a.已建成的天然氣汽車加氣站進站管線壓力的波動與衰減
a)進站管線壓力的波動
已建成的天然氣汽車加氣站,其進站管線壓力的波動表現在兩個方面:
一是在一天之內,由于大片居民小區炊事、洗浴等需要,導致大量消耗天然氣,早、中、晚時段發生的管線壓力的暫時降低。但在一天內的絕大多數時段,管線壓力為正常值。
二是在一年之內的寒冷季節,持續產生的管線壓力的降低。而在非寒冷季節,進站管線壓力恢復正常。
以上兩方面的進站管線壓力波動,本屬正常情況,且較多地發生在聯接城市低壓天然氣管網的站。
b)進站管線壓力的衰減
進站管線壓力的衰減,在多數情況下是由于天然氣田地質條件發生變化,也有的是因為管網上游并聯了耗氣量甚巨的工廠。
11年前,成都市青白江區某常規天然氣汽車加氣站,配用了一臺90kW級全風冷CNG高壓壓縮機,其額定進氣表壓力為2.0MPa。該民企站是當時國內進站管線壓力最高的常規站。站的運營初期,一切狀況良好。豈料投運方才一年,進站管線壓力竟然下降到0.6MPa。若按此低壓力運行,CNG壓縮機的各級排氣溫度將達到為安全運行所不允許的程度,站的暫停開放自是必然。該站進站管線壓力的衰減,除了地質條件的影響,和所在區域管網范圍偏小,且未與主力管網并網有關。
b.設置增壓壓縮機的現實需求
已建成的天然氣汽車加氣站,其進站管線壓力的波動與衰減,特別是部分站進站管線壓力持續而又幅度甚大的衰減,迫切需要在高壓CNG壓縮機前設置增壓壓縮機。
建新站時即配置增壓機的建站新理念
頗具遠見卓識的精明的加氣站業主們,已開始踐行建站新理念──建新站時即在高壓CNG壓縮機前配置天然氣增壓壓縮機。那么,緣何如此呢?
a.免除了每年長達四個多月的寒冷季節里,進站管線壓力持續偏低之苦衷。
b.解除了每天的用氣高峰時段,進站管線壓力暫時降低的煩惱。
c.進站管線壓力衰減后,完全能夠輕松應對。
d.增壓機的購置費,僅為站的總設備費的很小份額。
e.站的總體布局、工藝流程、設備就位、強弱電系統、站房建筑等皆更加合理、整齊、流暢。
增壓機與高壓CNG壓縮機的流量、壓力匹配,以及增壓機結構類型、結構型式的選擇
a. 在增壓壓縮機的供氣量(Nm3/min)與原有高壓CNG壓縮機相匹配,排氣壓力與原有高壓CNG壓縮機的進氣壓力相銜街,此二根本前提下,增壓壓縮機尚應具有適應進氣壓力小幅度變動的能力。
一來,進站管線壓力繼續衰減是完全可能的;二來,上游管線壓力復升(如由于并網)的可能性也是存在的。
b. 薦用增壓壓縮機的結構類型是往復活塞式,而非回轉式。
a)往復活塞式壓縮機造價較低、運行電耗也低,且其壓力比適應范圍遠寬于回轉式,當其壓縮級數為2或3時,更是如此。這就賦予往復活塞式壓縮機以強的適應進氣壓力變動的能力。
b)無油回轉式壓縮機造價過于昂貴,而噴油回轉式壓縮機存在著天然氣介質稀釋油品或使油品緩慢變質的可能性。
c. 往復活塞式壓縮機中,結構型式是角度型者,應是增壓壓縮機理想的選擇。
a)角度型壓縮機除了擁有造價較低、運行電耗低、壓力比適應范圍寬等往復活塞式壓縮機固有特質之外,還具備結構最為緊湊、外廓尺寸最小、占地面積最少的突出優勢,故最適于在加氣站原址范圍內理想地安裝就位而無需擴地。
b)角度型壓縮機中的V型及W型壓縮機,較之L型壓縮機、對稱平衡型壓縮機更便于改為曲軸箱承受內氣壓者,從而晉升為“無泄漏壓縮機”,節能和環保效應均屬上乘。
c)據悉,新穎先進的強剛性、極緊湊V型/W型通用系列增壓機行將市售。
對CNG壓縮機的基本要求
由壓縮機及其驅動電動機和相關裝備構成的高壓天然氣壓縮機組,是天然氣汽車加氣站最關鍵的動裝備。
天然氣壓縮系統裝備的電力消耗,占據加氣站總電耗九成以上的份額。壓縮系統裝備的購置費,約為加氣站裝備總購置費的四分之一左右。
a.確保壓縮機和加氣站的安全運行
盡管天然氣的物理化學性質并非“易燃易爆”,而是“能燃可爆”,其密度甚低、在大氣中逸散很快,燃點高達650℃,在空氣中的爆炸極限范圍又很窄,為4.8%~13.46%(體積比)。但是,務必防患于未然,應盡量減少加氣站裝備的天然氣泄漏量。
壓縮機氣缸處的活塞桿填料,是壓縮機天然氣外泄漏的最主要部位,是加氣站安全運行的第一隱患所在,故應嚴格控制該處的天然氣泄漏量在允許的安全范圍內。
b.提高壓縮機的機、電零部件的運行可靠性
壓縮機是加氣站最關鍵的動裝備,又因其機、電零部件種類和數量眾多,故而同時又成為加氣站最易產生故障的動裝備。提高壓縮機的機、電零部件運行可靠性,避免非計劃停車與檢修,其重要性不言而喻。
c.節電、減震與降噪
壓縮機是加氣站裝備里最大耗電者,也是機械振動和氣流壓力脈動的最主要源頭,還是機械噪聲、因冷卻目的而產生的空氣流動噪聲的主要根源。
在確保安全運行和提高機、電零部件運行可靠性的前提下,應力求壓縮機節電、減震與降噪。
CNG壓縮機運行的特點
a.總體說來,CNG壓縮機排氣表壓力均為25MPa,世界各國皆如此。NGV加氣站中的常規站、子站所裝備的CNG壓縮機,其排氣表壓力恒為25MPa。至于加氣母站中的CNG壓縮機排氣表壓力,則依長管半掛車上的CNG高壓氣瓶的工作壓力而定,為25 MPa或20MPa。
b.CNG壓縮機吸氣壓力,對用于常規站/母站者而言,都取決于進站天然氣管網壓力。而加氣子站中的CNG壓縮機,其吸氣壓力則是變值,最高吸氣壓力值和最低吸氣壓力值皆由NGV加氣站的工藝設計確定。在國內工程實踐中,一般來說大體介于3MPa~20MPa之間。
c.CNG壓縮機都具有有別于多數工藝流程用壓縮機的間斷運行的特點。近代的CNG壓縮機,其啟動、運行或停機的控制,都自動地取決于加氣站的高壓儲氣瓶組的實際氣壓狀況;而每一次的運行時間、停機時間,則由站用高壓儲氣瓶組的水容積和車輛(對加氣母站而言多為長管半掛車上的移動儲氣瓶組)所需之加氣量綜合確定。
d.由NGV加氣站的智能化控制目標出發,理所當然地要求CNG壓縮機及機組的機械部分、強弱電部分,都具備適應無人值守、全自動控制運行的必要條件。
e.CNG壓縮機吸入的天然氣,其品質應符合有關標準規定。一般情況下,在壓縮機吸氣口之前,需將進站天然氣作適當工藝處理并使之達標。
f.CNG壓縮機排出的高壓天然氣,一般亦應進行工藝處理,使之符合對車輛加氣的品質規定。氣缸極少油潤滑的CNG壓縮機、氣缸不注油潤滑的CNG壓縮機(機身和氣缸之間的中間接筒非“雙間隔室”型的),都難以擺脫機身內傳動機構潤滑油對其排出高壓天然氣品質的不良影響。
g.CNG壓縮機的各級排氣溫度,無論壓縮機的冷卻方式如何(水冷、風冷或混合冷卻),均應符合出自安全角度確定的排溫限值,當氣缸、填料為注油潤滑(或極少油潤滑)時,更是如此。
h.CNG壓縮機的供氣量與高壓儲氣瓶組的水容積值之間,應匹配合理,其核心目的有二:一是防止CNG壓縮機過于頻繁的啟動,以避免由此導致的機件、電器、動力電費的額外負荷;二是為了在最低電價時間區段將氣瓶組充足氣,以減少壓縮機在電價高的時間區段的運行時間,從而節省加氣站的動力費用。
i.壓縮機一般皆以電動機拖動,而CNG壓縮機不乏用天然氣發動機驅動的。受運行場所動力電條件的制約,只能采用天然氣發動機配套,為情況之一。為追求加氣站的動力費用低,站內壓縮機全部由天然氣發動機驅動,為情況之二。情況之三是,站內壓縮機之驅動機,電動機和天然氣發動機兼而有之,以求控制靈便及節省動力費用:夜間工業電價最低時,以電動CNG壓縮機將大水容積的高壓儲氣瓶組充滿氣;當高電價的白天需啟動壓縮機時,就以天然氣發動機—CNG壓縮機組為主力。
j. CNG壓縮機還具有運行地域極為寬泛、氣象條件差異極大的特點:嚴寒、高海拔、缺水、濕熱俱有之。固定式NGV加氣站用、室外移動式NGV加氣站用CNG壓縮機,又有其明顯差別:固定用者,務必滿足運行場所的環境噪聲限值規定,且有時是很苛刻的;室外移動用者,需適應無冷卻水源、高寒氣候條件甚至是無動力電的條件。
k. CNG壓縮機應能適應進站天然氣管網壓力變化這一重要因素,既包括一天之內因城市居民炊事、洗浴用氣而可能出現的氣壓變化,也包括可能的管網改造升壓或天然氣衰減降壓等情況。
l. CNG壓縮機規格型號的確定,不僅要與建加氣站時所需的實際加氣能力相符合,尚應慮及可能實施的加氣站增容的需要。宜在擴容后壓縮機臺數增多而規格型號相同,即采用“模塊式”的增容方法。
m.把天然氣能燃可爆的特性和CNG壓縮機在NGV加氣站中的運行實際狀況結合考慮,壓縮機房應是大敞開式的,更宜采納遮雨棚下置橇裝壓縮機組方式。如為后者,在我國長江以北地區則以全風冷CNG壓縮機為最宜。
n.對于配用循環冷卻水系統的CNG壓縮機組來說,閉式系統較開式系統更為適宜。冷卻水直排,導致寶貴的水資源浪費巨大,理應摒棄之。閉式系統是指采用風冷式散熱器,使水在冷熱交換過程中不和環境空氣接觸的冷卻水循環系統。開式系統是指在環境空氣中曝氣降溫的冷卻水循環系統。使用含防凍液的軟化水的閉式系統,在防止水垢、金屬腐蝕的產生等方面,有著較強的綜合優勢。
o. CNG壓縮機運行的安全性應得到保障,這是確定無疑的。NGV加氣站要求CNG壓縮機確保安全、運行可靠、節能長壽。因此,填料處微量泄漏氣的處置方式(引出放空、集污箱回收氣、承受內氣壓的機身貯留泄漏氣等),各級排氣溫度限值,易損件的更換期,運動件承載面的比壓值,氣流速度與壓力降等等,均需受到控制。
關于加氣站用CNG壓縮機的幾個重要概念
在確認加氣站的天然氣壓縮系統裝備,應在安全運行、應提高零部件的運行可靠性,應在節電、減振與降噪這些前提下,對CNG壓縮機作深一步的探究,這對于如何優選壓縮機,甚有裨益。
a.壓縮機的流量、壓強單位及其換算
壓縮機的流量這一泛指名詞的進一步明確,可分解成壓縮機的容積流量和壓縮機的供氣量此二名詞。
a)壓縮機的容積流量釋義
壓縮機的容積流量,是指在額定排氣壓力下壓縮機在單位時間內排出的氣體容積值。該值在排氣端測得并折算到壓縮機進口狀態,即壓縮機第Ⅰ級進氣處的壓力與溫度時的容積值,。此值尚應計入級間分離掉的水分折算成蒸汽的容積,還應計入氣體壓縮性的影響。
b)壓縮機的供氣量釋義
壓縮機的供氣量,是指壓縮機在單位時間內排出的氣體容積值折算到標準狀態之值,并不計入級間分離掉的水分及抽氣量(當工藝流程自壓縮機級間抽氣時)。
供氣量的標準狀態是:絕對壓力0.1013MPa、溫度0℃、干燥氣體。
c)壓縮機常用容積流量、壓強單位及其換算
遵照國際單位制,壓縮機常用容積流量單位是m3/min(米3/分)、m3/h(米3/時),壓縮機常用供氣量單位是nm3/min(標米3/分)、nm3/h(標米3/時)。
然而,和壓縮機有關的國內外技術與商務交往中,英制單位依然經常出現。為方便交流,今將筆者將簡約版的壓縮機常用容積流量單位、壓縮機常用壓力(壓強)單位及其換算分列于表1及表2。該二表之數字修約,滿足工程級需要。