根据不同的加气要求选配CNG加气站设备

作者：上海燃气设计院 孙永康

欢迎访问e展厅 展厅 9 管材/管件/法兰展厅 供气设备, 管材, 管件, 法兰, 管道... 摘要：分别针对不同加气要求而进行CNG加气站不同设备的选型比较，提出了相应建站的建议。 我国天然气汽车的发展已近10年，作为有利于大气环境，调整能源结构，实现可持续发展的有效途径，天然气汽车已受到国内各界的广泛关注。2000年，上海市首座CNG加气站在浦东建成运行，2001年浦西南北2座CNG汽车加气站也将建成。天然气汽车加气站与天然气汽车之间是辩证统一的关系。CNG加气站的建设是发展天然气汽车的前提，而CNG加气站的建站规模直接与天然气汽车加气要求相关联。针对不同的加气要求应该灵活采取加气设备配置，同时采取不同的加气工艺流程。 1 CNG加气站简介 1.1 CNG加气站系统配置 CNG加气站由6大系统组成：天然气调量计量；天然气净化系统；天然气压缩系统；天然气储气系统；CNG售气系统；控制系统（自动保护、停机及顺序充气）。 1.3 加气方式 根据不同的加气负荷特点，可以采用快速加气、慢速加气、混合式加气、子母站加气等方式。 在加气站系统内可由压缩机直接向钢瓶注气，亦可设置压缩机和一批高压储存钢瓶以加快加气速度，一般日加注能力100辆~200辆。另外，采取子母站形式，可以充分发挥压缩、灌充装置的利用效率。 1. 4主要工艺设备 1.4.1 母站 （1） 分子筛（2）压缩机（3）储气钢瓶（4）加气机 1.4.2 子站 （1） 转运拖车（2）储气钢瓶（置于拖车上）（3）增压器（4）加气机 所有设备中，压缩机主机是最主要的设备，也是整个加气站占投资比例最大的设备，是整个加气站的核心。 2 CNG加气站设备选型优化组合 2.1 当加气负荷不均匀分布时 加气负荷集中在几个时间段，对加气时间要求比较苛刻。这类情况一般发生在以下几种情况：a)母站给拖车加气；b)因气源管网压力限制、用电峰值限制、车辆运行特点限制等特殊原因，汽车加气只能集中在部分时间段内；c)城市天然气汽车发展初期，现有加气站数量较少，汽车加气机动性较差。 针对这类情况，在进行设备选型时，应优先考虑增大压缩机排量，相应储气瓶容积可以减小，通过压缩机直供来满足连续快速加注的要求，储气瓶预先储存的高压天然气只是为了满足平时零星加气的要求。通过压缩机直供时，若选用压缩机排量偏小，加注管道中的气体流量相应偏低，加气速度就跟不上使用要求，会造成汽车加气排队或者拖车脱节子站断气等现象，将影响加气站的正常运行。若压缩机动性的排量和加气机的额定流量汇总量相当时，就能满足连续快速加气要求。 在满足这种类型加气要求的基础上而进行的设备选型，可以满足连续快速加注天然气汽车的要求，但设备的能力末能充分发挥，建站投资比较大且压缩机频繁启动，影响压缩机使用寿命。 设计实例 设计条件： （1）日加气车辆为150辆，每辆加气量为100立方米，日总需求量为15000立方米； （2）加气负荷不均匀分布； （3）要求连续加注，双枪同时加注，单辆汽车加气时间不超过4分钟，每小时保证加气车辆30辆。 为了满足连续高速加注要求，应通过压缩机直供来完成。两把枪同时加注，每辆车净加气时间在4分钟之内，则压缩机设计计算排量v=(100*2/4)*60=3000立方米每小时。可以考虑选用2 台1500立方米每小时的压缩机。 另外，储气瓶容积可以减小，储气瓶容积可以选择ASME储气钢瓶（CPI公司生产）6个单元（采用三级储气方式，高中低储气单元数比例为1：2：3），总水容积为7.836立方米，换算成标准状态下为2322立方米，按照此储气加气系统取气，最高取气率可达42%~45%，则通过储气瓶给车辆加注约为1000立方米天然气，也就是说可以注满10辆天然气汽车。储气瓶先储存的高压天然气只是为了满足平时零星加气的要求。 2.2 当加气负荷均匀分布时 日加气总量一定，且加气车辆均匀分布在各时间段内。这类情况一般发生在固定车源的专用加气站（例如公交停车场），并留有一定的机动备用车辆，通过对固定加气车辆进行合理调度，优化车辆加气顺序，避免车辆连续集中加气；或者是加气站的数量达到一定规模，汽车可以到不同的加气站进行加气。另外，对于同一辆车，每次加注并不一定注满汽车钢瓶，也就是每日可以累积多次加气，每天总加气量基本不变，这部分加注量在各时间段均匀消化。 针对这类情况，在进行设备选型时，相应压缩机排量可以降低，适当增大储气瓶容积。利用预先储存加压气体弥补压缩机排量不足的办法，使加气系统具有比压缩机最大排量大得多的加气能力。 另外，对于这种加气要求，加气方案可以采取快加气和慢加气组合加气。在原有加气管线上增加敷设慢加气布管。 采用慢加气一般是在每天晚上对停车场的汽车利用整夜的时间用压缩机直接加气，压缩机将气送入通往每辆汽车分配气管中，再经加气机进入汽车钢瓶。典型的慢加气系统的售气机或加气岗位是无人值守的。该系统主要由充气阀、压力表、软管和能自动控制加气使其不超过规定值，且可避开白昼用电高峰。 在这种类型的加气要求基础上而进行的设备选型可以避免压缩机频繁启动，且可以最大限度的发挥设备的能力，建站效益也比较明显。 设计实例 设计条件： （1）日加气车辆为150辆，每辆加气量为100立方米，日总需求量为15000立方米； （2）加气负荷均匀分布，可以根据加气站的加注能力进行调度； （3）加气站每日操作时间为16小时； （4）按照二级加气站设计。 根据这个加气要求，储气瓶容积可以选择 ASME储气钢瓶（CPI公司生产）9个单元（采用三级储气方式，高中低储气单元数比例为2：3：4），总水容积为11.754立方米，换算成标准状态下为3483立方米，按照此储气加气系统取气，最高取气率可达42%~45%，则通过储气瓶给车辆加注射1567立方米天然气，也就是说可以注满15辆天然气汽车。按照单枪加气时间为4分钟每辆，采用2台单枪加气机同时加注，则30分钟内可以完成加注射15辆汽车。下面根据PLC控制流程不同按照2种情况分别进行分析计算。 （1） 全部通过储气瓶加气，压缩机不直供。 对天然气汽车而言，要求所有加气必须通过储气瓶作为加注平台，由储气瓶来完成快速加气。当高压储气瓶压力下降到一设定值时，停止给汽车加气，压缩机启动给储气瓶补气， 当储气瓶压力达到25.0Mpa时，又重新开始给汽车加气，假定每一轮回补气结束与再加气之间的间隔时间为0.1小时。则压缩机设计计算排量v=1500立方米每小时。150辆天然气汽车通过10个轮回完成，每一轮回15辆汽车的操作时间为1.6小时，其中压缩机给储气瓶充气时间为1小时；钢瓶给汽车加气时间为0.5小时；操作间隙为0.1小时。这种操作工况优点是可以避免压缩机频繁启动，充分发挥储气瓶的储气功能来完成对汽车的快速加气，单元加气速度能够得以保证，车辆在保证足够操作时间的情况下可以选用较小排量的压缩机。缺点是对加气车辆调度要求较高，加气灵活性较差。 （2） 采用储气瓶和压缩机联合供气，压缩机可以直供。 先通过储气瓶加气，当高压储气瓶不能满足加气要求时，通过PLC控制，启动高压旁通管路，采用压缩机直接给汽车加气，当车辆停止加气时，通过PLC控制，由压缩机给储气瓶补气。在此操作工况中，系统优先权是给加气车辆，也就是说当存在加气车辆时，总是先"加气后补气"。假定每一轮回通过压缩机直接给汽车加气的数量平均为10辆，则整个150辆汽车加气需通过6个轮回来完成，每个轮回为16/6小时。则压缩机的设计计算排量v=(1000+1500)*6/16=938立方米每小时，压缩机直供加气速度为6.4分钟。这种操作工况的优点是对加气车辆调度的要求不高，加气灵活性好，可以选用较小排量压缩机，比较经济。缺点是压缩机启动较频繁，单元加气速度有限制。 3 结论及建议 对于加气负荷不均匀分布、对加气速度要求较高的情况，在建站时可以选取用较大流量的压缩机，选用较小容积的储气钢瓶；对于加气负荷均匀分布、对加气速度无苛刻要求的情况，在建站时可以选用较小流量的压缩机，选用较大容积的储气钢瓶。 通常，在天然气汽车发展初期，由于天然气汽车加气站数量末达到一定规模，加气负荷一般难以均匀分布，对加气速度要求较高，加气灵活性较差，故造成设备选型时容量一般偏大，运行时不能充分发挥设备的运行能力。参考国外天然气汽车发展以及建站经验，建议在进一步发展天然气汽车时，利用原设有大排量压缩机的加气站进行改建，增设加气柱，建成母站，另外新建投资较小的子站，这样可以利用母站的加气间隙时间给拖车加气，充分发挥母站设备的运行能力。当天然气汽车和加气站发展达到一定规模时，加气负荷均匀分布，新建加气站时可以降低对压缩机排量的要求，另外若场地允许，应考虑增加慢加气方式。 (end)

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