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天然气供应与cng加气站 第一节 概述 世界石油资源短缺和生态环境保护是21世纪人类面临的主要问题 清洁燃料 可再生能源电能太阳能氢能生物能气体燃料 如天然气 液化石油气 天然气加气站的建设是天然气燃料推广的重要基础设施 压缩天然气 cng 供应 压缩天然气 cng 供应是泛指符合现行国家标准 天然气 gb17820 之二类气作为气源 在环境温度为 40 至50 时 经加压站净化 脱水 压缩至不大于25 0mpa 出站的cng符合现行国家标准 车用压缩天然气 gb18047的各项规定 并充装给气瓶转运车送至城镇的cng汽车加气站或城镇燃气公司的cng供应站 储配站或减压站 供汽车发动机燃料 居民 商业 工业企业生活和生产用燃料的系统 1 在天然气长输管道尚未敷设的区域 以压缩天然气作气源较易实现城镇气化 并可节省大量投资 2 减少城镇交通的汽车尾气排放总量 以改善城区大气环境质量 3 在天然气供应价格有竞争力的情况下 以天然气替代车用汽油 柴油 压缩天然气 cng 供应 加压站供应站cng汽车加气站 一 国外天然气加气站历史与现状 天然气作为汽车燃料于20世纪30年代初由意大利人率先采用 到1939年意大利就有1万辆天然气汽车 20世纪50 60代发展都较缓慢 只在某些特定地区 特定用途的车辆上小规模地使用 如在贫油地区以气代油 1973年第一次石油危机人们逐步认识到使用天然气代替传统的石油产品作为汽车燃料具有经济 清洁的突出优点 于是纷纷加快了天然气汽车的发展 在天然气资源丰富的俄罗斯 意大利 阿根廷 新西兰 巴西 印度尼西亚等国家和地区 以及受到环保法规和国家政策制约的美国 日本等国家 天然气汽车的发展非常迅速 截止2003年底 天然气汽车己在全世界60多个国家投入运行 cng汽车总保有量约330万辆 cng加气站大约是6600余座 国外天然气加气站历史与现状 阿根廷 天然气在汽车燃料消耗中所占比例达11 5 美国2003年底cng加气站1300座 约占全世界cng加气站总量的20 美国联邦政府为解决汽车排放污染问题 早在1990年的 清洁空气条例修正案 中就提出 天然气应成为被广泛选择使用的汽车替代燃料 1995年颁布的 美国cng汽车工业战略计划 美国cng汽车数量2010年将增加到200万辆 加气站将增加到9000座 日本从1990年开始 就积极鼓励发展cng汽车 以东京等大城市为中心 已经有100多个天然气加气站投入使用 2003年底日本拥有1 8万辆cng汽车和226座cng加气站 力争到2010年将天然气汽车增加到100万辆 目前 几乎所有的日本汽车制造厂都在开发cng汽车 一些汽车生产厂已经开始采用流水线生产cng单燃料汽车 天然气汽车保有量及加气站数量状况 截至日期2003 10 二 国内天然气加气站研究历史和现状 20世纪50年代 四川沪州 自贡就开始使用背囊式天然气汽车60年代初 在国家科委和汽车局组织下于四川完成了两辆ca10h型加气站cng汽车的运行试验及其它试验 但由于当时油价低和加气站少 cng汽车不能表现出经济性好的特点 使得这一技术未能进一步发展 实验站于1978年撤销 80年代中期 为解决燃油供需矛盾 四川省又率先在国内提出 以汽带油 发展天然气汽车 加快了cng汽车的发展步伐 于1988年从新西兰和澳大利亚引进50套车用装置和一套高压充气站设备进行示范 1993年 中国石油天然气总公司开始系统引进国外天然气汽车技术 1997年科技部下文成立全国燃气汽车专家组 1999年4月 成立全国清洁汽车行动协调领导小组 开展了 空气挣化工程一清洁汽车行动 启动了北京 上海 重庆 四川等12个城市和地区开展以发展燃气汽车为主的清洁汽车试点示范工作 在 空气净化工程一清洁汽车行动 的 十五规划 中 我国共安排5个系列轿车 3个系列大型公交车用柴油机和2个系列中巴车用汽油机的燃气化开发 并确定一汽 东风 上汽 天汽及长安公司等5家企业为燃气汽车生产基地 2003年底全国己建成cng加气站275座 保有天然气汽车70000多辆 北京市 1997年北京市科委下达了 北京市车用燃气加气站地面设施规划研究 课题 北京市城市规划设计研究院会同有关部门负责编制 北京市清洁燃料汽车及车用燃气加气站近期发展规划 1998年9月在北京衙门口建成第一座cng加气站 到2003年底共建成cng加气站30站 北京2008年奥运会的申办成功 北京市政府已郑重承诺到2008年 95 的公交车将采用天然气发动机 四川省 20世纪90年代初期 开始发展cng汽车及其相关产业 1999年至2002年是发展高峰期 现已成为我国cng汽车及加气站保有量最多 发展最快的地区 到2003年底 四川省建成加气站163座 推广cng汽车4 7万余辆 绵阳 德阳 自贡 沪州 成都等市85 以上的公交车使用cng 95 以上出租车是cng汽车 三 武汉市天然气发展现状概述 目前 武汉市石油成品油消耗重点是交通运输业 占消耗份额的80 为降低该市对成品油的依赖 缓解石油供需矛盾 其突破口在于大力推广 油改气 工作 加快天然气加气站建设 据有关专家测算 压缩天然气 cng 价格低于汽油价格30 尤其适合城市公交车和出租车 使用压缩天然气 cng 每台公交车每月可节约燃料费1000元 出租车可节约600 1000元 同时 汽车尾气污染物排放量大大低于汽油和柴油 且安全性能较高 武汉市天然气项目 武汉市天然气项目又称 川气入汉 项目 是国家 西气东送 工程的重要补充部分 入汉天然气来自重庆忠县 整个忠武输气管道全长1375公里 其中一期工程1034公里 包括忠武干线 武汉至黄石支线和荆州至襄樊支线 2003年8月28日线路工程全面铺开 2004年11月16日 忠县首站输气阀门开启 2004年11月19日 川气相继抵达武汉 黄石和襄樊 按照有关合同 到2008年 武汉市天然气年供气量为12亿立方米 预计到2020年 天然气需求总量可超过25亿立方米 2003年 武汉市提出发展天然气汽车的设想 当年10月 市计委 城管局组织实施 武汉市压缩天然气 cng 汽车加气站项目建设法人招标 江钻股份公司 武汉天然气公司 广东大隆公司三家企业中标 开始启动我市天然气加气站建设 2004年9月 市公交集团组织公交车辆使用天然气及车辆改装项目招标 江钻股份公司再次中标 承担市公交集团1500辆公交车的改装及供气任务 江钻股份公司在江夏区五里界镇投资建设的第一座天然气汽车加气母站已建成投产 日加工天然气20万标方 是目前国内最大的天然气加气母站 位于中北路的一座加气子站也已建成 同时 由该公司垫资改装的首批30台 油改气 公交车投入营运 公交车出租车小公共汽车江钻股份公司建设2座天然气加气母站和20 25个子站武汉市发改委 规划局 武汉市天然气加气站布局规划 规划提出 到2010年全市新建天然气加气站51座 其中高压母站9座 公交加气站11座 社会加气站31座 基本实现公交车 出租车 油改气 目标 每年可减少汽油消耗11 5万吨 节约燃料成本1 3 1 5亿元 其经济效益和社会效益将十分可观 四 天然气作为汽车燃料主要形式 天然气作为汽车替代燃料的形式主要有以下四种 压缩天然气 cng 该技术主要是将天然气处理后压缩到20mpa 体积缩小到1 300 然后经高压储罐或者罐车再用加气机加给汽车 液化天然气 lng 该技术主要是将天然气液化 用罐车和高压液化储罐低温运输储存 经加气站加给汽车 吸附天然气 ang 该技术的要点是运用多孔吸附剂填充在储存容器中 在中高压 3 5mpa左右 条件下 利用吸附剂对天然气高的吸附容量来增加天然气的储存密度 天然气水合物 ngh 天然气水和物 ngh 可在一定的温度和压力条件下 由水和天然气的类冰笼形结晶化合物 1m3的ngh标准条件下可以携带150 170m3的天然气 研究表明 ngh可以在0 20 c压力为2 6mpa条件下制备 常压 15 c以上稳定储存 加热或降压可以实现ngh的分解 下表是几种天然气形式的比较 第二节 压缩天然气加气站分类 标准站 固定式加气站具有主要设备完全固定 技术成熟 生产稳定的特点 可以设计为大型加气站 移动式加气站因其设备的限制 只适用于小型站 通常母站都设置储气装置 快充站是加气速度很快的加气站 加气时间通常为3 10分钟 城市公共加气站多属于此类 慢充站加气速度慢 时间长 通常是在晚上对车辆加气 适用于私有加气站或工作条件适合的内部加气站 也可根据所属关系 将加气站分为商业加气站 私有加气站和公共加气站 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 经过脱硫 脱水 压缩等工艺 然后进入储气瓶组储存或通过加气机给车辆加气 日加气量为6000 10000m3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 压缩等工艺 然后进入储气瓶组储存或通过加气机给子站转运车或车辆加气 子站建在加气站周围没有天然气管线或环境限制建前两种站的地方 通过子站转运车从母站运来天然气 经增压器将转运车内的低压气体升压后 转存在地面瓶组或直接给车辆加气 天然气加压站 母站 的作业流程框图 第三节 压缩天然气母子站 一 天然气汽车母子加气站的概念 1 cng子母站在不具备或尚未具备天然气管网的地区 将城区外天然气主管网的天然气压缩后 利用专用拖车运送到城区天然气子站的形式被称为天然气子母站系统 其中 具备天然气管线 装备天然气压缩机等设备的增压站称为 压缩天然气母站 而在异地仅进行售气的站称为 压缩天然气子站 通常情况下 一座母站可供应十个左右的子站 2 母站建设条件母站通常建在天然气主管线附近 输送压力一般为1 5 2 5mpa 设置三台以上大排量压缩机 深度脱水装置 气瓶组拖车等设备 设置三台以上压缩机是为了保证稳定地供应足够大流量的天然气 同时 当其中一台压缩机进行正常维修保养时 其余压缩机仍能满足所有子站压缩天然气的需求 母站 子站 储存cng装置的拖车运输 二 母站的工艺流程及设备 母站天然气管线直接取气除尘脱水脱硫压缩充气 天然气被增压至25mpa 给气瓶或气瓶拖车充气 母站设施 压缩机储罐处理装置 干燥器调压计量装置加气柱加气机 压缩机技术及要求 进气压力排气压力级数排气量缸径行程压缩比温度 压缩机 压缩机组的安全保护系统 1 压缩机出口与第一个截止阀之间应设安全阀 安全阀的泄放能力不小于压缩机的安全泄放量 2 压缩机进 出口应设置高 低压报警和高压越限停机装置 3 压缩机的冷却系统应设置温度报警及停机装置 4 压缩机的润滑系统应设置低压报警及停机装置 5 压缩机卸载排气不得对外放空 回收的天然气可输至压缩机进口缓冲罐 机前机后排出的废油及冷凝液均应集中处理 撬装压缩机 大型撬装压缩机组自动化程度很高 在每一台机组 撬块 上面均安装了plc充气优先控制盘 撬块plc 它与电机控制中心 储气系统 风冷系统和气动阀 仪表用压缩空气系统等组成完整的压缩系统 压缩机组启动优先级控制功能 运行顺序功能 选择启动形式功能 冷却和停机功能 充气优先级控制功能 操作人员紧急切断功能和空压机启 停机功能 都汇总到主控室的plc盘上 主plc可决定何时启动和启动哪一个撬块 某台压编机组 压缩机 活塞式 储气装置 平衡cng供需在数量和时间上的不同步和不均匀性储气装置在cng加压站或加气站的工程投资中占有较大比重在工艺平而设计中须恰当考虑其占地面积及相对位置 cng储气方式 目前已采用的主要有四种 1 小气瓶组储气方式 采用钢或复合材料制成水容积为40 80l的气瓶 可几十上百地把气瓶分为若干组设置 这种方式主要用于规模较小的cng加压站或加气站 每站总瓶数不宜超过180只 由于气瓶数量多 管道连接及阀件也多 泄漏概率大 因此 维修工作量和费用高 2 大气瓶组储气方式 钢制大气瓶形同管束 每只水容积为500l以上 以3 9只组成瓶组 并用钢结构框架固定相对于小气瓶组储气方式 其具有快充性能较好 容积利用率较高的特点 并由于气瓶数量显著减少 因而系统的可靠性较高 维护费用较少 3 大容最高压容器储气方式这是指用水容积为2m3以上的钢制压力容器储气 由于容器的水容积较大 其壁厚相应较大 材质选用和制造工艺都会要求更高 因而工程费用要高于上述储气方式 4 地下管式竖井储气方式采用无缝钢管作为容器 管材有很高的强度和防腐性能井管一般采用 150的无缝钢管每根长100m 水容积约2m3 投入运行后无需定期检验 使用年限为25年 然而却受站址地质条件的限制 管束大气瓶 美国机械工程学会 asme 压力容器标准水容积 500l 1000l 1750l 工作压力为25mpa平地安装 可按3xn组 单组或多组 框架卧式固定布置 设有安全装置和手动切断阀 图 美国cpi公司产品 参数如下 l1 6261mm l2 6109mm 外径d 610mm h 2235mm 壁厚 29 3mm 单瓶水容双1 314m 按25mpa压力计 单瓶储气能力约300m 耐压实验压力40 8mpa 设计压力27 2mpa 储气瓶组 小气瓶储气 水容积小气瓶 美国运输部标准 dot 3aax 40 80l大工作压力为25mpa 干燥器 加气柱 加气机 三区三线加气机构造图 母站监控系统 采用压缩机自动监控系统 对进站的压力 流量和压缩机各级压力温度 脱水装置后的水含量 再生气的压力温度流量 加气过程中的压力和加气量进行自动监测 记录 和控制 主要监控点 a 进站管线进站压力监控 当进站压力超过设定值 计算机自动报警 关断进站电磁阀并作自动记录 自动计量 自动记录进站任意 累计流量 当流量超过设定流量 计算机自动报警 关断进站电磁阀并作自动记录 b 压缩区自动监控 监测压缩机各级压力 温度 脱水装置后的水含量 再生调压器后的压力 在超过设定值时 系统自动报警 并停机 自动记录 c 加气区自动监控记录 自动记录加气柱对每车次罐车的加气压力和加气量 当罐车压力达到设定值时自动关闭电磁阀 三 压缩天然气汽车加气站 子站 子站主要设备压缩机缓冲罐卸气柱和售气机 cng加气站站址及其设置原则 单独设置或与加油站合建的cng加气站 气源由气瓶转运车供应 合建站根据储油储气容器的容积划分等级成镇建成区内不宜建一级合建站重要公共建筑和涉及其他重要建筑物周围100m范围内不得建加气站或合建机加气站的设计规模应根据车辆充装用气量和气源的供应能力确定 1日气机的数量应根据加气汽车类型及其数量和快充加气作业时间确定 加气机的额定工作压力为20mpa 加气速度不应大于0 25m3 min 加气机应以每立方米为计量单位 最小分度值为0 1m3 并进行压力 温度补偿 一 子站加气作业流程 加气子站与加压母站不同之处在于其气源压力很高 气瓶转运车额定压力为20mpa 也不需要对天然气再进行预处理 首先必须将站内部气柱的卡套软管快速接头与气瓶转运车的卸气主控阀接好 经优先 顺序控制盘选择启动顺序控制阀 在压缩机 储气装置和加气机之间形成以下四种流程 1 气瓶转运车 加气机 计量 充车载气瓶 2 气瓶转运车 压缩机 加气机 计量 充车载气瓶 3 储气装置 加气机 计量 充车载气瓶3 4 气瓶转运车 压缩机 储气装置 注意问题容积利用率压缩机频繁启动方案低 中 高压瓶组顺序取气优先级和压缩机补气为最后优先级的系统流程 提高气瓶利用率和最大限度地减少压缩机频繁启动 方案比较 方案一 6个气瓶不分组直接用于为气瓶充气到压力