压缩天然气储气钢瓶

压缩天然气储气钢瓶 录入： admin 来源：张智 时间：2007-07-26 【 字体：大 中 小 】 双击滚屏 一、分类与特点 在压缩天然气加气站技术发展的不同阶段，曾使用过许多种形式的站用储气器，有代表性的有如 下几种： （1） 并联小气瓶储气库 所谓并联小气瓶储气库就是将大约 60200 个水容积在 5080L 的小型高压气瓶并联在一起，以获 得较大的容积，作为站用储气器，图 3-53 就是这类储气器的一个应用实例。这种气瓶按标准规定不设排 污口，曾使用过的主要有两种：一种是按美国运输部 DOT 标准生产的运输用小型容器，安全系数 2.48， 这种容器的本来目的并不是作为地面存储之用，因为 DOT 没有制定地面储存应用标准的权限；一种是按我 国 GB500994 钢制无缝气瓶标准（目前我国压缩天然气加气站用储气瓶标准）生产的小型气瓶，安全系 数 2.3，如氧气瓶等。并联小气瓶储气库因为气瓶较多，所以连接点很多，容易产生连接处泄漏。这种系 统的管道较细，所以气体的流动阻力也比较大。众多的气瓶一般是水平放置，排列在一起的占地面积比较 大，一般在 50m2以上。气瓶没有排污口，日久天长，压缩机排气没有分离掉的水分和润滑油会逐渐沉积 在气瓶内，占据气瓶有效容积，溶解于其中的硫化氢还对容器产生腐蚀。按标准规定，这种气瓶每三年必 须拆开送检一次，逐一进行水压试验，然后还要逐个清洗、吹扫、重新安装，运行维护成本很高。气瓶数 量太多，安装、配管工作量较大，施工工时长。气瓶的摆放除水平放置外，早期也有竖直放置的，但这种 使用方式一般是在气瓶较少时，如 24 个，因为气瓶多时其占地面积实在太大，且这样的储气库多是与压 缩机撬体组装成一个整体，以提高紧凑程度。 这种储气器的优点是气瓶易于购得，价格较低，但上述诸多缺点导致其在新建的加气站中已较少 采用，只在早期建设的加气站可见到。 （2）无缝大容积储气瓶 为克服并联小气瓶储气库的众多缺陷，近年来出现了单瓶水容积约在 13001500L 的专门用于压缩 天然气加气站地面储气的无缝压力容器。多数加气站只需设置 36 个即满足要求。这种容器多数是在厂家 就直接三个一组固定在一个支架上的，现场安装极为方便、迅速，目前国内外均有生产。这种容器一般是 按 ASME 第章第 1 节压缩气体地面存储设计标准设计的，安全系数为 3，容器壁厚比同等 DOT 瓶壁厚高 出 39%，专门作为地面存储之用。容器上有排污口，便于排污。运行过程中，只需定期进行外观检查和测 厚检查，不需拆除连接件进行其他检测，运行维护费用低。占用场地小，一般约为 57 m2，可露天放置。 整体结构坚固、刚性好，能更好的承受冲击载荷及地震波动。容器数量少，接头少，管线尺寸大，流动阻 力较小。图 3-54 是一个这种储气器现场使用实例，最常见的是将气瓶叠放，置天地面上卧式安装，也有 将气瓶置于地面上立式安装的，还有的挖一个地坑将瓶组垂直安装放在地坑内，维修人员可通过设置在地 坑侧壁上的梯子进出地坑进行瓶组维修，地坑边缘设护栏，顶部设防雨棚。 （3）地下储气井 地下储气井的思想来源于对天然气开采工艺过程的逆向思维，这种储气器是采用石油部门的钻井 技术，在地面上钻一个深度约为 100200m 的井，然后将十几根石油钻井工业中常用的 18cm 套管通过管端 的扁梯形螺纹和管箍接头连接在一起，两头再各安装一个封头，形成一个细长的容器，放至井中，然后在 套管外围与井壁之间灌入水泥砂浆，将长筒形容器固定起来，便形成了一个地下储气井。根据加气站的容 积需要，可以灵活决定储气井的深度和数量，每口井的间距大约 11.5m。同地面瓶组相比，这种储气方 式有很多优点： 1）节省土地面积。如三口井实际占地只需要 12 m2，而且按 GB501562002 规定，其所需的防火 间距只有地面储气瓶组的 50%70%，所以其实际所需的平面防火禁区面积只有地面储气瓶组的 1/3 左右。 这一方面有利于站面布置，也有利于站址选择和减少总投资。 2）安全性较好。套筒材料按 API 制造，本身直径又很小，同时外壁有油井专用水泥固封，所以承 压能力很强，套管爆破压力达 86Mpa。此外，即使储气井发生爆破，其高压气体也是通过撕裂的地层缓慢 泄压，爆破能量被相对而言无限大的底层迅速吸收，地面只有轻微振动。同时这种装置还不易受到人为、 撞击、火灾等外界其他因素的破坏。 3）节省了安全辅助装置设施，按照 GB501562002 和 GJJ2000 的规定，储气瓶罐必须进行防腐， 必须设置可燃气体检测器，以及夏季的喷淋冷却和冬季防冻装置，而储气井深埋于地下，冬暖夏凉，无需 这此设施。同时，防火墙的高度和长度也大为减少，建设费用只需瓶式储气方式的一半。 4）使用寿命长。储气井埋地于地下，不易受到风吹雨淋及外界的物理损坏，同时套筒外部裹了一 层高强度水泥，使其与土壤中的腐蚀介质隔绝，不易被损坏。根据 SY-T65352002高压气地下储气井 的规定，储气井的使用寿命为 25 年，而按我国压力容器监察规程，作为金属压力容器的储气瓶的使 用寿命为 15 年。 5）运行维护费用低。储气井的检测周期是 6 年，而储气瓶一般为 23 年。 6）夏天可多储气。储气井位于地下，温度较低，压缩机排气在其中还可进一步冷却，所以相比于 地面瓶组可储存更多的气体。 但储气井也有缺点，如耐压试验无法检验强度和密封性，制造缺陷也不能及时发现，排污不彻底， 容易对套管造成应力腐蚀等。 图 3-55 为一个储气井的结构示意图，根据井深决定井筒和管箍接头的数量，下封头置于井底，上 封头上开有排污口和进排气口，排污口下部吊了一根排污管通至井底，有些储气井为了结构简化还将进排 气口合二为一。储气井上部大约高出地面 3050cm，每根套管的长度为 10m。套管与管箍接头的连接螺纹 处采用能承受 70Mpa 的耐高压的专用密封脂进行密封。储气井有几项比较关键的技术必须加以注意，早期 的储气井在使用中曾出现过这些方面的问题。近年来经过国内一些厂家的努力，有些已得到了一定程度的 解决。 1）井口上封头进排气接管和排污接管处容易发生漏气，这通过改用球面密封得到了解决，另外有些 厂家将进排气口合二为一，也减少了泄漏点。 2）以往进气口水平布置高压气流对井壁和排污管根部造成冲蚀，常将排污管吹断。现在的储气井将 进气口竖直设置在上封头上则杜绝了这种现象。 3）储气井有一小部分伸出地面，暴露于空气中，因为空气与大地化学成分不一致，所以在井筒靠近 地面处容易产生锈蚀。一个解决办法是在地面以上及以下各约 15cm 处的筒体上各套一个由镁合金等活泼 金属制成的金属环，并用导电材料将两金属环连接，则可避免钢制套筒的腐蚀，取而代之的是金属环的腐 蚀，腐蚀后的金属环只需定期更换，可有效保护井体。 4）储气井还容易出现的一个问题是长时间运行及气体受到冷却后，井底容易出现积水，天然气中或 多或少含有一些硫化氢，容于积水后对井底金属形成腐蚀，虽然有排污但不可能实施排污，只能定期排污， 同时排污也无法做到彻底。国内某厂家用一个巧妙的办法解决了这一问题，在储气井底部灌入一些润滑油 或液压油，当有积水存在时，油会浮在水湎上，将水和天然气隔开，有效避免硫化氯溶解于水而产生腐蚀 性。排污时，水排完见到油后则停止排污，对于排出损失的少量油，23 年补充一次即可。 5）此外，套筒和井壁之间水泥砂浆是通过一个管状物灌入的，有时容易发生灌浆管底部堵塞而灌浆 不致密的问题，国内某公司在灌浆管侧壁上开了许多孔，形成了一个多出口的灌浆管，有效解决了这一问 题。 二、储气器的容积匹配 站用储气器在使用中有一个重要的衡量指标称为容积利用率，所谓容积利用率就是将所有地面瓶组的 压力充至规定值（如 25MPa）后开始给车辆加气，所有被充气车辆要求充至规定压力（如 20MPa），当因 为储气器自身压力降低而最后一辆车刚好被充满，再多一辆就无法再充满时，储气器内被消耗掉的气体标 准体积与其初始压力状态所对应的气体标准体积之比。相同的储气器总容积，若将其分为容积相等或不等 的几组，由各组依次为车辆加气，与不分组相比，容积利用率会有很大差别既使是相同的分组情况，加气 车辆的初始压力不同，容积利用率也不一样。 比如，储气器不分组，将其充至 25Mpa 后开始给车辆充气，当其压力降至 20Mpa 以后便无法继续给车 辆充气，因为此时已无法加满 20Mpa，若忽略充气过程中的温度变化，则储气器的容积利用率只有 20%。 实际上加气是靠储气器与车辆气瓶这间的压差进行的，当储气器内的压力还没有降到 20Mpa 的时候，加气 机流量计已经因为压差太小导致质量流量低于设定值而自动关闭，这是加气机的基本功能之一，如 22Mpa，那么此时的容积利用率只有 12%。 再如，将储气器的总容积按 20%、30%、50%分为三组，依次称为高压组、中压组、低压组，开始时其 内压力均为 25Mpa，有车辆加气时，先由低压组为其充气，直至压力平衡或加气机流量计因为流量太小而 自动关闭；再由中压组为其充气，直至压力再次平衡或加气机流量计因为流量太小而自动关闭；随后是高 压组为其充气直至规定的 20Mpa。充气过程各组气瓶及车辆气瓶的压力变化如 3-2 所示，可见高压组气瓶 压力降至仍可保证充气速度的 22.1Mpa 时，储气器的总容积利用率约为 32%。 表 3-2 三级计气系统加气过程 过程 汽车气瓶压力/MPa 低压装置压力/MPa 中压装置压力/MPa 高压装置压力/MPa 开始加气 低压转中压 中压转高压 加气结束 用气的容积 利用率 0 8.3 15.9 20.7 24.8 10.3 10.3 10.3 14.5 58% 24.8 24.8 17.9 17.9 6.9 28% 24.8 24.8 24.8 22.1 2.8 11% 平均利用率 32% 美国 CPI 公司进行过一次实测，根据加气时手工记录的每组储气瓶的压力变化来换算储气器的容 积利用率。储气压力 25Mpa，总储气量 1163.7Nm3，储气器划分成容积相等的三组。车辆充气压力 20Mpa， 开始为空瓶，储气量 28.3Nm3，充气车辆钢瓶总数 17 个，充气按由低到高的顺序依次使用各组地面气瓶， 每组气瓶每次充气时都充至车辆气瓶压力平衡。每次各组储气瓶的容积利用率分别为高压组 12.5%、中压 组 38.4%、低压组 73.4%，平均值为 41.4%。如果将分组配比结构改为高、中、低压比为 1：2：3，则理论 上讲储气器平均容积利用率超过 60%。 加拿大 IMW 公司对由 20 只水容积为 94L/个的气瓶组成的总储气量为 470 Nm3的站用储气器进行了 容积利用率的研究，气瓶和汽车的充气压力仍分别为 25Mpa 和 20Mpa。当所有气瓶不分组时，容积利用率 为 9%；当气瓶分为 2 组，高压组 8 个，低压组 12 个，容积利用率为 27%；当气瓶分为 3 组。高压组 4 个， 中压组 6 个，低压组 20 个，容积利用率就是表 3-2 中的 32%。 当然，实际运行中的储气器容积利用率还受到许多其他因素的影响，总的来看，储气器的容积按 1：2：3 划分成三级加气系统比较合理，能获得较高的容积利用率，实践也证明了这一点。综上所述，尽 管影响储气瓶组中气体利用率的因素较多，但从实用的角度看，在不过多增加加气站成本的前提下，通过 以下途径，适当提高储气瓶组的气体利用率是比较可行的： 1）将储气瓶适当分组，尽可能选取 1：2：3 的配比结构，或者适当增加低压瓶组的比例； 2）具有自动顺序控制储气瓶组充气功能的加气站，应将高压瓶组的压力作为控制压缩机再启动的变 量，这在保证高压瓶组最低压力不低于 20Mpa（保证汽车加满的必要条件）的情况下，可使低压瓶组的压 力降得尽可能低； 3）具有顺序控制功能的自动售气机，在保证加气速度不会受到较大影响的前提下，适当减小顺序 控制加气流量的截止参数值； 4）采用手动顺序控制的售气机，可以根据加气车辆气瓶的容量，人为调控低、中、高压充气阀打 开时间，以便尽可能多得利用储气瓶组中的气体，尤其在加气车辆不十分繁忙的情况下，对减少压缩机的 启动次数还是很有用的。 三、储气器的容量选择 储气器的储气量是继容积利用率之后的储气瓶组的又一个重要技术指标，选取不当可能增加加气 站的投资或运行成本，或者影响加气站的供气能力而降低工作效率。储气器容量对加气站供气能力的影响 主要体现在以下几个方面： 1）相对于一定规格的压缩机。储气瓶组的容量过小，可向汽车提供的气量过少，必然会增加压缩机 的启动次数，增大能耗，降低了经济效益和设备的工作寿命，当压缩机的排气量较小时更为严重。 2）储气瓶组容量过小会出现汽车加不满的现象，尤其是公交等大车更为显著。如果加气站采用自 动售气机，当多枪同时加气且每辆车的加气量又比较大时，无论是瓶组还是压缩机直接供气，每个加气枪 的流量仍达不到截止流量就会自动关闭，从而导致车辆加不满 20Mpa。 3）瓶组结构设置不合理，会造成气体利用率低，设备浪费。对于采用小气瓶组的储气器，如果低 压瓶组数量较少，而中高压瓶组数量又相对偏多，会因为中高压瓶组压力不能降得太低而导致总的容积利 用率下降；另外，采用大气瓶组、大储气罐及储气井时，限于条件，气瓶只能 1：1：1 匹配，因此相对而 言低压瓶组的容积较小，中高压瓶组的容量必将浪费 30%60%以上，使储气器的整体容积利用率降低，也 就相当于使储气瓶组的成本提高了 20%50%。 4）如果瓶组设置不合理，为提高容积利用率而将自动售气机的截止流量调低，必然导致加气速度 的降低和加气时间的延长，日售气量减少，经济效益下降。 实际的运行经验表明，除了主要供应大型车队晚上加气的慢加气站和直接加气方式，以及家用小 型加气站外，其他各种加气站都应该配置储气瓶组，储气瓶组的容量选取要考虑如下一些因素： 1）压缩机排气量的大小。压缩机的排气量较大时，储气瓶组的储气量就可小一些，反之则应大些。 2）加气站的规模和加气车辆数。加气的车辆多，每大加气量大时，储气瓶组的容量应大些，以作为 压缩机的有效补充，否则可相对小些。 3）加气站的类型。母站的储气容量要大，因为压缩机的排量较大，避免压缩机刚开启就迅速停机， 而子站因压缩机排量小，故可相对较小。常规站则要考虑车流量、管网压力等其他一些因素。 4）加气车辆类型。以公交车为主时，储气瓶组容量一定要大，尤其要考虑加气高峰时，大的储气容 量才可保证每辆车都能加满气。若以出租车为主，小的储气量就可保证车辆加满。 5）同时加气的售气机台数和加气枪个数。一台售气机，12 个枪加气，小储气量也可满足要求。若 两台售气机 4 个枪同时加气，储气瓶组的储气量必须大，否则也会出现加不满而加气枪自动关闭的情况。 6）按有关标准规定不同等级的加气站总储气量不能超过一定数值，加气站的建设必须遵照这一规定。 3.3.2 运输用储气器 对于子母站的建设方式，需要将天然气从母站用车辆转运到子站，这种转运车辆通称为槽车。槽车运 输气体所使用的容器有两种形式：一种办法是将若干个（如 144 个）直径较小（目前为 270mm）、长度也 较小的小气瓶集装成撬，再将撬体置于拖车上，用于母站和子站之间的气体运输；另外一种办法是将 715 个直径较大（目前有 406 mm、559 mm、610 mm 几种规格）、长度也较大（约 612 m）的气瓶直接组 装在拖挂拖车上，用于母站和子站之间的气体运输，并由专门的牵引车拖动。两种运输设备的对比如表 3-3 所示，长管容器的制造一般按美国联邦规定 49FER（3AA 和 3AAX 无缝瓶式容器规范）或美国运输部 DOT E8009 特许规范制造，目前天然气的运输用储气器基本都是使用长管半挂车，小气瓶集装撬已基本不 用。 表 3-3 两种天然气运输设备比较 对比项目 高压气体长管半挂车 小气瓶集装撬 容器数量/支 715 144 总充装量/ Nm 3 40005180 2800 排污 每只容器都有排污装置 没有排污装置 配管 只有 715 支配管，可能的泄漏点少 有 144 支配管，潜在的泄漏危险较大 快速充装能力 容器少、接头少、管线尺寸大，气体流 动阻力小 容器多、接头多、管线尺寸小、气体流动 阻力大 气瓶材料 进口 4130X 国产 30CrMo 整体结构性 半挂车为整体结构，刚性大且坚固，不 易因车辆的颠簸振动而损坏 以集装箱的方式在路上运输，颠簸、晃动 对撬体的冲击较大，容易导致众多气瓶接 口管线的松动 成本 初期投资高，运行和维护成本低 初期投资低，但运行和维护成本较高 再检测 我国目前没有规定 每三年必须对气瓶逐一进行水压试验 图 3-56 为一个长管半挂转运槽车的实物图片，图中左边具有车轮为后部，右边为两支撑。运输过 程中右边成为前部挂在牵引车上，两支撑可以转过 90 度水平放置。图 3-57 为一个小气瓶集装撬置于拖车 上所实物图片。 3.3.3 车载储气器 车载储气器的功能相当于油箱，是为燃气车辆的发动机盛装天然气燃料的，小型车辆一般单瓶使 用，目前新设计的单一天然气燃料汽车开始使用双瓶，大型车辆可多瓶并用。额定工作压力都为 20Mpa。 一、车载储气器的种类 燃气车辆上使用较多的车载储气器从制造材料上可划分成两类：一类是钢气瓶，也是最早使用的 车载气瓶；一类是复合材料气瓶，是近年新发展起来的一种气瓶。根据材料和制造工艺的不同，复合材料 气瓶又分为三种。对于车载天然气气瓶，美国于 1992 年制定了 ANSI/AGA AGV2-1992CNG 气瓶标准，第一 次将车载气瓶定义为表 3-4 所示的 NGV2-1、NGV2-2、NGV2-3、NGV2-4 四种类型，并规定了压缩天然气气 瓶的使用条件和相应的性能要求。国际标准化组织于 2000 年 9 月正式颁布了 ISO11439车用压缩天然气 高压气瓶标准，将车载气瓶同样定义为表 3-4 的 CNG-1、CNG-2、CNG-3、CNG-4 四种类型，基本与美国 标准及定义方法是一致的，但标准内容吸收了世界范围内 20 余年车用压缩天然气气瓶的使用经验。我国 目前使用这一 ISO 标准，尤其是我国的复合材料气瓶生产技术水平位于世界前列。 钢质气瓶的安全系数很高，生产和检验的要求也很高，按照 GB17258汽车用压缩天然气钢瓶要 求，瓶体材料一般选用优质铬钼钢，每件产品均需进行规定的水压试验、气密性试验及内外表面缺陷检验。 每批产品要抽样进行材料的应力、冲击韧性、挤压韧性、硬度检测、金相组织检测、水压爆破等试验，合 格后才能出厂。压缩天然气钢瓶的安全试验主要包括静水压力爆破试验、压力循环试验、火烧试验、坠落 试验、枪击试验等。此外，气瓶瓶口闪上还装有安全阀，其内装有 100易熔合金和 26 Mpa 的爆破片， 当气瓶内气体压力、温度上升超过上述数值时就自动泄压放气。我国目前生产的车用储气钢瓶的主要规格 见表 3-5。 表 3-4 车用压缩天然气储气装置分类和比较 分类 金属气瓶 复合材料气瓶 型号 1 型 2 型 3 型 4 型 材料及工艺 金属（钢或铝） 气瓶 金属内胆环向缠 绕气瓶 金属内胆全缠绕 气瓶 塑料内胆全缠绕 气瓶 NGV2-1992CNG 代 号 NGV2-1 NGV2-2 NGV2-3 NGV2-4 ISO11439 代号 CNG-1 CNG-2 CNG-3 CNG-4 优点 价格便宜 价格较便宜 有一定价格优势， 外形尺寸变化比 较灵活 耐腐蚀性能好， 外形尺寸灵活， 安装性能好 优点 笨重、外形尺寸 不易变化，耐腐 蚀性能差 较重，外形尺寸 化比较困难，耐 腐蚀性能差 耐腐蚀性能差， 价格稍高 价格较高 适用范围 大型车辆 大型车辆 大中型车 各型车辆 表 3-5 国产钢质车用储气瓶主要规格 水容积/L 外圆直径/mm 高度/mm 重量/kg 40 45 50 60 70 75 229 229 229/235 267 267 267 1220 1355 1540/1450 1380 1570 1680 55 60 65 73 85 90 复合材料气瓶的关键在于缠绕的纤维材料和缠绕的方法，目前使用的缠绕纤维有玻璃纤维、芳纶 纤维、碳纤维等。玻璃纤维应用较多，碳纤维价格稍高，在内胆缠绕纤维的过程中需要浸渍树脂。对使用 钢质内胆的气瓶，既使加强缠绕层破坏，内胆本身也能承受 20Mpa 压力。抽样试验主要有水压爆破试验、 常温疲劳试验、坠落试验、损伤容限试验、火烧试验、枪击试验、加速应力开裂试验、极限温度疲劳试验、 高温蠕变试验、渗漏试验、天然气静压试验、复合材料含胶量与树胶基本固化度测定等。国内生产的复合 材料气瓶主要规格见表 3-6，这些气瓶均使用玻璃纤维浸渍环氧树脂缠绕，爆破压力超过 73 Mpa，使用寿 命 10 年，工作温度-40-60，充装次数大于 7500 次，每小时渗气量不超过 0.25mL。 表 3-6 国产复合材料车用储气瓶主要规格 型号 水容积/L 外圆直径/mm 高度/mm 重量/kg CRCV20-36 CRCV20-50 CRCV20-90 CRCV20-110 36 50 90 110 334 350 350 350 780 900 1600 1800 26 35 60 80 除上述缠绕的复合材料气瓶外，美国 IMPCO 公司还开发出了一种新的碳纤维/环氧树脂复合材料气 瓶，如图 3-58（a）所示，它不是绕制的，但器壁仍有两层，内部是碳/环氧树脂结构层，外部是纤维树 脂硬壳。这种容器的设计工作压力是 24.8Mpa，爆破压力超过 75.8Mpa，充气疲劳寿命超过 45000 次，使 用温度更宽-5188，而容重比只有 0.32。此外，霍普津斯大学与 Lincoln 复合材料公司共同研制出了 一种天然气集成储气系统，如图 3-58（b）所示，它由储气瓶组、复合材料包覆层、泡沫防撞夹心层与外 保护罩组成。整个系统只有一个接口，其外形决定了这种储气装置便于安装且可有效利用车体空间增大天 然气储存量，日本 Thiokol 公司推出了一种整合储气瓶，如图 3-58（c）所示