1C N G 加 气 站 的 系 统 配 置刘 锡 麟原发表于城市煤气2001 年第 4 期新浪博客秋林红似火摘 要：本文阐述了天然气汽 车产业中的关键环节，加气站的技术特点和设备配置，并依据作者的实际经验对现行各种配置的优缺点进行了对比分析，可为建站单位进行系统分析和优化设计时提供有益的帮助。关 键 词：天然气 CNG 加气站一、加气站的基本类型及其特点纵观国内外 CNG 加气站，基本上分两大类。一类是开放式结构，一类是橇装式结构。所谓开放式结构，是指将加气站所有设备分别安装在厂房内，并按工艺流程用高、低压管道和各种阀门将这些设备联系起来，形成一个开环工艺系统。用国产设备建成的加气站，基本都是这种形式。它的设备空间较大，便于维修保养，但自动化程度低，基本上是手动操作或半自动运行。由于投资低，所以能在国内得到广泛应用。所谓橇装式结构，是指将加气站主要设备，如净化、压缩、冷却、控制、储气等都尽可能的集成在一个称为橇装的底座上，形成一个可闭环控制的整体设备，可在工厂内完成全部制造调试工作，便于运输和露天安装，大大减少了现场安装调试工作量，只要通上电，接通气路就可工作。进口加气站基本都是这种结构形式。如表 1 所示，这两种加气站都各有优缺点，可根据用户的条件择优选择。表 1 各 种 加 气 站 特 点 比 较项 目 进 口 橇 装 式 国 产 开 放 式总体技术水平 高 低结构形式 集成式 开放式设备集成度 高 低自动化程度 高 低安全可靠性 高 低运行操作 简单 复杂运输 方便 不方便需要建机房 不需要，可露天安装 需要工作人员 少 多占地面积 小 很大设备安装 简单、费用低 复杂、费用高维护费用 低 高设备总费用 高 低2基建费用 低 高工程总投资 较高 较低另外值得一提的是，橇装式加气站也有两种变异形式。一种是不封闭型，即橇装上没有安装封闭的箱体，所有设备都暴露在外面，适用在室内或棚下安装。另一种是全封闭型结构，即橇装上安装有一个类似集装箱那样的全封闭型箱体，具有密封、防雨、防爆、保温，降噪等功能，适于露天安装。二、加气站的系统组成和基本配置CNG 加气站一般由六个子系统组成：（1） 调压计量系统；（2） 天然气净化干燥系统；（3） 天然气压缩系统（4） 压缩天然气的储存系统；（5） 控制系统；（6） 压缩天然气的售气系统；这六个子系统，对于不同地区，不同环境条件的用户来说，其设备配置可能大不一样，有少，有多，有简单，也有比较复杂的，但作为一个完整的加气站却是缺一不可的。调压计量系统调压计量系统主要作用是，使从输气管道来的天然气的压力保持稳定，并满足压缩机对入口压力的要求。同时对输入加气站的气量进行计量。其主要设备为过滤器、调压器、流量计、压力表、旁通阀，以及主阀门等。净化干燥系统净化干燥系统，主要包括除尘、脱硫、脱油、脱水、干燥等工序，可分为前置处理和后置处理两类形式。严格讲，压缩系统中每级压缩前后的冷凝除油过程也可归于净化系统。所谓前置处理，即在压缩前对天然气的干燥和净化，目的是保护压缩机的正常运行；而所谓后置处理，即在压缩后对压缩天然气的净化和干燥，其目的是保证所售气质的纯净，不但确保在发动机中燃烧良好，不会对发动机产生任何危害，同时也可避免可能出现的对售气系统的损害。这两种净化干燥处理方式，既可同时应用，也可只采用其中一种。从目前国内外实际应用来看，基本上都采用一种，而且近年来前置处理的方式逐步成为一种趋势，这样可保护加气站的核心设备压缩机不会受到腐蚀和损坏。脱水干燥的方式还可按脱水装置在 CNG 加气站工艺流程中的位置，分为低压、中压和高压脱水三种。这三中脱水方式都能达到车用 CNG 的脱水要求。低压脱水脱水装置在压缩机的进口处，由于被干燥气体压力低、水含量高，因此这种类型脱水3工艺的特点是，干燥剂的再生采用闭式循环回路， ，整个脱水装置包括两台充填分子筛干燥剂的干燥器、一台循环风机、一台冷却器、一台分离器和一台加热器。分子筛干燥剂的再生系通过风机反复循环一定量的气体来完成。这种方式的脱水装置，由于受再生条件的制约，要达到低于-60（标准状态下）有一定的困难。中压脱水脱水装置放置在压缩机的中间级出口处，根据压缩机入口压力的高低，确定放置在一级还是二级出口。国内机组的入口压力为 0.3Mpa，宜放置在二级出口。一般说来，脱水压力控制在 4.0Mpa 左右比较有利。这样既可将气体中所含水的大部分在 4.0Mpa 左右的压力下分离掉，又能使设备和管、阀件的压力等级控制在 4.0Mpa 这一公称压力级上。在4.0Mpa 压力下，气体的饱和水含量约为常压下饱和水含量的 3%，约为 0.3Mpa 压力下饱和水含量的 10.5% 。中压脱水的干燥剂也为分子筛。高压脱水脱水装置放置在压缩机末级出口，通常压力为 25Mpa.由于气体中所含水的绝大部分已在压缩机的逐级压缩-分离中除去，所以，在 25Mpa 压力下气相中的饱和水含量已非常少，仅相当于常压下饱和水含量的 0.91%，约为 0.3MPA 压力下饱和水含量的 3% 。高压脱水仍需要加热再生，因此，也需要加热器、冷却器和分离器，其工艺原理流程与中压脱水相同，只是设备尺寸和压力等级不同而已。另外，在高压脱水场合，在冬季最低气温不低于-7的地区，干燥剂可选用硅胶，以降低再生操作温度。但对冬季最低温度低于-7的地区，则必须用分子筛作干燥剂。表 2 给出了三种脱水方式优缺点的比较。表 2 三 种 脱 水 方 式 优 缺 点 的 比 较项 目 低 压 脱 水 中 压 脱 水 高 压 脱 水过程复杂程度 复杂 简单 简单设备尺寸 大 中 小设备压力等级 低 中 高脱水量 1 0.105 0.03干燥剂用量 多 较少 少一次投资费用 2.7 1.0 2.0操作费用 高 中 低维修费用 低 低 高用于再生的产品气比率 0 6% 2%注：表中所列数据基准为：压缩机入口压力为 0.3Mpa,25Mpa 压力下 CNG 的水露点（PDP）相同，干燥 剂均为分子 筛。从表中可见，低、中、高压脱水各有优缺点，尤其在需要深度脱水时高压方式更有其优势。但由于高、中压脱水无法对压缩机进行必要的保护，致使压缩机由于天然气中的含水量大而导致严重故障的现象时有发生。因而，近年来国内外都趋向于采用低压脱水方式。净化干燥系统的设备配置情况，主要依据当地气质来确定，所以对不同地区来说，净化和干燥系统的差异可能很大，而只要达到行业标准 SY/T7546-96汽车用压缩天然气规定的气质要求即可。设计和选用这一系统设备的依据是，保证经过净化和干燥系统处理的 CNG 气体质量达到标准要求，不必盲目追求进口设备或者设备的配套齐全。4压缩系统这是 CNG 加气站的核心部分，主要包括：进气缓冲和废气回收罐；压缩机组；压缩机润滑系统；压缩机和压缩天然气的冷却系统；除油净化系统；控制系统等六大部分。其中控制部分比较复杂，我们将把它作为一个单独的子系统，预以讲述。 进气缓冲和废气回收罐进气缓冲罐，严格讲应包括压缩机每一级进气缓冲，其目的是减小压缩机工作时的气流压力脉动以及由此引起的机组的振动。废气回收罐，主要是将每一级压缩后的天然气经冷却分离后，随冷凝油一起排出的一部分废气；压缩机停机后，滞留在系统中的天然气；各种气动阀门的回流气体等先回收起来，并通过一个调压减压阀，返回到压缩机入口。当罐中压力超过其上的安全阀压力时，将自动集中排放。同时凝结分离出来的重烃油也可定期从回收罐底部排出。实际上有的厂商在保证使压力脉动足够小的前提下，取消了缓冲罐，或以进气分离罐代替缓冲罐的作用，还有的将进气缓冲罐和废气回收罐合二为一，具有双重作用。压缩机组压缩机组包括压缩机和驱动机。压缩机是压缩系统，也是整个加气站的心脏。不同厂商生产的压缩机结构形式都不一样。用于天然气的压缩机压比较大，基本上都是活塞往复式压缩机。其结构形式有卧式对称平衡式，有立式，有角度式（V 型、双 V 型、W 型、倒 T型等） 。国内生产的压缩机主要有 V 型和 L 型两种类型。表 3 显示了国外几家著名压缩机公司的不同结构形式的产品特点。表 3 不 同 结 构 形 式 的 压 缩 机 比 较公 司 代表机型 结构形式 优 点 缺 点GEMINI（美国） MPSS-4 对称平衡式ARIEL（美国）JGP GJR JGMJGA JGI 等对称平衡式NORWALK（美国）CENTRY系列 对称平衡式1.惯性力平衡最好2.振动很小3.不需要设置大飞轮4.维护方便5.驱动机功率脉动小，最适宜电机驱动。1.占地面积较大，不利 于小型化2.活塞自重落在气缸壁上，磨损较严重，不宜采用无油润滑NUOVO PIGENOE(意大利）BVTN/22BVTN/22BVTN/22BVTN/4立式NORWALK（美国）CHANRGE系列 立式1.气缸与活塞间的摩擦磨损均匀耗功最小2.采用无油润滑,从而提高气体质量,免除液气分离器等昂贵设备,简化维修3.占地面积小,宜于小型化橇装式1.惯性力不平衡2.要设置很大的飞轮3.驱动机功率脉动最大,对电网要求高4.排气量受气缸数的限制不能设计得很大LMF(奥地利)V15G、V16GV17G、VGDVP 系列角度式（V 型、双 V 型、W型）1.惯性力可以较大程度地平衡2.结构紧凑3.气缸数较多,压力比较1. 维护不太方便2. 活塞与气缸间仍存在偏磨,不太适宜无油润滑5SWLZEV BURCKHART(瑞士)CUCNCCCT角度式（V 型、双 V 型、W型）小4.宜于采用风扇冷却气缸,尤其适于缺水地区5.宜于小型化6.宜于系列化,变型容易3. 结构复杂,制造工艺要求高压缩机组的驱动机有两类，一是电机，用的最多，最方便；二是天然气发动机，主要用于偏远缺电地区，或气田附近，可降低加气站的运营成本。压缩机润滑系统压缩机润滑系统，包括曲轴、气缸、活塞杆、连杆轴套，以及十字头等处的润滑。该系统由预润滑泵、循环泵、分配器、油压表、油温表、传感器、油冷却器、油管、过滤器、油箱（曲轴箱） 、废油收集器等部件组成。其中气缸润滑方式可分为有油润滑，无油润滑和少油润滑三种。有油润滑：优点：对气缸和活塞环材质要求不高；可利用气缸润滑油带走部分摩擦热量，保证压缩机工作在可靠程度范围内；有油润滑技术难度小，安全可靠，同时可以减少摩擦功耗。缺点：必须在排气口安装昂贵的油分离器；机组体积较大，成本上升； 润滑系统复杂、维修工作量大； 耗油量较大； 从气缸带出的润滑油可能使后置处理的干燥物质污染失效。无油润滑：优点：不需安装昂贵的油分离器； 节省了费用和机器空间； 耗油量低； 润滑系统简化； 维护工作量降低。缺点：对气缸特别是活塞环材质要求极高，成本上升。少油润滑少有润滑的优点介于有油和无油润滑之间。它是通过一个专门机构，定时定量地将润滑油供给每一个气缸。既能保证气缸润滑需要，又可将润滑油消耗量控制到最小。美国艾里尔公司（ARIEL）生产的压缩机就采用了这种润滑方式。压缩机和压缩天然气冷却系统压缩机和压缩天然气冷却系统可以分为水冷、风冷两大类。水冷又分为开式循环和闭式循环两种。风冷也可分为两种，一种是气缸带有散热翅片的，多用于结构紧凑的角度式，另一种是气缸不带散热翅片的，用于结构分散的对称平衡式。开式循环的水冷却方式由于要求建有专门的冷却水池，属于落后技术，国内还有厂家采用。而另外三种方式的应用更为合理，技术也比较成熟。下面我们将这三种冷却方式的优缺点予以比较。闭式循环水冷方式优点：冷却效果好，气缸壁工作温度低； 降低了压缩机对高温环境的敏感度，确保高可靠性，高效率；6 减轻冷却器的热负荷，减少其体积。缺点：气缸结构复杂； 需要定期更换冷却液； 增