王 磊

(山西壓縮天然氣集團(tuán) 臨汾有限公司，山西 臨汾 041000)

液壓式CNG汽車加氣子站是車用壓縮天然氣加氣站的一種，是根據(jù)《CNG加氣站總體規(guī)劃》和《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》GB50156-2006的要求，參照國內(nèi)外此類設(shè)備的現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和諸多技術(shù)難點(diǎn)自主研發(fā)的技術(shù);是以自動(dòng)控制的方式，運(yùn)用成套專用設(shè)備，將專用液壓油以高壓注入裝有壓縮天然氣的長管拖車瓶式壓力容器中，將容器內(nèi)的CNG推出，經(jīng)油氣分離、過濾，再通過站內(nèi)的售氣機(jī)實(shí)現(xiàn)給以CNG為燃料的汽車加氣的設(shè)備集合。

本文首先對液壓加氣子站工作原理、工藝流程特性及運(yùn)營情況進(jìn)行介紹，其次對CNG液壓加氣子站運(yùn)行過程中存在高壓氣體進(jìn)入回油箱等危險(xiǎn)進(jìn)行技術(shù)分析，從而得出高壓回油危險(xiǎn)的預(yù)防措施及處理方法。

一 液壓CNG加氣子站工作原理和特性

(一)工作原理

液壓式CNG加氣子站是利用特殊性質(zhì)的液體，以高壓(不高于22MPa)直接將液體充入CNG長管半掛拖車的儲氣鋼瓶中，將鋼瓶內(nèi)的壓縮天然氣推出，通過站內(nèi)的加氣機(jī)把高壓天然氣充入汽車儲氣瓶內(nèi)，達(dá)到給CNG汽車售氣的目的。

(二)工藝流程

1.當(dāng)剛剛開始啟動(dòng)設(shè)備或PLC控制系統(tǒng)監(jiān)測到液壓系統(tǒng)壓力低時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)壓力反饋?zhàn)詣?dòng)控制選擇只啟動(dòng)主油泵或主、輔油泵同時(shí)工作(雙機(jī)雙泵設(shè)備)。

2.在液壓泵出口設(shè)壓力控制閥，并設(shè)壓力傳感器，壓力控制閥設(shè)定控制范圍20～22MPa(或用戶設(shè)定)。

3.當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力達(dá)到高限22MPa(或用戶設(shè)定值)時(shí)，壓力控制閥停止向高壓系統(tǒng)供液，并通過旁通回路把高壓液體回流到液體儲罐中。

4.液壓泵經(jīng)一定時(shí)間的延時(shí)，如果系統(tǒng)壓力仍然不降，則系統(tǒng)可根據(jù)負(fù)載自動(dòng)控制停油泵，當(dāng)系統(tǒng)壓力降至底限20MPa(或用戶設(shè)定值)時(shí)，液壓泵根據(jù)壓力反饋?zhàn)詣?dòng)控制。

5.設(shè)備運(yùn)行時(shí)，由PLC過程控制實(shí)現(xiàn)8個(gè)鋼瓶依次順序工作。氣動(dòng)執(zhí)行器根據(jù)PLC控制程序適時(shí)開啟和關(guān)閉各鋼瓶的進(jìn)出口閥門，轉(zhuǎn)換工作鋼瓶。當(dāng)前一輛拖車的天然氣卸完氣后，由人工調(diào)換快裝接頭到第二輛拖車(換接時(shí)間在3分鐘左右)，實(shí)現(xiàn)加氣站不間斷運(yùn)行。

(三)主要設(shè)備配置

1.液壓增壓撬體。主要由高壓泵、過濾器、溢流閥、液壓油儲罐、注回油管路系統(tǒng)，注油控制閥、電液閥及管路附件和拖車升降系統(tǒng)組成。

2.氣動(dòng)系統(tǒng)。主要由小型空氣壓縮機(jī)、氣源凈化裝置、吸附式干燥機(jī)、氣動(dòng)執(zhí)行器及氣管等組成。

3.可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)。液壓撬體內(nèi)設(shè)有燃?xì)鈭?bào)警器探頭，當(dāng)撬體內(nèi)泄漏的燃?xì)怏w積濃度達(dá)到5%時(shí)，燃?xì)鈭?bào)警器探頭就向燃?xì)鈭?bào)警控制裝置發(fā)出信號，由控制裝置發(fā)出聲光報(bào)警信號，提醒操作人員作處理;如泄漏的燃?xì)怏w積濃度達(dá)到15%時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行。

4.自動(dòng)控制系統(tǒng)。主要由控制柜和與之相連的電路系統(tǒng)組成?？刂乒癜≒LC、軟啟動(dòng)器、隔離柵、按扭、電磁閥和空氣斷路器等主要部件。通過PLC控制程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，對設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，并在面板上實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的工作單元、壓力、溫度及電機(jī)電流等參數(shù)。

5.加氣機(jī)及管路系統(tǒng)。加氣機(jī)是壓縮天然氣加氣站用于給車輛充氣并進(jìn)行計(jì)量的設(shè)備。加氣機(jī)系統(tǒng)用單線雙槍加氣機(jī)，通過高壓液壓油的作用，高壓天然氣由子站拖車經(jīng)站內(nèi)管線進(jìn)入加氣機(jī)給CNG汽車加氣。

二 液壓式CNG加氣子站特點(diǎn)及運(yùn)營情況

(一)占地較少，安裝方便

占地面積小:設(shè)備為整體撬裝結(jié)構(gòu)，且不需要固定的儲氣設(shè)備;液壓增壓撬體的尺寸為8000mmx2150mmx2500mm，另外加上拖車區(qū)、配電及控制室、氣動(dòng)系統(tǒng)和包括兩臺雙槍加氣機(jī)的加氣區(qū)，整個(gè)站的占地面積不到800m2。在高地價(jià)的大中城市明顯降低了建設(shè)工程在土地方面的投資。這種站機(jī)動(dòng)靈活，移動(dòng)方便，從設(shè)備到場后連接管線，調(diào)試設(shè)備，一天可完成，建設(shè)周期非常短。同時(shí)辦理各種營業(yè)手續(xù)也比較簡單便捷。

(二)安全環(huán)保，噪音低，自動(dòng)化程度較高

設(shè)備噪音低、設(shè)備運(yùn)行震動(dòng)小，且有完善的降噪防護(hù);設(shè)備選用的是防爆異步電動(dòng)機(jī)，功率較小并且安裝有燃?xì)鈭?bào)警器探頭，若氣體泄漏量達(dá)到設(shè)定值，將自動(dòng)停機(jī)。相對于CNG往復(fù)式壓縮機(jī)其電機(jī)功率較低，噪音相對降低很多，不超過75dB，這在居民區(qū)及商業(yè)區(qū)顯得尤其環(huán)保、安全。

(三)建站速度快，設(shè)備集成度高、投資及運(yùn)營成本低

日加氣量為10000m2的加氣站投資約為300萬元(不包括土地等前期費(fèi)用)，投資回收期約為三年。運(yùn)行中節(jié)能效果好:主系統(tǒng)電機(jī)功率小，系統(tǒng)設(shè)計(jì)無水冷卻系統(tǒng)，所消耗的電費(fèi)比固定式CNG加氣站降低50%，而其他類型的CNG加氣站需要投資壓縮機(jī)、儲氣井等，這類站的投資回收期要長得多，運(yùn)行費(fèi)用要高很多。

(四)卸氣率以及自動(dòng)化程度高

管束余壓小于1.0MPa，卸氣率達(dá)到95%以上;整套設(shè)備由PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)全程監(jiān)測、控制。

三 液壓CNG加氣子站高壓回油危險(xiǎn)性分析

(一)液壓CNG加氣子站注回油控制原理

液壓CNG加氣子站的液壓油箱是常壓容器，拖車鋼瓶是高壓容器，它們之間通過控制閥門連接在一起。設(shè)備注油時(shí)，油箱中的液壓油通過油泵注入拖車鋼瓶;設(shè)備回油時(shí)，拖車鋼瓶內(nèi)的液壓油，靠鋼瓶內(nèi)剩余CNG膨脹壓力與油箱內(nèi)氣體形成的壓差，流入常壓的油箱。由于油液幾乎不具有可壓縮性和膨脹性，流入油箱的油液使油箱內(nèi)油位上升，油箱上端的氣體通過油箱頂部的呼吸管緩緩排除，油箱內(nèi)的壓力仍然維持常壓，因此對油箱不具有破壞性。

回油結(jié)束時(shí)，流入油箱中的介質(zhì)不再是油液，而是壓縮天然氣，由于壓縮氣體具有膨脹性，所以當(dāng)壓縮天然氣進(jìn)入油箱時(shí)，會導(dǎo)致油箱內(nèi)壓力升高。

設(shè)備正?；赜蜁r(shí)，因鋼瓶剩余CNG較少(僅5%)，膨脹后壓力僅1MPa左右，加之油箱通過其頂部的呼吸管向外放空釋放壓力，油箱壓力只發(fā)生微小升高，使壓差開關(guān)獲得回油結(jié)束信號，通知總回油閥門關(guān)閉，結(jié)束回油。下面為系統(tǒng)正常回油過程。

1.自動(dòng)注回油

(1)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行當(dāng)前單元注油，此時(shí)撬體前艙注油氣動(dòng)球閥、拖車后艙氣動(dòng)球閥、拖車前艙氣動(dòng)球閥、撬體前艙總排氣閥打開。

(2)當(dāng)PLC得到注油到位信號時(shí)(檢測點(diǎn):低液位計(jì)浮球)，撬體前艙注油氣動(dòng)球閥、拖車前艙氣動(dòng)球閥關(guān)閉，撬體前艙回油氣動(dòng)球閥和總回油電磁閥打開，當(dāng)前注油單元開始回油，同時(shí)切換下一單元注油。

(3)當(dāng)PLC得到回油到位信號時(shí)(檢測點(diǎn):油箱壓差開關(guān))，拖車后艙氣動(dòng)球閥、撬體前艙回油氣動(dòng)球閥和總回油電磁閥關(guān)閉，一次回油結(jié)束;第二次回油，二次回油結(jié)束后，該單元回油完成。

2.手動(dòng)注回油

在液位正常情況下，手動(dòng)注油當(dāng)前單元，當(dāng)檢測到注油到位信號時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止;進(jìn)入手動(dòng)回油，正常回油當(dāng)前單元，拖車后艙氣動(dòng)球閥、撬體前艙回油氣動(dòng)球閥、總回油電磁閥打開，當(dāng)檢測到回油到位信號時(shí)，上述氣動(dòng)球閥全部關(guān)閉，回油結(jié)束。

當(dāng)進(jìn)入油箱內(nèi)的壓縮天然氣壓力很高(鋼瓶剩余CNG遠(yuǎn)大于5%)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油箱呼吸管排出氣體的能力時(shí)，油箱內(nèi)氣壓必將瞬間急速升高，導(dǎo)致油箱安全蓋打開，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致噴油，氣壓超過油箱承受極限時(shí)，油箱就會變形甚至破裂。

(二)高壓氣體回油的幾種情況

拖車從母站到子站，鋼瓶CNG壓力一般在18～20MPa左右，假設(shè)鋼瓶氣壓上限為20MPa，對拖車每只氣瓶注油到其容積的95%，回油結(jié)束時(shí)剩余氣壓應(yīng)為1MPa左右，此狀況屬于正?；赜停粫斐蓢娪突蛘邠p壞油箱的情況發(fā)生。

但假如某鋼瓶只注油到容積的50%，便開始回油，回油結(jié)束時(shí)剩余氣膨脹后壓應(yīng)為10MPa，即高壓氣體回到油箱，此時(shí)狀況往往會造成噴油現(xiàn)象發(fā)生。更極端的情況，如果對拖車某一鋼瓶注油極少或者根本未對其注入液壓油，就開始回油，進(jìn)入油箱的氣體壓力就非常接近或等于拖車鋼瓶初始壓力，油箱頂部呼吸管來不及排放卸壓，油箱內(nèi)壓力瞬間升高，導(dǎo)致噴油甚至油箱損壞。

從上面分析看，凡是注油不足95%就開始回油都將不同程度導(dǎo)致超過1MPa的CNG進(jìn)入油箱，注油越少，回油結(jié)束時(shí)壓力越高，造成的破壞性越大。那么，有哪些情況會導(dǎo)致注油不足就開始回油呢?歸納起來有以下三類。

1.在可控情況下人為操作

當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障以及中途需要對設(shè)備檢修，或者未取完氣需要提前換車時(shí)，往往通過手動(dòng)回油，此種情況只要遵循操作規(guī)范，在可控狀態(tài)下的進(jìn)行操作，一般不會導(dǎo)致噴油、損壞油箱等嚴(yán)重后果。

2.球閥內(nèi)漏或者相關(guān)元器件故障，或擅自改變系統(tǒng)元器件設(shè)置，將可能發(fā)生高壓氣體回油箱

(1)當(dāng)拖車后艙氣動(dòng)球閥內(nèi)漏時(shí);對工作單元注油時(shí)，液壓油通過泄漏球閥，竄入其他鋼瓶，造成工作單元注不足95%，剩余氣體超過5%，切換回油時(shí)，回油結(jié)束，膨脹余壓超過1MPa。

(2)撬體前艙回油氣動(dòng)球閥、注油氣動(dòng)球閥內(nèi)漏時(shí)。

(3)系統(tǒng)發(fā)生“雙回油”時(shí);即上一單元回油尚未結(jié)束，下一單元注油已到低液位，亦啟動(dòng)回油?！半p回油”時(shí)上一單元回油未結(jié)束，下一單元注油必然不充分，剩余氣體必然超過5%，必將引發(fā)下一單元高壓氣回到油箱。

(4)擅自變更液位計(jì)高、低液位設(shè)置或液位計(jì)干簧管出現(xiàn)故障，系統(tǒng)不能獲得“注油到位”信號或獲得信號錯(cuò)誤時(shí)。

(5)擅自變更壓差開關(guān)設(shè)定值(過高或過低)或壓差開關(guān)故障，系統(tǒng)不能獲得“回油到位”信號或獲得信號錯(cuò)誤時(shí)。

(6)手動(dòng)回油時(shí)誤將未完成回油，或根本未注油取氣的鋼瓶“手動(dòng)回油”。

(7)明知拖車氣瓶內(nèi)剩余氣體較多，壓力較高，仍存僥幸心理未加任何防范措施直接對其進(jìn)行手動(dòng)回油。

(8)注油時(shí)撬體操作臺手動(dòng)放散閥未關(guān)閉，高壓氣體通過放散回路進(jìn)入油箱。

(9)換車時(shí)，8號瓶2次回油沒有完成，就提前換雙注回油管到下一臺車。此時(shí)“8號瓶2次回油”，實(shí)際是就將下一臺車雙數(shù)鋼瓶高壓氣“回”入油箱。

四 高壓回油處理方法

無論什么原因引起，當(dāng)發(fā)現(xiàn)鋼瓶內(nèi)剩余氣體較多(超過5%)需要回油時(shí)，必須先關(guān)閉撬體操作臺相應(yīng)管路的手動(dòng)球閥，在控制柜上操作“手動(dòng)回油”，然后緩慢開啟手動(dòng)球閥，通過手動(dòng)球閥節(jié)流降壓的方式，控制介質(zhì)流入撬體油箱內(nèi)的速度，達(dá)到對油箱的保護(hù)作用。

(一)拖車鋼瓶注入油量少于95%多于80%(瓶內(nèi)剩余高壓氣體多余5%，少于20%)，時(shí)仍需手動(dòng)回油→嚴(yán)格控制手動(dòng)球閥開啟度(嚴(yán)禁全部開啟)小開度分多次，節(jié)流降壓回油→發(fā)現(xiàn)有氣體導(dǎo)入時(shí)→立即關(guān)閉手動(dòng)球閥;以上操作必須在安全員監(jiān)督，設(shè)備員指導(dǎo)下進(jìn)行。

(二)當(dāng)拖車鋼瓶注入油量少于或等于80%(瓶內(nèi)剩余高壓氣體多于或接近20%)→嚴(yán)禁直接操作手動(dòng)回油→請示安全員和設(shè)備員→先將鋼瓶氣體導(dǎo)出安全泄壓，將其壓力降低至4MPa以下→再按“(一)”操作步驟手動(dòng)回油。以上操作必須在安全員監(jiān)督，設(shè)備員指導(dǎo)下進(jìn)行。

(三)定期檢查拖車氣動(dòng)球閥、撬體前艙氣動(dòng)球閥，如有內(nèi)漏必須及時(shí)維修或更換。

(四)隨時(shí)觀察液位計(jì)浮球是否正常，定期檢查干簧管及線路，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。

(五)定期對控制柜內(nèi)的電磁閥進(jìn)行灰塵清理，發(fā)現(xiàn)損壞及時(shí)更換，防止電磁閥觸發(fā)故障或短路故障。

(六)定期檢測壓差開關(guān)設(shè)置是否正常，動(dòng)作是否靈敏可靠，如有異常及時(shí)調(diào)整或更換。

(七)確保持油箱呼吸管上暢通，阻火器應(yīng)定期清洗。

(八)嚴(yán)格控制油箱內(nèi)的油位，確保取氣率在95%左右。切忌為片面追求過高的取氣率(如超過5%)，而將油箱上液位設(shè)的過高。致使鋼瓶剩余氣體過少，膨脹壓力過低，回油效率降低，系統(tǒng)回油超時(shí)，甚至不能觸發(fā)壓差開關(guān)動(dòng)作，“回油不結(jié)束”。

(九)切忌為片面追求過低放空排放(氣損)，而擅自將回油壓差開關(guān)值設(shè)定過低，元件過于靈敏，回油壓力波動(dòng)引發(fā)壓差開關(guān)誤動(dòng)作，產(chǎn)生誤信號，引發(fā)上一鋼瓶回油不充分，繼而引發(fā)下一鋼瓶注油不充分(低于95%)自動(dòng)回油，高壓氣體進(jìn)入回油箱。

五 結(jié)束語

通過對液壓加氣子站工作原理、工藝流程特性及運(yùn)營情況進(jìn)行了介紹，并對液壓CNG加氣站注回油控制原理、高壓氣體回油的幾種情況進(jìn)行了技術(shù)分析，從而得出了幾點(diǎn)有效的高壓回油處理方法以及預(yù)防措施。

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[2]王曉強(qiáng)，液壓式CNG汽車加氣裝置，煤氣與熱力，2010.10

[3]秦翠坤，天然氣液壓加氣子站技術(shù)發(fā)展簡介，全國氣體標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會氣體分析分會召開一屆二次文集，2011.08

[4]喬國發(fā)，張孔明，李多金等，撬裝式LNG、CNG汽車加氣站[J]，天然氣工業(yè)，2005，25(3)：148-150

[5]吳國光，李連成，楊俊杰，CNG液壓加氣子站與常規(guī)加氣子站方案比選，煤氣與熱力，2008.01