中国土木工程学会城市燃气分会压缩天然气专业委员会暨第一次年会ＣＮｉＧ加气站设备选型优化探讨港华投资有限公司王传惠应援农摘要ｔ压缩天然气加气站设备的选型是关系到加气站能否高效安全运行的ｔ耍因素，通过客观分析加气站主要设备的经济、技术可靠性，从而对加气站主要工艺设备（主要是压缩机）的组合优他进行探讨。以期达至安全、经济、高效运行的目的。关键词ｔ压缩天然气；加气站；压缩机；水冷；风冷；润滑上可分两大类。一类是开放式结构，一类是橇装式结构。所谓开放式结构，是将加气站所有设备安装在厂房内，按照工艺流程用高低压管道和各种阀门将这些设备组装起来，形成一个开环工艺系统。用国产设备建成的加气站基本都是这种形式。它的设备空间较大，便于维修保养，但自动化程度低，基本上是手动操作或半自动运行。由于投资低，所以能压缩天然气（ＣＮＧ）是一种理想的车用替代能源，它具有成本低，效益高，无污染，使用安全便捷等特点，正日益显示出强大的发展潜力。近年来，随着国家不断推广燃气汽车，城市加气站的数量不断攀升。虽然加气站增长幅度喜人，但总体看来，国内燃气汽车加气站的发展尚处于初级阶段，在设计、建设和运行过程中也存在不少现实的问题。本文在满足加气站安全、经济和与城市环境配套的目标基础上，对ＣＮＧ；Ｎ气站的各个主要设备加以分析，以期提供一个安全、经济的优化选型方案。一．加气站结构型式选择纵观国内Ｙｌ，ＣＮＧ｝ＪＩ：Ｉ气站，从安装形式在国内得到比较广泛应用。所谓橇装式结构，是指将加气站主要设备，包括压缩机前天然气缓冲罐、过滤器、压缩机主机、空气冷却器、驱动机、储气瓶组、电控盘、优先顺序盘、仪表风系统等都尽可能的集成在一个成橇的底座上，形成一个可闭环控制的整体设备系统。国外加气站基本都是这种形式，如美吉公司、加拿大ＩＭＷ公司等都生产这种橇装式，便于运输和露天安装，可大大减少现场安装调试工作量，减少占地面积，并且由于整个橇装安放在一个封闭的适合露天使用的隔音罩内，降低了机组运转时的噪音，此外，机组的振动也得到了较好控制，但造价较高。一２７—中国・重庆从目前我国建成的加气站模式来看，新建加气站越来越多的采用橇装式结构。一般来讲，橇装式基本采用进口压缩机，开放式基本采用国产压缩机，如果单从设备投资来看，不同配置的进口压缩机价格比国产压缩机高约５０％一１００％左右，但从建站总投资来比较，橇装式并不比开放式高出很多，建站的综合费用相差不大，其原因是：１．压缩机台数少，国产压缩机维修量较大，考虑到运行的可靠性，选用国产压缩机时备用量较多；２．占地小，可节约征地费用，按国外橇装结构进行布置相比开放式进行布置，仅其占地面积就可节省２０％左右的征地费用；３．土建工程量小，用橇装式设备建站，压缩工艺区可布置于橇内；而用国产压缩机建站，需修建压缩机房及其他附属建筑，一般橇装式多采用进口设备，性能优良，工艺可靠度高，使用寿命长。因此，橇装式结构正在得到越来越广泛应用，已成为一个发展使用的方向。＝．加气站系统基本配置和方案比较（一）净化干燥系统在ＣＮＧ力Ｉ：］气站中，天然气的脱水设备必不可少，脱水深度至关重要，经脱水处理后的天然气水露点，应达到一５５℃以下才能满足天然气作为汽车燃料的要求，才能确保给汽车加气时售气机不发生冰堵以及气瓶积水等现象。目前，最常见的脱水设备有两种，一是低压脱水装置，该装置在压缩机前对低压天然气进行脱水处理；另一种是高压脱水装置，该装置在压缩机后对高压天然气进行脱水处理。现对两种方式的特点加以对比：（１）对压缩机的影响：低压脱水也称前置脱水，设备处于压缩机前端，故进入压缩机的气体是经处理的纯净干气，不会对压缩机造成磨损，从而延长压缩机的使用寿命，同时，由于气体中没有水份，故能有效提高压缩机的产气效率。而高压脱水处于压缩机的末端，未经精处理的湿气和杂质会造成压缩机阀件及活塞的过早磨损并降低产气量。（２）处理量和吸附周期：对于低压脱水装置，根据原料气的压力和含水量，其脱水吸附量为４～１５万立方米，对于日产量１万立方米的ＣＮＧ站来说，平均每周作一次再生，而高压脱水吸附量一般在Ｉ一１．５万立方米，平均一天多便需再生一次。（３）吸附剂寿命：低压脱水装置由于吸附周期长，相对高压脱水装置的再生次数少，同时，由于低压脱水装置位于压缩机的前端，故工作时不会被未分离干净的油分子造成污染，从而延长了吸附剂的使用寿命，降低了因更换吸附剂和停产给用户造成经济一２８—中国土木工程学会城市燃气分会压缩天然气专业委员会暨第一次年会损失，而高压脱水则与之相反。压缩系统是整个加气站的核心部分，（４）再生成本：低压脱水装置采用闭式主要包括缓冲器、压缩机和天然气冷却系循环再生工艺，利用系统内的余气循环加统、压缩机组润滑系统等。我们将重点逐一热、换热、分离，完成吸附剂的再生，同时加以论述。采用内置式电炉加热不会造成热量损失，也１、缓冲器和分离器配置缩短了再生时间。高压脱水装置利用高压气ＣＮＧ压缩机各级配置吸排气缓；中器，降压，外置电炉作再生，能耗和热损较大。对于改善气阀工作条件、减轻气流压力脉（５）运行成本及维修：更换低压脱水装动，消减管线振动作用明显，也有助于降低置的球阀和密封件远比更换高压密封件容功率消耗。而各级冷却器之后的分离器，则易，而且材料价格也较低。能将可能凝聚的多碳组分、水份、过量的润（６）处理效果：低压脱水处理天然气易滑油分离出来，利于压缩机的正常运行，这受天然气气质的影响，若来气含水量不稳是积累多年的经验，并付了不少“学费”才定，会影响脱水效果，同时，由于天然气经得出的结论。压缩机压缩后（特别是国产压缩机）有时会带２、压缩机选型出一些杂质，影响加气车辆用气质量，而高压缩机是压缩系统也是加气站的心压脱水是在压缩机后进行处理，处理后的天脏，因此在选择ＣＮＧ压缩机时，必须准确理然气不会再受二次污染，使车用气质量稳解对压缩机的适用性要求。即：压缩机吸气定。压力与站的天然气管道压力匹配，排气压力根据以上对比情况，在选择脱水方式为２５ＭＰａ，供气量与站的加气能力一致。同时，一定要从整体考虑，建议在使用进１３压时，压缩机的噪声、振动，除了应符合我国缩机且来气质量较稳定时，采用低压脱水方机械行业标准ＪＢ／Ｔ１０２９８—２００１《汽车加气式；在使用国产压缩机时，或来气质量不太站用天然气压缩机》规定外，还需符合有关稳定时采用高压脱水方式。近年来，从目前标准、规范对站所在地的噪声限值要求。国内外实际应用来看，前置处理的方式逐步２．１压缩机结构型式和结构参数选择成为一种趋势，这样可保护加气站的核心设不同结构型式、结构参数的压缩机，备…压缩机不会受到腐蚀和损坏。毖然存在差异，并在一定前提条件下有着相（二）压缩系统对的优缺点，其优劣不是绝对的，因此要紧—－２９—中国・重庆密结合其性能参数来分析。对称平衡型ＣＮＧ压缩机，当其设计、制造不良时，振动可能大于其他结构型式；而在技术处理优秀时，不但振动最小，其占地面积也可能小于其他结构型式，高水准的角度式ＣＮＧ压缩机兼收振动小和制造成本低之利，立式ＣＮＧ压缩机气缸／活塞环／填料／活塞杆工作条件的优势，又为其他结构型式所不及。因此，可对平衡型、Ｌ型、Ｗ型、Ｖ型、立式等结构型式和活塞力、转速、行程、各级气缸直径等结构参数进行优选，查实性能参数、噪声和振动，以选择达标的压缩机。当然，压缩机的结构型式与结构参数，只是实现目标的技术手段、途径，所以切忌舍本逐末，将原是技术手段或途径的结构型式、结构参数中的某几项作为选择采购的必要条件，如限定为某种结构型式、规定转速不得低于（高于）若干等等。２．２压缩机进气压力参数选择近几年来，随着城区常规站的大量增加，我们应该对加气站进气压力变化这一影响因素引起重视。这是因为适于建站的城市天然气管网压力差别较大，而且城区天然气管网往往把居民用气和加气站用气融汇为一，导致同一地区不同时间区段的压力波动也比较大，居民三餐和洗浴用气高峰，必然使加气站进气压力陡降，压缩机吸气压力的降低，既减少了供气量，又因压力比升高（排气压力２５ＭＰａ不变）而使排气温度升高，久而久之就对压缩机造成损害。因此在压缩机选型时应注意，应尽量选择入口压力范围宽，适应能力强的压缩机，这样可以避免由于管网压力高而降压所造成资源的浪费，或者由于管网压力长期过低，造成的压缩机的工作效率低下甚至损坏。事实上，一些优秀的ＣＮＧ压缩机，无需改动任何零件，都能在设计给定的进气压力区间都正常工作（当然应注意电动机功率匹配），而且能适应进站管网压力在一定范围内的波动，以及管网压力一定程度的衰减。另外，对于可预见的管网压力衰减，宜在站的初始设计阶段便告知设计院做好选型，以减少或避免进站管网压力远低于压缩机额定进气压力，而无法启动的状况。２．３压缩机排气量参数选择加气站压缩机的排气量应该与所建ＣＮＧ站需求的加气量基本匹配，不宜过大也不宜过小。这就像ＣＮＧ汽车选择２０ＭＰａ压力作为气瓶储气压力一样的道理，为什么不选用更高压力呢？更高压力不是在气瓶中可以储存更多的天然气吗？这是综合考虑到车用气瓶的容积／重量比以及降Ｉ＂Ｌ王ＣＮＧ／ｊＤ气站运行成本所确定的优化结果。同样，对于一座高效率运行的加气站，气量过小无法满足一３Ｄ一中国土木工程学会城市燃气分会压缩天然气专业委员会暨第一次年会加气车辆需求，气量过大则会造成机组频繁优点：对气缸和活塞要求不高；可利停机、起动，对压缩机设备及其他相关设备用气缸润滑油带走部分磨擦热量，保证压缩造成不必要的损害，还会影响电网中的其他机工作在可靠程度范围内；有油润滑技术难用户。因此，在投资建站之前一定要仔细分度小，安全可靠，同时可以减少磨擦功耗。析站的容量，开工不足的大排量压缩机在运缺点：必须在排气口安装昂贵的油分行成本上无疑会超出小排量机组，导致浪离器；机组体积较大，成本上升；润滑系统费。在电力增容、电费、易损易耗件等方面复杂、维修工作量大；耗油量大；从气缸带的成本也会大大增加。依据经验，我们认为出的润滑油可能使后置处理的干燥物质污染常规站选择６００～６５０ｍ３／ｈ的压缩机是最佳失效。方案，有一些进气压力较低的地区选择同样Ｂ、无油润滑功率的压缩机组也能达至ＪＪ５００ｍ３／ｈ以上的排优点：不需要安装昂贵的油分离器；气量，已经足够满足４辆汽车（亦即４台单加节省了费用和机器空间；耗油量低；润滑系气机或两台双加气机）同时加气，而更多统简化；维护工作量降低。的情况下小于６００～６５０ｍ３／ｈ的压缩机也足缺点：对气缸特别是活塞材质要求极以满足加气需求，不必盲目追求压缩机大排高，成本上升。量。对于臼处理量１０万立方米、１６ｈ工作的Ｃ、少油润滑加气母站，考虑到加气站实际处理气量和车少油润滑的优点介于有油和无油润滑辆、转运车等综合因素，目前比较合理的排之间。它是通过一个专门机构，定时定量地气量选择应该２５００—４５００ｍ３／ｈ，配置两台将润滑油供给每一个气缸。即能保证气缸润压缩机为宜。滑需要，又可将润滑油消耗量控制到最小。选择何种润滑方式，从技术角度来２．４压缩机润滑系统看，毋庸置疑，无油润滑对气体的油污染是压缩机润滑系统，包括曲轴、气缸润最小的，因为压缩机组除油器只能过滤直径活塞杆、连杆轴套，以及十字头等处的干大于ｌｍｍ的油雾滴，不可能除尽气体中的全滑。其中气缸润滑方式可分为有油润滑，部油雾。在国外，ＣＮＧ压缩机多设计成无油油润滑和少油润滑三种。润滑方式，即压缩机活塞环和活塞杆填料环Ａ、有油润滑采用自润滑材料，从而避免了有油润滑方式一３１—中国・重庆的许多弊端。同时我们也看到，对于少油润滑，由于其技术较为成熟（如美国艾里尔（ＡＲＩＥＬ）公司生产的压缩机就采用了这种润滑方式），该方式通过采用注油器少量注油润滑，后置高效除油器，也可保证压缩气体含油量不超过１０ＰＰｍ（国外大多数国家的用户对气体含油量要求不超过１１３—２．５压缩机及天然气冷却系统压缩机及天然气冷却系统包括压缩机气缸、传动部分润滑油及压缩后的高温高压气体的冷却，对其选择水冷、风冷还是混冷，不同地区的厂家和企业最为关注，也是争论最为激烈的。客观地讲，冷却方式对于压缩机而言不存在技术上的先进性差异，我们更关注的应该是哪种方式更适用。在国外，ＣＮＧ压缩机发展已有７０多年历史，从最初的水冷、风冷两种冷却方式并存，演化到现今的绝大多数为混冷。我们分别进行分析：１．对于气缸的冷却而言，根据对其各自特点比较（见下表），我们认为采用水冷效果较好，且采用闭式循环水冷。这样。冷却水基本不存在蒸发与损耗，也不存在浓缩的问题，沉淀无法析出，水垢也就无法产生，而且可以改循环水为防冻冷却液，以适５ＰＰｍ，而国内有关ＣＮＧ站的法规、标准中尚未对天然气中的含油量指标做出限定），并可有效延长易损件（填料、活塞环等）的更换期，提高压缩机了可靠性，选择此种方式也不失为一种明智选择，但客观地讲，无论采用何种气缸润滑方式，在ＣＮＧ压缩机之后设置液气分离器和高效滤油器都是必要的。同时，在后期运行中，应坚持选择高可靠性易损件理念，延长机组的进排气阀、活塞环的等的更＼换周期，从而使压缩机系统稳定可靠运行。气缸冷却方式对比冷却方式优点缺点闭式循环水冷１．冷却效果好，气缸壁工作温度低２．降低压缩机对高温环境的敏感度，确保高可靠性，高效率３．减轻冷却器的热负荷，减少其体积１．气缸结构复杂２．增加一套冷却水循环系统１．气缸结构简单气缸无散热翅片的风冷２．无须对气缸套清洗水垢３．无须冷却冷却水循环系统１．气缸工作温度最高对材料要求高２．冷却效果好坏完全取决于冷却器３．同样进排气条件下冷却体积最大１．气缸结构比较简单气缸有散热翅片的风冷２．冷却风扇可以同时对气缸和冷却器进行冷却，冷却效果好气缸有散热翅片使得铸造工艺复杂一３２—中国土木工程学会城市燃气分会压缩天然气专业委员会暨第一次年会应我国冬季气温严寒的北方地区。２．对于压缩后的高压气体及冷却液，若实施水冷则需增加一套水系统，不仅水的二次换热效率低，还要配齐相关的设备，其购置费、运行费较高，且占地面积较大，目前已经基本不被采用；而风冷由于具有在全天候地域运行的强适应性，同时也免除了水冷机组结垢、腐蚀、增加运行成本等的不足，从换热效率、能量节省及设备购置与运行费用诸角度讲，拥有明显优势，故而多采用风冷。因此，从整个压缩机及天然气冷却系统来说，采用混冷系统较为经济合理，即压缩机气缸的冷却、压缩机传动部分润滑油及压缩后的高温高压气体的冷却采用冷却液封闭循环冷却方式，而冷却气缸和润滑油的冷却液的冷却采用风冷的方式，混冷压缩机组空气冷却器橇装于压缩机橇上，风机采用专门设计的低噪声风机，冷却管采用高效冷却管，以确保冷却效果，这种方式气体直接与空气换热，气缸与水进行换热，热交换效率较高，而且使机组结构紧凑减少占地面积，简化了建站设计，特别适合于我们北方地区及ＣＮＧ站场用地紧张的地方使用。三．控制系统Ｖ装置以避免压缩机频繁启动，及在需要进行充气时提供气源，而这一般都是通过优先，顺序控制盘的控制来实现的，它能达到高效充气和快速加气的目的。优先／Ｊｌｌ页序控制盘控制流程通常如下：在储气瓶组压力不能给汽车充满的情况下，来自于天然气压缩机的压缩气体会直接给汽车加气；如果此时没有汽车需要加气，那么来自于天然气压缩机的压缩气体则分别给高压、中压、低压储气瓶供气，给这三组储气瓶（加气站通常设为高、中、低三组储气瓶）充气时，也遵循“优先给高压组充满、再给中压组充满、最后才给低压组充满”的原则，而在对汽车加气时，则遵循“先用低压组，再用中压组，最后才用高压组给汽车充气”一一快充的原则，这种工作方式的优点是可以保证储气瓶组充气最多，提高储气瓶的利用率，也可以使对汽车的加气速度最快。２、加气站设备控制系统加气站设备控制系统的功能是控制加气站设备（压缩机、脱水装置、售气机、优先，Ｊｌ顷序盘）的正常运转和对有关设备的运行参数进行监控并在设备发生故障时自动报警或停机。完整的加气站控制系统对于加气站的正常运行非常重要。一个自动化程度高，功能完善的控制系统可以极大地提高加气站１、储气和售气控制系统天然气汽车加气站都需要设有一储气一３３＿一中国・重庆的工作效率，保证加气站安全、可靠地运低运行控制成本，提高安全性。行。目前，国外加气站设备的控制系统多采四．结论用ＰＬＣ（可编程逻辑控制器）。通常启动程序ＣＮＧｔＪＩ：Ｉ气站主要工艺设备选型时，不如下：当机组得到运行的命令信号后，压缩单要比较设备本身的价格，还要综台评价其空气将进入机油预润滑气缸，气缸把润滑油技术可靠性、合理性和适应性，做到全面和压到压缩机的油道里，使压缩机体得到润准确，选择一个经过技术经济比较的最优方滑。在预润滑循环完成以后，机组进气阀打案，以确保加气站在今后安全稳定经济的运开，电动机开始启动，机组温度开始升高。行。电动机启动以后，启动定时停止并重新设定，净化定时器开始工作，同时所有过载停机定时器开始工作。当机组温度升到额定点参考文献。后，排气阀打开、旁通阀关闭，机组开始向１）柳华朱丹（（ＣＮＧ］！Ｊｌ气站高低压脱水储罐输进气体。装置的比较》《四川建筑》第２３卷１期机组常规停机程序如下：当机组得到２００３．２停机命令信号后（通常为检测的温度、压力异常的反馈信号），电动机立刻停止运转，２）袁亮（（浅析压缩机选型对ＣＮＧｔｊｌ气进气阀和排气阀均关闭，旁通阀打开，控制站建站投资的影响》《城市燃气》２００６／２盘上显示停机信号。３）高其烈《关于ＣＮＧ压缩机与关联装这种控制方式可靠性高，能实现设备备之浅见》《ＧＭ通用机械》２００５年第四期的全自动化操作，也可远传到值班室实现无４）《车用燃气与加气站建设》上海人看守，在保证设备操作可靠性的同时，大市石油学会编大减轻了操作工人的工作量和劳动强度，降一３４—一
