摘要：介绍了CNG加气子站的工艺流程、各部分工艺及主要设备。
关键词：加气子站；橇装式压缩机；工艺流程
Process Design of CNG Filling Substation
WU Hong-hua
Abstract：The process flow，partial processes and main equipment of CNG filling substation are introdueed.
Key words：gas filling substation；skid-mounted compressor；process flow
1 CNG加气子站工艺流程
CNG加气子站工艺流程见图1。CNG加气子站由计量、净化、压缩、储气、售气5个子系统组成，CNG加气子站的结构有厂房式结构和橇装式结构。厂房式结构是指将加气子站所有设备分别安装在厂房内，并按工艺流程顺序用管道和各种阀门将这些设备连接起来。这种结构造价低，便于维修，但自动化程度低，基本上是手工或半自动化操作。橇装式结构即加气子站主要设备安装在一个橇架上，控制系统单独安装在控制室内，橇装式压缩机可在工厂内完成制造、调试工作，运输和安装方便。这种结构占地面积小，需要操作人员少，安全可靠性高，基本实现自动化，建成后运行管理方便，实际管理费用相对较低，但造价相对较高。目前，多数加气子站采用橇装式结构。
储气瓶拖车(以下简称拖车)中的天然气进入加气子站后，经计量、加压、储存、充装等环节，最后给CNG汽车瓶组加气。在一些无固定清洁压缩天然气气源的CNG加气子站，还有必要设置脱硫、脱水装置。加气子站控制系统利用预设的顺序控制程序，动态控制整个加气子站的加气过程，压缩机系统的可编程控制器(英文简称PLC)进行信号采集、故障诊断、故障显示、优先顺序控制、顺序启动或停机等全过程管理。拖车的天然气可直接经旁通管给汽车加气，或经增压后进入站内储气瓶组或储气井，中、高压两级储气瓶组或储气井在控制系统的指挥下依次给加气机的中压和高压管道供气，直到汽车加气结束(一般是汽车瓶组达到设计的充装压力，即20MPa时，此次加气结束)。
2 储气系统
加气子站内压缩天然气的储存设施宜选用储气瓶组或储气井[1]，本工艺采用储气井。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气量不足的问题，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就需要给汽车加气，仅使用储气瓶组不能给汽车瓶组加至20MPa，为给汽车瓶组加满气就必须改由压缩机加气，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确定[2]。根据经验，通过编组方法可提高加气效率，将储气瓶组分为高、中、低压3组，储气瓶数量比例以1：2：3较好。当压缩机向储气瓶组充气时，应按高、中、低压的顺序进行；当储气瓶组向汽车加气时，应按低、中、高压的顺序进行。
储气井技术经过逾10年的开发研究和应用，已基本趋于成熟完善，以其安全性高、占地面积小、经济性好，被广泛应用于CNG加气子站[3]。根据储气井的工作环境及工作特点，应符合GB 50156—2002《汽车加油加气站设计与施工规范》和SY/T 6535—2002《高压气地下储气井》等标准规范的要求。储气井井筒专用套管必须选用无缝钢管，应符合GB 8163—1999《输送流体用无缝钢管》的要求。储气井单井容积2～8m3，设进、排气口、检修阀、排污阀、压力表、排液管等。储气井井底用井底封头堵死，井口采用特制井口封头封堵。储气井工作压力为25MPa。
3 压缩系统
压缩系统是加气子站的核心部分，橇装式压缩机包括：压缩机系统、防爆驱动电机、过滤分离系统、润滑系统、冷却系统、仪表及控制系统、隔音防护罩等，控制系统单独安装在控制室内，其他设备安装在一个橇架上。
橇装式压缩机以拖车的储气瓶组作为低压储气瓶组，站内储气井只设中、高压储气井。当给汽车加气时，若拖车储气瓶的天然气压力大于设定压力，则天然气通过旁通管直接流向汽车瓶组，直充气体流速下降到设定值时，自动切换到中、高压储气井为汽车加气。若中、高压储气井的天然气压力小于设定压力，则压缩机启动，此时天然气进入压缩机进行一级增压，冷却后进入二级增压，再冷却后进入储气井充气，当储气井压力至25MPa时停机。停机时一、二级增压的气缸连通，起平衡卸压作用。在此过程中，管道中温度传感器及压力传感器均监测相应点的温度、压力，适时发出报警信号，压力超过限制值时放散，紧急状态时停机。
① 压缩机系统
压缩机有V形、W形、L形、X形、立式和对称平衡式等多种型号，加气子站压缩机的选型及数量应根据加气子站进出站天然气压力、总加气能力和加气的工作特征确定。为方便维修及运行管理，加气机可选一用一备。
② 动力系统
压缩机动力来源宜选用电机，电机有过载保护及低压保护，并带有自动和手动复位装置。目前，多选用软启动方式的电机，其具有短路、过载、过流、缺相、电机堵转和欠载保护功能。
③ 压缩机的控制系统
CNG加气子站的设备是在易燃、易爆、高压的环境中运行，设备的自动化水平直接决定了加气子站的经济性和安全可靠性。目前，较先进的压缩机系统实行高度自动化的控制管理，以PLC为核心，采用电机软启动；系统油压、电流、温度、气压自动监控，自动排污，配置PLC自动顺序充气控制系统。所有的电气控制装置都放在电机控制中心(英文简称MCC)内，MCC柜和PLC控制柜放在非危险区的控制室内。
④ 冷却系统
气体经压缩后温度升高，为了改善后一级压缩机气缸的工作条件，气体必须经冷却器冷却，达到降低后一级压缩机气缸进口气体温度的目的。系统所有气缸均需冷却处理，使压缩过程中产生的部分热量被冷却水带走，以改善缸体的受热状况。冷却器安装在橇架上。冷却水由供水总管引入，经支管进入压缩机各级气缸水夹套、各级冷却器及油冷却器。
⑤ 过滤分离系统
压缩机的进、出气管道上均设置过滤器，用以过滤气体中的杂质，控制出口天然气的含油量不超过规定值。
⑥ 隔音防护罩
橇装式压缩机安装在箱体(即隔音防护罩)内，避免设备受外界环境影响，并可降低噪声。隔音防护罩内设置强制通风系统，当罩内天然气含量达到一定值时，强制通风系统启动。罩内还设有防爆灯，顶部装有可燃气体检测器，当天然气含量达到爆炸下限的20%(体积分数)时，检测器发出报警信号；若天然气含量继续增加，达到一定值时，检测器发出停机信号。
4 售气系统
售气系统由加气机及计算机管理系统组成。压缩天然气经过输送管道进入加气机，依次流经入口球阀、过滤器、单向阀、电磁阀、流量计、应急球阀、拉断阀、高压软管、枪阀(三通球阀)、加气枪，最后给汽车加气。流量计测出流经加气机气体的密度、流量等参数，相应的模拟信号由信号转换器转换成电脉冲信号传送到计算机控制器，经计算得出相应的体积、金额并由显示屏显示给用户。在整个加气过程中，计算机控制器通过压力传感器监控系统压力，当加气机输出压力达到20MPa时，计算机控制器会自动关闭电磁阀，停止加气。
5 加气子站控制系统
加气子站控制系统与橇装式压缩机配套，包括：标准电气控制、优先顺序充气控制系统、紧急切断系统和远程监控系统。标准电气控制是控制橇装式压缩机的整个运行过程，显示、查询、设置数据和运行状态；紧急切断系统是在紧急情况下切断所有的气路并关闭电源，显示报警信号，橇块外的按钮可根据需要手动停机；远程监控系统可通过调制解调器将设备运行状态信号远传。
优先顺序充气控制系统是控制压缩机出口的天然气供应顺序。拖车、橇装式压缩机与优先顺序控制盘、站内储气井组成了三线快充结构。优先顺序控制盘主要由顺序阀、隔离阀、压力表组成，能让加气子站工作时尽量少启动压缩机，用控制盘控制对各储气井和汽车的加气顺序。拖车储气瓶组作为低压储气瓶组，站内只设中、高压储气井。压缩机优先控制的顺序为加气机(给汽车加气)、高压储气井、中压储气井充气。在顺序控制盘的控制下，当给汽车加气时，若压缩机入口处压力高于设定值，则拖车储气瓶组中的天然气通过旁通管直接流向三线加气机的低压管道给汽车加气，气体流速下降到设定值时，直充关闭，自动切换到中压储气井、高压储气井为汽车加气。当储气井的压力降低到一定值时，橇装式压缩机启动，天然气加压后经顺序控制盘的顺序控制，首先给高压储气井充气，压力达到25Mpa；再给中压储气井充气，压力到25MPa时，压缩机停机。拖车气瓶的天然气小于设定压力时，天然气不再走旁路，全部通过压缩机加气，压缩机优先给汽车加气。
参考文献：
[1] GB 50156—2002，汽车加油加气站设计与施工规范[S].
[2] 贾琳.CNG加气站储气瓶组容积利用率分析[J].煤气与热力，2008，28(6)：B19-B22.
[3] 罗东晓.地下储气井在天然气加气站的应用[J].煤气与热力，2007，27(7)：24-26.
(本文作者：吴红华 佛山市汽车燃气有限公司 广东佛山 528000)
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