我国天然气资源丰富，储量估计为3. 8 × 10的13次方 m3,居世界第三位[1].天然气替代汽油作为汽车燃料，能有效降低汽车尾气对环境的污染[2].车用天然气通常有LNG 和CNG 两种。其中LNG 多

 

    用于长途客车、重卡等，CNG 则多用于城市公交车和出租车等。CNG 加气站的建站方式通常有两种，一种为常规站，另一种为母站和子站[3].常规加气站是指从站外天然气管网取气，经过工艺处理并增压后，通过加气机给汽车CNG 储气瓶充装的场所，是CNG 汽车产业必不可少的组成部分，也是交通系统的重要组成部分[4].母站和子站的形式为母站从管网取气，经压缩机增压后充装至车载储气瓶组，经拖车运输至CNG 子站使用。

 

    加气站的经济效益与工艺设计、设备选型有关，优化设备选型是提高加气站经济效益的前提和基础。设计规模取决于加气站的日加气量和高峰时期的小时加气量。加气量在全天不同时刻有很强的不均衡性。因此在设计和设备选型时要考虑这种不均衡性，否则会出现所选设备负荷远大于实际负荷的现象，造成投资过大、资源浪费； 也可能出现设备负荷过小，满足不了高峰时加气的需求，造成加气时间延长、加气站汽车拥堵及压缩机频繁启动等，最终影响经济效益。合理的设备选型，应该在用气高峰时，可满足用气需求，且具有较高的运行效率，即各设备潜能得到较大发挥，减少不必要的能耗浪费[5].

 

    本文结合CNG 常规加气站的工艺流程，以拟建加气站日加气能力、站外管网压力、管网气质情况、建站位置、占地面积、加气时间集中与否、停运影响大小等基本条件为基础，根据国家相关标准和行业经验，给出CNG 常规加气站主要设备的选型方法，为加气站的高效运行提供参考。

 

    1 常规加气站的装置和设备及工艺流程

 

    CNG 常规加气站通常包括调压计量设备、脱硫装置、脱水装置、压缩机、程序控制盘、储气设施、CNG 加气机及工艺管路和控制系统等，控制

 

    系统包含站级SCADA 系统和销售管理系统等[6].工艺流程如图1 所示。

 

    其中，调压计量设备用于对管网来气的调压计量，减小波动，保护压缩机； 脱硫装置对来气进行脱硫，使其达到国家标准要求； 脱水装置是除去来气中的水； 压缩机为管网来气增压； 程序控制盘将CNG 依照一定的次序输送至储气系统； 储气系统分为储气瓶或者储气井，储气设备的选用应能避免压缩机频繁启停； 加气机则为汽车充装CNG.

 

    2 常规站的主要设备选型

 

    2.1 调压计量设备

 

    天然气从外部管网进入加气站前，通常先经过调压计量设备。为保证压缩机的正常、安全、高效运行，当管网压力下限和上限的波动范围过大

 

    时，需对管网入口压力进行调整，之后再进入压缩机。压缩机的选型应使进气压力变化范围较小，越小越有利于压缩机的稳定和低能耗运行。调压设备的选型方法如下：

 

    2. 2 脱硫装置

 

    根据国家标准要求，车用天然气含硫量不得大于15 mg /m3 ,而管网气源的含硫量可能会高于这一数值，特别是在川渝地区。为了满足国家标准，常规站需根据管网气质条件来确定是否选用脱硫装置。脱硫装置可选为单塔或双塔（ 宜选择双塔） .脱硫塔由床层、支承板，顶部和底部的气体进口、出口管和分配器、装料孔和排料孔以及测试接口、排污口、压力表插孔等组成。

 

    目前，常规站对原料天然气的脱硫方法，是使天然气流经脱硫塔内的脱硫剂（ 通常为氧化铁）床层，所含硫化氢与脱硫剂反应生成硫的化合物

 

    而将硫除去。脱硫剂在脱出一定的硫化氢后逐渐失效，需要进行再生或更换新的脱硫剂。脱硫塔脱硫能力= 压缩机设计点排量× 台数。进气压力低限为管网最低进气压力； 高限为调压后的压缩机最高进气压力× 1. 1.

 

    2. 3 脱水装置

 

    脱水装置按照在加气站工艺流程中的位置又可以分为低压脱水（ 又称为前置脱水） 、高压脱水（ 又称后置脱水） 和中压脱水（ 又称压缩机级间脱水） .目前加气站普遍采用低压脱水或高压脱水，中压脱水很少采用[7].

 

    （ 1） 低压脱水装置。低压脱水装置（ 前置式天然气干燥器） 最主要的优点是在压缩前将天然气中存在的水分脱除，给天然气压缩机提供较高

 

    品质的天然气，可延长压缩机气阀、活塞环、填料函等运动密封件的使用寿命。另一方面，由于大多数管输天然气在长距离集输前，经过了相当程度的净化，其中水分含量很低，此时采用前置式干燥器，由于天然气压力较低，整个脱水系统压力等级较低，设计、制造、检验、运行、维护管理都较简便。此外，运行成本较低也是大部分天然气加气站采用前置式干燥器的重要原因之一。

 

    （ 2） 高压脱水设备。高压脱水设备（ 后置式天然气干燥器） 实际上是加压冷却脱水法和吸附分离法的串联应用。与前置干燥器相比，同等处

 

    理量的后置干燥器具有更小的体积，电加热功率也较低。对后置干燥器运行成本影响最大的是再生气，因为约是干燥器处理量（ 体积流量） 3% ~5% 再生气会浪费天然气压缩机功率的3% ~5%.以一座CNG 常规加气站配置2 台主要功率为160kW 的压缩机为例，损失的电量大约在10 ~15kW.

 

    从技术性、安全可靠性、经济性以及维护费用等方面综合考虑，前置脱水装置较后置脱水装置有更大的优势，因此推荐采用低压前置脱水装置。

 

    脱水装置的脱水能力= 单台压缩机排气量×台数× 1. 1.脱水装置工作压力选为进气压力上限。

 

    2. 4 压缩机

 

    常规加气站多采用活塞式压缩机。活塞式压缩机可根据它的主要技术特性及结构特性进行分类。根据气缸轴线在空间的位置，可分为立式、卧

 

    式、角度式等； 按级数可分为单级、双级、多级压缩机； 按气缸工作容积情况可分为单作用、双作用等[8].

 

    常规加气站的工作压力需在0. 05 ~ 4 MPa 范围，可根据前文的调压规则得出压缩机的工作压力范围。

 

    压缩机的排量根据工作点压力的排量确定。假设加气站的日加气量为Qd

 

    （ m3 ） ,可计算出压缩机小时排量Q = Qd /工作时间。若车辆加气时

 

    间集中，则工作时间按10 h 计算，若加气时间分散，则工作时间按16 h 计算。根据小时排量计算得出压缩机轴功率：

 

    N = （ Q/60） × （ 1. 634 /0. 55） × ln（ P2 /P1）

 

    其中，P1为进气绝对压力， 105 pa; P2为排气绝对压力，105 pa; Q 为压缩机总小时排量，m3.

 

    根据计算得到的轴功率N 进行压缩机数量和小时排量的选型，规则如下： 当N≥315 kW 时，如果停机敏感性大，则选择3 台排量为Q/2 的压

 

    缩机（ 含1 台备用机） ; 如果停机敏感性小，则选择2 台排量为Q/2 的压缩机。

 

    当200 kW≤N < 315 kW 时，如果停机敏感性大，则选择3 台排量为Q/2 的压缩机或2 台排量为Q 的压缩机； 如果停机敏感性小，则选择2 台排量为Q/2 的压缩机或一台排量为Q 的压缩机。

 

    当N < 200 kW 时，如果停机敏感性大，则选择2 台排量为Q 的压缩机； 如果停机敏感性小，则选择1 台排量为Q 的压缩机。

 

    压缩机的冷却方式可选为空冷或混合冷却，由用户根据压缩机冷却要求和现场实际确定。压缩机的安装方式可选为室内或室外。室内安装无

 

    需隔音方舱； 室外安装需要隔音方舱，噪声（ 离方舱1 m 处） 要求为： 普通型方舱小于75 dB（ A） ,降噪型方舱小于65 dB（ A） .一般推荐使用室内无隔音方舱的安装方式。

 

    压缩机进口通常配置缓冲罐，缓冲罐的设计压力须满足调压后的进气压力。缓冲罐容积计算公式为： V = （ 压缩机小时排量× 台数） ×15/{ （ P0 +0. 1） × 360} ,计算得到的结果向上取整数： 取值为1、2 或3 m3.

 

    2. 5 程序控制盘

 

    按照控制模式，程序控制盘可分为机械式和气动式。机械式程序控制盘采用机械式顺序控制阀，实现优先顺序充气，设备为纯机械结构设备，

 

    安装简单，基本无需维护。但是，机械式程序控制盘的结构限制了其压力调节及设置的便捷性，现场难以准确按照需要设置动作压力，流量也受制于结构。气动式程序控制盘则需要现场布线至控制箱（ 或柜） ,是机电一体化结合的智能化自控装置。气动式阀式程序控制盘参数设置及控制灵活，易于实现大流量设备的研制，便于对设备进行远程监控。对于CNG 常规加气站而言，机械式和气动式程序控制盘仅需选择其中一种。程序控制盘的小时流量依据压缩机小时排量Q 与1 500、2 000、2 500、3 000 m3 比较，向上取对应的参数。

 

    2. 6 储气设备

 

    按照储气系统结构形式的不同选型。常见的储气系统分为储气瓶组和地下储气井（ 简称储气井） .CNG 加气站需考虑压缩机频繁启停对易损

 

    件使用寿命的影响，储气系统建议高中低容积配比关系为1∶ 2∶ 3 或1∶ 1∶ 2.单独CNG 常规加气站储气设施的总容积不应超过30 m3.加油站和CNG 常规加气站的合建站CNG 储气设施总容积参考表1.

 

    表1 加油站和CNG 常规站合建的油罐和CNG 储罐容积

 

    储气瓶组具有不受地质结构影响，安装便捷，施工周期短，检测、维护方便等优点，储气瓶组一般设置3 ~ 6 只单瓶，生产厂家可直接按分组固定在一个支架上，占用场地一般约为5 ~ 7 m2,可露天放置。储气瓶组的整体结构坚固、刚性好，能更好地承受冲击载荷及地震波动，且容器数量少，接头少，管线尺寸大，流动阻力较小。储气瓶单瓶规

 

    格通常有0. 92、1. 13、1. 3、2 m3 水容积。

 

    CNG 储气井是竖向埋设于地下，且井筒与井壁间需用水泥浆进行全填充封固的CNG 管状储存设施，由井底装置、井筒、内置排液管、井口装置

 

    等构成。地下储气井因为埋设于地下，一定程度上安全性更高，但施工周期长，过程质量控制难，不合格风险难以管控，维修难度非常大。储气井单井规格通常为2、3、4、5 m3 水容积。

 

    2. 7 加气机

 

    根据日加气量确定加气枪数目N = Qd /2 500（ 单枪2 500 m3 /d） ,推荐选择双枪加气机。

 

    2. 8 控制系统

 

    CNG 常规加气站的控制系统由PLC 控制柜和动力拖动柜组成。控制系统通常根据压缩机个数来确定控制系统。PLC 控制柜和动力拖动柜必

 

    须与压缩机数量匹配，依据单台压缩机、双台压缩

 

    机或多台压缩机来选择控制系统的配置规格。

 

    对于使用方法特殊的（ 如一用一备） 需要额

 

    外配置，多台压缩机控制系统之间互锁，实现顺序

 

    启动，防止同时启动时对电网的冲击。

 

    2. 9 仪表风系统

 

    CNG 加气站仪表风系统和压缩机的所有气动装置都需要由仪表风来驱动。仪表风通常由空气压缩机提供的压缩空气和站内CNG 降压后得到的天然气两种，通常选用压缩空气。仪表风系统由空压机、干燥机、仪表管路系统等组成。

 

    空压机通常有活塞静音机、活塞机、螺杆机等不同种类的机型。空压机的配置需要依据系统设备的具体配置情况确定。干燥机常见的有冷冻干

 

    燥机、吸附式干燥机。干燥机根据站点环境对水露点要求的不同，可选择冷干机或吸干机。当建站地点环境的最低温度低于0℃时，需要选择吸干机； 当建站地点环境的最低温度高于0℃时，选择冷干机即可满足运行要求。仪表风系统通常配套配置1 台空压机、1 台干燥机，其总功率不超过5kW.

 

    3 结语

 

    本文针对CNG 常规加气站，以拟建加气站的日加气能力等参数为基础，根据国家相关标准要求和行业经验，给出了完整的CNG 常规加气站中

 

    重要设备的选型方法，包括调压计量、脱硫设备、脱水设备、压缩机、程序控制盘、储气设施、加气机、控制系统和仪表风系统等。可对CNG 加气站设备的合理选型提供参考。（2015.10.8）