与加油站合建的压缩天然气加气站的设计

摘 要

摘要：由于设计规范的要求，设置储气井(瓶)的常规CNG加气子站不适宜与加油站合建。无需设置储气井(瓶)的液压增压橇式加气子站和液压压缩机式加气子站能够满足规范的要求，与加油
摘要：由于设计规范的要求，设置储气井(瓶)的常规CNG加气子站不适宜与加油站合建。无需设置储气井(瓶)的液压增压橇式加气子站和液压压缩机式加气子站能够满足规范的要求，与加油站合建。对这两种形式加气子站的工艺流程、主要设备、总平面设计、主要特点进行了探讨，对两种形式的加气子站进行了比较，分析了各自的适用条件。
关键词：压缩天然气加气站；合建站；液压增压橇式加气子站；液压压缩机式加气子站；加油站
    CNG作为一种清洁汽车燃料，不仅能够大幅降低汽车的运行费用，而且对环境的污染小，安全可靠，应用越来越广泛。随着管道天然气的发展，管道沿线城市相继建成很多CNG加气站。但是，城市建成区内的用地比较紧张，单独建设CNG加气站的用地很难找到。另一方面，由于CNG作为汽车燃料具有不可替代的优势，对CNG的需求量越来越大，CNG的供应也越来越紧张。而油品作为传统的汽车燃料，在相当长的时间内仍然是汽车的主要燃料。因此，在城市建成区内，加油和压缩天然气加气合建站将成为汽车燃料加注站的主要方式[1]。
1 CNG加气站的主要形式
   ① CNG加气母站
   通常建在城市门站、储配站或高一中压调压站内，以利于天然气流量和压力达到要求。天然气经过脱硫、脱水等工艺，进入压缩机被压缩到25MPa，通过加气柱给CNG气瓶车加气，或通过顺序控制盘及储气井(瓶)直接给CNG汽车加气。加气母站的主要设备有计量稳压装置、脱硫脱水装置、缓冲罐、橇装压缩机组、加气柱、顺序控制盘、储气井(瓶)、加气机等。
   ② CNG加气子站
   通常建在车流量较大的中心城区周边，以CNG气瓶车从CNG加气母站运来的CNG作为原料气。气瓶车中的CNG通过卸气柱，经橇装压缩机增压至25MPa，通过顺序控制盘分别进入高、中、低压储气井(瓶)。当高、中、低压储气井(瓶)的压力全部达到25MPa时，橇装压缩机自动停机。高、中、低压储气井(瓶)中的天然气由加气机控制并自动给CNG汽车加气。当储气井(瓶)的压力接近20MPa时，橇装压缩机启动向储气井(瓶)补气，在补气过程中，如遇车辆加气，顺序控制盘自动切换，优先向汽车加气。CNG加气子站的主要设备有CNG气瓶车、卸气柱、橇装压缩机、顺序控制盘、储气井(瓶)、加气机等。
   ③ CNG加气标准站
   通常建在市区内，以城区管网的天然气作为原料气。天然气经过脱硫、脱水等工艺，进入橇装压缩机被压缩到25MPa，经过顺序控制盘进入储气井(瓶)储存或通过加气机给CNG汽车加气。加气标准站的主要设备有计量稳压装置、脱硫脱水装置、缓冲罐、橇装压缩机组、顺序控制盘、储气井(瓶)、加气机等。
2 合建站的要求及形式
   ① 合建站的要求
   《汽车加油加气站设计与施工规范》(2006年版)GB 50156—2002第3.0.7条规定，加油和压缩天然气加气合建站的等级划分见表1。
表1 加油和压缩天然气加气合建站的等级划分[2]
级别
油品储罐容积/m3
管道供气加气站储气设施总容积/m3
加气子站储气设施总容积/m3
总容积
单罐容积
一级
61～100
≤50
≤12
≤18
二级
≤60
≤30
注：柴油罐容积可折半计入油罐总容积。
   《汽车加油加气站设计与施工规范》(2006年版)GB 50156—2002第4.0.2条规定，在城市建成区内不应建一级加油站、一级液化石油气加气站和一级加油加气合建站。因此，在城区内已建成的加油站内增加建设CNG加气站，只能建设二级加油和压缩天然气加气合建站。并且，合建站中的CNG加气标准站的储气设施总容积不得大于12m3，CNG加气子站的储气设施总容积不得大于18m3。此外，《汽车加油加气站设计与施工规范》(2006年版)GB 50156—2002第3.0.7条的条文说明指出，加气子站储气设施包括车载储气瓶和站内固定储气瓶(或储气井)。
   ② 合建站的形式
   《汽车加油加气站设计与施工规范》(2006年版)GB 50156—2002规定，与加油站合建的CNG加气站应是加气标准站或子站。CNG加气标准站是以城区管网的天然气作为原料气给CNG汽车加气，这种加气方式会导致城市用气高峰时管网压力降低，也会产生居民用气与汽车用气的矛盾。尤其在冬季，这种矛盾更为突出。因此，城区内与加油站合建的CNG加气站的主要形式为加气子站。
    配备CNG气瓶车、卸气柱、活塞连杆式压缩机、储气井(瓶)、加气机等设备的CNG加气子站通常被称为常规CNG加气子站。.常规CNG加气予站中的CNG气瓶车的容积为18m3，已经等于规范规定的容积上限。如果采用常规CNG加气子站与加油站合建的方式，则要求CNG加气子站不能建设储气井(瓶)。这种情况下，有车辆需要加气时，压缩机就必须启动，将CNG气瓶车中的天然气加压后给汽车加气。这样必然造成压缩机频繁启动，影响压缩机的使用寿命。而且，常规CNG加气子站压缩机的电功率较高，导致加气站运营过程中的耗电成本很高。因此，常规CNG加气子站不宜与加油站合建。
    目前，适宜与加油站合建的CNG加气子站有两种：一种为液压增压橇式CNG加气子站，另一种为液压压缩机式CNG加气子站。
3 合建站中CNG加气子站的设计
3.1 液压增压橇式CNG加气子站
    液压增压橇式CNG加气子站是利用液压泵将一种特殊性质的液体加压至20～22MPa，然后将高压液体充入液压平推CNG气瓶车的储气钢瓶中，将钢瓶内的压缩天然气推出，再通过站内的单线双枪加气机把高压天然气充入CNG汽车的车载储气瓶内，达到给汽车加气的目的，不需采用其他增压设备[1]。
   ① 工艺流程
    液压平推CNG气瓶车从CNG加气母站运来CNG，通过快装接头及软管将高压进液管路、高压回液管路、压缩空气控制管路、CNG高压出气管路与液压增压橇连接。系统连接完毕后，首先启动气瓶车的液压顶升系统，将钢瓶角度升至10°的位置，打开相应的控制阀门，关闭放空阀门，检查无误后即可启动液压增压橇，开始给汽车加气。高压液压泵开始工作，PLC自动控制系统会打开一只钢瓶的进液阀门和出气阀门，将高压液体介质注入这只钢瓶，保证液压平推CNG气瓶车的钢瓶内气体压力保持在20～22MPa。CNG通过钢瓶出气口经CNG高压出气管路进入液压增压橇内的缓冲罐后，经高压管道输送至CNG加气机，给CNG汽车加气。
当钢瓶中大约95%的CNG被液压介质推出后，PLC自动控制系统会发出指令关闭该钢瓶的进液阀门、出气阀门，打开回液阀门，利用钢瓶内余压将液体介质压回子站橇体内液压介质储罐中。间隔几秒后第二只钢瓶的进液阀门、出气阀门打开，液压介质开始充入，CNG被推出进入加气机给CNG汽车加气，而第一只钢瓶内的液体介质绝大部分返回储罐后，其回液阀自动关闭。由PLG自动控制系统控制进、回液阀门、出气阀门的启闭，依次控制切换8只钢瓶顺序工作。设备运行时，除更换液压平推CNG气瓶车时由人工操作外，整套设备的所有动作均由PLC控制，无需人工干预。工艺流程见图1。
 

② 主要设备
液压增压橇式CNG加气子站主要设备见表2。
表2 液压增压橇式CNG加气子站主要设备
序号
设备名称
单位
数量
备注
1
液压增压橇
台
1
成套供应，含PLC控制柜，自带卸气系统及控制气源装置
2
液压平推CNG气瓶车
辆
3
 
3
加气机
台
4
单线双枪
   a. 液压增压橇
   主要包括橇体、增压系统、液压介质储罐、液压介质、CNG缓冲罐。以上几部分均集成安装在橇体内，其主体框架采用型钢制作，外涂防腐材料，并设有防爆风机、防爆接线箱、平开门以及防爆照明灯等。橇体内设有天然气泄漏检测探头，与设置在控制室的燃气报警系统相连，燃气报警系统与PLC控制系统连锁。当发生天然气泄漏并达到一定浓度时，报警系统发出声光报警，并切断设备电源，停止站内设备的运行，同时启动防爆风机。
    增压系统主要包括油泵电机、高压泵、压力控制阀、高压管件等。增压系统通常配置2台油泵电机，电机采用防爆电机，单台功率为30kW。1台高压泵，其设计压力为25MPa，工作压力为20～22MPa。
   b. 卸气系统
   卸气系统主要由1条高压进液管路、1条高压回液管路、1条CNG高压出气管路、压缩空气控制管路及管道快装接头组成。
    c. 加气机
    液压增压橇式加气子站所采用的加气机为单线双枪加气机，主要由流量计、微电脑控制售气装置和压缩天然气气路系统组成。
    d. 液压平推CNG气瓶车
    液压平推CNG气瓶车是在普通CNG气瓶车的基础上，对前舱、后舱的管阀件进行改造，增加了气动阀门、管件及连接高压软管等，是液压增压橇式CNG加气子站的主要配套产品。
   e. 控制气源装置
   主要由空气压缩机、深度脱水设备、高精度除油过滤器等组合而成的橇体，它的作用是为控制系统提供干燥、洁净的压缩空气供气动执行器使用。
   ③ 总平面设计
   根据加气子站的实际情况和生产工艺的需求，站区分为增压卸气区、加气区和站房(应与加油设施的站房一同考虑)。增压卸气区宜位于站区的一侧，主要设备包括气瓶车停车位和液压增压橇等。加气区宜位于站区另一侧，由加气机和加气罩棚等组成。加气区与增压卸气区之间应留出一定的空地供加气汽车使用，但距离不应大于20m。此外，加气区应靠近道路，便于汽车加气。站房宜位于加气区后方，通常由值班室、办公室、综合营业厅、仪表配电间等组成。
    加气子站内的气瓶车固定停车位、液压增压橇、加气机等设备与站外建、构筑物的防火距离应满足《汽车加油加气站设计与施工规范》(2006年版)GB 50156—2002第4.0.7条的规定。站内设施之间及与加油设施、站内建、构筑物的防火距离应满足《汽车加油加气站设计与施工规范》(2006年版)GB 50156—2002第5.0.8条的规定。
   ④ 主要特点
   a. 占地面积小：站内除停放CNG气瓶车的位置外，液压增压橇占地面积为11m2；控制室占地面积为10m2。综合考虑，整个加气子站占地面积约1000m2。
   b. 工艺设备少，工艺管道简单，施工方便，施工期短：站内除控制室与液压增压橇、加气机之间的电缆外，只有液压增压橇与加气机之间的1条工艺管道，施工非常简单。与已有加油站合建时，基本不需要增加占地，工期只需15天左右。
   c. 压力稳定：加气子站的液压系统始终提供较高的压力给CNG，而CNG则始终在较高的工作压力下单线输出至加气机，故该系统能够提供比现有三线加气系统高且稳定的工作压力。
   d. 节能效果好：液压增压橇的油泵电机功率只有30kW，系统总功率小于70kW。与常规加气子站(压缩机电机功率110～160kW)相比，节能效果明显，运行费用低，大大提高了经济效益。
3.2 液压压缩机式CNG加气子站
   液压压缩机式CNG加气子站是利用液压压缩机从气瓶车中吸气，加压后通过站内的三线双枪加气机把高压天然气充入CNG汽车的车载储气瓶内，达到给汽车加气的目的。
   ① 工艺流程
   CNG气瓶车从CNG加气母站运来CNG，通过由CNG气瓶车、卸气柱、液压压缩机、控制系统、调压瓶组和加气机组成的加气系统给汽车加气。为了将压缩天然气快速充装给汽车，CNG气瓶车为低压管道供气，调压瓶组为中压管道供气，液压压缩机为高压管道供气。由控制系统通过PLC控制实现三线快充。
    加气时，先由CNG气瓶车直接向汽车充气；当压力低于设定值时，再由调压瓶组向汽车充气；如果仍不能将CNG汽车车载储气瓶充至20MPa，启动液压压缩机，由压缩机直接为CNG汽车充装。充装完毕，压缩机将调压瓶组充满，保证瓶组的压力。压缩机内部装有优先顺序控制系统，优先顺序控制系统采用加气机高中低压转换信号，与加气机同步控制。工艺流程见图2。
 

   ② 主要设备
   主要工艺设备见表3。
   a. 液压压缩机
   液压压缩机专门为压缩天然气及天然气的传输设计，采用液压传动原理，利用油压推动气缸内活塞做往复运动压缩天然气。机组主要由液压系统、主机系统、管道系统、冷却系统、气动控制系统和电气控制系统等部分组成。以上系统安装在橇装底座上，外部安装了具有隔声降噪、防火作用的防护罩。
表3 液压压缩机式CNG加气子站主要设备
序号
设备名称
单位
数量
备注
1
液压压缩机
台
1
成套供应，含PLC控制柜
2
CNG气瓶车
辆
3
 
3
卸气柱
组
1
 
4
加气机
台
4
三线双枪
5
调压瓶组
组
1
瓶组总容积为1.12m3
   液压系统为压缩机提供动力，主要由油泵电机组、油箱、集成阀块、各种液压附件及管道系统组成。其中，油泵电机组是动力源，油箱是液压油的储存装置，集成阀块是执行机构。主机系统是天然气加压的容器空间，为双气缸两级压缩，分为一级气缸和二级气缸。气动控制系统用于控制压缩机顺序盘的阀门启闭，以实现压缩机在加气子站中取气气路的变换。冷却系统为风冷式，使用风冷机对液压油和天然气直接冷却。
   b. 调压瓶组
   调压瓶组总容积为1.12m3，工作压力为25MPa。调压瓶组与常规加气子站中的储气瓶组基本相同，但其功能是为了后期CNG气瓶车压力不足时，提高充装天然气的速度，不是用来储存气体的。
    c. 加气机
    液压压缩机式加气子站所采用的加气机为三线双枪加气机，配置与液压增压式加气子站的单线双枪加气机基本一致。
   d. CNG气瓶车
    CNG气瓶车主要由集装管束组成。集装管束是由8只大容积高压钢瓶组成，钢瓶规格为+559mm×16.5mm，长为10975mm，单瓶容积为2.25m3，总容积为18m3，单车运输气量为4500m3。
   ③ 总平面设计
   根据加气子站的实际情况和生产工艺的需求，站区分为压缩调压区、加气区和站房(应与加油设施的站房一起考虑)。其中，压缩调压区包括橇装液压压缩机、卸气柱和调压瓶组以及气瓶车停车位。总平面布局基本与液压增压橇式加气子站的总平面布局相同。
   ④ 主要特点
   a. 占地面积小：液压压缩机式加气子站没有储气井、放散管及排污罐等设备，减小了加气子站的用地。整个加气子站占地面积约1200m2。
    b. 压缩机电机功率相对较小，效率高：平均排量为1000m3/h的活塞连杆式压缩机，电机功率约为110～160kW。而平均排量为1400m3/h的液压式压缩机，电机功率只有70kW，这就大大减少了加气子站的运行成本。
    c. 压缩机气缸活塞由液压系统驱动，振动小，工作寿命长：活塞连杆式压缩机的结构复杂，转动摩擦部件多。这些部件始终在较大的负荷下工作，会产生较大磨损。而且活塞连杆机构的往复惯性运动会给电机一个动载荷，影响电机工作寿命。
    液压压缩机采用液压驱动，由高压油泵泵出的液压油推动活塞压缩气体。这种压缩方式没有转动摩擦部件，由电机带动高压油泵再作用于压缩缸体，电机负荷平稳，工作状况平稳，大大延长了压缩缸体与电机的工作寿命。
    d. 无油润滑结构设计：活塞连杆式的压缩机因其结构特点和机械强度的原因，往往设计成多缸式，一般采用对称布置。由于转动部件多，一般采用具有一定压力的油润滑系统，以便提高其使用寿命。而液压压缩机的压缩缸采用无油润滑结构设计，油类介质不会混入天然气中。
3.3 两种CNG加气子站的比较及适用条件
    液压增压橇式CNG加气子站的主要设备为液压增压橇、加气机和液压平推CNG气瓶车。液压增压橇与液压平推CNG气瓶车利用专用软管相连，液压增压橇与加气机之间采用单路CNG不锈钢管道相连。而液压压缩机式CNG加气子站的主要设备为液压压缩机、卸气柱、调压瓶组、加气机和CNG气瓶车。CNG气瓶车与卸气柱、压缩机采用单路CNG不锈钢管道相连，压缩机、调压瓶组与加气机利用三路CNG不锈钢管道相连。
   ① 工程造价比较
   CNG加气子站的工程造价主要包括土建造价、设备造价(含安装费)等。土建造价主要是指站房、路面、设备基础、围墙及管沟等项目的造价。液压增压橇式CNG加气子站与液压压缩机式CNG加气子站的土建造价基本相同。两种CNG加气子站的工程造价的差异主要体现在设备造价上。
    a. 液压增压式CNG加气子站计入工程造价的设备有液压平推CNG气瓶车、液压增压橇、单线加气机及变配电设备。加气子站按配置3辆液压平推CNG气瓶车考虑，造价约为360×104元；1台液压增压橇(规格为1500m3/h)，造价约为120×104元；4台单线加气机，造价约52×104元；1套变配电设备，造价约15×104元。因此，液压增压橇式CNG加气子站的工程造价合计约为547×104元。
    b. 液压压缩机式CNG加气子站计入工程造价的设备有CNG气瓶车、液压式压缩机、卸气柱、三线加气机、调压瓶组及变配电设备。加气子站按配置3辆CNG气瓶车考虑，造价约为300×104元；1台液压压缩机(规格为1380m3/h)，造价约为140×104元；1组卸气柱，造价约19×104元；4台三线加气机，造价约64×104元；1组调压瓶组，造价约为7×104元；1套变配电设备，造价约22×104元。因此，液压压缩机式CNG加气子站的工程造价合计约为552×104元。
    由以上分析可知，两种CNG加气子站的设备造价基本相同，且其土建造价也基本相同。因此，两种CNG加气子站的工程造价是基本相当的。
   ② 优缺点比较
   与液压压缩机式CNG加气子站相比，液压增压橇式CNG加气子站的优势在于：
    a. 主要设备数量少，因此与站外建构筑物的防火距离更容易控制，站内的设备布置更为简单，占地面积小。
   b. 液压增压橇式CNG加气子站的加气机为单线加气机，与三线加气机相比，管道布置更为简单。
    c. 由于主要设备少，管道简单，因此液压增压橇式CNG加气子站的施工期更短，与加油站合建时，通常只需要15天左右。
   d. 液压增压橇式CNG加气子站的液压系统始终能提供约20～22MPa的压力给CNG气瓶车中的CNG，而CNG气瓶车中的CNG则始终在20～22MPa的工作压力下单路输出至加气机。因此，系统能够提供比三线加气系统更为稳定的工作压力的CNG。
   与液压增压橇式CNG加气子站相比，液压压缩机式CNG加气子站的优势在于：CNG气瓶车的调配乃至CNG的调配更为容易。因为，液压增压橇式CNG加气子站需要配备专门的液压平推CNG气瓶车，与常规CNG加气子站的CNG气瓶车不能通用。而液压压缩机式CNG加气子站的CNG气瓶车与常规CNG加气子站完全一样，当气源紧缺或运输困难时，可直接从常规CNG加气子站调配。
   ③ 适用条件
   液压增压橇式CNG加气子站适用于对占地面积、周边环境及施工期要求比较高的合建站。液压压缩机式CNG加气子站更适用于对气源、运输的可靠性要求比较高，对占地面积、周边环境及施工期要求相对较低的合建站。
参考文献：
[1] 赵晓云.加油和压缩天然气加气合建站设计方案[J].江苏化工，2008，36(3)：35-38.
[2] GB 50156—2002，汽车加油加气站设计与施工规范(2006年版)[S].
 
(本文作者：周春 中机国际工程设计研究院江苏分院 江苏南京 210001)