式結構是指將加氣站壓縮機前的天然氣緩沖罐、過濾器、壓縮機主機、空氣冷卻器、驅動機、儲氣瓶、電控盤和優先順序盤、儀表風系統等主要設備集成在一個成撬的底座上，形成一個閉環控制的整體設備系統。這種結構型式有便于運輸和露天安裝，自動化程度高，安全可靠性高，且可減少現場安裝調試的工作量的優勢，但是一次性投資造價較高。

3 CNG加氣站設計及系統配置

3.1 主要設備選型影響因素

由于CNG加氣站全天在不同時段的加氣車輛數量受到氣溫條件，交通狀況和作息制度等因素的影響，會有很大程度的差異，因此加氣量也會呈現出不均衡性。在進行加氣站設備選型時一定要充分考慮這種不均衡性，并且要根據設備的工作特性來充分利用這個不均衡性，合理進行設備選型。如果設備負荷大于實際負荷，會造成投資大，資源浪費，儲氣效率低；如果設備負荷小于實際負荷，壓縮機頻繁啟動，降低使用性，造成加氣時間延長和加氣汽車擁堵。這兩種情況不但會影響加氣站的正常工作，也會影響到經濟效益。所以確定與優化加氣站的壓縮機與儲氣規模的配比是CNG加氣站設計首要解決的問題。

CNG加氣站設備配置需要考慮的問題主要有:

加氣站主要服務對象、服務數量、加氣時間和服務速度，

壓縮機容積流量的選定，數量的確定

壓力容器的容積及尺寸

充氣軟管數量的確定

每日加氣車輛數量和充氣量

為保證加氣站工作的安全可靠、技術先進，在進行工藝設計和設備選型時，加氣站的主機應優先選擇技術先進的設備，電機啟動器、脫硫脫水裝置、儲氣井等輔助設施可以采用一般性設備，既要保證系統安全運行還要兼顧降低加氣站的建設成本。在本文論述中，以一級標準站日天然氣銷售10000Nm3/d來進行討論和設計計算。

3.2 CNG加氣站設計計算條件

為便于常規站的設計分析計算，對以下設計參數和設計條件進行合理的規定和假設:

壓縮機進口壓力:0.3MPa,

壓縮機排氣壓力:25MPa

CNG汽車儲氣容積:綜合考慮CNG出租車配備一個鋼瓶容積0.06m3及CNG公交車配備四個鋼瓶總容積0.36 m3，核算后平均儲氣容積為0.105 m3

儲氣系統設計工作壓力:25MPa

加氣系統設計溫度:20℃

3.3 加氣站各系統設備配置

3.3.1 調壓計量系統

調壓裝置安裝在天然氣進站主管道上，調壓器的選擇要求性能好，體積小，能夠實現天然氣調壓和流量的計量。調壓、計量裝置的主要設備由天然氣過濾器、調壓器、就地壓力表、流量計、旁通閥門等組成。

3.3.2 天然氣凈化和干燥系統

根據天然氣的含水、含硫狀況和設計環境溫度及濕度等因素，確定脫水干燥和脫硫的工藝方法、裝置的規格及結構型式的基本參數。國產壓縮機的干燥工藝設計通常采用高壓后置脫水，其優點是設備體積小，干燥氣體露點低。天然氣經過凈化和干燥后，可確保天然氣氣質的純凈，實現保護壓縮機的正常運行及天然氣在發動機中良好燃燒，不會對汽車發動機造成任何危害。

凈化和干燥系統主要包括除塵、脫水干燥設備，脫硫、脫油等設備。其中用來除塵、脫硫的凈化設備主安裝在壓縮機之前，確保保護壓縮機不會受到損壞和腐蝕。

3.3.3 天然氣壓縮系統

天然氣壓縮系統的主要設備由進氣緩沖罐、壓縮機主機、潤滑系統和冷卻系統等部分組成。CNG加氣站的核心部分就是壓縮系統，其性能的好壞，直接影響加氣站的運行。CNG壓縮機為連續性生產設備，為滿足加氣站間隙式充裝的需要，必須設置儲氣系統，這樣可以減少壓縮機頻繁開停機次數，減少對壓縮機設備的磨損，從而保證設備安全和可靠運行。

緩沖罐和回收罐

為減少壓縮機工作時氣流壓力波動以及由此引起的機組振動，在天然氣進入壓縮機組之前設置進氣緩沖罐，對供氣系統起到緩沖作用。

廢氣回收罐主要作用是回收壓縮機排污及卸載時產生的天然氣，同時回收壓縮機內產生的廢氣、廢液。在目前運行的CNG加氣站中，會發生壓縮機回收罐安全閥頻繁起跳的現象，根源主要是壓縮機啟動頻繁，卸載產生的回收氣體回流，大量氣體進入緩沖罐，造成壓縮機進口壓力超壓，解決的方法是將回收罐接口接一根回流管道，連接至天然氣進站管道，這樣回收罐內的大量天然氣可回流到供氣管網，問題就得以解決。

壓縮機組選擇計算

壓縮機型式有很多，目前在國內CNG汽車加氣站中使用最為廣泛的是往復活塞式壓縮機。國產壓縮機在運行安全可靠、長期服役、節能等特性上接近國際先進水平，且國產壓縮機的成套價格僅為進口的1/2，售后服務和配件供應都有保證。壓縮機的選擇主要應根據加氣站進、出站壓力，壓縮機的性能、加氣的能力、儲氣井容積、施工場地條件等因素，進行綜合考慮。

參照《汽車加油加氣站設計與施工規范》（GB50156-2012）中，壓縮機宜按日開機時間10-12小時計算，壓縮機的型號宜選擇一致，裝機數量不宜超過3臺。本論述中加氣站壓縮機設計排氣壓力為25MPa，假設壓縮機每日開機時間為12小時，因此可知加氣站壓縮機小時生產氣量為:

Q總=Vopt/h

式中:Q總:壓縮機每小時的生產氣量,(Nm3/h)

Vopt:每日生產氣體規模，本文中Vopt=10000Nm3/h

h:壓縮機每日開機總時間，本文中h=12。

故:Q總=Vopt/h=10000/12=833Nm3/h

加氣站在壓縮機選型時，要根據壓縮機的性能曲線，選擇優化的組合方案。既要體現生產方案和經濟規模，也要保證達到經濟電耗，滿足加氣工況，實現投資的經濟性。根據以上計算并結合工況，可以選擇兩臺單機排氣量為550 Nm3/h的壓縮機組合方案，并設置兩臺備用壓縮機，電機總功率為220kw。

根據氣缸方式，壓縮機的潤滑油系統分為有油潤滑，少油潤滑和無油潤滑；冷卻系統則分為水冷冷卻和風冷冷卻。

3.3.4 壓縮天然氣儲氣系統

儲氣系統主要起到緩沖作用，是為順應加氣站間隙式生產的需要。汽車加氣規律是按交通運輸自身營運規律來確定的，加氣站工作的基本規律決定于加氣時間與氣量上時多時少或間隙充裝，且CNG壓縮機的工作制度為連續性工作，要滿足加氣站間隙式充裝的工作制度，則必須設置儲氣系統，這樣就可以使壓縮機開停機次數減少。根據加氣站的加氣時間是否集中來考量，并結合相關經驗，儲氣量應該是日加氣量的1/3到1/2。

若按每天兩個加氣高峰季相關經驗來考慮，儲氣設備的儲氣量可以按照日加氣量q=5000Nm3/d來計算，本設計中以儲氣系統的工作壓力為25MPa,儲氣系統工作溫度為20℃為設計條件，氣體的壓縮系數按下列經驗公式計算:

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

式中溫度T和壓力P是計算壓縮因子Z的變量，其函數關系可表示為:

對比壓力Pr=P／Pk

對比溫度Tr=／Tk。其中:

Pk:氣體臨界壓力，

Tk:氣體臨界溫度。

天然氣的臨界壓力為:Pk=4.58MPa,

天然氣的臨界溫度為:Tk=190.7K（-82.3℃）；

在本設計條件下，t=20℃下時的氣體壓縮系數Z值經計算為0.8276。

標況下的儲氣容積為:

q=5000×

故儲氣設備總容積確定為18m3

儲氣設備可分為儲氣罐、儲氣瓶組和儲氣井。

儲氣罐是按照GB150《鋼制壓力容器》標準生產的3類壓力容器。這種儲氣方式的優點是接頭少，輸氣阻力小，儲氣系統的泄漏點少，缺點是容器容重比較小，耗用鋼材量大，因此將這種儲氣方式一般作為代用儲氣裝置。

儲氣瓶組是由多個CNG鋼瓶組成，多組并聯形成儲氣瓶組。按工藝需要，分成高、中、低壓庫儲氣系統，這種裝置的優點是使用彈性大，但是也存在接頭漏氣處理困難、鋼瓶表面防腐維護困難、檢測不便及存在安全隱患等問題。

儲氣井相對于儲氣瓶組和儲氣罐來說是一種地下的儲氣方式。儲氣井管采用符合規范要求的石油套管，需要具有較高的和強度防腐能力。通過采用石油地質鉆井中無焊點扣連方式，將儲氣井管深埋于地下，形成儲氣井的儲氣工藝設備。儲氣井的具有安全可靠，事故隱患少，占地面積小，操作使用簡單，維護管理方便，使用壽命長，防火間距短的優點。因此在目前的CNG加氣站設計中普遍采用儲氣井的方式進行儲氣。

3.3.5 控制系統

CNG加氣站的控制系統包括電源控制、運行控制、儲氣壓力控制、凈化及干燥控制、系統安全控制和售氣控制。大量使用自動控制設備的雖然會增加投資，但是在運行維護人員的數量上和日常運行的費用上卻大大降低了，同時也確保了加氣站的運行安全和效率，提高了運行可靠程度。

3.3.6 壓縮天然氣售氣系統

售氣系統由加氣機及計算機管理系統組成，壓縮天然氣通過管道輸送至加氣機，依次通過入口球閥，過濾器，單向閥、流量計、高壓軟管、槍閥以及加氣槍，最后給汽車加氣。流量計計量出流經加氣機氣體的密度、流量等參數，相應模擬量信號轉化成電脈沖信號遠傳至計算機控制器，經計算得出相應氣體的體積、金額，并通過顯示屏顯示給用戶。

3.4 結語

CNG加氣站的設計應該考慮汽車的加氣規律，合理確定高峰時加氣車輛數量，合理配置儲氣瓶組的儲氣能力，力求實現加氣站設備配置最理想工況，達到預期的經濟效益，能確保設備運行的安全性和可靠性。

[1].《汽車加油加氣站設計與施工規范》（GB50156-2012）.

[2]《鋼制壓力容器》（GB150-2011）.

[3]申莉等.CNG加氣站設計[J].化工設計通訊,2001(12).