与加油站合建的压缩天然气加气站的设计

    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。

  ①CNG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25 MPa，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、脱硫脱水装宣缓冲罐、橇装压缩机组、加气柱、顺序控制盘、储气井(瓶)、加气机等。

②CNG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25 MPa，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25 MPa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20 MPa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。

  ⑧CNG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25 MPa，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。

  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

   

    《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12 m³。CNG加气子站的储气设施总容积不得大于18 m³。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加气子站中的CNG气瓶车的容积为18 m³，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。

    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20～22 MPa，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人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20～22 MPa。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莱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l。

液压平推cNG气瓶车-液压增压橇-单线加气机-cNG汽车

  图1  液压增压橇式CNG加气子站工艺流程

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

 

  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30 kW。1台高压泵，其设计压力为25 MPa，工作压力为20～22 MPa。

    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20 m。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)GB50156--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)GB50156--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ll m²；控制室占地面积为10 m²。综合考虑，整个加气子站占地面积约l000 m²。

  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l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30 kW，系统总功率小于70 kW。与常规加气子站(压缩机电机功率110～160 kW)相比，节能效果明显，运行费用低，大大提高了经济效益。

  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20 MPa，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。

    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、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。

 

    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1.12 m³，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，钢瓶规格为咖559mm×16.5 mm，长为10 975 mm，单瓶容积为

2.25 m³，总容积为18 m³，单车运输气量为4 500 m³。

  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1 2Q0 m³。

    b．压缩机电机功率相对较小，效率高：平均排量为1 000 m³／h的活塞连杆式压缩机，电机功率约为110。160 kW。而平均排量为1 400 m3／h的液压式压缩机，电机功率只有70 kW，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。

    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加气子站计人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360×10。元；l台液压增压橇(规格为1 500 m³／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加气子站计人工程造价的设备有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1 380 m3／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20～22 MPa的压力给CNG气瓶车中的CNG，而CNG气瓶车中的CNG则始终在20～22 MPa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    ‘