摘要：總結(jié)了引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)建設(shè)壓縮天然氣加氣站、壓縮天然氣加氣站運(yùn)行管理的經(jīng)驗(yàn)，提出了壓縮天然氣加氣站主要設(shè)備選配、設(shè)備安裝與調(diào)試、運(yùn)行安全管理中應(yīng)注意的問題。
關(guān)鍵詞：CNG加氣站；設(shè)備選配；壓縮機(jī)；干燥器；儲(chǔ)氣設(shè)備；安全管理
Safety Technique and Management of Compressed Natural Gas Filling Station
WU Xin-sheng
Abstract：The experience in construction，operation and management of compressed natural gas station that was built by introduction of advanced technology is summarized. The problems to which attention should be paid in selected matching of main equipment，equipment installation and commissioning，operation safety management of compressed natural gas station are proposed.
Key words：compressed natural gas filling station；selected matching of equipment；compressor；dryer；gas storage equipment；safety management
1 概述
?? ?在天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，我國(guó)起步較晚，和國(guó)際上先進(jìn)國(guó)家相比有著較大差距。為了緊跟國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展步伐，盡快縮短和先進(jìn)國(guó)家的距離，我們就必須積極通過和國(guó)外合作的途徑，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，發(fā)展我們的CNG加氣站技術(shù)。
??? 1989年，北京市在大慶油田的支持下，利用引進(jìn)的加拿大加氣站設(shè)備和新西蘭汽車改裝件，建立了一座給壓縮天然氣汽車加氣的示范站。示范站建在海淀區(qū)志新路上。我們?cè)趯?shí)際的操作中摸索經(jīng)驗(yàn)，對(duì)加氣站的設(shè)備選用和運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。筆者對(duì)四川、新疆等地已建成的加氣站和國(guó)內(nèi)加氣站設(shè)備(如壓縮機(jī)、干燥器等)的生產(chǎn)廠商進(jìn)行了實(shí)地考察，對(duì)美國(guó)安吉公司(ANGI)、美國(guó)艾里爾公司(ARIEL)、加拿大的克勞斯公司(Kraus)、美國(guó)IMW公司等廠商進(jìn)行了實(shí)地考察，他們所生產(chǎn)的機(jī)器設(shè)備和所建加氣站給我們留下了深刻的印象。對(duì)各自的技術(shù)狀況進(jìn)行了認(rèn)真細(xì)致的分析對(duì)比后，我們了解了國(guó)際加氣站技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，看到了我們的差距所在。我們也認(rèn)識(shí)到，雖然先進(jìn)國(guó)家的總體水平較高，但是發(fā)展也不平衡，其技術(shù)水平和發(fā)展?fàn)顩r參差不齊。這就要求我們?cè)谶x擇合作伙伴時(shí)，一定要全面考察，認(rèn)真分析，擇優(yōu)而為之。
2 加氣站主要設(shè)備選配
??? ① 加氣站模塊化的總體布局和系統(tǒng)設(shè)計(jì)
??? 加氣站建設(shè)是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，只有采用系統(tǒng)工程的原理和思想優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備配置，才能真正利用有限資金，把更加先進(jìn)的技術(shù)提供給用戶，避免浪費(fèi)。要依據(jù)輸氣管網(wǎng)的壓力、所需供氣的汽車數(shù)量而確定壓縮機(jī)的基本參數(shù)和品牌；依據(jù)天然氣的氣質(zhì)情況和含水狀況，以及當(dāng)?shù)氐淖畹铜h(huán)境溫度，確定脫水干燥的工藝方法以及裝置的結(jié)構(gòu)形式和規(guī)格型號(hào)；應(yīng)以壓縮機(jī)的技術(shù)參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的工作壓力、氣體流量和流速、工作溫度，以及管徑、接口狀態(tài)等主要參數(shù)進(jìn)行核算、優(yōu)化和合理匹配；在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮盡量做到運(yùn)行安全、施工方便和維修簡(jiǎn)單等。
? ???②采用國(guó)際一流壓縮機(jī)
? ??壓縮機(jī)作為CNG加氣站的核心，決定了整個(gè)加氣站的性能。因此選擇性能優(yōu)越的壓縮機(jī)顯得尤其重要。橇裝式CNG加氣站的壓縮機(jī)種類繁多，形式各異。我們接觸到的世界上生產(chǎn)天然氣壓縮機(jī)的公司有美國(guó)的ARIEL、IMW、意大利的SAFE等，其中以專業(yè)生產(chǎn)壓縮機(jī)的美國(guó)ARIEL公司為代表。
? ??ARIEL公司生產(chǎn)7個(gè)系列56種臥式天然氣壓縮機(jī)，其中最低的吸氣壓力可達(dá)0.1358MPa，最高的吸氣壓力可達(dá)2.75MPa，最高的排氣壓力可達(dá)25MPa，最大的排氣量為3215m3/h，最大軸功率為784.7kW。
??? 受北京市天然氣管網(wǎng)壓力影響，我公司目前選用ARIEL公司JG和JGA兩種形式壓縮機(jī)，進(jìn)口壓力為0.8～1.0MPa，最高排氣壓力可達(dá)25MPa，電動(dòng)機(jī)軸功率分別為250kW和350kW，最大排氣量分別為1750m3/h和2177m3/h。如果管網(wǎng)壓力能夠滿足入口壓力相對(duì)較高的壓縮機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率也能夠相應(yīng)減小，節(jié)約能源。
??? 我們使用的ARIEL公司的往復(fù)式壓縮機(jī)具有水平式對(duì)稱平衡結(jié)構(gòu)，采用空氣冷卻方式。在運(yùn)行中我們定期觀測(cè)各級(jí)冷卻器進(jìn)出口溫度，并進(jìn)行對(duì)比分析。由于我公司使用的壓縮機(jī)二級(jí)壓縮比較大，相應(yīng)二級(jí)氣缸溫度較高。我們就與國(guó)內(nèi)廠家積極聯(lián)系，研究降溫措施，最后決定將一級(jí)冷卻器散熱面積加大，從而降低了二級(jí)的入口溫度，達(dá)到降低二級(jí)氣缸溫度的效果。另外針對(duì)散熱翅片容易堆積塵土、樹毛的情況，我們定期觀測(cè)溫度變化，發(fā)現(xiàn)溫度接近報(bào)警溫度(155℃)，在停機(jī)保養(yǎng)設(shè)備時(shí)及時(shí)拆下各級(jí)冷卻器，用高壓水清洗外部散熱翅片。經(jīng)過我們2年的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)在夏季到來之前進(jìn)行清洗，對(duì)設(shè)備平穩(wěn)度夏，保障生產(chǎn)運(yùn)行起到很大作用。ARIEL公司天然氣壓縮機(jī)在制造工藝上具有獨(dú)到之處，如曲軸箱、機(jī)架、氣缸等部件都采用了外罩樹脂砂精密鑄造，活塞桿和氣缸內(nèi)表面經(jīng)離子氮化處理，曲軸和連桿都采用合金鋼經(jīng)強(qiáng)力鍛造而成[1]，活塞由耐磨的球墨鑄鐵或鑄鋼鑄造成型，并經(jīng)精密加工。由于其自動(dòng)化程度較高，操作運(yùn)行簡(jiǎn)單，工作安全可靠，故障率低，維護(hù)費(fèi)用少。我們使用的JG系列的6臺(tái)壓縮機(jī)已運(yùn)行了6～7年，運(yùn)行時(shí)間均達(dá)到2×104h。根據(jù)壓縮機(jī)廠家提供的技術(shù)手冊(cè)要求，我們?cè)谠O(shè)備運(yùn)行1.6×104h時(shí)均作了壓縮機(jī)大修，在檢修中我們只更換了1對(duì)曲軸瓦，在對(duì)曲軸、連桿、十字頭、活塞桿和活塞的檢查中未發(fā)現(xiàn)有較大磨損，壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)聲音和振動(dòng)均未有較大變化。
? ??③ 合理選配干燥器
? ??天然氣中的水含量直接關(guān)系到站內(nèi)設(shè)備及汽車的使用性能和壽命。如水含量大，容易引起壓縮機(jī)故障，損壞機(jī)器，水與天然氣中的酸性氣體結(jié)合后腐蝕儲(chǔ)氣設(shè)施，降壓膨脹時(shí)水結(jié)冰容易堵塞加氣機(jī)管道、閥門等。
??? CNG加氣站脫水方式按照工藝流程中干燥器布置在壓縮機(jī)的前后可分為低壓脫水(壓縮機(jī)前)和高壓脫水(壓縮機(jī)后)。
??? 低壓脫水的優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)壓縮機(jī)不受腐蝕，壓縮機(jī)組中不需要設(shè)置冷凝水導(dǎo)出系統(tǒng)。由于操作壓力較低，對(duì)容器制造工藝要求低。一般采用分子篩脫水裝置。對(duì)單塔干燥器，再生時(shí)不能進(jìn)行正常干燥工作，手動(dòng)有時(shí)間及人為誤差，容易發(fā)生再生不及時(shí)現(xiàn)象，且操作繁瑣。建議選擇雙塔(兩塔交替工作，工作無間隙)、自動(dòng)、性能可靠的干燥器，既保證加氣站設(shè)備運(yùn)行的連續(xù)性，又免去了繁瑣的人力勞動(dòng)，其缺點(diǎn)是脫水設(shè)備體積較大，單位脫水量能耗較大。
??? 高壓脫水的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小，再生時(shí)需要干氣量少，干燥后的氣體露點(diǎn)低等。由于然氣通過壓縮機(jī)所形成的冷凝水排出量約占總脫水量的70%～80%[2]，故采用壓縮機(jī)后脫水所需用的設(shè)備小，脫水劑少，再生能耗低。脫水方式為分子篩一級(jí)脫水，雙塔交替工作。缺點(diǎn)是由于壓力高達(dá)25MPa，對(duì)容器制造工藝要求高，需設(shè)置可靠的冷凝水導(dǎo)出系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。另外，進(jìn)入壓縮機(jī)的天然氣未經(jīng)干燥，對(duì)壓縮機(jī)的氣缸等部位產(chǎn)生一定腐蝕，影響壓縮機(jī)的使用壽命。
??? 天然氣脫水裝置的設(shè)置位置應(yīng)根據(jù)下列條件確定：
??? a. 當(dāng)選用的壓縮機(jī)在運(yùn)行中其機(jī)體限制冷凝水的生成量，且天然氣的進(jìn)站壓力能克服脫水系統(tǒng)的阻力時(shí)，應(yīng)采用低壓脫水。一般進(jìn)口壓縮機(jī)在運(yùn)行中不許有冷凝水產(chǎn)生。
? ??b. 當(dāng)選用的壓縮機(jī)在運(yùn)行中其機(jī)體不限制冷凝水的生成量，并附有可靠的導(dǎo)出措施時(shí)，可采用高壓脫水。
??? c. 壓縮機(jī)后脫水，天然氣應(yīng)先經(jīng)間冷、氣液分離和除油，以脫除游離的水分和油分。
??? 我們目前使用的均為低壓雙塔分子篩脫水，由英國(guó)Maloney公司和美國(guó)Ultrafiher公司提供。Maloney公司設(shè)備在雙塔切換時(shí)采用四向閥進(jìn)行，再生時(shí)需要先對(duì)氣體進(jìn)行加熱后再進(jìn)入塔內(nèi)再生分子篩，冷熱交替給四向閥的密封帶來了困難；其重量較大，給現(xiàn)場(chǎng)維修帶來了不少困難；但自控程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工作方便。Ultrafilter公司的干燥器在干燥前先預(yù)加熱，提升了干燥器的干燥效果，四向閥也改為四個(gè)單獨(dú)的閥門，分別控制切換，但其程序設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，運(yùn)行中故障較多，反而造成設(shè)備運(yùn)行故障頻發(fā)。因此在干燥設(shè)備的選用上，除了比較設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造上的優(yōu)點(diǎn)、自動(dòng)化程度，還要考慮到實(shí)際使用中設(shè)備維護(hù)的可操作性。
?? ?④ 儲(chǔ)氣設(shè)備選用
?? ?儲(chǔ)氣瓶組的容量既要考慮汽車加氣量，又必須和壓縮機(jī)的排氣量相匹配。過小的儲(chǔ)氣瓶組容量，會(huì)造成壓縮機(jī)的頻繁啟動(dòng)，影響壓縮機(jī)的使用壽命；過大的儲(chǔ)氣容量，雖然在加氣高峰時(shí)可和壓縮機(jī)一起解決供氣量不足的矛盾，但是隨著儲(chǔ)氣容量的增大，每次壓縮機(jī)充滿儲(chǔ)氣瓶組的時(shí)間會(huì)大大延長(zhǎng)，往往儲(chǔ)氣瓶組壓力還沒有達(dá)到20MPa以上，就必須啟動(dòng)壓縮機(jī)給汽車加氣，造成儲(chǔ)氣容積的浪費(fèi)。因此儲(chǔ)氣瓶組的容積應(yīng)經(jīng)過仔細(xì)測(cè)算后合理確定。
? ???儲(chǔ)氣設(shè)備按照國(guó)家有關(guān)法規(guī)規(guī)定，必須選擇通過國(guó)家認(rèn)證的已通過美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(ASME)鍋爐壓力容器規(guī)范許可的廠家的產(chǎn)品。進(jìn)口壓力容器應(yīng)按照相關(guān)規(guī)定在使用前在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。此外，根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，為提高效益，減少能耗，在母站應(yīng)盡量減少站用儲(chǔ)氣瓶組的數(shù)量。當(dāng)需要給大量汽車加氣時(shí)，由于選用的站用儲(chǔ)氣瓶組數(shù)量有限，加氣速度受到限制，也可考慮用國(guó)際移動(dòng)式大容積儲(chǔ)氣瓶標(biāo)準(zhǔn)尺寸制造的集裝管束(DOT/ISO SKID)來暫時(shí)代替ASME儲(chǔ)氣瓶。例如花費(fèi)15×104美元，購(gòu)ASME瓶?jī)H可儲(chǔ)存2000～2400m3天然氣，而同樣的花費(fèi)購(gòu)DOT/ISO SKID則可儲(chǔ)存4500m3天然氣。在使用同樣的場(chǎng)地的情況下，節(jié)約了購(gòu)置費(fèi)用。
