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CNG加气站储气瓶组容积利用率分析2008-7-18分享到： QQ空间 新浪微博 开心网 人人网 摘要：分析了CNG加气站设置储气瓶组的必要性。提出了合理选择储气瓶组容积和提高容积利用率的方法。关键词：CNG加气站；储气瓶组；容积利用率Analysis on Volume Availability of Gas Storage Cylinder Group in CNG Filling StationJIA LinAbstract：The necessity for setting gas storage cylinder group in CNG filling station is analyzed. The methods for reasonable selection of gas storage cylinder group volume and improvement of the volume availability are put forward.Key words：CNG filling station；gas storage cylinder group；volume availability CNG储气瓶组依据其应用条件主要分为两类：一类是地面储气瓶组，是起缓冲作用和提高加气站加气效率的固定式瓶组；另一类用于CNG气瓶车，是用于CNG远距离运输的移动式瓶组。本文主要分析如何提高地面储气瓶组的容积利用率。1 地面储气瓶组的利用1.1 CNG加气站设置储气瓶组的必要性 在CNG加气站发展初期，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)，可显著改善加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。 CNG加气站为实现与汽油加油站相当的加气速率，对加气能力(流量)的需求大于压缩机的供气能力，同时也为了避免因加气车辆加气间隔的不确定而造成压缩机频繁启动而造成压缩机设备受损，一般将压缩气体暂时储存在容器中，即将经压缩后的高压天然气充入储气瓶组，以备使用。 CNG压缩机多为往复式压缩机，工作时输出气体的压力波动很大，增加了储气瓶组，就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。 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，降低加气站的造价。国外的经验表明，其造价比不带储气瓶组的直接充气式加气站降低30%左右。 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储气瓶加气，储气瓶组的气体不够时，再启动压缩机。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。 液态燃料(汽油或柴油)是通过液相泵加入汽车油箱里面。天然气与液体燃料不同，是通过从储气瓶组内取气，靠压力差加入汽车储气瓶中。这就决定了加气站给汽车储气瓶充装压缩天然气的速率很慢。如果给加气站的压缩机配备更多储气瓶组，由于储气容积的加大，气量相对增大，就可使加气速率得到提高。但是，由于仅靠气压差加气，气压平衡后就无法加气，储气瓶组的气体总也用不完，在一些技术资料中总结出了最低时仅能用9%左右，这会造成资源的浪费。经过国外加气站运行的长期试验，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容积利用率，又可使加气速率得到进一步提高。 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，管道、阀门、仪表之间的连接不易松动，燃气的泄漏现象大大减少，系统的安全可靠性得到明显提高。1.2 储气瓶组的容积利用率 储气瓶组的容积利用率，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。储气瓶组的容积利用率，可用下式表示：式中I一储气瓶组的容积利用率 p1储气瓶组充满气后的压力，MPa p2储气瓶组被取完气后的压力，MPa 在进行加气站尤其是储气系统设计和设备配置时，储气瓶组的容积利用率必须予以认真考虑。若选取不当，既提高了加气站的造价，又会造成资源的浪费，得不偿失。2 CNG加气站主要设备和工艺流程 CNG加气站的主要设备 CNG加气母站除自身具有给天然气汽车加气的功能外，还可通过CNG气瓶车运输系统为子站供应CNG，其主要设备由净化干燥系统、压缩系统、控制系统、储存系统、加气柱、加气机系统组成。 CNG加气子站是依靠从加气母站加满气的CNG气瓶车作为气源，给汽车加气的加气站，其主要设备由压缩系统、控制系统、储存系统、加气机系统组成。 CNG加气母站工艺流程 CNG加气母站工艺流程见图1。管网天然气先进行过滤、计量，之后进入分子筛干燥器脱除天然气中的水分，然后进入压缩机进行压缩。压缩后的气体进入优先控制盘进行分配，按照储气瓶组设定加气压力和加气容量给储气瓶组加气。给储气瓶组加气时，先给高压瓶组加气，然后给中压瓶组加气，最后给低压瓶组加气。当瓶组充满后再通过加气柱给CNG气瓶车加气。当有汽车来加气时，通过加气机给汽车加气。从储气瓶组内取气，通过优先控制盘控制，先从低压瓶组取气，然后从中压瓶组取气，最后从高压瓶组取气。当高压瓶组内压力不能给汽车加满到20MPa时，直接启动压缩机给汽车加气。 由于北京市汽车加气基本由公交公司子站承担，我公司负责运行的加气母站主要通过加气柱给CNG气瓶车加气。 为提高加气效率，提升加气速率，我们增加了一些工艺管道，使其既可以从压缩机向高压瓶组充气，在加气柱有CNG气瓶车加气时，还能够由高压瓶组取气回到优先控制盘再分配。在加气柱加气开始时，向CNG气瓶车内充气，由于高压瓶组内压力高，一般加气开始阶段，从高压瓶组取气时加气速率可达到4243kg/min(若仅启动压缩机加气速率为3638kg/min)。由此可见，在加气开始阶段，由于有一部分高压瓶组内的高压气体直接充到CNG气瓶车中，短时间给加气进行了加速，加气速率提高约15%，还为高压瓶组起到降压作用，避免夏天高温使瓶组内气体升压，安全阀由于超压而开启。 CNG加气子站工艺流程CNG加气子站工艺流程见图2。 CNG加气子站的气源为从母站加满气的CNG气瓶车。CNG从CNG气瓶车而来，先通过优先控制盘进行分配，压力高于启动压缩机设定值时直接进入储气瓶组，压力低于启动压缩机设定值时进入压缩机。压缩机将CNG气瓶车内的低压气体升压后，储存到储气瓶组内。储存顺序为先进高压瓶组，然后进中压瓶组，最后进低压瓶组。当有汽车来加气时，由优先控制盘进行分配，通过加气机给汽车加气。分配时先从低压瓶组取气，然后从中压瓶组取气，最后从高压瓶组取气。当高压瓶组内压力不能够给汽车加满到20MPa时，直接启动压缩机给汽车加气。3 提高储气瓶组容积利用率的实例3.1 用加气机给汽车加气时的情况 为使储气容积实现更高的利用率，我们采用了三级顺序加气策略的系统。在这种系统中，储气瓶组被分为3个完全分离的单独的部分。三级储气瓶组按照从瓶组取气的先后顺序划分为高压(第三取气)、中压(第二取气)、低压(第一取气)瓶组。这种划分不是按照容器的压力等级来划分的，当储气系统全部充满时，三级瓶组最开始的压力都是24.8MPa。三个级别的储气容积最好按低压为50%、中压为30%、高压为20%的比例划分。 加气机首先从低压瓶组中取气给汽车加气，等低压瓶组与汽车瓶组压力相等时(实际是通过流量降低到一个无法接受的水平来判断)，加气机中的控制系统就将加气机的气源切换到中压瓶组，同样通过压差给汽车瓶组充气，直到流量降低到一定水平，然后切换到高压瓶组。一旦高压瓶组出来的气体流量降低到一定水平，就启动压缩机直接给汽车瓶组加气，直到加满为止。 这种方案中三级储气瓶组的容积可以相等，也可以采用一定的配置方法将其分为大小不等的3组。为更有效地利用储气容积，一般将3组容积比例分成低压为50%、中压为30%、高压为20%。三级储气系统可以极大地提高储气瓶组的利用效率，而且还可以提高加气速率。表1给出了典型的三级储气瓶组的运行参数，其中采用了一些近似值。经计算得出，低压瓶组、中压瓶组、高压瓶组的容积利用率分别为58%、28%、11%，平均容积利用率为39.6%。 通过设置三级储气系统，我们可以利用大约32%的总储气容积，远高于只利用压差而不采用储气瓶分组取气的系统。另外，当加气机在3组储气瓶组间切换时，汽车瓶组可以得到3次高速充气，充气速率也得到了很大提高，同时也给三级储气瓶组分别进行了降压处理。表1 典型的三级储气瓶组的运行参数过程汽车瓶组压力/MPa低压瓶组压力/MPa中压瓶组压力/MPa高压瓶组压力/MPa开始加气0.024.824.824.8低压转中压8.310.324.824.8中压转高压15.910.317.924.8加气结束20.710.317.922.1 例如，加气站的储气瓶组为6个美国CPI公司生产的储气瓶，储气量大约为2300m3。压缩机一次将储气瓶充至总储气量的85%90%，在不启动压缩机的情况下，储气瓶组内大约有2000m3天然气。按照储气瓶组容积利用率能达到39.6%计算，大约有792m3天然气供汽车瓶组加气，1辆汽车瓶组的储气量仅为110m3左右，储气瓶组储气量远远大于汽车瓶组储气量，考虑到汽车来加气时瓶组内仍有部分剩余燃气，那么可以加78辆汽车而不需要再次启动压缩机，对加气站设备安全运行及运营节能都有一定的作用。3.2 合理配置优先控制程序 为了提高加气站的运行效率和加强运行秩序，在压缩机出口安装有优先控制盘。优先控制盘用于控制压缩机对储气瓶组和汽车瓶组进行选择充气，用气或储气瓶组的优先控制是根据加气站的运行工艺和用户需求确定的。三级储气系统的优先控制原则为：压缩机首先给高压瓶组充气，然后给中压瓶组充气，最后给低压瓶组充气。当有汽车来加气时，如果加气柱正在给CNG气瓶车加气，优先控制盘将先停止给CNG气瓶车加气，优先通过加气机给汽车加气，先从低压瓶组取气，然后从中压瓶组取气，最后从高压瓶组取气，当高压瓶组内压力不能达到给汽车加满到20MPa时，切换压缩机直接给汽车加气，不再经过储气瓶组。 合理利用储气瓶组内高压气体 加气站设计时考虑储气瓶组作为压缩机的缓冲设备，当CNG气瓶车加气结束，在压缩机停机前，无加气需求，可以将压缩机内高压管道气体直接缓冲给储气瓶组，这项任务由优先控制盘进行分配，优先控制盘程序设计时采用压缩机向储气瓶组顺序充气，充气顺序为先高压瓶组，再到中压瓶组，最后是低压瓶组。 三级瓶组在设计时，没有进行级间串平压力的考虑。夏天在温度高的情况下，太阳直晒下储气瓶组内气体压力急增，很容易造成瓶组安全阀开启故障。由于我们的加气站基本不给汽车加气，无法实现加气机在给汽车瓶组加气的同时对三级瓶组进行降压。因此我们对工艺流程进行了一定的改造，使高压瓶组的气回到优先控制盘再分配，在加气柱加气开始时，向CNG气瓶车内充气，从而也达到了给高压瓶组降压的目的。在实践中我们还摸索到，在储气瓶组连接管道上加装阀门，通过开启手动阀门将低压、中压瓶组内的高压气体串到高压瓶组内，在加气柱给CNG气瓶车加气的同时也给低压和中压瓶组进行了降压。在加气柱加气开始时，原来仅从高压1个储气瓶内取一部分高压气体，现在变成可以从高压、中压、低压6个储气瓶内一起取气，在满足加气速率提高15%的同时，取气时间由原来的5min延长到15min。 合理控制加气流程 在压缩机停机前要先把储气瓶组补满，一般来加气站加气的CNG气瓶车与前一辆CNG气瓶车在一定时间间隔内，可以在压缩机不停机的状态下，直接给下一辆CNG气瓶车加气，从而避免了压缩机频繁启动，降低了能耗。 有些小橇CNG气瓶车气瓶容积较小，总储气量仅为300m3左右，使用压缩机加气容易造成频繁启动压缩机，压缩机启动时耗电量较大。因此我们试验选择了在停机状态下，用储气瓶组的合理调配，由加气柱给小橇CNG气瓶车加气。手动模拟优先控制盘原理，先由3个储气瓶充当低压瓶组通过改造后的高压直通管给小橇CNG气瓶车加气，直至停止；再改由另2个储气瓶充当中压瓶组通过改造后的高压直通管给小橇CNG气瓶车加气，直至停止；最后由剩下的1个储气瓶充当高压瓶组通过改造后的高压直通管给小橇CNG气瓶车加气，直至停止，完成整个加气过程。此过程与表1中典型的三级储气瓶组的例子类似。4 储气瓶组的容积选择 储气瓶组的容积既要考虑汽车瓶组的加气量，又必须和压缩机的排气量相匹配。过小的储气瓶组容积，会造成压缩机的频繁启动，影响压缩机的使用寿命；过大的储气瓶组容积，虽然在加气高峰时可以和压缩机一起解决供气量不足的矛盾，但是随着储气容积的增大，每次压缩机充满储气瓶组的时间会大大延长，往往储气瓶组压力还没有达到20MPa以上，仅使用储气瓶组不能给汽车加满至20MPa，为给汽车瓶组加满气就必须改由压缩机充气，从而造成储气容积的浪费。因此储气瓶组的容积应经过仔细测算后合理确定。根据我们的经验和规范的相关要求，应当综合考虑以下因素，合理选取。 压缩机排气量。当压缩机的排气量较大时，储气瓶组的储气容积就可小一些；相反，储气瓶组的容积就要大一些。 加气站的规模和加气汽车数量、类型。加气汽车数量多，加气汽车每天加气量大时，储气瓶组的储气容积应大一些，否则可相对小些。 加气站的类型。母站的储气容量要大，而子站储气容积可相对较小。 同时加气的加气机和加气枪数量。1台加气机，12支加气枪加气，小储气容积即可满足要求。若2台加气机，4支加气枪同时加气，储气瓶组的储气容积就应较大，否则会出现加气时间过长的情况。 按照CJJ 842000汽车用燃气加气站技术规范确定。该标准规定，在城市建成区内不应建一级加气站(储气瓶组储气量不得大于3000m3)，在城市人员稠密区设置的加气站规模宜为三级(储气瓶组储气量不得大于1500m3)。5 结语 通过对储气瓶组容积利用率的分析和加气母站运行控制的合理调整，可以看出，通过合理选配加气站的储气瓶组，合理改造创新，能提高加气站的供气能力，使工作效率和经济效益得到相应的提高。