摘 要

结合单独CNG 储配站和CNG 加气子站工艺系统在运营中存在的问题，优化CNG 储配站和CNG 加气子站合建站工艺系统，合理调配给CNG 汽车用户与居民用户供气的先后顺序，不仅降低减压橇中调压器降压过程中的热能损耗，而且缩短CNG 加气子站压缩机的日 工 作时间，能够合理地利用CNG 气瓶车内压力能。合建站内CNG 储配站节能率达58 . 5 ％，CNG 加气予站节能率达37 . 4 ％。

 摘　要：结合单独CNG储配站和CNG加气子站工艺系统在运营中存在的问题，优化CNG储配站和CNG加气子站合建站工艺系统，合理调配给CNG汽车用户与居民用户供气的先后顺序，不仅降低减压橇中调压器降压过程中的热能损耗，而且缩短CNG加气子站压缩机的日工作时间，能够合理地利用CNG气瓶车内压力能。合建站内CNG储配站节能率达58.5％，CNG加气予站节能率达37.4％。

关键词：CNG储配站；  CNG加气子站；  合建站；  压缩机；  减压橇；  CNG气瓶车； 压力能

Efficient Use of Pressure Energy for Combined Station of CNG Filling Sub-station and Storage and Distribution Station

Abstract：Combined with the problems existing in the operation of single CNG storage and distribution station and CNG filling sub-station，the process system of combined station of CNG storage and distribution station and CNG filling sub-station is optimized．Theorder for gas supply to CNG vehicle users and residential users is reasonably deployed．The heat loss in the decompression process of decompression skid regulator is reduced，and the daily operation time of compressor in the CNG filling sub-station is shortened，so the pressure energy in the CNG cylinder vehicle can be reasonably used．The energy saving rates of CNG storage and distribution station and CNG filling sub-station are 58.5％ and 37.4％respectively after their combination．

Keywords：CNG storage and distribution station；CNG filling sub-station；combined station；compressor；decompression skid；pressure energy

 

1　单独CNG储配站和加气子站存在的问题

①单独CNG储配站运营中存在的问题

CNG储配站给居民用户供气时，CNG气瓶车内的气体压力越高，减压橇内的一、二级换热器提供的热量越多，随着CNG气瓶车内气体压力的降低，减压橇内一、二级换热器所提供的热量非线性减少。

②单独CNG加气子站运营中存在的问题

CNG加气子站中，CNG气瓶车内的气体压力越低，压缩机单位时间内生产的压缩天然气越少，压缩机的生产效率降低。

2　合建站工艺流程和转换压力

2.1　工艺流程

CNG储配站与CNG加气子站的气瓶车车位合建，每辆CNG气瓶车都分为两路供气，一路给CNG汽车加气(以下简称汽车加气管路)，另一路给居民用户供气(以下简称居民供气管路)。每辆CNG气瓶车对应的两路供气管道上均设置1个手动球阀和1个气动球阀，且在每个手动球阀之前的管道上设置温度变送器和压力变送器，将所有数据传输到控制间内，显示在仪表控制盘上。每辆CNG气瓶车给CNG汽车及居民用户供气有先后顺序，首先给CNG加气子站供气，通过压缩机压缩天然气满足CNG汽车用户的加气需求；当CNG气瓶车内的气体压力降低到特定设定值(给汽车加气与给居民用户供气转换时刻气瓶车内天然气的绝对压力，以下简称转换压力)时，仪表控制盘上的提示灯亮起，并发出提示音。操作人员查看仪表显示数据后，关闭汽车加气管路上的气动球阀，停止给CNG加气子站供气，开启居民供气管路上的气动球阀，转向给CNG储配站供气，通过减压橇为居民用户输送天然气。CNG储配站与CNG加气子站合建站的CNG气瓶车卸气流程见图1。

 

2.2　转换压力计算方法

不同时刻每辆CNG气瓶内的天然气量、CNG储配站日供气量、CNG加气子站日供气量之间存在的关系为：

(V1,qpc-Vmid,qpc)/(Vmid,qpc-V2,qpc)=qjq/qcp 　　　　(1)

式中V1,qpc——初始时刻气瓶车内天然气在标准状态下的体积，m3

Vmid,qpc——转换时刻气瓶车内天然气在标准状态下的体积，m3

V2,qpc——卸气结束时刻气瓶车内天然气在标准状态下的体积，m3

qjq——CNG加气子站日供气量，m3/d

qcp——CNG储配站日供气量，m3/d

气瓶车内天然气在初始、转换及卸气结束时刻标准状态下的体积计算公式为：

 

 

式中p1,qpc——初始时刻气瓶车内天然气的压力，Mpa

patm——工作状态下的大气压力(绝对压力)，取0.1Mpa

Vqpc——气瓶车的几何容积，m3

Z1——初始时刻气瓶车内天然气的压缩因子

T1——初始时刻气瓶内天然气的温度，K

T0——标准状态下的温度，K，取＝273.15K

p0——标准状态下的大气压力(绝对压力)，Mpa，取0.101325Mpa

pmid,qpc——转换时刻气瓶车内天然气的压力，MPa

Zmid——转换时刻气瓶内天然气的压缩因子

Tmid——转换时刻气瓶车内天然气的温度，K

p2,qpc——卸气结束时刻气瓶车内天然气的压力，MPa

Z2——卸气结束时刻气瓶车内天然气的压缩因子

T2——卸车结束时刻气瓶车内天然气的温度，K

令：

pmid,qpc,abs＝pmid,qpc+patm 　　　   (5)

式中pmid,qpc,abs——转换时刻气瓶车内天然气的绝对压力，MPa

则式(3)变形得：

(pmid,qpc,abs/Zmid)＝(p0Vmid,qpcTmid/VqpcT0)　　　(6)

令b＝pmid,qpc,abs/Zmid。在天然气组成不变、温度不变的条件下，Zmid只与pmid,qpc,abs有关，则b＝f(pmid,qpc,abs)。pmid,qpc的变化范围是p2,qpc～p1,qpc，用查图法[1]确定Zmid，可通过计算、描点得到b＝f(pmid,qpc,abs)曲线。由式(6)得到b值，采用二分法可求出pmid,qpc。

2.3　转换压力计算实例

以日供气量为12000m3／d的CNG储配站与CNG加气子站合建站为例，其中CNG储配站日供气量为4000m3／d，CNG加气子站日供气量为8000m3／d。

已知天然气组成为：CH4体积分数为97.5％，C2H6体积分数为0.2％，C3H8体积分数为0.2％，N2体积分数为1.6％，CO2体积分数为0.5％。

CNG气瓶车几何容积为18m3；初始时刻气瓶车内天然气压力为20MPa，温度为273.15K；卸气结束时刻气瓶车内天然气压力为0.5MPa，温度为273.15K。假定气瓶车内天然气在整个卸气过程中温度不变。工作状态下大气压力(绝对压力)取0.1MPa。

计算合建站内转换压力的步骤如下：

①计算初始时刻气瓶车内天然气的体积

将上述已知参数代入式(2)，经计算，初始时刻每辆CNG气瓶车内天然气在标准状态下的体积V1,qpc为4554m3。

②计算卸气结束时刻气瓶车内天然气的体积

将上述已知参数代入式(4)，经计算，卸气结束时刻每辆CNG气瓶车内天然气在标准状态下的体积V2,qpc109m3。

③计算转换压力

将上述参数代入式(1)和式(6)，可计算出转换时刻每辆气瓶车内天然气在标准状态下的体积Vmid,qpc为1591m3，b为8.96MPa。b=f(p)曲线见图2，其中p为气瓶车内天然气的绝对压力，b=p／Z，Z由给定的天然气组成、温度、压力用查图法[1]确定。由b=8.96MPa采用二分法查图，得到转换时刻气瓶车内天然气的绝对压力pmid,qpc,abs为7.53MPa，压缩因子Zmid为0.840。

 

3　建立合建站前后的节能效益

3.1　减压橇节能效益    ．

3．1．1计算方法

气瓶车在给CNG储配站供气的过程中需在减压橇内消耗热量。1m3标准状态天然气从p1调压至p2时消耗的热量为：

Q=cpV[(p1-p2)MJ+Dt]　　    (7)

式中Q——1m3标准状态天然气从p1调压至p2时消耗的热量，kJ

cpV——天然气单位体积定压热容，kJ／(m3·K)，取1.65kJ／(m3·K)

p1——气瓶车内天然气的压力，MPa

p2——减压橇出口压力，MPa

MJ——焦耳－汤姆逊系数，℃／MPa，取4℃／MPa

Dt——降压前后CNG的附加温差，℃，减压橇两级调压时取10℃，仅第二级调压时取5℃

计算气瓶车内天然气的压力p1采用微元法。以每辆气瓶车每输出1m3标准状态天然气需消耗的热量为研究单元，假定气瓶车内温度在整个卸气的过程中恒定不变，压力略有下降。每一次计算微元过程结束时气瓶车内天然气压力时，压缩因子取微元过程开始时压力下的压缩因子值[2]。

3．1．2实例计算

①气瓶车卸气时输出1m3天然气需耗热量

已知减压橇OE－2000第一级调压参数为：调压前压力为7.7～20MPa，调压后压力为7.6MPa；第二级调压参数为：调压前压力为0.5～7.7MPa，调压后压力为0.4MPa。

气瓶车内初始压力为20MPa，温度为273.15K，由公式(2)计算得到气瓶车内的初始气量(初始时刻天然气标准状态下的体积)为4554m3。当输出1m3天然气时，将上述参数代入式(7)，采用微元法计算出需消耗的热量为145.2kJ，以此类推，可计算出每次输出1m3天然气需消耗的热量。微元过程分析见表1。

 

②建立合建站前后消耗的热量比较

a．建立合建站前

CNG气瓶车内的天然气从20MPa降低到0.5MPa。气瓶车内初始气量(初始时刻天然气标准状态下的体积)为4554m3，当气瓶车内压力从20MPa降到0.5MPa时，气瓶车内剩余气量为109m3，气瓶车在卸气的过程中总共需要消耗减压橇提供的热量为346335.3kJ，平均每输出1m3天然气需要消耗77.9kJ的热量。

b．建立合建站后

CNG气瓶车内的天然气从7.43MPa降低到0.5MPa。气瓶车内初始气量(初始时刻天然气标准状态下的体积)为1592m3，当气瓶车内的压力从7.43MPa降到0.5MPa时，气瓶车内剩余气量为109m3，气瓶车在卸气的过程中总共需要消耗减压橇提供的热量为47940.9kJ，平均每输出1m3天然气需要消耗32.3kJ的热量。

c．比较

建立合建站后比建立合建站前平均每输出1m3天然气节约45.6kJ的热量，即建立合建站后减压橇节能率达58.5％。

3.2　压缩机节能效益

3．2．1计算方法

①由气瓶车给加气子站储气设施充装

a．GB 50251－2003《输气管道工程设计规范》中的单级压缩机轴功率耗功量计算公式：

 

式中Pysj——压缩机功率，kW

pysj——压缩机进气绝对压力，MPa

qysj——进气条件下的压缩机排量，m3／min

k——比热比，取1.309

e——压缩比

Zysj1、Zysj2——压缩机进、排气条件下的压缩因子

h——压缩机效率，取0.9

Wysj——压缩机在1s内的耗功量，kJ

b．模拟给加气子站储气设施充装过程，采用微元法用VB编程计算。其主要思路：首先给高、中压储气井充装，计算出在标准状态下充装的体积，其次采用微元法以压缩机每1s吸入气缸内气体的体积为研究单元，将已知参数代入式(8)、(9)，计算出给高、中压储气井充装时压缩机的耗功量。

②由气瓶车和高、中压储气井给储气瓶充装

a．根据质量守恒定律，在气瓶车、加气子站储气设施给燃气汽车储气瓶充装的过程中，气瓶车或储气设施中天然气质量的变化量Dms应等于燃气汽车储气瓶中天然气质量的变化量Dmv。设定加气过程中，气瓶车、加气子站储气设施中天然气的温度与燃气汽车储气瓶中天然气的温度相同，且保持不变，则加气过程计算公式为[3]：

 

式中Dms——气瓶车或储气设施内天然气质量的变化量，kg

ps1——气瓶车或储气设施给储气瓶充装前的绝对压力，Pa

Vs——气瓶车或储气设施的几何容积，m3

Zs1——气瓶车或储气设施给储气瓶充装前压力下的压缩因子

R——气体常数，J／(kg·K)

T——加气过程中天然气的温度，K

ps2——气瓶车或储气设施给储气瓶充装后的绝对压力，Pa

Zs2——气瓶车或储气设施给储气瓶充装后压力下的压缩因子

Dmv——燃气汽车储气瓶内天然气质量的变化量，kg

Pv2——燃气汽车储气瓶充装后的绝对压力，Pa

Vv——燃气汽车储气瓶的几何容积，m3

Zv2——燃气汽车储气瓶充装后压力下的压缩因子

Pv1——燃气汽车储气瓶充装前的绝对压力，Pa

Zv1——燃气汽车储气瓶充装前压力下的压缩因子

b．模拟给燃气汽车储气瓶充装过程，计算出每次充装前后气瓶车、高压和中压储气井以及燃气汽车储气瓶的压力，分析由气瓶车，高、中压储气井给燃气汽车储气瓶充装的过程。

3．2．2实例计算

汽车加气子站给燃气汽车储气瓶充气分为两个阶段。第一阶段：经压缩机气瓶车给储气井充装，使中、高压储气井压力均达到25MPa。第二阶段：气瓶车和储气井给燃气汽车储气瓶充装。

①已知条件

模拟加气子站中的充装过程，为了便于分析与计算，做以下合理的规定与假设：

a．站内每辆气瓶车的几何容积为18m3，中压储气井的几何容积为4m3，高压储气井的几何容积为2m3，无低压储气井。气瓶车的初始压力为20MPa，中压储气井的初始压力为20MPa，高压储气井的初始压力为22MPa。气瓶车在给压缩机供气及给燃气汽车储气瓶充装的过程中，气体温度保持不变，为0℃。高、中压储气井在充装和释放气体的过程中，气体温度也保持不变，为0℃。

b．压缩机进气压力为3～20MPa，进气条件下的排量为0.32m3／rain，天然气的比热比k=1.309，压缩机压缩过程为等熵过程。

c．燃气汽车为出租车，储气瓶几何容积为0.05m3。储气瓶的初始压力为2MPa，充装结束时压力为20MPa，充装过程中保持温度不变，为0℃，每次充装天然气约11.6m3。

d．在模拟加气子站充装的过程中，储气设施每次同时给8辆燃气汽车的储气瓶(总几何容积为0.4m3，视作一个储气瓶组)充装，每只储气瓶充装至20MPa结束。压缩机工作时，仅考虑给高、中压储气井分别充装至25MPa，不考虑压缩机直接给储气瓶充装。每当高压储气井的压力接近22MPa时，系统自动停止给储气瓶充装，启动压缩机运转，给高、中压储气井充装至25MPa，为下一轮充装做准备。

e．给储气瓶加气时，首先由站内气瓶车充装天然气，当气瓶车的压力与储气瓶的压力差接近2MPa时，转为由中压储气井充装天然气。当中压储气井的压力与储气瓶的压力差接近2MPa时，再转为由高压储气井充装天然气直至20MPa，完成加气过程。

②计算结果

a．建立合建站前

压缩机进气压力为3～20MPa，每天处理约8000m3的天然气，需抽出2辆气瓶车内的天然气，气瓶车内压力降至3MPa时，停止供气，更换气瓶车。

按照上述计算方法，建立合建站前在模拟加气子站充气过程中所得的数据见表2。

 

经计算可知，在本次模拟加气子站充气过程中，需使用两辆气瓶车内的天然气，加气子站给燃气汽车充装7886m3天然气，充装18次，压缩机耗功542404kJ，给储气井充装4947m3天然气，充装燃气汽车714辆，给燃气汽车平均每充装1m3天然气压缩机需耗功68.8kJ。

b．建立合建站后

压缩机进气压力为7.43～20MPa，每天处理约8000m3的天然气，需抽出3辆气瓶车内的天然气，气瓶车内压力接近7.43MPa时，停止供气，更换气瓶车。

经计算可知，在本次模拟加气子站充气过程中，使用3辆气瓶车内的天然气，加气子站给燃气汽车充装8886m3的天然气，充装18次，压缩机耗功382671kJ，给储气井充装4563m3天然气，充装燃气汽车813辆，给燃气汽车平均每充装1m3天然气压缩机需耗功43.1kJ。

c．比较

建立合建站后比建立合建站前给燃气汽车平均每充装1m3天然气可节约压缩机功耗25.7kJ，即节能率达37.4％。

4　结论

建设单独的CNG储配站或CNG加气子站，CNG气瓶车内的压力能不能被充分地利用，若建设CNG储配站和CNG加气子站合建站，优化工艺系统，合理调配给CNG汽车用户与居民用户供气的先后顺序，不仅减少减压橇内调压过程中的热能损耗，也降低了CNG加气子站压缩机的功耗，缩短了压缩机日工作时间，达到了节能降耗的效果。通过比较，合建站内CNG储配站节能率达58.5％，CNG加气子站节能率达37.4％。

 

参考文献：

[1]段常贵．燃气输配[M]．北京：中国建筑工业出版社，1993：9-10．

[2]邢少郡，唐维华．曲线图形数字化和应用[J]．煤气与热力，2012，32(4)：A37-A39．

[3]郁永章，高其烈，冯兴全，等．天然气汽车加气站设备与运行[M]．北京：中国石化出版社，2006：53-56．

 

 

 

本文作者：邢少郡　刘丽丽　宿敬群

作者单位：吉林市大地技术咨询有限公司