天然气组分和来源

第一章天然气根本知识天然气组分和来源天然气是指地下多孔地质构造中发现的自然形成的烃类气体和蒸气的混合气体，有时也含有一些杂质，主要组分是低分子烷烃。天然气一般可分为四种：从气田开采的气田气或称纯天然气；伴随石油一起开采出来的石油气，也称石油伴生气，含石油轻质镏分的凝析气田气以及从井下煤层抽出的矿井气。气田气组分以甲烷为主，也含少量的CO2、H2S、N2和微量的惰性气体，详见表l一2。我国四川、海南等地的天然气属于这一类，其中甲烷含量一般不少于90％，发热值为34800～36000kJ／m3。天津、大庆等地使用的天然气是伴生气，甲烷含量约为80％，其他烷烃占15％，热值较高，大约为41900kJ／m3。气田气除含有大量甲烷外，还含有2％～5％戊烷及戊烷以上的烃类，热值更高。矿井气的主要可燃成分是甲烷，其含量视抽气方式不同而变化，热值一般较低。抚顺、鹤壁等矿区使用这种矿井气多年。天然气可以压缩或液化，在25MPa压缩状态下的天然气体积接近标准状态下的1／300。液态天然气的体积为标准状态时体积的1／625，有利于储存和用车辆或船舶远途输送，使不生产天然气的地区也能使用到天然气。根据天然气的组成既可将天然气分为干气、湿气、贫气和富气，又可分为酸性天然气和洁气。结合我国情况，参考国外资料，其定义如下。表l一2各种天然气成分产地CH4C3H6C3H8C4HCmHmH2H2SCO2N2四川气田天然气--四川油田天然气---大庆天然气---干气：每1m3。(压力为O.1MPa、温度为20C的状态)井口流出物中，C5以上重烃液体含量低于13.5cm3的天然气。湿气：每1m3井口流出物中，C5以上重烃液体含量超过13.5cm3的天然气．一般湿气需别离出液态烃产品和水分后才能进一步加工利用。富气：每1m3井口流出物中，C3以上烃类液体含量超过94cm3的天然气。贫气：每lm3井口流出物中，C3以上烃类液体含量低于94cm3的天然气。酸性天然气：含有显著H2S和CO2等酸性气体，需进行净化处理才能到达管输标准的天然气。洁气：H2S和C02含量甚微，不需进行净化处理的天然气。第二节天燃气的物理性质一、密度和相对密度燃气的生产储存和使用，包括有液态和气态及其相互的变化，所以密度和相对密度包括气体和液体两种状态。液体的密度是指单位体积内液体的质量。液体的相对密度是指在同一温度压力条件下，液体与同体积水的密度之比。气体的密度是指单位体积内气体的质量。在压力不变的情况下，气体的密度随温度升高而减少。气体的相对密度是指在同一温度压力条件下，气体与同体积的空气的质量比。标准状态是指OC和大气压为101325Pa(1标准大气压)时的状态。一些碳氢化合物密度见表l一3。表l一3一些碳氢化合物在标准状态下的密度甲烷丙烷正丁烷异丁烷乙烯丙烯丁烯气态Kg/m3液态Kg/L气态Kg/m3液态Kg/L气态Kg/m3液态Kg/L气态Kg/m3液态Kg/L液态Kg/L液态Kg/L1．气体的密度、比容、相对密度气体的密度是指单位体积内气体的质量。压力不变的情况下，气体的密度随温度升高而减少。密度习惯上采用的符号ρ，比容采用的符号ν。混合气体的密度计算公式如下：式中：P——混合气体的密度(kg／m3。)；Pi——混合气体各组分在标准状态下的密度(kg／m3。)；Vi——混合气体各体积绀分(％)。比容是指单位质量的物质所占的体积，单位是(m3／kg)。它与密度互为倒数，即V=1/P。气体的相对密度是指在温度压力相同条件下，气体与同体积空气的质量比。即S=P/1.293式中S——混合气体的相对密度；1.293——标准状态下空气的密度(k/m3)。几种燃气的平均密度和相对密度见表1—4。表1—4燃气的平均密度和相对密度燃气种类天然气液化石油气平均密度〔kg/m3〕5相对密度液化石油气气态的相对密度在1.5～2之间，因此，一旦液化石油气沉着器或管道中泄漏出来，不像相对密度值小的可燃气体那样容易挥发和扩散，而像水一样往低处流动和滞存，很容易到达爆炸浓度，如遇着明火就会发生爆炸或燃烧。因此，用户在平安使用中必须充分注意。2．液体的密度、相对密度混合液体的密度计算公式如下：式中P——混合液体的密度(kg／L)；Pi——混合液体各组分的密度(kg／L)；Vi——混合液体各组分的容积成分(％)；gi——混合液体各组分的质量成分(％)。混合液体的相对密度是相对于水而言(见表1—5)，而4℃时水的密度为1kg／L，故液体的相对密度与平均密度数值相等。在常温下，液态液化石油气的平均密度是0.5～0.6,，约为水的一半，故水分和杂质处于液化石油气容器的底部，排污阀应装罐底。表l一5液化石油气液态各组分相对密度温度〔℃〕丙烯丙烷正丁烷异丁烷丁烯-1-20-1001020二、颜色、气味和毒性液化石油气是一种无色、无味的物质，其在常温常压下以气态存在，在加压情况下液化，便于储存和运输。液化石油气中含少量的硫化物。由于硫化物的存在，使液化石油气带有一种类似滴滴涕的刺鼻的臭味，对人体有一定的毒害作用，但人们可以凭借这种气味用以判断是否有液化石油气泄漏。液化石油气无毒，但在空气中浓度较高时，对人的中枢神经有麻醉作用。三、沸点和露点当液体温度升高时，液体的蒸气压也随之逐渐升高，直至其蒸气压力与外界压力相等，这时继续加热将使液体内部汽化，这种现象叫沸腾，沸腾时的温度称为沸点。通常说的沸点是指蒸气压力为101325Pa时的饱和液体沸腾时的温度。某些碳氢化合物的沸点见表1—6。表l一6某些碳氢化台物的沸点碳氢化合物名称甲烷丙烷正丁烷异丁烷丙烯丁烯-1顺丁烯-2反丁烯-2异丁烯沸点〔C〕沸点温度与液体种类和外界压力有关。压力增高，沸点上升。由于C4的平均沸点为0℃左右，在冬季就可能会不能汽化，从而打不着火。由于室内温度大于C4的平均沸点，在室外使用钢瓶打不着火时，可将其放到室内片刻，当钢瓶温度接近室温时，瓶内液化石油气就可以导出，再点火就不困难了。在压力不变的条件下，未饱和气体冷却到饱和状态时的温度称为露点温度。因此，气态碳氢化合物的露点温度就是给定压力下到达饱和状态时的饱和温度，对同种碳氢化合物，其压力增大，露点温度也升高。当用管道输送气体碳氢化合物时，必须保持其温度在露点以上，以防凝结，阻碍输气。四、比热容和汽化潜热(一)比热容比热容是指单位数量的某物质在温度变化lC时所吸收(或放出)的热量。液化石油气有气态和液态之分，其比热容也就不同。表1-7为某些碳氢化合物在25C时的比热。表l一7某些碳氢化合物的比热容碳氢化合物名称甲烷丙烷丁烷液态气态(25C液态气态(25C)液态气态(25C)比热〔kj/(kg·K)(二)汽化潜热液体沸腾时，1kg饱和液体变成同温度的饱和蒸气所吸收的热量称为汽化潜热。该过程只有相变，而温度不发生变化。汽化潜热这一特性与平安生产和平安使用的关系很密切(见表l-8)。液化石油气的主要成分的沸点都很低。即在0C以下时液化石油气就到达它的沸点。因此液态液化石油气泄漏出来时，其压力降至常压，迅速吸收周围空气及容器的热量，把空气中的水分凝结成霜，形成白雾。倘假设液态液化石油气沾至皮肤，那么会迅速吸收人体的大量热量造成冻伤。因此，操作人员必须戴皮手套加以保护以防止皮肤冻伤。表1—8某些碳氢化合物的汽化潜热碳氢化合物名称甲烷丙烷正丁烷异丁烷丙烯丁烯-1顺丁烯-2反丁烯-2异丁烯汽化潜热(J/kg)510000422584383254366100439320390786415800405430394133(三)燃气的热值lm3燃气完全燃烧所放出的热量称为燃气的热值，单位为kJ／m3，对于液化石油气，热值单位也可用kJ／kg。热值可分为高热值和低热值。高热值是指1m3。燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气为凝结水状态排出时所放出的热量。低热值是指lm3。燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸气状态时所放出的热量。高、低热值数值之差为生成水蒸气的冷凝热。1．混合气体比热容的计算体积组分时，C=VlCl+V2C2+…+VmCm质量组分时，C=g1C1+g2C2+…+gmCm式中C——混合气体的容积比热容，单位J／(m3·C)；C——混合气体的质量比热容，单位J／(kg·K)；C1，C2…Cm——混合气体各组分容积比热容，单位J／(m3·C)；C1，C2…Cm——混合气体各组分质量比热容，单位J／(kg·K)V1，V2…Vm——混合气体各体积组分；g1，g2…gm——混合气体各质量组分。2．混合液体比热容的计算混合液体比热容可按下式计算：C=g1C1+g2C2+…+gmCm：式中C——混合液体的质量比热容J／(kg·K)；g1，g2…gm——混合液体各质量组分；C1，C2…Cm——混合液体各组分质量比热容J／(kg·C)。3．混合液体汽化潜热的计算混合液体的汽化潜热可用下式计算：R=g1r1+g2r2+…+gmrm式中r——混合液体的汽化潜热(J／kg)；g1，g2…gm——混合液体各质量组分；r1r2rm——混合液体各组分的汽化潜热(J／kg)。五、体积膨胀系数绝大多数物体都具有热胀冷缩的性质。所谓体积膨胀系数，就是指温度每升高1C，液体增加的体积与原来体积的比值。液化石油气体积膨胀系数比水大得多，约相当水的10至16倍，且随温度升高而增大。据计算，家用液化气钢瓶在满液情况下，温度每升高1C，压力就会上升2～3MPa(20至30大气压)，不难推知，只要温升3C、至5C，内压就会超过普通钢瓶8MPa的实际胀裂限度。因此-液化石油气的充装作业，必须限制装载量，不能全部充满液态液化气。六、饱和蒸气压一定温度下的液体置于密闭容器中，当单位时间由液态变为气态的分子数目与由气态变为液态的分子数目相等时，气液两相处于动态平衡状态，此时饱和蒸气所呈现的压力称为饱和蒸气压。饱和蒸气压的大小与液体的种类、温度的上下有关。碳氢化合物的蒸气压随温度升高而增大。一定液体的饱和蒸气压与容积大小及液量多少无关，只取决于温度。某些烃类的饱和蒸气压与温度的关系，见表1—9。表1-9某些烃类的饱和蒸气压单位(MPa)温度℃丙烷丙烯异丁烯正丁烷丁烯-1丁烯-2异丁烯-40——-30——-20——-15-10-505101520300.3454050七、临界状态任何气体在温度低于某一数值时都可以等温压缩成液态，但当高于该温度时，无论压力增加到多大，都不能使气体液化，可以使气体压缩成液态的这个极限温度称为气体临界温度。当温度等于临界温度时，使气体压缩成液体所需的压力称为临界压力，此时的状态称为临界状态。其实，临界状态是饱和状态的一个特殊情况——极端情况：处于密封容器中的气液共存物质，在温度不断升高时，由于原来的饱和状态不断被打破，液相分子不断溢出液面，同时，由于液十H受热会膨胀，所占体积增大，因而使液相密度ID*会不断减少，而气相密度那么会相应增大。当温度升到一定值时，P帻一ID气，此时气液界面消失，气液不分，处于一个模糊状态，即临界状态。临界状态时的温度、密度、压力均为常数，与容器的形状、大小无关。气体的临界温度越高，越易液化。天然气主要成分甲烷临界温度低，故较难液化。而液化石油气的主要成分c。、C。临界温度较高，故较易液化，便于储存和运输燃气的临界温度和压力见表1一l0。表1-10液化石油气和天然气的临界压力和临界温度性质液化石油气天然气丙烷丁烷甲烷临罚压力〔MPa〕临罚温度〔℃〕第三节燃气的燃烧特性一、燃烧及其条件、形式和种类(一)燃烧可燃物与助燃物作用发生的放热反响，通常伴有火焰、发光和(或)发烟现象，称为燃烧。任何物质要发生燃烧，都必须具备三个必要的条件：可燃物、助燃物和点火源。也就是说，只有在上述三个条件同时具备的情况下才能发生燃烧。(1)可燃物：但凡能与空气中的氧气或其他氧化剂起化学反响的物质称可燃物，如木材、氢气、煤炭、汽油、酒精、纸张等。(2)助燃物：能帮助和支持可燃物燃烧的物质，即能与可燃物发生氧化反响的物质称为助燃物。如空气、氧气、氯气及其他一些氧化剂，空气到处都有。一般来说，这个燃烧条件是难以控制的。(3)点火源：是指供给可燃物与助燃物发生燃烧反响的能量来源。一般分直接火源和间接火源两大类。直接火源主要有明火(如生产、生活中的炉火、灯火、焊接火、撞击火星、摩擦打火等)、电弧、电火花、瞬间高压放电的雷击；间接火源主要有高温发热、自燃起火。可燃物、助燃物和点火源是构成燃烧的三个要素，缺少其中任何一个要素，燃烧便不能发生。对于已经进行着的燃烧，假设消除可燃物或助燃物其中任何一个条件，燃烧便会终止，这就是灭火的根本原理。(二)燃烧过程大多数可燃物质的燃烧是在其挥发出蒸气或气体状态下进行的，由于可燃物的状态不同，其燃烧特点也不同。气体最容易燃烧，只要到达其本身氧化条件所需的热量便能迅速燃烧，在极短的时间内全部烧光。天然气和液化石油气中的所有组分，在常温常压下均是气态，在空间传播迅速，所以非常容易燃烧，甚至能形成爆炸。可燃液体燃烧不是液体本身燃烧。首先是液体蒸发汽化，然后在火源作用下，蒸气氧化分解进行燃烧，燃烧又加速了汽化。由于液体燃烧在火源、升温、汽化等过程的准备阶段，要消耗时问和热量，时间长。值得指出的是液化石油气中C。、C．组分的沸点都很低，因此，液化石油气液体假设泄漏出来，虽然为液态，但其汽化却十分迅速，燃烧和爆炸的危险性很大。固体燃烧，如果可燃物是简单物质，如硫、磷等，受热时首先融化，然后蒸发、燃烧，没有分解过程；如果是复杂的物质，其固体燃烧相对液体、气体较为困难，燃烧速度较为缓慢。(三)燃烧形式根据气体的燃烧条件，可分为扩散燃烧和混合燃烧两种形式，在混合燃烧中又可细分为局部预混燃烧和完全混合燃烧。可燃气体不预先和空气混合，从管中喷出后与周围空气接触，其气体分子一边扩散，一边与氧分子混合，一边燃烧，燃烧反响在两种物质的界面带层进行，该种形式的燃烧叫做扩散燃烧。蜡烛的火焰形态，就是这种形式。将可燃气体预先与燃烧所需的局部空气混合，然后从火孔流出燃烧，这种燃烧过程叫做局部预混燃烧，这种燃烧方式的火焰温度和燃烧完全程度都高于扩散燃烧。家用灶具多采用这种燃烧方式，所谓完全混合燃烧，即将可燃气体与燃烧所需的全部空气相混合，然后从火孔流出燃烧。由于预假冒分，燃烧十分迅速，几乎看不到火焰。这种燃烧方式反响完全，且能获得高温。完全预混燃烧的灶具，必须保证气流的喷出速度大于火焰的传播速度，否那么十分危险。(四)闪燃和闪点可燃液体外表的蒸气与空气混合，形成混合可燃气体，遇火源即发生燃烧。形成挥发性混合气体的最低燃烧温度称为闪点，在闪点时所发生的燃烧只出现瞬问火苗和火光，这种现象称为闪燃，闪燃燃烧是不连续的。液化石油气的闪点都是非常低的，其数值见表1—11。液体在闪点温度以上到达燃点时，因液体蒸发速度加快，可燃气体的数量增加，能够维持连续稳定的燃烧。因此，闪燃是液体发生火险的信号，是着火的前奏。闪点是评价液体火灾危险性的重要指标。表1-11液化石油气主要成分闪点成份丙烷丙烯丁烷丁烯闪点〔℃〕-104-108-80(五)自燃和自燃点自燃是物质自发的着火燃烧，通常是由缓慢的氧化作用或本身温度或介质温度而引起的。即物质在无外界火源的条件下，在一定温度下自行发热，散热受到阻碍而积蓄，逐渐到达自{妻}状态而致。自燃一般分为受热自燃和本身自燃。(1)受热自燃：在没有外部火花、火焰的条件下，可燃物质受外界热源作用自行燃烧现霖称为受热自燃。可燃物质发生自行燃烧的最低温度称为自燃点。(2)本身自燃：可燃物质在没有外来热源影响下，由于物质内部所发生的化学、物理或生化过程而产生热量．这些热量在适当条件下，会逐渐积聚，使物质温度上升，到达自燃点而燃烧，这种现象称为本身燃烧。液化石油气中的硫化物能同储罐内壁或钢瓶内壁发生化学变化，生成硫化铁及硫化亚铁．这些物质也是十分危险的可燃烧物。如果容器或设备未充分冷却即敞开，那么这些物质与空气接触，便能自燃。如果罐内仍有可燃气体存在，那么能形成火灾事故，甚至引起储罐、钢瓶爆炸。液化石油气和天然气的自燃点见表1—12。表l—12液化石油气和天然气的自燃点名称液化石油气天然气丙烷丁烷甲烷自燃点〔常压下〕〔〕466430537(六)辛烷值辛烷值是燃料抗爆性的标志，它表示燃料在发动机内燃烧时不发生爆震的能力。爆震是汽油机的一种不正常燃烧，它能产生高频震动和噪声。爆燃可引起功率下降，油耗增加，持久的爆燃会损坏机件。辛烷值是指与汽油抗爆性相同的标准燃料所含异辛烷的体积分数。如辛烷值70的汽油，表示其抗震性等于70％的异辛烷和30％的正庚烷组成的标准燃料的抗爆性。辛烷值越高表示抗爆性越好。天然气的主要成分是甲烷，甲烷的辛烷值为130，液化石油气的辛烷值在100～110之间，以上两者都较汽油有更高的辛烷值，即抗爆性能较汽油高。二、热值、燃烧温度及燃烧产物1．热值热值是指单位重量或单位体积的可燃物质，在完全烧尽生成最简单最稳定化合物时所放出的热量(见表1—13)。热值又分高热值和低热值。它们之问的区别在于高热值记人生成的水的冷凝热，如不计算这局部冷凝热，那么为低热值。表l—13各种碳氢化合物的热值名称气态发热值高热值低热值104kJ/kg104kJ/kg104kJ/kg104kJ/kg甲烷乙烷丙烷正丁烷羿丁烷名称液态发热值高热值低热值甲烷----乙烷丙烷正丁烷羿丁烷2．燃烧温度燃烧温度实质上是火焰温度。因为可燃物质燃烧所产生的热量是在火焰燃烧区内放出的，热量完全被燃烧生成物所携带，因而火焰温度也就是燃烧温度(见表1～14)。表l—14液化石油气和天然气等可燃物质的理论燃烧温度工程液化石油天然气汽油煤油烂烧温度(C)212020201200700-10303．燃烧产物液化石油气和天然气(含少量杂质)完全燃烧时产生二氧化碳(CO)2)和二氧化硫(SO2)等，当不完全燃烧时还会产生大量的一氧化碳(CO))。CO是一种无色气体，比空气略轻，有强烈的毒性。当空气中含有10％的CO时，在l～2min内可造成人的中毒死亡。完全燃烧时产生的CO2。也是～种无色气体，比空气重，不燃烧，不助燃，不导电，有轻度毒性。但燃烧产物中CO2：中含量高时，使人窒息。SO2比空气重，具有毒性，对眼膜和呼吸道有刺激性，当空气中含量为0.05％时，短时间内便可造成人的生命危险。由上述介绍可知，液化石油气、天然气及杂质的燃烧产物对人体都有一定的危害，因此，用户使用燃具的空间，必须具有良好的通风条件，以使燃烧产物能及时排除。4．燃烧产物与灭火工作的关系燃气燃烧产物对灭火工作既有不利的一面，也有有利的一面。燃烧产物在一定的条件下，有阻燃作用。根据燃烧产物的颜色和气味可以判断是什么物质燃烧，有利于采取正确的灭火措施，根据燃烧产物烟雾温度、浓度和流动方向可以判断燃烧速度和蔓延方向。在一定的条件下，燃烧产物阻碍灭火人员行动，有使灭火人员窒息中毒的危险，燃烧产物烟雾会影响视线，阻碍消防工作，而很多燃烧产物有造成新的火源和促进火势开展的危险。三、爆炸及爆炸极限1．爆炸物质自一种状态骤然转变到另一种状态，并在释放出大量能量的瞬间产生巨大声响及亮光的现象称为爆炸。迅速韵燃烧(约万分之几秒)以后和巨大数量燃烧产物的形成，包括能量释放及产物膨胀在内的剧烈的物理化学行为是燃烧爆炸，亦称爆炸。爆炸也包括气体或蒸气在瞬间膨胀的现象。爆炸可分为物理性爆炸和化学性爆炸。物理性爆炸：这种爆炸是由物理因素引起的，物质因状态或压力发生突变而强力崩裂的爆炸称为物理爆炸。如：液化气体超压引起的爆炸。物理性爆炸前后物质的性质及化学成分均不改变。当液化石油气容器充装过满或温度过高，均可能导致容器超压，引起爆炸。化学性爆炸：物质发生极迅速的化学反响，产生高温高压而引起的爆炸称为化学性爆炸。化学性爆炸前后物质的性质和成分发生了根本的变化。天然气和液化石油气的爆炸一般属于气体混合物爆炸。天然气和液化石油气气体与空气混合，到达一定浓度时，遇着火源即能发生爆炸燃烧。密闭容器内的爆炸，非常危险。爆炸时，容器裂成碎片四处飞射，有很强的破坏力，情同炸弹。这类事故有可能是因气瓶超压，或因为容器内存有燃气，空气进入，充分扩散混合形成爆炸条件。2．爆炸极限可燃性气体或蒸气与空气组成的混合物，并不是在任何比例下都可以燃烧或爆炸，而是具有严格的数量比例。可燃气体或蒸气与空气的混合物遇着火源能够发生爆炸燃烧的浓度范围称爆炸浓度极限。爆炸燃烧的最低浓度称为爆炸浓度下限，最高浓度称爆炸浓度上限(见表1-15)表1-15液化石油气和天然气的爆炸浓度极限物质名称爆炸浓度极限下限(%)下限(%)液化石油气天然气〔甲烷〕3．影响爆炸极限的因素爆炸极限不是一个固定值，它随着一些因素而变化，影响爆炸极限的主要因素有以下几点。原始温度：爆炸性混合物的原始温度越高，那么爆炸极限范围越宽，即爆炸下限降低而爆炸上限增高。原始压力：混合物的原始压力对爆炸极限有很大的影响，在压力增加的情况下，其爆炸极限的变化就很复杂。一般压力增大，爆炸极限扩大，压力降低，那么爆炸极限缩小。惰性气体及杂质：假设混合物中所含惰性气体的百分数增加，爆炸极限范围缩小，平安性提高，惰性气体浓度提高到某一数值，可使混合物不爆炸。充装容器的材质、尺寸等：实验证明，容器或管道直径越小，爆炸极限范围越小，这可能与材质的不明催化原因有关。除上述因素外，火花的能量、热量交换外表的面积，火源和混合物的接触时间等，对爆炸极限均有影响。爆炸浓度极限的实用意义：(1)评定气体或液体火灾危险性大小。可燃气体或液体蒸气的爆炸下限越低，爆炸极限范围越大，那么火灾的危险性越大。(2)划分可燃气体等级的依据。爆炸浓度下限低于10％的可燃气体属一级可燃气体，爆炸浓度极限下限高于10％的可燃气体属二级可燃气体。(3)评定气体生产、储存火险类别，选择电气设备的依据。生产、储存爆炸浓度下限小于10％的可燃气体为甲类火灾危险，应选用隔爆型电气设备；生产、储存爆炸浓度下限大于10%的可燃气体为乙类火灾危险，可选择任意一类防爆型电气设备。四、车用天然气燃料的特点天然气作为内燃机燃料有以下特点：(1)天然气的体积低热值和质量低热值略高于汽油，但理论混合气热值要比汽油低。甲烷含量愈高，相差越大，纯甲烷理论混合气热值比汽油低10％。(2)抗爆震性能高：天然气的主要成分是甲烷，甲烷的辛烷值为130，具有较高的抗爆震性能。(3)混合气发火界限宽：天然气和空气混合后的工作混合气具有很宽的发火界限，其过量空气系数的变化范围为0.6-1.8。通过采用稀薄燃烧技术，可进一步提高汽车的经济性和环保效益。⑷天然气比汽油的燃点高，火焰传播速度慢，需要较高的点火能量。⑸天然气是比汽油更清洁的燃料由于天然气燃烧温度高，NOX，生成少，与空气同为气相，混合均匀，燃烧较完全，C和微粒的排放极低。第四节天然气的质量要求1．民用天然气的质量指标(1)本标准按天然气的高位发热量不同分为A组和B组；按用途不同A、B两组分为四类，其相应代号分别1类、Ⅱ类、Ⅲ类和N类。(2)各组、各类天然气质量指标应符合表1—18规定。表1—18天然气质量指标工程质量标准试验方法ⅠⅡⅢⅣ特批高位发热量〔MJ/m3〕A级B级总硫〔以硫计〕含量〔mg/m3〕150270460＞480待批硫化氢含量〔mg/m3〕620待批实测实测待批二氧化碳体积含量〔%〕3—SY7506水份无游离水②机械别离目测标准号：SYT7514—88。①本标准中的m3为在101.325kPa，20℃状态下的体积；⑦无游离水是指天然气经机械设备分不出游离水(在取样点处的温度和压力条件下)，气体的相对湿度小于或等于100％；⑧Ⅳ类气总硫含量不小于480mg/m3。2．管输天然气气质标准天然气中的酸性气体和水是造成管线内壁腐蚀、影响管线寿命的主要因素之一，严格控制进入管线的气体质量是延长管线寿命、平安供气的重要措施。世界主要产、用气国家对管输天然气气质标准见表1—19。表l一19世界主要产、用气国家天然气气质标准杂质名称标准含量联邦德国荷兰伊朗前苏联美国法国硫化氢〔mg/m3〕25未规定②(生活气20)①1．5含水量〔mg/m3〕804764③95～10058有机硫〔mg/m3〕250150元未规定240180二氧化碳体积含量〔%〕—未规定2—①3。②3。③前苏联气体中含水量依据不同地区要求各异。如果天然气中的游离水尚未脱净，由于天然气中含有少量的硫化物，那么可能在民用天然气输配管网或车用钢瓶内形成H。S水溶液，对设备造成腐蚀。天然气中主要有害杂质是H：s和其他含硫化物、CO2及H2O2。H2S能腐蚀输送管道且污染环境，对人体有害，在水存在时会与CO2和硫化物发生反响，对金属有腐蚀性。CO2含量过高还影响管道输送能力。并降低天然气发热量。水在一定温度和压力下，能与烃生成水化物，假设温度低于露点温度还会结冰，导致输送过程中管道堵塞。因而，天然气开采出来后需经过净化才可到达商品天然气要求。3．汽车用天然气质量要求(见表l一20)表1—20汽车用压缩天然气质量要求工程质量标准试验方法高位发热量〔MJ/m3〕≥GB/T11062硫化氢〔H2S〕含量〔mg/m3〕＜20总硫〔以硫计〕含量〔mg/m3〕＜270GB/T11061二氧化碳〔CO2〕含量〔%〕SY/T7506水露点低于最高操作压力下最低环境温度5℃SY/T7507(计算确定)注：1、为确保压缩天然气的使用平安．压缩天然气应有特殊气味，必要时假设适避加臭剂，保证天然气的浓度在空气中到达爆炸下限的20％前能被觉察。2、气体体积为在101.325kPa、20℃状态下的体积。标准号：SY/T7546-1996。4、天然气加臭的意义天然气是具有一定毒性的爆炸性气体，且在压力下输送和使用。由于管道及设备材质和施工方面存在问题和使用不当，容易造成漏气，存在着火和人身中毒的危险，因此，当发生漏气时能及时被人们觉察进而消除漏气是很必要的，要求对没有臭味的燃气加臭，对于减少灾害，是必不可少的措施。城镇燃气设计标准规定：有毒燃气泄漏到空气中，到达对人体允许的有害浓度之前应能觉察；无毒燃气泄漏到空气中，到达爆炸下限的20％浓度时，应能觉察。一、天然气的输送天然气的输送有长距离管路输送和液化天然气〔LNG〕输送方式等，另外，还可采用移动管束式汽车输送。(一)液化天然气(LNG)天然气的主要组成——甲烷，在常温下不能用压缩的方法使其液化，只有在低温下(-162℃)才能变为液态。天然气液化后储存在以绝热材料制造的储罐巾，町通过船运或年运方式输送。天然气液化前必须净化，脱除深冷过程中可能固化的物质．如水一二氧化碳、硫化氧及丙烷以上的重烃类，因为它们在深冷条件下会变成固体，覆盖在冷却外表，即使不发生冰堵，也会严重影响效率。净化后的天然气经过制冷为液态，体积变成气态体积的1/625，密度约为0.5，这使天然气在储罐中的储存量增大。不过现阶段液化本钱较高，市场狭小，缺少互相坍调的技术规定，随着深冷工艺的开展，天然气液化将变得经济些。(二)长距离管输城镇天然气传统的气源供给模式是通过长输管线来实现。天然气管输有五大环节：(集气)采气→净气→输气→储气→配气(供气)。长输系统由集输管网、气体净化设备、起点站、输气干线、输气支线、中间调压计量站、压气站、燃气分配站、管理维修站、通信与遥控设备、阴极保护站(或其他电保护装置)等组成。(三)移动管束式汽车运输天然气由于国内天然气长输管线运输尚未形成根本网络，远不能满足工业、商业及民用对天然气输配供给的需要，对于许多城镇或居民小区，或对于某些产量低且不稳定的零星气田或单井，没有必要向城镇敷设一条永久性管线。因而，对于天然气的供给，除长输管线和液化天然气外，也可采用通过专用车辆，即移动管束式汽车由公路运输压缩天然气(CNG)，目前CNG公路运输系统技术较成熟，已在天然气汽车母子站系统上广泛使用。二、天然气的储存1．液化天然气的储存液化天然气是将天然气经过净化处理，除去水、二氧化碳、硫等杂质及重碳氢化合物，然后采用节流膨胀、混合冷源制冷等深冷工艺将天然气冷却到一162℃，将甲烷变成液体，体积缩小625倍，称为液化天然气，储存在冷库中。其占地面秘少，工作压力较低，储气量大，但制冷工艺设备复杂，投资较高。2．压缩天然气的储存压缩天然气又称CNG，是指将天然气经过多级压缩，将其压力压缩至较高值，一般是20～30MPa，CNG储存体积较常压天然气大为减少，储存至高压容器中。其特点是，工作压力高，储气量大，但压缩设备投资较大，目前多用于天然气汽车加气站中。3．吸附天然气的储存吸附天然气英文缩写为ANG，是指在一定的压力情况下，使天然气吸附在吸附剂上，这是一种很有前途的方法。通过大外表吸附剂能储存大量的天然气，这是因为吸附在吸附剂微孔介质上的甲烷分子间的距离较气相时小得多。其具有工作压力低，储气量大，储气本钱低，设备投资较小，工作平安可靠等特点。但目前其工艺技术尚不成熟，正处于研究开展阶段。第二章车用天然气加气站第一节车用天然气加气站介绍一、天然气加气站概述根据站区现场或附近是否有管线天然气，天然气加气站分为常规站、母站和子站。常规站建在有天然气管线通过的地方，从天然气管线直接取气，天然气经过脱硫、脱水等工艺，进入压缩机进行压缩，然后进入储气瓶组储存或通过加气机给车辆加气。通常常规站加气量在600～1000m3/h之问。母站建在临近天然气管线的地方，从天然气管线直接取气，经过脱硫、脱水等工艺，进入压缩机压缩，然后进入储气瓶组储存或通过加气机给子站车或车辆加气。通常母站加气量在2500～4000m3/h之间。子站建在加气站周围没有天然气管线的地方，通过子站转运车将从母站运来的天然气给天然气汽车加气，一般还需配置小型增压器和地面瓶组。为提高转运车的取气率，用增压器将转运车内的低压气体升压后，转存在地面瓶组内或直接给天然气汽车加气。子母站方式适合在城市人口密集、天然气管线布局不普遍的地方。根据加气站储气装置容积VN的大小．天然气加气站可分为一级站、二级站、三级站：一级站：3000m3<VN≤4000m3二级站：1500m3<VN≤3000m3三级站：VN≤1500m3其中VN为标准状态(即P=I01.325kPa,t=0℃)下的体积。根据加气所需时间，加气站分为快充站和慢充站。慢充站主要由充气阀、压力表、软管和连接器组成，只配有少量甚至没有高压存储容器。慢充站通常在晚上对车辆加气，压缩机将天然气压缩后送入通往每辆汽车的分配歧管中，再经加气机进入汽车燃料罐，燃料罐加满后自动停止加气。这种配置很经济，而且具有很高的可靠性。加气时间随压缩机排量、加气汽车数量及燃料罐的容量不同而变化。快充站是加气速度很快的加气站，由于车载燃料罐容积大小不等，加气时间通常为3～10min。为实现快速加气，站区一般都配有高压容器预先存储气体，弥补压缩机排量缺乏的影响，储气容器通常采用高、中、低三组ASME瓶组，即阶式(Casecade)储气瓶组。公共加气站多属于这种类型。根据所属关系，加气站分为商业加气站、私有加气站和公共加气站。本节主要通过实例介绍天然气加气站设备的选型及工艺设计。常规站和子母站在我国的几个加气站示范城市中都有广泛应用。常规站和母站流程根本类似，结构和所用设备大体相同，不同之外在于母站排量比常规站大，并可通过加气机给子站车加气。相对于母站来讲，子站设备较少，但操作繁琐。有的地区的天然气含硫量低于国家标准要求，可考虑不设脱硫设备。下面对常规站、母站和子站分别进行介绍。二、常规加气站图5—1是进口天然气汽车加气站流程图。经过预处理(脱硫、脱水、别离轻质油)的天然气经过进站过滤、计量、调压后，以一定压力进入天然气深度脱水装置，使天然气水露点到达车用压缩天然气标准，而后经洗涤罐进入天然气压缩机进行三到四级压缩，使其压力到达25MPa，通过优先／顺序控制盘进入高、中、低三组储气瓶暂时储存，再通过优先／顺序控制盘、加气机(亦可由压缩机直接通过优先／顺序控制盘、加气机)对天然气汽车充气。由此可见，天然气汽车加气站设备包括天然气深度脱水装置、天然气压缩系统、天然气储存系统、控制系统(自动保护、自动启停机及优先／顺序控制盘)和压缩天然气售气系统。图5-l进口压缩天然气汽车加气站流程图1．天然气深度脱气装置经过预处理的天然气还不能直接用于给天然气汽车充气，必须通过深度脱水装置，以降低天然气中的水分含量(在工作压力下将天然气水露点降至低于最低环境温度5℃以上)，否那么会出现以下危害：(1)在向汽车充气过程中，管阀件、加气嘴易产生冰堵现象，影响加气；(2)影响CNG汽车发动机的正常运转；(3)气瓶积水会降低气瓶使用的平安性，尤其是在天然气中含硫化氢的情况下；(4)影响压缩机的正常运转和维护。图5—2为进口加气站天然气深度脱水装置(有热再生、低压双塔)流程图。来自加气站上游(已经过三甘醇脱水)的湿气通过l号气动阀进入以4A分子筛做吸附剂的枯燥塔(例如甲塔)进行深度脱水，使其常压下水露点到达-60℃以下——这是天然气深度脱水装置的吸附(即枯燥)过程。根据加气站上游天然气含水的情况不同，脱水装置的吸附周期的长短也不一样。可在枯燥塔出口设置天然气露点指示器，随时都可以通过开启监测管路上的阀门，让枯燥后的天然气通过该装置并观察该装置内的化学试剂的颜色变化来确定枯燥剂是否需要再生。如果化学试剂显示了某种特定的颜色，那么说明该午燥塔(甲塔)吸附床吸附的水分到达了设计量，应该马上对该塔进行再牛，而让乙塔进入吸附过程。再生时，来自高压储气瓶组的干气，经减压阀和3号气动阀进入甲塔，对该塔进行有热再生(此时置于塔内的电加热器通电对该塔加热——称为内置式加热方式。可有效地增大热传递效率，该装置还设计了再升温度高自动报警和断电保护装置)，即进入塔内的干气在高温条件下带走枯燥塔吸附床上吸附的水分，通过5号气动阀进入风冷空气冷却器进行冷却(风冷换热器的设计，不仅使整个脱水装置变得紧凑，减少了占地面积和建站投资，而且特别适合于我国北方地区冬季使用)，再进入别离器，别离出的水分通过排污阀(手动阀或自动阀)排除，而枯燥后的天然气那么从别离器的上部出来，通过单流阀返回到脱水装置的入口，通过1号气动三通阀进入脱水装置重新进行脱水处理，其再生周期一般为6～8h。枯燥塔工作状态(吸附或再生)的切换是由位于脱水装置安伞距离以外的控制盘内的一组电拄元什，以仪表风做驱动力，通过控制枯燥塔状态切换阀组(1～6号气动阀)的开关自动完成的，这就大大减轻了操作工人的劳动强度。为了适合在冬季环境温度低于o℃的地区(例如我国北方地区)使用，该装置在可能有水分积聚造成冰堵的管线、阀门或设备处都采用保温或电加热设计。图5-2某进口压缩天然气汽车加气站深度脱水装置流程图2．天然气压缩系统枯燥后的天然气进入压缩机压缩，根据吸气压力的不同。采用三级或四级压缩。压缩机可采用少油润滑或无油润滑方式。压缩机主要包括丰机、驱动机、冷却器、管件、缓冲罐和监视仪表等。以下是某引进天然气压缩机系统的根本情况。天然气压缩系统的主要流程是(参见图5—1)：天然气经过低压深度脱水装置脱水后，经单流阀、入口关断阀、洗涤罐、压缩机入口调压阀，进入压缩机一级缸压缩，通过三级压缩、三级冷却后，进入四级缸压缩、四级冷却器冷却，再经压缩机末级过滤器、卸载／排气组合阀、单流阀、优先／顺序控制盘，进入压缩天然气储气瓶组储存。该天然气压缩系统的特点是：(1)为方便用户安装和减少占地面积，整个机组(包括天然气洗涤罐、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)紧凑地安装在一个撬块上；为了降低机组运转时的噪音，整个撬块外罩有封闭的适合露天使用的隔音、防爆房；此外，为了减小机组的振动，机组采用了对称平衡式设计。(2)压缩机气缸采用空气冷却，压缩机润滑油、压缩后的高温高压气体也采用空气冷却，减少了占地面积，简化了建站设计，而且特别适合于我国北方地区冬季使用，见图5—3。(3)压缩机气缸、填料采用有油润滑方式。有油润滑方式的压缩天然气(CNG)压缩机在压缩过程中润滑油不可防止地与天然气接触，局部润滑油被别离成微小的悬浮颗粒，可能因压缩而产生热能雾化，经过油气别离设备，大局部的浮粒可在冷却器中别离出来或由压缩机排气口的组合过滤器过滤掉。但是油雾不能彻底别离掉，未别离掉的局部油雾，只有当储气瓶的天然气经过天然气汽车的组合减压阀使压力下降后才能凝结，这就会影响到组合减压阀和高压电磁阀的正常工作。此外，车用压缩天然气中含润滑油，也会影响到发动机燃气装置(如电喷系统、流量传感器或含氧量传感器)的正常工作，这是车主经常抱怨的问题。图5—3某进口压缩天然气汽车加气站压缩机组冷却流程图传统的矿物润滑油挥发性强，过量油雾的形成进一步扩大了上述问题。因而目前大多采用合成润滑油，可减少油雾量，但本钱较高。国外的CNG压缩机有的设计成无油润滑方式，即压缩机活塞环和填料环采用自润滑材料(填充特氟隆)这种方式防止了有油润滑方式的许多弊端，节省了殴备运转费用(润滑)．防止了对废油的处理，节省了更换过滤器的费用，又不影响汽车高压电磁闷和组合式减压阀的正常工作，使汽车发动机和加气站天然气压缩机的维修费用大大降低。3．储气系统和售气系统(优先／顺序控制盘)典型的储气系统和售气系统是通过优先／』质序控制盘的控制来实现高效充气和快速加气的。图5—4是一个典型的流程图。图5—4某进口压缩天然气汽车加气站储(售)气系统及优先／顺序控制流程图来自天然气压缩机的压缩气体在储气瓶组压力不能把汽车充满的情况下，可通过4#和8#。气动阀分别到1号加气枪和2号加气枪直接给汽车加气；此时如果没有汽车需要加气，那么来自天然气压缩机的压缩气体那么通过1#、2#、3#气动阀分别给高压、中压、低压储气瓶充气。三组储气瓶取气时，遵循“先用低压组、再用中压组、最后才用高压组给汽车充气〞的快充原那么(分别通过7#或11#。气动阀、6#或10#气动阀、5#或9#气动阀)，这种工作方式的优点是可以保证储气瓶充气最多，提高储气瓶的利用率，也可以使对汽车加气的速度最快。4．控制系统控制系统的功能是控制加气站设备(压缩机、脱水装置、加气机、优先／顺序盘)的正常运转和对有关设备的运行参数设置报警或停机点。加气站设备的控制系统采用PLC(可编程逻辑控制器)进行控制。这种控制方式可靠性高，能实现设备的全自动化操作，也可远传到值班室．实现无人看守，在保证设备操作可靠性的同时，大大减轻了操作工人的劳动强度。下面介绍某进口压缩天然气加气站配备的NematronIWS一113／E型运算器及其显示器的PLC控制系统的工作情况。压缩机控制盘控制和显示机组运行参数，它是根据手动一关闭．自动(HOA)多位开关所处的不同位置来控制储罐压力和加气机的工作状态的，并配有紧急停机按钮(ESD))。各键功能如下：当HOA开关处在“OFF〞(关闭)位置时，机组处于停机状态，如果在运行状态下把HOA开关拨到“OFtl，，位置，机组将停止运行；当HOA开关处在“HAND〞(手动)位置时，机组将试图启动，假设机组启动成功，机组将吸入天然气，旁通阀翻开，此时假设将HOA形状扳到“OFF〞位置，机组那么等待储罐压力降到设定点或者等候加气机软管从高压储罐里取气，储罐压力降低后，压缩机将自动启动、加载、运行。机组启动程序如下：当机组得到运行的命令信号后，压缩空气将进入预润滑气缸，气缸把润滑油压入到压缩机的油道里，使压缩机机体得到润滑。在预润滑循环完成以后，机组进气阀翻开，电动机开始启动，机组温度开始升高。电动机启动以后，启动定时器停止工作，净化定时器开始工作，同时所有过载簪机定时器开始工作。当机纽温度升高到额定点后，排气阀翻开，旁通阀关闭，机组开始向储罐输进气体。机组常规停机程序如下：当机组得到紧急停机命令信号后，电动机立刻停止运转，进气阀和排气阀均关闭，旁通阀翻开，控制盘上垃示紧急停机信号。如果机组在较长时间内不工作，为保证储罐总是处在充满状态，机纽控制系统中设置了定时启动功能。启动定时器工作过程如下：当HOA开关处于“AUTO〞位置，且停机时间已到达没定时问时，～旦发现储罐的压力低于最高补偿压力，控制系统将启动压缩机进行充气；当储罐组都充满后，压缩机进入常规停机程序。净化循环程序如下：净化循环是为了排除压缩机长时问连续运行后机组内积存的液体。当压缩机连续运行时间超过预设时问(净化延时)以后，翻开旁通阀，旁通阀于预定时间(净化时间)内持续开启，使过滤器里积存的液体通过旁通阀排到进气洗涤罐中。净化完成后，压缩机旁通阀关闭，压缩机组恢复正常运行。该PLC控制系统设计了如下菜单：(1)主菜单：主菜单屏上显示了6个供选用的通道，供操作员在实际操作中选用。(2)状态菜单：可使操作员进入机组数据屏，操作员可以从该屏上渎出机组当前运转的参数。这些参数不会随操作员的意愿而改变。(3)功能菜单：操作员通过此键用密码进入功能屏。功能屏由机组定时器和紧急停机设定点组成，紧急停机设定点由操作员设定。(4)参数定位菜单：操作员可用适当的密码进入参数设定屏，设定屏由机组各种参数组成，这些参数可由操作员设定。(5)报警菜单：当机组出现故障时，执行报警指令，屏幕显示报警信号。该PLC控制系统设定了如下报警点：①压缩机进气压力或某级排气压力过高；②压缩机某级(一、二、三四级)排气温度超高；③压缩机机油压力过低；④压缩机机油液位过低：⑤机组振动太大；⑥仪表风压力过低：⑦压缩机注油器不注油；⑧机组洗涤罐液位过高。(6)故障诊断菜单：机组发生故障时，操作员翻开该故障分析屏，屏幕将告诉操作员应检查哪些相关点，哪些相关点可能产生故障。三、母站母站同时为天然气汽车和子站车加气。子站车充气压力为20MPa，每辆车充气4000m3。；天然气汽车充气压力为20MPa，每辆车充气150m3。母站每天供气量约为56000m3。图5—5为母站工艺流程简图，图5—6为母站设备示意图。1．设备技术规格压缩机组技术参数最高吸入压力：0.8MPa(116psig)图5-6母站设备示意图最低吸入压力：MPa(87psig)公称排气压力MPa(3860psig)最高排气压力：28.9MPa(4200psig)额定排量：1726m3／h(1073SCFM)缸径：7.125英寸／4.125英寸／2.750英寸／1.500英寸行程：3.500英寸最高转速：1500r／min电机：三相四线制／380V／50Hz／260.75kW(350hp)换热器：空气冷却式换热器传动方式：皮带传动驱动风方式：电机驱动叶轮直径：60英寸风扇电机：380V／50Hz／14.9kW(20hp)预润滑泵：电机驱动380V／50Hz／0.39kW(O.52hp)PLC部件处理器：1747一L541(SLC5／04)电源：1746一P4输入端子：1746一IA16输出端子：1746一OW16模拟器端子：1746一N18可燃气体探头：输入电压为直流+24V(适用范围为直流+18～+32V)储气系统规格参数规格：6个ASME压力容器布置：高为3个，宽为2个生产工艺：无缝气瓶，旋压锻造收口每个容器尺寸：直径20英寸，长20英尺5英寸重量：18774kg(41390lbs)(总重量，包括鞍形支架)储气容积：在27.6MPa压力下储存1607m3最高允许工作压力：27.6MPa(4000psig)平安系数：3：1端头尺寸：1英寸(NPT，英制标准锥管螺纹)设计标准：ASME标准第V1II节充气优先控制盘规格额定流量：21C下4022m3／h最高允许工作压力：34.5MPa(5000psig)工作电压：120V(直流)工艺管线：1／2英寸不锈钢管控制方式：PLC遥控设计标准：符合ASME标准和NFPA52标准ESD类型：具有防供电故障平安性快充加气机规格额定流量：1609m3／h(1000SCFM)最大允许工作压力：34.5MPa(5000psig)工艺管线：3／8英寸不锈钢管外壳类型：标准不锈钢软管：两条15英尺长带放空的软管计算单元：．Micon500CTM温度补偿：PFS3000型电子温度补偿装置设计标准：符合ASME和NFPA标准该加气机具有温度补偿功能,气体三线输入并采用科力斯(Coliolis)质量流量计。高速加气柱规格流量计：Coriolis型质量流量计能力：100kg／min(5000SCFM)最高允许工作压力：35MPa(5000psl’g)精确度：±1％电源：85～260V交流电，50Hz(60Hz)软管：双软管组件，最高工作压力为35MPa(5000psig)加气嘴：NGVl型，最高工作压力为31.5MPa(4500psig)，流量为100kg／min(5000SCFM或134m3／min)防爆等级：D组1区1类设计标准：重量和计量方面符合UL／CSA、NFPA52和ASME标准规定2．流程布置加气站以压缩天然气(CNG)的形式向天然气汽车(NGV)和大型CNG子站车提供燃料。由两个压缩机组将天然气管线中的天然气压力由0.6～0.8MPa或0.8～1.0MPa压缩到26.6MPa。车载气瓶或子站车的天然气压力为20.7MPa(3000psig，温度补偿到70F)。每台压缩机组由每个撬块上单独的可编程逻辑控制器(PLC)及控制室中的主PLC进行控制。这些PLC根据气体需求的变化控制压缩机的起动和停机，监测故障及报警，控制压缩机组完成各项功能。每台压缩机组的起动装置位于供电室中。在进入压缩机组之前，管道天然气先经过气体计量系统和气体枯燥器。气体计量系统能准确计量出进入加气站的天然气量。气体枯燥器脱除气流中多余的水分。水分会在压缩机或下游部件中产生冰堵，造成设备损坏，限制和堵塞气流，所以设置枯燥器对于压缩机、加气机和汽车的正常运行非常必要。从压缩机中出来后，天然气进入撬块A上的充气优先控制盘。充气优先盘根据加气站哪一局部需要天然气，将气体直接送给加气机或加气柱，或送入一组储气装嚣。这些功能是由控制室中的PI。C所控制的。储气系统由6个ASME压力容器及附属阀件和管件组成。在汽车丌始加气时，储气系统可以立即提供气体，这就为压缩机的起动提供了时间。储气系统作为一个缓冲容器，可以减少压缩机起、停的次数。加气站使用一台连接3根进气管的双枪CNG加气机给天然气汽车加气。子站车使用2根单软管的加气柱加气。CNG通过充气优先盘经由地下管线送入加气机和加气柱。加气机由内设的Mieon500CTM计算单元控制。加气机和加气柱中为每根软管配置一个流量计，计量给汽车参加的天然气量。Micon500cTM计算单元利用流量计测量CNG的流速，并且决定何时由从低压取气状态切换到从中压、高压储气装置取气状态。加气柱由压缩机直接供气，没有连接到储气瓶组，因此不需要顺序取气和计算单元。加气柱使用的流量计与加气机的流量计的不同之处，在于加气柱的流量计自身配有一个数字显示器。加气机的外表和功能都设计得与加油机尽可能相似，以使用户界面更加友好。加气站还设有一台空气压缩机。压缩机组的自动阀和充气优先控制盘需要压缩空气，作为动力源进行操作。系统中还使用了一个空气枯燥器，保证空气充分枯燥，以适于阀门的执行器使用。空气压缩机位于通风、有采暖设施的房子里面。加气站还设有一套紧急迫断(ESD)系统。当按下紧急迫断按钮后，可以平安地关闭压缩机系统，并使所有阀门位于平安的位置。在压缩机组、加气机、枯燥器和拎制室、供电室中都没有ESD按钮，这些按钮都通过信号线连接到控制ESD功能的主PLC上面。3．压缩系统的操作压缩系统由CNG压缩机组(又称撬块)、充气优先盘、电机控制中心、储气系统和空气脉缩系统组成。所有这些设备的功能都是由控制室中的总PLC和每个压缩机撬块上的PLC自动控制的。(1)压缩机组起动优先级控制功能为使得任一压缩机组都不会比其他机组运行时间更长，压缩机起动的顺序是从运行时间最少的机器到运行时间最多的机器。每个撬块上的PLC记录该撬块的累计运行时间(h)。由于只有在所有撬块都没有投入运行的情况下才能进行起动优先级的排序，因此优先级的排列多在每天的午夜进行。如果一台或多台压缩机组在运行，PLC就将等到所有的机组都停止运行后才完成优先级的排列。PLC按每个撬块的运行时间进行启动顺序排列，将运行时间最少的撬块优先级排为第一，运行次数第二少的撬块排为第二，依此类推。(2)压缩机组的运行顺序需要多少撬块投入运行是由当前储气容器中的储气量所决定的。经授权的工作人员可以使用主PLC显示屏调整每个撬块的起动、关机和冷却的控制参数设定值。如果已经有足够的撬块投入运行，就不再起动更多的撬块。如果还需要更多的撬块起动，那么程序将检查在过去lmin内压缩机是否起动。在各撬块起动之间需要有lrain的间隔，以防止对电力供给系统施加很高的能耗峰值。如果在过去1min内没有压缩机起动，程序将起动最近一次起动优先级控制功能确定的优先级最高的可起动撬块。如果优先级最高的撬块是不可起动的，那么将起动优先级次之的撬块。判断一个撬块是否可起动是根据它是否供电、是否在线及“延时起动〞是否生效。操作人员可以通过将仪表盘上的“compressorcontrol〞(压缩机控制)开关从“自动〞挡拨到“备份〞挡，使撬块备份。如果…台压缩机在线，那么仪表盘上的“compressoronline〞(压缩机在线)指示灯亮。(3)压缩机组的起动压缩机组可以以3种不同的形式起动。如果储气装置中的气量低于某一设定值，而此时子站车加气柱需要气时，主PLC将自动起动一个撬块。操作人员可以通过按下绿色的“自动起动〞按钮起动撬块，这只有在压缩机在线。而且“延时起动〞功能无效时才能实现。主PLC和撬块PLC在压缩机组运行方面起着不同的作用，主PLC决定何时起动和起动哪一个撬块，并且控制所有电机的起动。撬块PLC能监测压缩机的功能，在运转不正常(压力和温度等)时进行报警，并控制所有阀门的操作。只有在当前储气量比停机设置参数值至少低于总储气量的10％时，自动起动才有效。无论通过自动还是手动，只要生成一个撬块起动信号，主PLC就翻开“撬块运行〞信号，这个信号可以被撬块PLC监测到。主PLC将起动一个60s的计时器。在第1s时，预润滑泵起动；第15s时，预润滑泵关闭，压缩机电机起动。实际压缩并没有在这一时刻开始，这是由于卸压阀处于开启位置，气体通过回收罐返回到压缩机入口，进行着循环，不会造成压力积累。在第45s时，主PLC开始查询一个由软起动装置生成的“到达速度〞信号，如果找到，那么开启电扇。在第60s时，翻开“压缩〞信号，这一信号可以被撬块PLC监测到。无论是否能查找到“到达速度〞信号，风扇都会在那时开始工作。如果在第5rain时，还找不到“到达速度〞信号，主PLC将停止压缩机运行，并发出警报。当撬块PLC从主PLC处检测到“撬块运行〞信号之后，它将起动一个90s的计时器。此时，仪表盘上的“在线〞灯开始闪烁。在第1秒时，进气阀手翻开。在第10s时，撬块开始检测入口压力，如果入口压力过低，撬块PLC将终止压缩机运行，并发出警报。在第14s，撬块PLC将检查油压，以确定预润滑泵是否工作正常，如果它工作不正常．就会发出一个可以和主PLC仪表盘显示屏上看到的警告信息。撬块并不会关机，因为预润滑泵的功能对于压缩机的操作并不是至关重要的。在第60s，检测从主PLC发出的“压缩信号〞，这时撬块被称做投入运转，但事实上压缩过程还没有开始。在第65s，又一次检测油压，这一次如果压力低撬块就会停机，并发出警报。此时压缩机油泵产生油压，这对压缩机的正常运行至关重要。在第80s，监测油的流量，如果流量低，就关闭压缩机，并发出警报。在第90s，如果“压缩〞信号还在，撬块就开始真正的压缩过程。这意味着卸压阀关闭，油压开始升高。仪表盘的“在线〞灯将停止闪烁，保持亮的状态。在压缩过程中，每30min自动从级间别离器或过滤器中排出一次油和水的凝结液。每一次翻开一个卸压阀，别离器中的压力将凝结水吹到回收罐中。每个撬块每运行4h，回收罐中的水分就自动排放到撬块底座的一个梁中，该梁通过一个通风排气管放空，这个过程有较大的噪音。(4)压缩机组的空运转和停机一台压缩机的停机报警设置值和“空运转〞周期的长度由主PLC赋予它的运行参数所决定。通过主PLC的显示屏，可由得到授权的工作人员设置所需的参数。由于每台压缩机的排量很大，只需要一台压缩机就可完成对储气装置的充气，在储气装置完全充满之前，另一台压缩机已经停机。然而，这台压缩机继续以“空运转〞模式运行，以便准备好当储气水平降低到起动参数设定值以下时能很快回到压缩状态。一旦储气装置的储气水平到达正在运行的撬块的停机参数漫定值，主PLC就关闭“压缩信号〞并且起动一个“空运转〞计时器。撬块PLC检测不到“压缩〞信号时。翻开所有卸压阀，压缩机处于“空运转〞状态模式。这时，主PLC继续监测储气水平和“空运转〞计时器。如果储气压力降低到压缩机的起动参数设定值，主PLC翻开“压缩〞信号并重新起动“空运转〞计时器。撬块PLC监测到“压缩〞信号时。关闭卸压阀，这时系统又回到正常的压缩状态。如果在储气量降低到起动设置点之前“空运转〞计时器已经结束，主PLC将使压缩机停机·并起动一个“延时起动〞计时器。一旦“延时起动〞计时器结束，那么关闭风扇电机。这样就完成了压缩机绀的冷却和停机。4．充气优先盘控制盘外接有4根管线。气体管理系统通过电子装置控制3根管线给3组储气装置顺序供气，另外通过1根旁通管线给子站车供气。每根管线上都安装有自动防供电故障的紧急迫断装置(ESD)。由于母站既需要给子站车加气，又需要给普通的汽车加气，因此这种充气优先盘采用了一种特殊的结构，它既具有三级储气系统所具有的优点(最优的储气容积利用率、快速的充气速度)，又可通过压缩机给子站车充气。压缩机的气流模式为：子站车具有最高的充气优先级，同时不会牺牲普通汽车加气的时间和储气容积利用率。充气优先盘有两种根本的运行模式。如果压缩机的起动是由于储气装置中的气量低于压缩’机的起动设置点，那么就采用普通的优先级控制模式。天然气被首先送入高压储气装置，直到高压储气装置中的压力到达“从高压装置转向中压装置参数没定值〞。这时中压储气装置的阀门翻开，气体被送入中压储气装置，直到其中的压力到达“从中压装置转向低压装置参数设定值〞，这时低压储气装置的阀门翻开，气体被送入低压储气装置，直到储气装置中的气量到达停机设置点，压缩机才停止运行。如果在压缩机给中压装置充气的过程中．高压储气装置的压力降低到“从高压装置转向中压装置的设置点〞减去一个叮渊整的不灵敏压力值，中压储气阀门将关闭，压缩机将向高压储气装置供气，直到高版装毁中的气f仨到达“从高压装置转向中压装置的设置点〞。这种情况同样电适用于从中压装置转向低压装置的设置点。如果是子站车储气瓶组充气管线中的压力降低到子站车加气柱起动的设置点，不管这时压缩机是否在给储气装置加气，都将启动子站车加气模式。两台压缩机都开始进入压缩状态，其间相隔1min的间隔，直到子站车储气瓶组中气压到达经过温良补偿后的充气压力。如果在给子站车的充气过程中，高压储气装置的压力降低到预设值以下，那么将暂时中断给子站车加气，转为给高压气瓶组加气，以保证加气机给汽车加气可以加满。5，ESD功能在发生紧急情况时，操作人员只要按加气站中任一紧急迫断(ESD)按钮，就可以平安关闭压缩机组，使所有阀门都处于平安位置。在加气站中共有8个ESD按钮：每台压缩机组的仪表盘上有1个，枯燥器上有1个，控制室中有1个，每台加气机有1个，供电室有1个。为了在ESD按钮被按下后能重新启动加气站，必须采取以下步骤：首先，被按下的按钮必须回到正常的位置，这需要旋转或拉起这个按钮；其次，必须在PLC盘的显示屏上确认ESD警报系统，发生报警时显示屏将指示有～个ESD按钮被按下，触摸显示屏确认收到ESD警报；最后，按下主PLC盘上的“ESD重新启动〞按钮，这时，加气站就完全重新启动，可以开始运行。6．空气压缩机空气压缩机位于加气站的一个房间内，用来为压缩机组阀门的执行提供仪表风。空气压缩机由自身的起动开关控制起动和关闭。每个撬块都将监视空气压力。如果空气压力处于不正常的运行范围，系统就会发出警报，撬块将被关闭。7．PLC接口加气站的操作人员可以通过控制室中的一个PLC界面(控制盘显示屏)来观察压缩系统运行的状态并修改操作设嚣点。这个界面也被称为主PLC显示屏，如图5—7所示。图5—7主PLC显尔屏模式PLC显示脐采用可触摸式屏幕。用户不需要使用功能键，只要触摸适当位置的图形就可以实现从这一显示模式转换到另一显示模式。标为“SKIDA〞和“SKIDB〞的方框代表这个加气站的两台压缩机绀。触摸其中的一个疗框可以使屏幕转换到显示该撬块运行参数的屏幕模式。触摸标为“PriorityPanel〞的图形可以使屏幕转换到显示充气优先盘和储气系统运行参数的屏幕模式。触摸标为“SETPO1NTS〞的方框可以改变某些控制参数。触摸标为“STATS〞的方框可以将用户带到显示每台压缩机组运行时间和压缩时间的屏幕模式。在屏幕下方标为“警报历史记录〞的方框可以将用户带到硅示最近几次警报的时间和类型的屏幕模式。下面对这些显示模式作进一步的介绍。(1)单个撬块(撬块A或B)屏幕模式单个撬块屏幕模式用来显示每台压缩机组的运行参数，从中可以看出每一级的压力和温度、入口和回收储罐中的压力、空气管线的压力，见图5—8。压缩机组内部的温度、压缩机组外部的温度、仪表风的压力和撬块外壳内的空气中天然气含量占最低爆炸极限的比例在屏幕底部显示。压缩机组的状态在屏幕顶部显示。触摸屏幕可以回到主屏幕模式(显示总体状态)。图5—8单个撬块屏幕模式显示屏底部的5个按钮用来将某些阀门和马达的操作由“自动〞改为“开启〞或“翻开〞状态，可以通过再按一次按钮重新回到“自动〞状态。这些按钮的当前状态显示在按钮的上方：当不处于“自动〞状态时“Auto"灯将闪烁。这些按钮在撬块操作过程中用处不大，但在维护或检修故障时有用。“INLET〞按钮翻开进气阀门；“RECVDRAIN〞按钮翻开回收罐的排污阀门；“UNLOAD〞按钮关闭所有的卸压阀门(只是在试验时使用，不应一直保持关闭状态)；“FAN〞按钮开启换热器风扇；“PRELUBE〞按钮开启预润滑泵。除预润滑泵之外，所有这些按钮在再按一次之前都保持“开启〞或“翻开〞状态。预润滑泵上安装有一个计时器，防止对电机造成损坏，当计时器超时后，预润滑泵重新回到“自动〞状态。(2)充气优先盘屏幕模式充气优先盘屏幕模式如图5—9所示，它显示了储气瓶组、子站车加气柱管线和3组储气装嚣中的气压，同时以占总储存能力百分比的形式给出储气装置中的气量。另外，此屏幕还显示了气体如何从压缩机送人加气机、加气柱或储气装置。开启的阀门显示为黑色，气体流经的管线为粗线。在“ToDispenser〞标记旁的紧急迫断装置(ES[))阀门在通常操作条件下总是处于开启的位置．当有ESD按钮按下时，阀门关闭，以防止天然气从储气装置流向加气机。阀门PVl是中压储气装置阀门，阀门PV2是低压储气装置阀门，阀门PV3是通向子站车的阀门。只需触摸屏幕就可以返回到主屏幕模式(显示总体状态)(3)参数设定值屏幕模式此屏幕模式见图5～10，它警告用户：只有经授权的用户才可以修改设定值。通过触摸屏幕，可以返回到主屏幕模式(显示总体状态)。按F1进入充气优先盘设置值屏幕模式，按F2进入起动和停机设定值屏幕模式。(4)充气优先盘参数设定值屏幕模式此屏幕模式见图5-11，其中可以改变的设置值是“开始向中压储气装置充气的压力值〞、“开始向低压储气装置充气的压力值〞和“共用不灵敏压力值〞。“开始向中压储气装置充气压力值〞是指中压储气装置阀门开启、允许气体同时流人中压和高压装置时高压储气装置的气压值。“开始向低压储气装置充气压力值〞是指低压储气装置阀门开启、允许气体同时流入低压和中压装置时中压储气装置的气压值。共用不灵敏压力值对于这两个参数都适用。PI，C利用设置压力减去不灵敏压力值计算各阀门的压降。、当压力到达这个值时阀门关闭。如希望改变参数设定值，按相应的方框，使用键盘输入数字，然后按“回车〞键。所输入的数字只有在可接受的范围内时才能被接受。按F5可以返回主屏幕模式(显示总体状态)。图5-9充气优先盘屏幕模式图5-l0参数设定屏幕模式(5)起动／停机参数设置值屏幕模式此屏幕模式见图5—12，其中可以修改的参数包括每台压缩机组起动、停机、冷却的设定值，以及压缩机开始给子站车加气的瓶组气压值。这些设置值的目的如前所述。如希望改变设定值．可按下相应的方框，使用键盘输入数字，然后按“回车〞键。所输入的数字只有在一个可接受的范围内时才能被接受。按F5可以返回主屏幕模式(显示总体状态)。图5-11充气优先螽参数设定屏幕模式图5-12起停机参数设定值屏幕模式(6)加气站状态屏幕模式此屏幕模式显示每台压缩机组的运行和压缩时间。运行时间是指压缩机和电机运行的总时间(h)，包括压缩机的冷却时间(这时并不压缩气体)。压缩时间是指压缩机真正处于压缩过程的时问(h)。通过触摸屏幕可以回到主屏幕模式(显示总体状态)。8．CNG加气机的操作CNG加气机的操作包括以下内容：(1)将加气嘴与汽车加气接口相连接。(2)向磁卡系统插入磁卡(如果适用)。(3)从磁卡系统得到确认信息(如果适用)。(4)翻开开／关手柄，起动加气机。(5)如果加气机是第一次起动，可以听到持续3s的声音信号。主气流电磁阀和高压储气装置电磁阀将充电4s，然后放电2s。在这2s的延迟期间内，Micron500CTM计算单元将计算出“最终充气〞压力，这个压力值由Micron500CTM根据从压力变送器、环境温度探头、质量流量计得到的信息计算得出。Micron500CTM计算出“最终充气〞压力后，将启动进气管线电磁阀，然后开始给汽车加气。(6)首先从低压储气装置开始，通过主气流阀给汽车加气，直到流量降低到低于IPTPFLOW1参数设定值。该参数的设定值是通过Micon500CTM的1nfo—Pac‘输入Micon500CTM中的，其单位是kg／min。流量低于此设定值后，中压电磁阀开始充电。(7)继续由中压储气装置通过主气流阀给汽车加气，直到流速降低到低于IPTPFLOW2参数设定值。该参数设定值通过Micon500CTM的Info—Pac输入Micon500CTM中，其单位是kg／mim，流量低于此设定值后，高压电磁阀开始充电。(8)如果还没有到达“最终充气压力〞，将继续从高压储气装置通过主气流阀给汽车加气，直到到达“最终充气压力〞，例如200MPa／2lC(3000psig／70F)。(9)当到达最初的“最终充气压力〞后，Micon500CTM将关闭所有的电磁阀，并通过压力变送器监测汽车的压力。监测时问的长短由“重起动〞计时器参数设定值决定，该参数可以通过Micon500CTM的1nf0一Pac进行设置。如果在该参数确定的延迟时间内“最终充气〞压力维持不变，那么加气过程结束，加气机关闭。(10)在加气过程最后，可以听到大约3s的声音信号，表示加气过程已经结束。(11)将加气枪从汽车上卸下，重新放回加气机架上。四、子站子站为天然气汽车加气，车载瓶充气压力为每辆车充气10-70Nm3，每个子站可为150辆公交车加气，每天供气量约为30000m3，三班20小时生产。母站有天然气净化设备，子站那么不考虑气体净化设备。CNG加气子站流程图如图5—13所示。1．流程及设备介绍图5一14是子站工艺流程图，图5—15是子站设备示意图。加气子站系统流程是将CNG转运车上的气经接气柱接受后，在子站配置的PLC自控系统指令下，经过调压阀到洗涤罐，再经过压缩机升压后，经过分配阀到地面瓶组，再通过分配阀到加气机给车辆加气。压缩机在整个流程中完成将转运车上的气体升压的任务。压缩机的具体参数结构：单列两级风冷结构电机功率：45kW进气压力：7.7MPa排气压力：25MPa图5—13CNG加气子站工艺流程图图5一14CNG加气子站流程简图排气量：800