根據不同的加氣要求選配不同的CNG加氣站設備

摘要：分別針對不同加氣要求而進行CNG加氣站不同設備的選型比較，提出了相應建站的建議。
　　我國天然氣汽車的發展已近10年，作為有利于大氣環境，調整能源結構，實現可持續發展的有效途徑，天然氣汽車已受到國內各界的廣泛關注。2000年，上海市首座CNG加氣站在浦東建成運行，2001年浦西南北2座CNG汽車加氣站也將建成。天然氣汽車加氣站與天然氣汽車之間是辯證統一的關系。CNG加氣站的建設是發展天然氣汽車的前提，而CNG加氣站的建站規模直接與天然氣汽車加氣要求相關聯。針對不同的加氣要求應該靈活采取加氣設備配置，同時采取不同的加氣工藝流程。
1 CNG加氣站簡介
1.1 CNG加氣站系統配置
　　CNG加氣站由6大系統組成：天然氣調量計量；天然氣凈化系統；天然氣壓縮系統；天然氣儲氣系統；CNG售氣系統；控制系統（自動保護、停機及順序充氣）。

1.3 加氣方式
　　根據不同的加氣負荷特點，可以采用快速加氣、慢速加氣、混合式加氣、子母站加氣等方式。
　　在加氣站系統內可由壓縮機直接向鋼瓶注氣，亦可設置壓縮機和一批高壓儲存鋼瓶以加快加氣速度，一般日加注能力100輛~200輛。另外，采取子母站形式，可以充分發揮壓縮、灌充裝置的利用效率。
1. 4主要工藝設備
1.4.1 母站
（1） 分子篩（2）壓縮機（3）儲氣鋼瓶（4）加氣機
1.4.2 子站
（1） 轉運拖車（2）儲氣鋼瓶（置于拖車上）（3）增壓器（4）加氣機
　　所有設備中，壓縮機主機是最主要的設備，也是整個加氣站占投資比例****的設備，是整個加氣站的核心。
2 CNG加氣站設備選型優化組合
2.1 當加氣負荷不均勻分布時
　　 加氣負荷集中在幾個時間段，對加氣時間要求比較苛刻。這類情況一般發生在以下幾種情況：a)母站給拖車加氣；b)因氣源管網壓力限制、用電峰值限制、車輛運行特點限制等特殊原因，汽車加氣只能集中在部分時間段內；c)城市天然氣汽車發展初期，現有加氣站數量較少，汽車加氣機動性較差。
　　 針對這類情況，在進行設備選型時，應優先考慮增大壓縮機排量，相應儲氣瓶容積可以減小，通過壓縮機直供來滿足連續快速加注的要求，儲氣瓶預先儲存的高壓天然氣只是為了滿足平時零星加氣的要求。通過壓縮機直供時，若選用壓縮機排量偏小，加注管道中的氣體流量相應偏低，加氣速度就跟不上使用要求，會造成汽車加氣排隊或者拖車脫節子站斷氣等現象，將影響加氣站的正常運行。若壓縮機動性的排量和加氣機的額定流量匯總量相當時，就能滿足連續快速加氣要求。
　　 在滿足這種類型加氣要求的基礎上而進行的設備選型，可以滿足連續快速加注天然氣汽車的要求，但設備的能力末能充分發揮，建站投資比較大且壓縮機頻繁啟動，影響壓縮機使用壽命。
設計實例
設計條件：
（1）日加氣車輛為150輛，每輛加氣量為100立方米，日總需求量為15000立方米；
（2）加氣負荷不均勻分布；
（3）要求連續加注，雙槍同時加注，單輛汽車加氣時間不超過4分鐘，每小時保證加氣車輛30輛。
　　為了滿足連續高速加注要求，應通過壓縮機直供來完成。兩把槍同時加注，每輛車凈加氣時間在4分鐘之內，則壓縮機設計計算排量v=(100*2/4)*60=3000立方米每小時。可以考慮選用2 臺1500立方米每小時的壓縮機。
　　另外，儲氣瓶容積可以減小，儲氣瓶容積可以選擇ASME儲氣鋼瓶（CPI公司生產）6個單元（采用三級儲氣方式，高中低儲氣單元數比例為1：2：3），總水容積為7.836立方米，換算成標準狀態下為2322立方米，按照此儲氣加氣系統取氣，最高取氣率可達42%~45%，則通過儲氣瓶給車輛加注約為1000立方米天然氣，也就是說可以注滿10輛天然氣汽車。儲氣瓶先儲存的高壓天然氣只是為了滿足平時零星加氣的要求。
2.2 當加氣負荷均勻分布時
　　 日加氣總量一定，且加氣車輛均勻分布在各時間段內。這類情況一般發生在固定車源的專用加氣站（例如公交停車場），并留有一定的機動備用車輛，通過對固定加氣車輛進行合理調度，優化車輛加氣順序，避免車輛連續集中加氣；或者是加氣站的數量達到一定規模，汽車可以到不同的加氣站進行加氣。另外，對于同一輛車，每次加注并不一定注滿汽車鋼瓶，也就是每日可以累積多次加氣，每天總加氣量基本不變，這部分加注量在各時間段均勻消化。
針對這類情況，在進行設備選型時，相應壓縮機排量可以降低，適當增大儲氣瓶容積。利用預先儲存加壓氣體彌補壓縮機排量不足的辦法，使加氣系統具有比壓縮機****排量大得多的加氣能力。
　　另外，對于這種加氣要求，加氣方案可以采取快加氣和慢加氣組合加氣。在原有加氣管線上增加敷設慢加氣布管。
　　采用慢加氣一般是在每天晚上對停車場的汽車利用整夜的時間用壓縮機直接加氣，壓縮機將氣送入通往每輛汽車分配氣管中，再經加氣機進入汽車鋼瓶。典型的慢加氣系統的售氣機或加氣崗位是無人值守的。該系統主要由充氣閥、壓力表、軟管和能自動控制加氣使其不超過規定值，且可避開白晝用電高峰。
　　 在這種類型的加氣要求基礎上而進行的設備選型可以避免壓縮機頻繁啟動，且可以****限度的發揮設備的能力，建站效益也比較明顯。
設計實例
設計條件：
（1）日加氣車輛為150輛，每輛加氣量為100立方米，日總需求量為15000立方米；
（2）加氣負荷均勻分布，可以根據加氣站的加注能力進行調度；
（3）加氣站每日操作時間為16小時；
（4）按照二級加氣站設計。
　　根據這個加氣要求，儲氣瓶容積可以選擇 ASME儲氣鋼瓶（CPI公司生產）9個單元（采用三級儲氣方式，高中低儲氣單元數比例為2：3：4），總水容積為11.754立方米，換算成標準狀態下為3483立方米，按照此儲氣加氣系統取氣，最高取氣率可達42%~45%，則通過儲氣瓶給車輛加注射1567立方米天然氣，也就是說可以注滿15輛天然氣汽車。按照單槍加氣時間為4分鐘每輛，采用2臺單槍加氣機同時加注，則30分鐘內可以完成加注射15輛汽車。下面根據PLC控制流程不同按照2種情況分別進行分析計算。
（1） 全部通過儲氣瓶加氣，壓縮機不直供。
　　對天然氣汽車而言，要求所有加氣必須通過儲氣瓶作為加注平臺，由儲氣瓶來完成快速加氣。當高壓儲氣瓶壓力下降到一設定值時，停止給汽車加氣，壓縮機啟動給儲氣瓶補氣， 當儲氣瓶壓力達到25.0Mpa時，又重新開始給汽車加氣，假定每一輪回補氣結束與再加氣之間的間隔時間為0.1小時。則壓縮機設計計算排量v=1500立方米每小時。150輛天然氣汽車通過10個輪回完成，每一輪回15輛汽車的操作時間為1.6小時，其中壓縮機給儲氣瓶充氣時間為1小時；鋼瓶給汽車加氣時間為0.5小時；操作間隙為0.1小時。這種操作工況優點是可以避免壓縮機頻繁啟動，充分發揮儲氣瓶的儲氣功能來完成對汽車的快速加氣，單元加氣速度能夠得以保證，車輛在保證足夠操作時間的情況下可以選用較小排量的壓縮機。缺點是對加氣車輛調度要求較高，加氣靈活性較差。
（2） 采用儲氣瓶和壓縮機聯合供氣，壓縮機可以直供。
　　先通過儲氣瓶加氣，當高壓儲氣瓶不能滿足加氣要求時，通過PLC控制，啟動高壓旁通管路，采用壓縮機直接給汽車加氣，當車輛停止加氣時，通過PLC控制，由壓縮機給儲氣瓶補氣。在此操作工況中，系統優先權是給加氣車輛，也就是說當存在加氣車輛時，總是先"加氣后補氣"。假定每一輪回通過壓縮機直接給汽車加氣的數量平均為10輛，則整個150輛汽車加氣需通過6個輪回來完成，每個輪回為16/6小時。則壓縮機的設計計算排量v=(1000+1500)*6/16=938立方米每小時，壓縮機直供加氣速度為6.4分鐘。這種操作工況的優點是對加氣車輛調度的要求不高，加氣靈活性好，可以選用較小排量壓縮機，比較經濟。缺點是壓縮機啟動較頻繁，單元加氣速度有限制。
3 結論及建議
　　 對于加氣負荷不均勻分布、對加氣速度要求較高的情況，在建站時可以選取用較大流量的壓縮機，選用較小容積的儲氣鋼瓶；對于加氣負荷均勻分布、對加氣速度無苛刻要求的情況，在建站時可以選用較小流量的壓縮機，選用較大容積的儲氣鋼瓶。
　　 通常，在天然氣汽車發展初期，由于天然氣汽車加氣站數量末達到一定規模，加氣負荷一般難以均勻分布，對加氣速度要求較高，加氣靈活性較差，故造成設備選型時容量一般偏大，運行時不能充分發揮設備的運行能力。參考國外天然氣汽車發展以及建站經驗，建議在進一步發展天然氣汽車時，利用原設有大排量壓縮機的加氣站進行改建，增設加氣柱，建成母站，另外新建投資較小的子站，這樣可以利用母站的加氣間隙時間給拖車加氣，充分發揮母站設備的運行能力。當天然氣汽車和加氣站發展達到一定規模時，加氣負荷均勻分布，新建加氣站時可以降低對壓縮機排量的要求，另外若場地允許，應考慮增加慢加氣方式。
　　摘要：分別針對不同加氣要求而進行CNG加氣站不同設備的選型比較，提出了相應建站的建議。
　　我國天然氣汽車的發展已近10年，作為有利于大氣環境，調整能源結構，實現可持續發展的有效途徑，天然氣汽車已受到國內各界的廣泛關注。2000年，上海市首座CNG加氣站在浦東建成運行，2001年浦西南北2座CNG汽車加氣站也將建成。天然氣汽車加氣站與天然氣汽車之間是辯證統一的關系。CNG加氣站的建設是發展天然氣汽車的前提，而CNG加氣站的建站規模直接與天然氣汽車加氣要求相關聯。針對不同的加氣要求應該靈活采取加氣設備配置，同時采取不同的加氣工藝流程。
1 CNG加氣站簡介
1.1 CNG加氣站系統配置
CNG加氣站由6大系統組成：天然氣調量計量；天然氣凈化系統；天然氣壓縮系統；天然氣儲氣系統；CNG售氣系統；控制系統（自動保護、停機及順序充氣）。
1.2 CNG加氣站工藝流程見圖1
1.3 加氣方式
　　根據不同的加氣負荷特點，可以采用快速加氣、慢速加氣、混合式加氣、子母站加氣等方式。
　　在加氣站系統內可由壓縮機直接向鋼瓶注氣，亦可設置壓縮機和一批高壓儲存鋼瓶以加快加氣速度，一般日加注能力100輛~200輛。另外，采取子母站形式，可以充分發揮壓縮、灌充裝置的利用效率。
1. 4主要工藝設備
1.4.1 母站
（1） 分子篩（2）壓縮機（3）儲氣鋼瓶（4）加氣機
1.4.2 子站
（1） 轉運拖車（2）儲氣鋼瓶（置于拖車上）（3）增壓器（4）加氣機
　　所有設備中，壓縮機主機是最主要的設備，也是整個加氣站占投資比例****的設備，是整個加氣站的核心。
2 CNG加氣站設備選型優化組合
2.1 當加氣負荷不均勻分布時
　　 加氣負荷集中在幾個時間段，對加氣時間要求比較苛刻。這類情況一般發生在以下幾種情況：a)母站給拖車加氣；b)因氣源管網壓力限制、用電峰值限制、車輛運行特點限制等特殊原因，汽車加氣只能集中在部分時間段內；c)城市天然氣汽車發展初期，現有加氣站數量較少，汽車加氣機動性較差。
針對這類情況，在進行設備選型時，應優先考慮增大壓縮機排量，相應儲氣瓶容積可以減小，通過壓縮機直供來滿足連續快速加注的要求，儲氣瓶預先儲存的高壓天然氣只是為了滿足平時零星加氣的要求。通過壓縮機直供時，若選用壓縮機排量偏小，加注管道中的氣體流量相應偏低，加氣速度就跟不上使用要求，會造成汽車加氣排隊或者拖車脫節子站斷氣等現象，將影響加氣站的正常運行。若壓縮機動性的排量和加氣機的額定流量匯總量相當時，就能滿足連續快速加氣要求。
　　 在滿足這種類型加氣要求的基礎上而進行的設備選型，可以滿足連續快速加注天然氣汽車的要求，但設備的能力末能充分發揮，建站投資比較大且壓縮機頻繁啟動，影響壓縮機使用壽命。
設計實例
設計條件：
（1）日加氣車輛為150輛，每輛加氣量為100立方米，日總需求量為15000立方米；
（2）加氣負荷不均勻分布；
（3）要求連續加注，雙槍同時加注，單輛汽車加氣時間不超過4分鐘，每小時保證加氣車輛30輛。
　　為了滿足連續高速加注要求，應通過壓縮機直供來完成。兩把槍同時加注，每輛車凈加氣時間在4分鐘之內，則壓縮機設計計算排量v=(100*2/4)*60=3000立方米每小時。可以考慮選用2 臺1500立方米每小時的壓縮機。
　　另外，儲氣瓶容積可以減小，儲氣瓶容積可以選擇ASME儲氣鋼瓶（CPI公司生產）6個單元（采用三級儲氣方式，高中低儲氣單元數比例為1：2：3），總水容積為7.836立方米，換算成標準狀態下為2322立方米，按照此儲氣加氣系統取氣，最高取氣率可達42%~45%，則通過儲氣瓶給車輛加注約為1000立方米天然氣，也就是說可以注滿10輛天然氣汽車。儲氣瓶先儲存的高壓天然氣只是為了滿足平時零星加氣的要求。
2.2 當加氣負荷均勻分布時
　　日加氣總量一定，且加氣車輛均勻分布在各時間段內。這類情況一般發生在固定車源的專用加氣站（例如公交停車場），并留有一定的機動備用車輛，通過對固定加氣車輛進行合理調度，優化車輛加氣順序，避免車輛連續集中加氣；或者是加氣站的數量達到一定規模，汽車可以到不同的加氣站進行加氣。另外，對于同一輛車，每次加注并不一定注滿汽車鋼瓶，也就是每日可以累積多次加氣，每天總加氣量基本不變，這部分加注量在各時間段均勻消化。
　　 針對這類情況，在進行設備選型時，相應壓縮機排量可以降低，適當增大儲氣瓶容積。利用預先儲存加壓氣體彌補壓縮機排量不足的辦法，使加氣系統具有比壓縮機****排量大得多的加氣能力。
　　 另外，對于這種加氣要求，加氣方案可以采取快加氣和慢加氣組合加氣。在原有加氣管線上增加敷設慢加氣布管。
　　采用慢加氣一般是在每天晚上對停車場的汽車利用整夜的時間用壓縮機直接加氣，壓縮機將氣送入通往每輛汽車分配氣管中，再經加氣機進入汽車鋼瓶。典型的慢加氣系統的售氣機或加氣崗位是無人值守的。該系統主要由充氣閥、壓力表、軟管和能自動控制加氣使其不超過規定值，且可避開白晝用電高峰。
　　在這種類型的加氣要求基礎上而進行的設備選型可以避免壓縮機頻繁啟動，且可以****限度的發揮設備的能力，建站效益也比較明顯。
設計實例
設計條件：
（1）日加氣車輛為150輛，每輛加氣量為100立方米，日總需求量為15000立方米；
（2）加氣負荷均勻分布，可以根據加氣站的加注能力進行調度；
（3）加氣站每日操作時間為16小時；
（4）按照二級加氣站設計。
　　根據這個加氣要求，儲氣瓶容積可以選擇 ASME儲氣鋼瓶（CPI公司生產）9個單元（采用三級儲氣方式，高中低儲氣單元數比例為2：3：4），總水容積為11.754立方米，換算成標準狀態下為3483立方米，按照此儲氣加氣系統取氣，最高取氣率可達42%~45%，則通過儲氣瓶給車輛加注射1567立方米天然氣，也就是說可以注滿15輛天然氣汽車。按照單槍加氣時間為4分鐘每輛，采用2臺單槍加氣機同時加注，則30分鐘內可以完成加注射15輛汽車。下面根據PLC控制流程不同按照2種情況分別進行分析計算。
（1） 全部通過儲氣瓶加氣，壓縮機不直供。
　　對天然氣汽車而言，要求所有加氣必須通過儲氣瓶作為加注平臺，由儲氣瓶來完成快速加氣。當高壓儲氣瓶壓力下降到一設定值時，停止給汽車加氣，壓縮機啟動給儲氣瓶補氣， 當儲氣瓶壓力達到25.0Mpa時，又重新開始給汽車加氣，假定每一輪回補氣結束與再加氣之間的間隔時間為0.1小時。則壓縮機設計計算排量v=1500立方米每小時。150輛天然氣汽車通過10個輪回完成，每一輪回15輛汽車的操作時間為1.6小時，其中壓縮機給儲氣瓶充氣時間為1小時；鋼瓶給汽車加氣時間為0.5小時；操作間隙為0.1小時。這種操作工況優點是可以避免壓縮機頻繁啟動，充分發揮儲氣瓶的儲氣功能來完成對汽車的快速加氣，單元加氣速度能夠得以保證，車輛在保證足夠操作時間的情況下可以選用較小排量的壓縮機。缺點是對加氣車輛調度要求較高，加氣靈活性較差。
（2） 采用儲氣瓶和壓縮機聯合供氣，壓縮機可以直供。
　　先通過儲氣瓶加氣，當高壓儲氣瓶不能滿足加氣要求時，通過PLC控制，啟動高壓旁通管路，采用壓縮機直接給汽車加氣，當車輛停止加氣時，通過PLC控制，由壓縮機給儲氣瓶補氣。在此操作工況中，系統優先權是給加氣車輛，也就是說當存在加氣車輛時，總是先"加氣后補氣"。假定每一輪回通過壓縮機直接給汽車加氣的數量平均為10輛，則整個150輛汽車加氣需通過6個輪回來完成，每個輪回為16/6小時。則壓縮機的設計計算排量v=(1000+1500)*6/16=938立方米每小時，壓縮機直供加氣速度為6.4分鐘。這種操作工況的優點是對加氣車輛調度的要求不高，加氣靈活性好，可以選用較小排量壓縮機，比較經濟。缺點是壓縮機啟動較頻繁，單元加氣速度有限制。
3 結論及建議
　　對于加氣負荷不均勻分布、對加氣速度要求較高的情況，在建站時可以選取用較大流量的壓縮機，選用較小容積的儲氣鋼瓶；對于加氣負荷均勻分布、對加氣速度無苛刻要求的情況，在建站時可以選用較小流量的壓縮機，選用較大容積的儲氣鋼瓶。
通常，在天然氣汽車發展初期，由于天然氣汽車加氣站數量末達到一定規模，加氣負荷一般難以均勻分布，對加氣速度要求較高，加氣靈活性較差，故造成設備選型時容量一般偏大，運行時不能充分發揮設備的運行能力。參考國外天然氣汽車發展以及建站經驗，建議在進一步發展天然氣汽車時，利用原設有大排量壓縮機的加氣站進行改建，增設加氣柱，建成母站，另外新建投資較小的子站，這樣可以利用母站的加氣間隙時間給拖車加氣，充分發揮母站設備的運行能力。當天然氣汽車和加氣站發展達到一定規模時，加氣負荷均勻分布，新建加氣站時可以降低對壓縮機排量的要求，另外若場地允許，應考慮增加慢加氣方式