CNG汽车加气站工艺系统冰堵问题浅析.doc

CNG汽车加气站工艺系统冰堵问题浅析刘 锡 麟摘 要：本文依据多年CNG加气站的工作经验，对CNG汽车加气站工艺系统常常出现的冰堵问题，进行了深入地研究与探讨，并从理论上对冰堵形成的机理进行了细致的分析。为妥善解决冰堵问题提出了一些有益的见解和方法，以供同行们参考。1. CNG加气站的冰堵现象冰堵是CNG加气站常见的一种故障现象，尤其是冬天，环境温度较低的情况下更会频频发生。所谓冰堵，就是在加气站工艺系统管线中，由于气体流动时压力降低，体积膨胀等原因产生的吸热作用，使局部温度急剧降低到0以下。这时，如果气体中含有游离水，就会在局部结冰而使管路堵塞，无法正常给汽车加气。为了彻底揭开冰堵这个谜的，我们作了许多试验，不仅从理论上揭示了冰堵现象的形成机理，并找到了一些解决冰堵现象的可行办法，总结出了一套行之有效的经验，提供给同行们借鉴。2. 冰堵现象发生的条件2.1加气母站 冰堵容易发生的阶段：在设备调试期间，尤其在冬天调试时； 冰堵的部位：主要发生在加气柱进气管处； 冰堵时的温度：主要发生在夜间，环境温度0左右，压缩机的排气温度4045； 冰堵时的压力：一般在10Mpa以下。2.2加气子站 冰堵容易发生的时间：不分季节，但冬季发生的几率更高； 冰堵部位：主要发生在卸气柱排气管处和售气机进气管处； 冰堵时的温度：容易发生在环境温度0左右。但在夏季，气温高达1528也时有发生； 冰堵时的压力，一般在10Mpa以下，尤其是7Mpa左右更易产生。3. 压缩天然气温度变化的原因及对系统的影响从上述冰堵产生的条件可以看出，温度变化是冰堵产生的关键因素。这里的温度，不仅指环境温度的变化，更要注重系统中压缩天然气的温度变化。3.1工艺流程与系统的温度变化从热力学定律可以知道，天然气在CNG加气站系统中工作状态的变化会引起系统温度的变化。那么，CNG在系统中压缩放热，膨胀吸热，使管路系统温度变化的规律是什么？当系统中的天然气处于压缩状态时，增压的过程沿着气流的方向，如加气母站的工艺流程就是这样，是个放热过程。正常情况下，压缩机末一级排出的气体，经冷却后的温度一般在40左右，再经过较长管线的传输，与环境进行热量交换并达到平衡后，气体温度总是要高于环境温度。如果在冬天，环境温度低于0，气体经室外空冷器的冷却后，已低于40（用手摸摸压缩机排气管感到比较凉，说明已低于体温），但在较长输气管道中的天然气，仍处于压缩状态继续放热，与管道周围环境进行热平衡后，到达加气柱时仍高于环境温度。随着系统压力的不断升高，压缩气体放出的热量更多，和环境温度抵消后甚至远高于0。这一点我们可通过下面的公式计算中明确地看出。 kTST2= 1P1/P2(kTS/T11) 式中 T1拖车气瓶内的初始绝对温度(K); T2充气结束时拖车气瓶内的绝对温度(K); Ts气源绝对温度（K）; P1拖车气瓶内的初始压力（MPa）； P2充气结束时拖车气瓶内的绝对压力（MPa）； k绝热指数。假定 T1=0273.15 P1=3MPa0.1MPa Ts=20273.15 P2=20MPa0.1MPa k=1.32（天然气）代入上式中，可得： T2=363.59K（90.4）这里是假定系统处于绝热状态下的计算结果，实际上系统在不停的和管道与气瓶周围环境进行热交换。实际温度远远低于这个计算温度，但又远高于当时的气温。也就是说冬季气温在0左右，充气终了时，拖车气瓶的气体温度常常高达20以上。当系统中的天然气处于膨胀状态时，如同在加气子站的工作过程。拖车气瓶中的气体温度与环境温度基本一致，压力由开始的20Mpa，经过卸气机中的软管、阀门、管道、流量计、阀门等的节流作用，逐步降低。或者说，在进入压缩机前，气体沿着流动的方向，压力在不断减小。这是个吸热过程，系统中压缩天然气的温度随着压力的降低而下降，必然低于环境温度，有时甚至低于0。假定从拖车气瓶经卸气柱和输气管道，到达压缩机进气口，气体压力降低约12MPa（售气机的供气量越大压降越大），那么通过下面的公式计算，即可明显看出温度的变化情况： T2=T1(P2/P1)(K-1)/K式中 T1拖车气瓶内的初始绝对温度(K)，取环境温度20； T2卸气过程中拖车气瓶和卸气管路中的绝对温度(K); P1拖车气瓶内的气体压力（MPa）； P2卸气过程中压缩机进气管道处的绝对压力（MPa）； P压降（MPa） k绝热指数。天然气取k=1.32将已知数据代入上式可得以下结果： 由此可知，系统压力在低压段（如7 MPa 以下），压力降低12MPa，温度的降低就超过10以上，甚至高达34。但在高压段（如10MPa以上），压力降低12MPa，温度的降低最多15.3。也就是说卸气管路系统的温度始终在0以上。因此高压段不易产生冰堵。3.2含水量与露点温度为了分析CNG加气站冰堵现象形成机理，首先必须了解天然气的水露点。所谓“露点”即露点温度，是工程上衡量天然气中水含量的一项重要指标，是指在一定压力下，天然气中水蒸气开始冷凝而出现液相的温度。经常涉及到的术语有常压露点和压力露点。常压露点指天然气在标准压力状态下或一个大气压下的露点温度，压力露点则指天然气在高于大气压的工作压力下的露点温度。天然气和其它气体一样，当它的含水量保持不变时，其露点温度则随着压力的变化而变化。或者说当常压露点保持不变时，压力露点则随着压力的提高而上升。比如天然气中的含水量保持8mg/Nm3时，常压露点为60。当操作压力上升为20Mpa时,压力露点升高到26.8；而操作压力降到7Mpa时，压力露点则下降到36。这是为什么呢？因为压力越低，气体中的水分越容易呈现气态，而压力越高越容易压出游离水。如同吸了水的海棉，在一定压力下其中的水被挤出了，看似挤干了，含水量已经很少，但若再加大压力还是可以压出水来的（当然如果把其中的水分烤干了，不含水分子了，那另当别论）。所以，当压缩天然气的含水量保持不变时（即常压露点为定值时），气体的压力越高，则压力露点越高；相反，随着压缩天然气的压力的降低，则压力露点亦越来越低。但是只要该压力露点低于管道中的实际温度，就不会产生冰堵。当然，若实际温度大大低于0，比如-10，该压力露点（如-5）又高于管道中的实际温度，就必然产生游离水而冰堵。3.3关于压缩天然气气质的标准GB180472000车用压缩天然气标准中对含水量的规定：“在汽车驾驶的特定地理区域内，在最高操作压力下，（压缩天然气的）水露点不应高于13；当最低气温低于8，(压缩天然气的)水露点应比最低气温低5。”这里的“最高操作压力”应理解为20Mpa，即汽车气瓶中的气体最高压力。我觉得该标准的规定不够严谨，“水露点比最低气温低5”可能远不够，因为管路中的温度往往远远低于当地的环境温度，如西安冬季极限温度不会低于15，而管道中的气体温度常常达到2030，所以含水量满足标准的气体不一定满足实际要求，所以仍然会结冰，产生冰堵。所以该标准的表述还值得进一步探讨。注意： 25Mpa压力下露点为13的压缩天然气的含水量大约相当于常压露点52.5, 20Mpa压力下露点为13的压缩天然气的含水量大约相当于常压露点52)4. 冰堵现象形成机理的分析4.1加气柱与卸气柱加气柱和卸气柱的工艺过程不同，引起系统中压缩天然气的温度变化不同，因此产生冰堵的情况也不同。加气柱工作时，整个系统的气体处于压缩状态，这是个放热过程，而且气体温度随着压力的增大而升高。当环境温度低于0，系统压力较低时，管道内的温度不可能升高很多，实际上最低也只有4，大多数在0左右。系统压力升高到10Mpa以上后，压缩天然气的温度慢慢上升达到56。这样，当天然气常压露点45（8Mpa压力露点为10左右,20Mpa压力露点为2左右）的情况下，在加气柱中就难以出现游离水而冰堵。卸气柱的工艺过程正好相反。因为它在工作过程中，气体始终处于膨胀状态，是吸热过程，它会使管道和周围环境温度大大降低。尤其当环境温度为0左右时，它会使管道气温降低到21（如系统压力由20Mpa下降到7Mpa左右时），甚至降到30（压力再降到3Mpa左右时）。这样，同样是常压露点为45的压缩天然气，在母站加气柱中不会冰堵。但到了加气子站，通过卸气柱压力降低到10Mpa以下时依然要冰堵。因为这个压力下的天然气水露点已高于10，会出现游离水。而管道温度由于气体的迅速膨胀而远低于10，使游离水结冰。要使它在2130的管道中不冰堵，就必须使压缩天然气的常压露点60（相应的压力露点20Mpa时为26.8；7Mpa时为36）。如前所述，母站加气柱在给拖车加气过程中，随着系统压力的升高，CNG的压力露点也在步步升高，直到压力升高到20Mpa时，CNG的压力露点已达到0以上（假定该CNG的常压露点为45），只要管道中的温度不低于0，就不会产生冰堵。在加气柱中，该压缩天然气先后经过内径为16（223）的短管、通径为16的球阀、通径为15的流量计、通径为16的球阀等管接件的节流，使流速增加，再到加气软管的大通径(22)，高压气体突然膨胀，进入拖车大储气瓶组后进一步膨胀（开始加气时气瓶中的压力很低，由于管路中较大的压差，使气体流速很大）。由于膨胀过程的吸热作用，使气体温度降低到0以下，随着瓶中压力的增加，压差减小，气体的流速降低，节流膨胀所引起的吸热作用减弱，温度的降低也就不再明显了。4.2压缩机在母站加气过程中，还出现过一种现象。当开一台压缩机，给一台拖车气瓶组加气时，如果出现冰堵，那么改为，通过两台加气柱，给两台拖车气瓶组同时加气时，加气柱的冰堵现象就减轻。也许是两个系统的气体分流作用，压力的提高较为缓慢，这样压差小、流速慢，膨胀吸热的作用减弱，气体和管道温度的降低有限。例如，若压缩机的排气温度在40左右，一台拖车加气时，拖车上的温度计显示不到10，可两台拖车同时加气时，温度计的显示都超过20，就说明了这个问题。4.3售气机在子站加气过程中，如果拖车压力较高，如10Mpa以上时，压缩机排量大，系统流量也大，而且供大于求，四台售气机8个枪加气量都保持稳定不变。因此管路中的压差较小，流速也小，相应的膨胀作用弱，吸热少，管路中的气体温度降低也较少；当拖车气体压力较低，如7Mpa以下时，压缩机排气量减小，工艺系统流量小。这时要保持四台售气机8个枪的气量，压缩天然气供不应求，所以管路中的压差增大，流速增加，膨胀作用加剧，吸热增加，管道中的气体温度降得很低。尤其到了冬季，这种吸热降温作用，抵消了压缩机的排气温度，再经过售气机管路中阀件细孔的节流作用，使该处的局部温度远远低于0。所以冬季售气机极易在进气阀门管件处形成冰堵。 5. 典型冰堵现象产生的原因5.1为何加气母站调试时容易产生冰堵这种现象多发生在冬季母站调试过程中。其主要原因有以下几方面。 加气柱在工厂进行水压试验后，没有将管路系统中的水分清除干净，当给拖车加气过程中，管道中的气体膨胀降温，只要低于0，就必然使系统中的这些水分结冰。 干燥器处理后的天然气露点没有达标（60）干燥器制造完工，至安装调试时若相隔时间较长，其中的分子筛可能由于吸附了周围环境和管道中的湿气已经饱和。投产前的第一次再生，如果按说明书中的一般要求进行操作，再生处理可能不彻底。造成干燥处理后的天然气露点没有达标，常压露点大约40，相对的压力露点在3左右（含水量约80100mg/Nm3）。虽然这时的环境温度仅为0左右，但在压力为7Mpa左右，加气柱管内温度大约40，出现游离水，必然产生冰堵。只需要调整一下再生程序，即可改善了脱水效果不再出现冰堵现象。5.2 为什么冰堵多发生在系统压力低于10Mpa时我们先看看下面的计算： T2=T1(P2/P1)(K-1)/K 当 T1=273.1515 （拖车气瓶的初始温度，即环境温度） T2=273.150 （产生冰堵时必须0） K=1.32(天然气)将以上数据代入公式并解之得： P2/P1=e-0.214=0.8 P2=0.8P1如果 P1 分别为 15MPa 10MPa 7 MPa 5 MPa 时那么 P2 则等于 12MPa 8MPa 5.6MPa 4 MPa由此可知，系统压力在低压段（如7 MPa 以下），压力降低到80%，压力损失在1MPa左右时，温度的降低就超过15。但在高压段（如10MPa以上），压力要降低到80%，压力损失需要23MPa。正常管路系统不会产生这么大的压损。这也是10MPa以上的高压段不易产生冰堵的主要原因。5.3 夏天子站卸气柱为何产生冰堵五一黄金周期间，某燃气公司两座加气子站的卸气柱，夜间相继出现冰堵现象。当时的环境气温白天28，夜间20，进气压力7Mpa以下，冰堵时的管路气体温度7。但是设备相同，气源相同的其他子站却没有发生冰堵。为什么呢？ 主要原因是某加气母站脱水干燥器出现故障，致使拉来的气质含水量太高。常压露点估计在-44左右，相应的压力露点0左右。这样，当气体压降约1Mpa多，所引起的温度降低就超过20，使系统低于0而冰堵。 另外，拖车气体压力降到7 Mpa以下时，压缩级排量不足650Nm3/h。这时如果储气单元的气体压力小于18Mpa，无法补气，却有8个加气枪同时加气，每把加气枪平均气量仅有大约80Nm3/h。由于气体供不应求，致使系统压力大幅度降低。同时，卸气柱高压管路中的各管接件通径很小，小孔径的节流作用使压力下降，气体温度急剧降低到0以下，必然产生冰堵。所以拖车压力7Mpa时没有产生冰堵，就是因为排量大，系统压降小，压差不会使气体温度下降过多。大排量加气使系统管路结霜也是这个原因。这从前面的计算亦可以看出。 和其它没有冰堵的子站相比，该两个站之所以产生冰堵，就是因为加气车辆多，同时工作的加气枪多达8把，而每把枪加气量却比较小的原因。所以必须停掉几把枪，使剩余加气枪的加气量增加，系统气体供求量保持基本平衡，就可以避免冰堵。而且加气速度加快。5.4 冰堵为什么只在卸气柱而不在售气机上产生有时，在同一座加气子站上，冰堵却只发生在卸气柱上，而不在售气机处产生。这种现象一般不会出现在冬季，只会在气温较高的季节产生。一方面卸气过程膨胀吸热，使气体温度大幅度降低。另一方面卸气柱管路系统阀门、管件通径都小于管子通径。由于瓶颈处的节流作用，在孔径处首先形成低温区，同时该处气量小（孔径小），降温所吸收的很小热量，就足以使其结冰而堵塞。其余管路部分内径大没有节流，所以不易形成冰堵。售气机处于压缩机之后，在较高的环境温度下，压缩热加上环境温度远远大于气体压力下降所引起的膨胀吸热，二者温度相抵后，永远高于0,所以非冬季节不会在售气机上产生冰堵。6.冰堵现象