CNG加气站储气瓶组的容量选择和气体利用率的分析.doc

CNG加气站储气瓶组的容量选择和气体利用率的分析刘锡麟(西安天洁航天科技股份有限公司，陕西 西安市710075) 摘要：本文依据国内外的实践经验，分析了储气瓶组储气容量和气体利用率对CNG加气站供气能力的影响。提出了合理速择储气瓶组的储气容量和提高气体利用率的原则和方法。可供CNG加气站设计和操作人员参考。关键词；天然气；CNG加气站，储气瓶组；气体利用率1 CNG加气站设置储气瓶组的必要性CNG加气站的发展初期，其主要设备配置仅有压缩机，而没有储气瓶组。经过多年的探索和实践，人们逐步认识到，给压缩机系统配备适当的储气瓶组(或缓冲罐)，可显著改善充气系统的稳定性和可靠性等技术性能，大大提高系统的工作效率。另外，为了实现快加气，而将压缩机容量增加很大是不可能的，因而需采取预先储存加压气体弥补压缩机排量的不足的办法，使快加气系统具有比压缩机最大排量大得多的加气能力。显然这需要设置加压气体储存设施。11CNG压缩机多为往复式压缩机，工作时气体的压力波动很大，增加了储气瓶组，既可以对压缩机的冲击气流起到缓冲作用，保证输出气流的稳定性。12增大储气瓶组的容量，可在不改变加气站供气能力的条件下适当减小压缩机的排气量，降低加气站的投资额。国外的经验表明其费用比不带储气瓶组的直接充气式加气站降低30左右。13配备了储气瓶组，可使压缩机在系统工作时有停机的机会。当储气瓶组充满气体时，先由储气瓶组给汽车加气，储气瓶组的气体不够时，再起动压缩机。这样可缩短压缩机的工作时间，减小设备磨损，延长使用寿命。储气瓶组的容积适当大一些，其作用就更明显。14和加注燃油相比，加气站给汽车加注压缩天然气的速度很慢。要是给加气站的压缩机配备若干储气瓶组，就可使加气速度得到提高。但是，由于靠气压差加气，气压平衡后就无法流动加气，所以该储气瓶组的气体总也用不完，最低时仅能用9左右。这无疑造成了资源的浪费。经过长期试验，终于找到了一种比较好的方法。将储气瓶组按一定的比例分成几组后，既可提高储气瓶组的气体利用率，又可使加气速度得到进一步的提高。15配备适当容量的储气瓶组，其缓冲作用可使压缩机的脉动冲击气流引起的振动大大降低，管路阀门仪表之间的连接不易松动，甚至破裂，由此引起的易燃气体的泄漏现象大大减少，系统的安全可靠性得到明显提高。16当压缩机排量保持不变，加气站要想保证用双枪或者四枪(两台售气机)同时加气时的加气速度，并保证加满时，就必须配置较大容量的储器瓶组。否则汽车气瓶的压力可能达不到20MPa。2 储气瓶组的气体利用率储气瓶组气体利用率，有些技术资料中也称“气瓶容积利用率、储气系统取气率、气体回收率等”，它是储气瓶组的一个重要技术指标。在进行加气站尤其是储气系统设计和设备配置时，必须予以认真考虑。若选取不当，既提高了加气站的投资成本，又会造成资源的浪费，得不偿失。因此有必要结合实际对储气瓶组气体利用率的问题进行分析研究。21气体利用率的测算方法虽然储气瓶组气体利用率的术语称谓不同，但其含义应是相同的，应等于由储气瓶组中充入汽车气瓶内的CNG标准体积与储气瓶组可储存的CNG总标准体积之比的百分数。即：气体利用率=在实际应用中，为了方便，不同的企业可能采用不同的测试和计算方法，得出的数值结果必然不尽相同，但是进行定性分析是没有问题的。(1)美国CPI公司的测算方法和示例依据加气时手工抄录的每个储气瓶的最终压力值，对照试验数据表“压力一标准体积值”，得到对应的储气瓶内所剩余气体的体积数，再从该瓶组在25MPa(3600psig)压力下的总存储气体体积数中减去，所得到的差值就是充入汽车气瓶内的CNG的标准体积。代入上述公式即可得到该气瓶的气体利用率。各个储气瓶的气体利用率之和的平均值就是该储气瓶组的总气体利用率。当然也可将全部充满的钢瓶总气量与储气瓶组的总储气量带入公式求得总气体利用率，结果一样。下面就是CPI公司的大型储气钢瓶的测试结果：(这种方法基于试验数据，比较准确)储气瓶组压力：25MPa(3600psig)；汽车瓶压：20MPa(3000psig)；储气瓶组总储气量：11637Nm3；汽车钢瓶储气量：283Nm3；汽车钢瓶数量：17各储气瓶的利用率：734 384 125总气体利用率：414储气瓶组压力：345MPa(5000psig)；汽车瓶压：25MPa(3600psig)；储气瓶组总储气量：1030Nm3；汽车钢瓶储气量：283Nm3；汽车钢瓶数量：18各储气瓶的利用率：812 498 172总气体利用率：495测试说明：1)储气瓶组是由3个相同容量的大型储气瓶所组成，其配比为l：1：1。2)充气前汽车钢瓶全部为空瓶。3)充装的方法是一次只用一个储气瓶向汽车钢瓶内充装CNG。当第一个储气瓶的压力低于汽车钢瓶所需的压力时，使用第二个储气瓶将汽车钢瓶充到所需的压力。有时需要三个储气瓶才能完成全部钢瓶的充装。4)上述数据是根据手工操作的充装系统得出每充完一个汽车钢瓶(并不一定充满到20MPa，只是由于二者气压平衡充不进去。而且每充完一次气后，每个钢瓶的气体数量和压力都不一样，呈递减状态)纪录一个压力数据(数据纪录表略)。5)如果所有钢瓶上的阀门同时打开充气，一个储气瓶只能充装六个钢瓶，且每个钢瓶的气体数量和压力都相等。如果继续给其它钢瓶充气，那么气体利用率还可以进一步提高，只是由于三个储气瓶的压力都已20MPa，所以钢瓶都将充不满。6)如果将上述储气瓶组由3个增加到6个，总储气量达到23274Nm3，分组配比结构改为1：2：3，充气的方法仍然同上，那么可充气钢瓶将增加到51个，气体利用率将超过60。(2)美国ANGI公司的测算方法和示例方法和示例一现场测定每一次(或每辆车)充气后储气瓶组的压力，然后依据气态方程求出充气消耗掉的气量，再将其和总储气量带入上述公式，得到储气瓶组的气体利用率。示例如下：储气瓶组的瓶数：40支配比结构：l：2：3每瓶水容积：52L储气瓶压力：25MPa总储气量：520 Nm3第一辆汽车充气后，各组气瓶的气体压力分别为：低压瓶组 2100psi(145MPa)中压瓶组 2850psi(196MPa)高压瓶组 3000psi(207MPa)可计算得储气瓶组气体利用率：288第二辆汽车充气后，各组气瓶的气体压力分别为：低压瓶组 1350psi(93MPa)中压瓶组 2100psi(145MPa)高压瓶组 2760psi(190MPa)可计算得储气瓶组气体利用率：466。测算说明：1)充气前汽车钢瓶内剩余气体的压力假定为600psi(41MPa)2)为了简化计算，在用气态方程计算时未考虑天然气的压缩系数。3)计算中未考虑汽车钢瓶的容气量(大约150Nm3)，只管到不能继续充气为止，实际上第二辆车还未充满，压力仅有190MPa(充满应为20MPa)方法和示例二这种方法主要考查，当加气车辆数和每辆车加气量不变的情况下，不同的充气系统和储气瓶组的配置对储气瓶组气体利用率的影响。例如：每天加气车辆为50辆，每辆车可充压缩天然气10GGE(压缩天然气的汽油当量值，1GGE120scf“标准立方英尺”)，且经测定用某单一储气瓶组为汽车充气时，每充1GGE压缩天然气，则该储气瓶组必须有1000scf(标准立方英尺)的储气量(因为压力平衡而停止充气)：而储气瓶为分组式的配置时，每充1GGE压缩天然气，该储气瓶组则只需350scf(标准立方英尺)的储气量。不带储气瓶组的慢加气系统压缩机排量：42GGEh (84scfm)充气软管50条，50辆车同时充气，每辆车充满10GGE天然气，大约需要12h。不存在储气瓶组的气体利用率。带一储气瓶组的快充气系统压缩机排量：100GGEh(200 scfm)储气瓶组储气量：10000scl (从上知要保证给一辆车充满1OGGE天然气所需储气量)用压缩机充满储气瓶组约需50min。快速充气软管：2条储气瓶组气体利用率：10GGE10000scf=1200scf10000scl=012=12储气瓶分组的快充气系统压缩机排量；33GGEh (66scfm)储气瓶组储气量：36000scf (从上知可供汽车充满103GGE的压缩天然气所需储气量)用压缩机充满储气瓶组约需9h。快速充气软管：2条储气瓶组气体利用率：103GGE36000scf=12360scf36000scf=0343=343快慢结合式充气系统(假定慢加气系统充装50的车辆)压缩机排量：21GGEh (42scfm)储气瓶组储气量：13500scf (从上知可供汽车充满38GGE的压缩天然气所需储气量)用压缩机充满储气瓶组约需53h。快速充气软管：1条；慢充气软管：25条(供25台车充气)储气瓶组气体利用率：38GGE13500scf=4560scf13500scf=0338=338%。测算说明：1)该示例中所提供的压缩机排气量对于测算储气瓶组的气体利用率没有意义。只是说明设置了储气瓶组时，压缩机的排气量就可以选小一些。2)由于储气瓶组的配置结构不同，储气瓶组可供充气量与储气量之间的定量关系，在如上所述的三种充气系统中是不相等的。3)用储气瓶组向汽车充气时，不管是否充满，只管气压平衡停止充气为止。方法和示例三依据储气瓶内气体压力的变化来测算气体利用率。随着给汽车充气的进行，储气瓶组内气体的减少，使气体压力降低。这样瓶内储存的气量和气压之间有一个对应的近似比例关系。因此，可利用压力的测量值间接求得气体利用率。如假定瓶内的气压为3600psi(25MPa)时，储存的气体为100，那么，当瓶内压力降为1800psi(125MPa)时，所储气体的气量则为50，如此等等。当第辆车充完气后：高压瓶组压力降为3300psi中压瓶组压力降为2800psi低压瓶组压力降为2200psi这三个储气瓶组的气体利用率则为：高压瓶组：(36003300)3600=9中压瓶组：(36002800)3600=222低压瓶组：(36002200)3600=389三组储气瓶组的总气体利用率平均为：(9十222+389)3=23当第二辆车充完气后：高压瓶组压力降为3000psi中压瓶组压力降为2100psi低压瓶组压力降为1400psi这三个储气瓶组的气体利用率则为：高压瓶组：(36003000)3600=167中压瓶组：(36002100)3600=417低压瓶组；(36001400)3600=611三组储气瓶组的总气体利用率平均为：(167+417+611)3=398测算说明：1)由于天然气在不同的压力下的压缩系数是不同的，而且气量的变化也带来了气体密度的变化，所以储气瓶中的气量(体积)和压力的比例关系只能是近似的。2)在汽车的充气过程中，储气瓶组中的气体是逐步减少的，所以其气体体积和压力的关系也不符合气态方程。3)显然，这种测算方法只能用来对储气瓶组的气体利用率进行定性分析。进行定量比较时误差较大。4)测算时，气体的利用率只到保证汽车加满，即高压气瓶组压力降到3000psi(25MPa)为止。否则，虽然气体利用率可以提高，但却不会保证台台车加满。(3)加拿大IMW公司的测算示例一组储气瓶储气瓶的数量：20支储气瓶水容积：94L个总储气量：470 Nm3储气瓶组压力：25MPa储气瓶组气体利用率：9两组储气瓶组储气瓶的数量：20支其中：低压瓶组：12支高压瓶组：8支储气瓶水容积：94L个总储气量：470 Nm3储气瓶组压力：25MPa储气瓶组气体利用率：27三组储气瓶组储气瓶的数量：20支其中：低压瓶组：10支中压瓶组：6支高压瓶组：4支储气瓶水容积；94L个总储气量；470 Nm3储气瓶组压力：25MPa储气瓶组气体利用率：32测算说明：1)该示例仅给出了测算结果，没有提供测算的方法、条件和步骤，只能作为参考。2)说明在其它条件保持不变的前提下，改变储气瓶组中的高、中，低压瓶组的配比，就可使气体利用率得到提高。22气体利用率的影响因素在进行储气瓶组的设计和容量选择时，必须注意储气瓶组的气体利用率问题。否则储气瓶组的总容量选的不小，而实际的气体利用率却很低，仍然达不到设置储气瓶组的目的。依据上述的计算和示例，总结多年的实践经验，我们认为影响储气瓶组气体利用率的因素有以下方面。(1)当储气瓶组不分组时，储气瓶组的总容量增大，气体利用率保持不变。(2)储气瓶组适当分组可以提高气体利用率。经验证明瓶组配比l：2：3比较合适。有资料介绍，设计好的分组式储气瓶组的气体利用率最高可达67。(3)储气瓶组总容量不变，低压瓶组最低压力不变时，增大低压瓶组的数量(即改变瓶组的配比)，气体利用率将增加。(4)储气瓶组的总容量不变，瓶组配比不变时，降低低压瓶组的最低压力，气体利用率将增加。(5)低压瓶组最低压力不变，瓶组配比不变时，增大储气瓶组的总容量，气瓶气体利用率保持不变。(6)汽车的车载气瓶的储气量，也会影响储气瓶组的气体利用率(当然这是被动的)。当大车加气时，比如每次加气50Nm3，低压瓶组的气压降到几乎接近低压的下限，中、高压气瓶组才先后打开，补充一些气体，使汽车加满。由于中高压气瓶组的利用率太低使总的气体利用率减小。当小车加气时，比如每次加气10 Nm3，由于车载气瓶储气量小，气压很容易平衡，从而使中、高压气瓶组相继早点打开补气，提高了中、高压气瓶组的气体利用率，也就提高了总的利用率。(7)计算时，储气瓶和汽车气瓶是假定二者压力平衡相等作为依据的，即压差为零，流量为零，而实际上控制顺序阀加气时，充气管路中的流量为控制变量。为了提高加气速度，一般都取大于零的数值，如50gs等。这样，实际的气体利用率肯定要小于理论计算值。为了方便一般都按实测的压力值推算，误差会小一些。23提高气体利用率的途径综上所述，尽管影响储气瓶组中气体利用率的因素较多，但从实用的角度看，在不过多增加加气站成本的前提下，通过以下途径，适当提高储气瓶组的气体利用率是比较可行的。(1)将储气瓶组适当分组，尽可能选取1；2：3的配比结构，或者依据具体情况，适当增加低压瓶组的比例。(2)具有自动顺序控制储气瓶组充气功能的加气站，应将高压瓶组的压力作为控制压缩机再启动的变量。这样，在保证高压瓶组最低压力不低于20MPa(保证汽车加满的必要条件)的情况下，可使低压瓶组的压力降得尽可能低，而且可随大，小车上下浮动。(3)具有顺序控制功能的自动售气机，在保证加气速度不会受到较大影响的前提下，适当减小顺序控制加气流量的参数值(见22(7)条)。(4)采用手动顺序控制的售气机，可以根据加气车辆气瓶的容量，人为调控低、中、高压充气阀打开时间，以便尽可能多得利用储气瓶组中的气体。尤其在加气车辆不十分繁忙的情况下，对减少压缩机的启动次数还是很有用的。3 储气瓶组的容量储气瓶组的容量，也就是它的储气量，是储气瓶组的又一个重要技术指标。选取不当可能增加加气站的投资成本，降低经济效益，或者影响加气站的供气能力，降低工作效率。因此在进行加气站工艺流程设计和设备选配时，一定要综合分析权衡利弊，总结经验合理配置，才能收到事半功倍的效果。31储气瓶组的容量对加气站供气能力的影响(1)相对于一定规格的压缩机，储气瓶组的容量过小，可向汽车提供的气量过少，必然会增加压缩机的启动次数，增大能耗，降低了经济效益和设备的工作寿命。当压缩机的排气量较小是更为严重。(2)储气瓶组容量过小，会出现汽车加不满的现象，尤其是公交等大车更为显著。如果加气站采用自动售气机，当多枪同时加气，且每辆车的加气量又比较大时，之所以会出现这种现象，是因为压缩机的排气量，已不能满足多辆汽车同时加气所需的排气速率，造成压缩机排气压力的降低，且可能大大低于额定压力25MPa，假定所设置的储气瓶组容量又过小，不足于补偿压缩机所缺的供气量，那么汽车中的CNG的压力就难于达到20MPa，或者说就是加不满气。(3)瓶组结构设置不合理，会造成气体利用率低，设备浪费。这有两种情况。一是采用小气瓶组的情况。如果瓶组配比不合理，比如低压瓶组数量较少(容量较小)，而中高压瓶组数量又相对偏多(容量较大)时，必然会造成气体利用率的降低，另一种情况是，采用进口大气瓶组，大储气罐以及储气井。这种设置避免了小瓶组连接点多，漏气隐患多可靠性较低的缺点。虽然瓶组容量不小，但由于瓶组配比只能是1：1：1，因而中、高压瓶组的容量必将浪费3060以上，同时使储气瓶组的成本将提高2050以上。当然，对于一个加气站来说，究竟应选何种储气结构形式，需要综合分析，全面平衡，依据性能价格比合理选择，才能获得较好的经济效益。(4)瓶组设置不合理，顺序控制调试不当会使加气速度降低，加气时间延长。这种情况多发生在，采用带有顺序控制的自动售气机加气，低，中、高储气瓶组容量又偏小时，如果顺序控制阀门切换的流量设置不合适，会出现加气的压差变小，必然使汽车的加气速度降低，加气时间更长。32储气瓶组的容量选择国内外的经验告诉我们，除了主要供应大型车队晚上加气的慢加气站和直接加气方式及家用小型加气站外，其它各种加气站都必须配置储气瓶组。那么，如何选配储气瓶组的容量，选取多大比较合适呢?根据我们多年的经验，应当综合考虑以下因素，合理选取。(1)压缩机排气量的大小。当压缩机的排气量较大时，储气瓶组的储气容量就可小一些，相反，储气瓶组的容量就必须要大；(2)加气站的规模和加气车辆数。加气车辆数多，每天加气量大时，储气瓶组的储气容量应大一些，否则可相对小些；(3)加气站的类型，母站、子站还是常规站。母站的储气容量要大，而子站可相对较小，常规站可依据其它因素确定；(4)加气站的加气车辆的类型，是以公交车为主还是以出租车为主，是否考虑公文车的加气高峰。以公交车为主时，储气瓶组容量一定要大，尤其要考虑加气高峰时，大的储气容量才可保证每辆车都能加满气。相反，若以出租车加气为主，小储气量也是没有问题的；(5)同时加气的售气机的台数和加气枪个数。一台售气机，12个枪加气，小储气量也可满足要求。若两台售气机4个枪同时加气，储气瓶组的储气量必须大，否则也会出现加不满气的情况：(6)按照有关标准规定来确定。例如标准CJJ842000汽车用燃气加气站技术规范规定：压缩天然气加气站的等级划分 级别储气装置总容积(m3，Nm3)一级12V163000VN4000二级6V121500VN3000三级V6VN1500注：表中v指储气装置的总水容积；VN指标准状态下的总储气量该标准还规定，在城市建成区内不应建一级加气站(也就是说储气装置储气量不得大于3000Nm3)：在城市人员稠密区设置的加气站规模宜为三级(也就是说储气装置储气量不得大于1500 Nm3)。综合以上诸因素，结合多年的实践经验，我们认为，当加气站要满足下述工况情况下，相应比较合理的储气瓶组的储气容量应如表1所示：表1压缩机排气量(Nm3/h):48065084025002（母站）同时加气的售气机:一台双枪两台4枪两台4枪双枪大流量汽车加气量(Nm3):1050703000（拖车）每小时加气车辆总数:4026202储气瓶组容量(Nm3):500300030004000表中每小时加气车牺总数，是依据一个枪给一辆车加气所需的实测时间加上定的辅助时间，并考虑售气机的加气枪数而确定的。通过对储气瓶组气体利用率的分析和储气瓶组储气容量的选择，可以清楚的看出，平时不为人们注意的储气瓶组的结构型式、瓶组配比、以及储气容量等，对CNG加气站的工作情况还是有着不小的影响，只有引起足够的重视，合理选配，才能使加气站的工作效率和经济效益得到相应的提高。