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【摘 要】 随着我国经济的迅速发展，空气质量存在着严重的问题，而清洁能源天然气是当前最合适的汽车替代燃料。本文就压缩天然气加气母站的设计进行分析，并对其主工艺流程、安全泄压保护流程、加臭流程等进行详细的阐述，以供参考。
【关键词】 压缩天然气（CNG）;压缩天然气汽车;加气母站
引言：
随着能源危机和环境保护意识的兴起，世界各国纷纷进行新型清洁能源的开发和利用。为此，在控制汽车尾气方面，应尽可能降低机动车尾气排放量和有害气体的浓度及噪音强度，在提高汽车制造工艺的前提下，最好途径是改善汽车的燃料结构，用压缩天然气等清洁能源代替汽油或柴油。由于城市内燃气管网铺设难度大，土地占用费用和CNG站建设成本高，因此，最佳替代方案是在郊区建设CNG加气母站。
一、CNG加气母站的系统结构
CNG加气母站是指偏远煤矿区的压缩煤层气加气母站。CNG广泛应用于汽车燃料、工业燃料和民用燃料。其中发展迅猛的压缩天然气（CNG）汽车加气站是我国加强环保，开发清洁汽车的高新技术产业之一。由于城市内燃气管网铺设难度大，土地占用率高和CNG站建设成本高。因此，最佳的方案是在离煤矿区较近的郊区投资兴建CNG加气母站。图1所示为压缩煤层气解决方案图。
图1所示的方案中，CNG加气母站的建设靠近煤矿区，加气母站主要由压缩机、干燥机、加气机和计量调压四个主要区域构成。经压缩机压缩后的高压天然气（25Mpa）直接经加气柱及加气机进入高压气体运输半挂车中的集气管束，当集气管束的压力达到20Mpa时，自动关闭充气阀门。运输车辆将25Mpa压缩煤层气运输到市区加气子站，供应给CNG汽车等用气场所。
图1 压缩天然气解决方案
二、CNG加气母站的组成
压缩天然气（CNG）是指天然气被压缩到很高的压力（20～25MPa），并以气态储存在容器中。其主要成分甲烷含量90%以上。CNG加气母站一般由六大系统组成：天然气进气计量系统、天然气净化系统、天然气压缩系统、天然气储存系统、控制系统、售气系统。如图2所示。
图2 CNG加气母站系统结构
三、压缩天然气加气母站设计方案
（一）工艺流程
（1）主工艺流程
原料天然气依次经过加臭、过滤、调压和计量后进行脱水装置干燥，有效地脱除天然气中所含的水分（在脱水装置出口管道上设取样口，进入防爆微水分析仪，当水露点>-60℃时，水分析仪信号报警并作记录），之后分别进入压缩机组，经过升压后通过加气柱充入拖车车载储气瓶中，当车载储气瓶内的压缩天然气压力达到20MPa时，充气完成。
（2）加臭流程
天然气是无色无味、易燃易爆的气体，在输送和使用的过程中，一旦泄漏很难被发现，必须加入燃气泄漏示警的臭味剂。
配置1台双泵单路输出（一开一备）的自动加臭装置，通过采集4～20mA的燃气流量信号，由控制系统把流量传感器的电流信号变换为数字信号送入转换器，实现根据燃气流量变化自动控制加臭量。通过频率设置保证燃气流量在最大和最小范围内，都能保持加臭剂浓度均匀稳定。
（3）安全泄压保护流程
安全泄压保护包括高压部分和中低压部分，中低压安全泄压保护流程为：主物料系统中的天然气压力若超过系统中（压缩机进口前主物料管道、前置脱水装置、压缩机缓冲罐及压缩机低压放散等处）的安全阀定压，安全阀开启，释放的天然气通过中低压放散总管在站区安全部位排入大气中;高压安全泄压保护流程为：主物料系统中的天然气压力若超过系统中（压缩机出口后主物料管道、压缩机高压放散及加气柱等处）的安全阀定压，安全阀开启，释放的天然气通过高压放散总管在站区安全部位排入大气中。
（二）自控仪表
CNG加气站自动控制系统一般分为2个部分：现场仪表部分和站控系统。
（1）现场仪表部分
现场仪表部分为现场自控仪表、设备现场手动控制，现场仪表的选型要求性能稳定可靠，技术先进，使用简单，维修维护方便，并具有适应场站环境的能力。仪表的防爆等级要求为ExdⅡBT4，室外仪表防护等级≥IP65。现场检测仪表应具有防雷保护功能。
（2）站控系统
站控系统采集包括压缩机和电机的重要工艺参数，进行数据处理和控制。在站控系统中可实现对压缩机及其他工艺参数和系统运行状态信号的收集、储存、工艺参数的修改设置，并可实现紧急状态对机组的停运和启动等功能，实现站上正常运行时有人值守、无人操作的管理水平。CNG实时管理系统对CNG生产和销售实时数据进行采集、储存、归档、查询功能，实现CNG生产及销售的实时监控功能，包括现场模拟流程图及数据的实时显示，当前趋势的分析，重要设备和关键检测点的报警等。
压缩机组有其独立、完整的控制系统，由压缩机供货商成套提供。该系统对压缩机本身进行启动、停车、监视、控制和保护，并通过标准串行数据通信接口与站控系统相连，进行数据交换。该系统具有独立的数据网络和人机接口，可以在脱离站控系统的状态下，通过控制室内自带的上位机系统或就地控制操作盘操作方式进行压缩机的启、停。
四、CNG加气母站系统的功能
（一）废气回收功能
压缩机系统各级排污泄放的天然气应进入废气回收罐，在废气回收罐内设置高效过滤分离装置，将排污气中所含的油水进行分离，油水沉积在罐的底部，天然气经上部排出进入缓冲罐，从而达到保护环境和减少浪费的目的。
（二）CNG加气母站安全监控功能
CNG加气母站内设置可燃气体报警器，监测压缩机房、低压脱水室等处泄漏的天然气的浓度，同时可燃气体报警器与压缩机控制柜及进气管道电磁阀联锁，可自动切断压缩机进气。 （三）调压功能
考虑到城市管网来气压力随城市民用气量的小时不均匀性会产生波动，为保证压缩机进气压力平稳，压缩机能尽可能在最佳设计点上工作，避免超压停机保护。城市内CNG加气母站内一般设置一套调压系统。
（四）计量功能
CNG加气母站用气量大，如果采用涡轮流量计，会产生较大输差，给经营者带来极大的经济损失。为避免这种情况，站内应提高计量精度，采用高级孔板流量计计量，并采用单片机方式控制、计量，同时在计量系统后设阻尼器，减少压缩机吸气产生的脉动效应对计量的影响。
（五）进站安全切断功能
进站天然气管道上设置有自动紧急气动切断阀，采用气电联动方式，在站内出现天然气泄漏等紧急情况时可自动切断天然气进气，保证安全。
（六）脱水功能
CNG加气母站的脱水工艺流程主要有两种，前置脱水和后置高压脱水。前置脱水方案是指：气源进站后，先经过滤、计量、调压进入缓冲罐，再进入前置脱水装置进行深度脱水，使露点不高于-54℃（常压下），脱水后的天然气进入压缩机，经四级增压，达到25MPa后进入储气装置或直接给车辆加气。后置高压脱水方案是：气源进站后，先经过滤、计量、调压进入缓冲罐，再进入压缩机，经四级增压，达到25MPa后进入后置高压脱水装置行深度脱水，使露点不高于-54℃（常压下），脱水后的天然气经分配装置进入储气装置或直接给车辆加气。无论采用何种技术方案，都要根据气源的组分和含水量变化情况来确定。脱水方式的优缺点比较结果见表1。如果来气气质稳定，含水量变化不大，一般采用前置脱水方式，否则选用后置脱水方式。为了有效提高CNG的质量，目前国内市场上也有压缩机前后都加脱水装置的CNG母站。在脱水装置后设置在线微量水分析仪，可实时监测脱水后天然气中的水含量，二次仪表设在仪表间内，如果发现露点高于-54℃（常压下），则自动切换脱水装置。
表1 前置脱水和后置脱水的比较
五、结束语
天然气汽车的使用成本较低，比燃油汽车节约燃料费约50%。且CNG资源丰富，运输价格低廉，虽然在动力性能上稍低于燃油，但汽车使用也能充分满足道路运输的要求，有利于降低运输成本，提高经济效益，是今后重点开发和推广的清洁燃料。
参考文献：
[1]申粤，乔珩，徐正康.压缩天然气供应工艺及规模的探讨[J].煤气与热力，2001，02：23-24.
[2]郭忠明，隆立红.压缩天然气（CNG）加气母站的工艺设计方案[J].油气运，2007，40-41.
【关键词】 压缩天然气（CNG）;压缩天然气汽车;加气母站
引言：
随着能源危机和环境保护意识的兴起，世界各国纷纷进行新型清洁能源的开发和利用。为此，在控制汽车尾气方面，应尽可能降低机动车尾气排放量和有害气体的浓度及噪音强度，在提高汽车制造工艺的前提下，最好途径是改善汽车的燃料结构，用压缩天然气等清洁能源代替汽油或柴油。由于城市内燃气管网铺设难度大，土地占用费用和CNG站建设成本高，因此，最佳替代方案是在郊区建设CNG加气母站。
一、CNG加气母站的系统结构
CNG加气母站是指偏远煤矿区的压缩煤层气加气母站。CNG广泛应用于汽车燃料、工业燃料和民用燃料。其中发展迅猛的压缩天然气（CNG）汽车加气站是我国加强环保，开发清洁汽车的高新技术产业之一。由于城市内燃气管网铺设难度大，土地占用率高和CNG站建设成本高。因此，最佳的方案是在离煤矿区较近的郊区投资兴建CNG加气母站。图1所示为压缩煤层气解决方案图。
图1所示的方案中，CNG加气母站的建设靠近煤矿区，加气母站主要由压缩机、干燥机、加气机和计量调压四个主要区域构成。经压缩机压缩后的高压天然气（25Mpa）直接经加气柱及加气机进入高压气体运输半挂车中的集气管束，当集气管束的压力达到20Mpa时，自动关闭充气阀门。运输车辆将25Mpa压缩煤层气运输到市区加气子站，供应给CNG汽车等用气场所。
图1 压缩天然气解决方案
二、CNG加气母站的组成
压缩天然气（CNG）是指天然气被压缩到很高的压力（20～25MPa），并以气态储存在容器中。其主要成分甲烷含量90%以上。CNG加气母站一般由六大系统组成：天然气进气计量系统、天然气净化系统、天然气压缩系统、天然气储存系统、控制系统、售气系统。如图2所示。
图2 CNG加气母站系统结构
三、压缩天然气加气母站设计方案
（一）工艺流程
（1）主工艺流程
原料天然气依次经过加臭、过滤、调压和计量后进行脱水装置干燥，有效地脱除天然气中所含的水分（在脱水装置出口管道上设取样口，进入防爆微水分析仪，当水露点>-60℃时，水分析仪信号报警并作记录），之后分别进入压缩机组，经过升压后通过加气柱充入拖车车载储气瓶中，当车载储气瓶内的压缩天然气压力达到20MPa时，充气完成。
（2）加臭流程
天然气是无色无味、易燃易爆的气体，在输送和使用的过程中，一旦泄漏很难被发现，必须加入燃气泄漏示警的臭味剂。
配置1台双泵单路输出（一开一备）的自动加臭装置，通过采集4～20mA的燃气流量信号，由控制系统把流量传感器的电流信号变换为数字信号送入转换器，实现根据燃气流量变化自动控制加臭量。通过频率设置保证燃气流量在最大和最小范围内，都能保持加臭剂浓度均匀稳定。
（3）安全泄压保护流程
安全泄压保护包括高压部分和中低压部分，中低压安全泄压保护流程为：主物料系统中的天然气压力若超过系统中（压缩机进口前主物料管道、前置脱水装置、压缩机缓冲罐及压缩机低压放散等处）的安全阀定压，安全阀开启，释放的天然气通过中低压放散总管在站区安全部位排入大气中;高压安全泄压保护流程为：主物料系统中的天然气压力若超过系统中（压缩机出口后主物料管道、压缩机高压放散及加气柱等处）的安全阀定压，安全阀开启，释放的天然气通过高压放散总管在站区安全部位排入大气中。
（二）自控仪表
CNG加气站自动控制系统一般分为2个部分：现场仪表部分和站控系统。
（1）现场仪表部分
现场仪表部分为现场自控仪表、设备现场手动控制，现场仪表的选型要求性能稳定可靠，技术先进，使用简单，维修维护方便，并具有适应场站环境的能力。仪表的防爆等级要求为ExdⅡBT4，室外仪表防护等级≥IP65。现场检测仪表应具有防雷保护功能。
（2）站控系统
站控系统采集包括压缩机和电机的重要工艺参数，进行数据处理和控制。在站控系统中可实现对压缩机及其他工艺参数和系统运行状态信号的收集、储存、工艺参数的修改设置，并可实现紧急状态对机组的停运和启动等功能，实现站上正常运行时有人值守、无人操作的管理水平。CNG实时管理系统对CNG生产和销售实时数据进行采集、储存、归档、查询功能，实现CNG生产及销售的实时监控功能，包括现场模拟流程图及数据的实时显示，当前趋势的分析，重要设备和关键检测点的报警等。
压缩机组有其独立、完整的控制系统，由压缩机供货商成套提供。该系统对压缩机本身进行启动、停车、监视、控制和保护，并通过标准串行数据通信接口与站控系统相连，进行数据交换。该系统具有独立的数据网络和人机接口，可以在脱离站控系统的状态下，通过控制室内自带的上位机系统或就地控制操作盘操作方式进行压缩机的启、停。
四、CNG加气母站系统的功能
（一）废气回收功能
压缩机系统各级排污泄放的天然气应进入废气回收罐，在废气回收罐内设置高效过滤分离装置，将排污气中所含的油水进行分离，油水沉积在罐的底部，天然气经上部排出进入缓冲罐，从而达到保护环境和减少浪费的目的。
（二）CNG加气母站安全监控功能
CNG加气母站内设置可燃气体报警器，监测压缩机房、低压脱水室等处泄漏的天然气的浓度，同时可燃气体报警器与压缩机控制柜及进气管道电磁阀联锁，可自动切断压缩机进气。 （三）调压功能
考虑到城市管网来气压力随城市民用气量的小时不均匀性会产生波动，为保证压缩机进气压力平稳，压缩机能尽可能在最佳设计点上工作，避免超压停机保护。城市内CNG加气母站内一般设置一套调压系统。
（四）计量功能
CNG加气母站用气量大，如果采用涡轮流量计，会产生较大输差，给经营者带来极大的经济损失。为避免这种情况，站内应提高计量精度，采用高级孔板流量计计量，并采用单片机方式控制、计量，同时在计量系统后设阻尼器，减少压缩机吸气产生的脉动效应对计量的影响。
（五）进站安全切断功能
进站天然气管道上设置有自动紧急气动切断阀，采用气电联动方式，在站内出现天然气泄漏等紧急情况时可自动切断天然气进气，保证安全。
（六）脱水功能
CNG加气母站的脱水工艺流程主要有两种，前置脱水和后置高压脱水。前置脱水方案是指：气源进站后，先经过滤、计量、调压进入缓冲罐，再进入前置脱水装置进行深度脱水，使露点不高于-54℃（常压下），脱水后的天然气进入压缩机，经四级增压，达到25MPa后进入储气装置或直接给车辆加气。后置高压脱水方案是：气源进站后，先经过滤、计量、调压进入缓冲罐，再进入压缩机，经四级增压，达到25MPa后进入后置高压脱水装置行深度脱水，使露点不高于-54℃（常压下），脱水后的天然气经分配装置进入储气装置或直接给车辆加气。无论采用何种技术方案，都要根据气源的组分和含水量变化情况来确定。脱水方式的优缺点比较结果见表1。如果来气气质稳定，含水量变化不大，一般采用前置脱水方式，否则选用后置脱水方式。为了有效提高CNG的质量，目前国内市场上也有压缩机前后都加脱水装置的CNG母站。在脱水装置后设置在线微量水分析仪，可实时监测脱水后天然气中的水含量，二次仪表设在仪表间内，如果发现露点高于-54℃（常压下），则自动切换脱水装置。
表1 前置脱水和后置脱水的比较
五、结束语
天然气汽车的使用成本较低，比燃油汽车节约燃料费约50%。且CNG资源丰富，运输价格低廉，虽然在动力性能上稍低于燃油，但汽车使用也能充分满足道路运输的要求，有利于降低运输成本，提高经济效益，是今后重点开发和推广的清洁燃料。
参考文献：
[1]申粤，乔珩，徐正康.压缩天然气供应工艺及规模的探讨[J].煤气与热力，2001，02：23-24.
[2]郭忠明，隆立红.压缩天然气（CNG）加气母站的工艺设计方案[J].油气运，2007，40-41.