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压缩天然气加气站的安全技术管理

作者:武新生  
评论: 更新日期:2012年12月06日
摘要:总结了引进先进技术建设压缩天然气加气站、压缩天然气加气站运行管理的经验,提出了压缩天然气加气站主要设备选配、设备安装与调试、运行安全管理中应注意的问题。
关键词:CNG加气站;设备选配;压缩机;干燥器;储气设备;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
    在天然气产业的发展中,我国起步较晚,和国际上先进国家相比有着较大差距。为了紧跟国际先进技术的发展步伐,尽快缩短和先进国家的距离,我们就必须积极通过和国外合作的途径,引进先进技术,发展我们的CNG加气站技术。
    1989年,北京市在大庆油田的支持下,利用引进的加拿大加气站设备和新西兰汽车改装件,建立了一座给压缩天然气汽车加气的示范站。示范站建在海淀区志新路上。我们在实际的操作中摸索经验,对加气站的设备选用和运行中的经验进行总结。笔者对四川、新疆等地已建成的加气站和国内加气站设备(如压缩机、干燥器等)的生产厂商进行了实地考察,对美国安吉公司(ANGI)、美国艾里尔公司(ARIEL)、加拿大的克劳斯公司(Kraus)、美国IMW公司等厂商进行了实地考察,他们所生产的机器设备和所建加气站给我们留下了深刻的印象。对各自的技术状况进行了认真细致的分析对比后,我们了解了国际加气站技术的发展趋势,看到了我们的差距所在。我们也认识到,虽然先进国家的总体水平较高,但是发展也不平衡,其技术水平和发展状况参差不齐。这就要求我们在选择合作伙伴时,一定要全面考察,认真分析,择优而为之。
2 加气站主要设备选配
    ① 加气站模块化的总体布局和系统设计
    加气站建设是一个较为复杂的系统工程,只有采用系统工程的原理和思想优化工艺设计和设备配置,才能真正利用有限资金,把更加先进的技术提供给用户,避免浪费。要依据输气管网的压力、所需供气的汽车数量而确定压缩机的基本参数和品牌;依据天然气的气质情况和含水状况,以及当地的最低环境温度,确定脱水干燥的工艺方法以及装置的结构形式和规格型号;应以压缩机的技术参数为基础,对各个环节的工作压力、气体流量和流速、工作温度,以及管径、接口状态等主要参数进行核算、优化和合理匹配;在进行工艺设计时还要考虑尽量做到运行安全、施工方便和维修简单等。
     ②采用国际一流压缩机
    压缩机作为CNG加气站的核心,决定了整个加气站的性能。因此选择性能优越的压缩机显得尤其重要。橇装式CNG加气站的压缩机种类繁多,形式各异。我们接触到的世界上生产天然气压缩机的公司有美国的ARIEL、IMW、意大利的SAFE等,其中以专业生产压缩机的美国ARIEL公司为代表。
    ARIEL公司生产7个系列56种卧式天然气压缩机,其中最低的吸气压力可达0.1358MPa,最高的吸气压力可达2.75MPa,最高的排气压力可达25MPa,最大的排气量为3215m3/h,最大轴功率为784.7kW。
    受北京市天然气管网压力影响,我公司目前选用ARIEL公司JG和JGA两种形式压缩机,进口压力为0.8~1.0MPa,最高排气压力可达25MPa,电动机轴功率分别为250kW和350kW,最大排气量分别为1750m3/h和2177m3/h。如果管网压力能够满足入口压力相对较高的压缩机,电动机功率也能够相应减小,节约能源。
    我们使用的ARIEL公司的往复式压缩机具有水平式对称平衡结构,采用空气冷却方式。在运行中我们定期观测各级冷却器进出口温度,并进行对比分析。由于我公司使用的压缩机二级压缩比较大,相应二级气缸温度较高。我们就与国内厂家积极联系,研究降温措施,最后决定将一级冷却器散热面积加大,从而降低了二级的入口温度,达到降低二级气缸温度的效果。另外针对散热翅片容易堆积尘土、树毛的情况,我们定期观测温度变化,发现温度接近报警温度(155℃),在停机保养设备时及时拆下各级冷却器,用高压水清洗外部散热翅片。经过我们2年的实践,发现在夏季到来之前进行清洗,对设备平稳度夏,保障生产运行起到很大作用。ARIEL公司天然气压缩机在制造工艺上具有独到之处,如曲轴箱、机架、气缸等部件都采用了外罩树脂砂精密铸造,活塞杆和气缸内表面经离子氮化处理,曲轴和连杆都采用合金钢经强力锻造而成[1],活塞由耐磨的球墨铸铁或铸钢铸造成型,并经精密加工。由于其自动化程度较高,操作运行简单,工作安全可靠,故障率低,维护费用少。我们使用的JG系列的6台压缩机已运行了6~7年,运行时间均达到2×104h。根据压缩机厂家提供的技术手册要求,我们在设备运行1.6×104h时均作了压缩机大修,在检修中我们只更换了1对曲轴瓦,在对曲轴、连杆、十字头、活塞杆和活塞的检查中未发现有较大磨损,压缩机运转时声音和振动均未有较大变化。
    ③ 合理选配干燥器
    天然气中的水含量直接关系到站内设备及汽车的使用性能和寿命。如水含量大,容易引起压缩机故障,损坏机器,水与天然气中的酸性气体结合后腐蚀储气设施,降压膨胀时水结冰容易堵塞加气机管道、阀门等。
    CNG加气站脱水方式按照工艺流程中干燥器布置在压缩机的前后可分为低压脱水(压缩机前)和高压脱水(压缩机后)。
    低压脱水的优点是保护压缩机不受腐蚀,压缩机组中不需要设置冷凝水导出系统。由于操作压力较低,对容器制造工艺要求低。一般采用分子筛脱水装置。对单塔干燥器,再生时不能进行正常干燥工作,手动有时间及人为误差,容易发生再生不及时现象,且操作繁琐。建议选择双塔(两塔交替工作,工作无间隙)、自动、性能可靠的干燥器,既保证加气站设备运行的连续性,又免去了繁琐的人力劳动,其缺点是脱水设备体积较大,单位脱水量能耗较大。
    高压脱水的优点是设备体积小,再生时需要干气量少,干燥后的气体露点低等。由于然气通过压缩机所形成的冷凝水排出量约占总脱水量的70%~80%[2],故采用压缩机后脱水所需用的设备小,脱水剂少,再生能耗低。脱水方式为分子筛一级脱水,双塔交替工作。缺点是由于压力高达25MPa,对容器制造工艺要求高,需设置可靠的冷凝水导出系统,增加了系统的复杂性。另外,进入压缩机的天然气未经干燥,对压缩机的气缸等部位产生一定腐蚀,影响压缩机的使用寿命。
    天然气脱水装置的设置位置应根据下列条件确定:
    a. 当选用的压缩机在运行中其机体限制冷凝水的生成量,且天然气的进站压力能克服脱水系统的阻力时,应采用低压脱水。一般进口压缩机在运行中不许有冷凝水产生。
    b. 当选用的压缩机在运行中其机体不限制冷凝水的生成量,并附有可靠的导出措施时,可采用高压脱水。
    c. 压缩机后脱水,天然气应先经间冷、气液分离和除油,以脱除游离的水分和油分。
    我们目前使用的均为低压双塔分子筛脱水,由英国Maloney公司和美国Ultrafiher公司提供。Maloney公司设备在双塔切换时采用四向阀进行,再生时需要先对气体进行加热后再进入塔内再生分子筛,冷热交替给四向阀的密封带来了困难;其重量较大,给现场维修带来了不少困难;但自控程序设计简单,工作方便。Ultrafilter公司的干燥器在干燥前先预加热,提升了干燥器的干燥效果,四向阀也改为四个单独的阀门,分别控制切换,但其程序设计过于复杂,运行中故障较多,反而造成设备运行故障频发。因此在干燥设备的选用上,除了比较设备的设计和制造上的优点、自动化程度,还要考虑到实际使用中设备维护的可操作性。
    ④ 储气设备选用
    储气瓶组的容量既要考虑汽车加气量,又必须和压缩机的排气量相匹配。过小的储气瓶组容量,会造成压缩机的频繁启动,影响压缩机的使用寿命;过大的储气容量,虽然在加气高峰时可和压缩机一起解决供气量不足的矛盾,但是随着储气容量的增大,每次压缩机充满储气瓶组的时间会大大延长,往往储气瓶组压力还没有达到20MPa以上,就必须启动压缩机给汽车加气,造成储气容积的浪费。因此储气瓶组的容积应经过仔细测算后合理确定。
     储气设备按照国家有关法规规定,必须选择通过国家认证的已通过美国机械工程师学会(ASME)锅炉压力容器规范许可的厂家的产品。进口压力容器应按照相关规定在使用前在当地进行相关检测。此外,根据使用经验,为提高效益,减少能耗,在母站应尽量减少站用储气瓶组的数量。当需要给大量汽车加气时,由于选用的站用储气瓶组数量有限,加气速度受到限制,也可考虑用国际移动式大容积储气瓶标准尺寸制造的集装管束(DOT/ISO SKID)来暂时代替ASME储气瓶。例如花费15×104美元,购ASME瓶仅可储存2000~2400m3天然气,而同样的花费购DOT/ISO SKID则可储存4500m3天然气。在使用同样的场地的情况下,节约了购置费用。

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