嘉兴地区天然气汽车加气工艺设备适应性研究课题.docx

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嘉兴地区天然气汽车加气工艺设备适应性研究课题

《嘉兴地区天然气汽车加气工艺设备适应性研究》课题

结题报告

项目名称：

嘉兴地区天然气汽车加气工艺设备适应性研究

承担单位：

嘉兴市燃气集团有限公司

项目负责人：

徐松强

起止年月：

2010年04月—2011年12月

嘉兴市燃气集团有限公司

一、项目立项的背景和意义

节能减排和管道天然气的供应促进了天然气汽车加气的发展，目前国内外天然气汽车加气工艺主要有压缩天然气（CNG）子母站加气工艺、CNG标准站加气工艺、液化天然气（LNG）加气工艺、液化天然气—压缩天然气（L—CNG）加气工艺，各种加气工艺各有特点，其中CNG子母站和标准站的加气工艺比较成熟，应用也最为普遍，但在项目具体实施中，究竟采用什么样的加气工艺，往往只根据设计人员和项目决策者的个人偏好进行简单的理论比较后作出选择。

通过对不同加气工艺进行详细完整的研究，分析不同外部条件下不同加气工艺的经济性，提出加气工艺的综合运行成本计算公式，为加气站工艺选择提供较为科学的依据，提高加气站投资的经济性。

二、国内外研究现状和发展趋势

国内外天然气汽车加气工艺技术已经比较成熟，各种工艺理论上的优缺点也都有较为一致的意见，包括对各种加气站的运行成本的理论分析也已经较为完善，但对加气站技术和经济性研究的基本是大型企业集团和科研单位，研究的前提基本上是规模投资，得出的结论也带有普遍一致的供气条件，而加气站的投资方并非仅仅是大型企业集团，还有许许多多的小型企业甚至私人投资者，这些投资方在气源采购渠道、供气保障方式等方面各不相同，和大型企业集团的区别更大，如简单的套用大型企业集团的加气工艺，不结合自身实际，可能会对投资效益带来较大的影响。

但大型企业集团和科研单位无论是出于集团管理需要还是便于研究分析，在现有基础上再作进一步深入研究的价值不高，可能性也不大，同时现有加气子站的加气工艺在能源利用上还存在一定的提升空间。

三、工艺过程分析

1、常见CNG子站工艺流程：

CNG槽车中的天然气经过计量、增压、储存环节，最后给CNG汽车瓶组加气。

CNG槽车由拖车头送到子站就位后，拖挂空槽车返回母站，子站采用两线制供气。

直供线路：

利用槽车压力直接为汽车加气；子站储气井或压缩机为汽车补足20.0MPa。

加压线路：

储气井分高中2组3井，2组井容比例为1:

2。

汽车加气时，储气井按中、高两线分别向汽车加气；当储气井压力小于设定值时，压缩机开启，抽取槽车内天然气按高、中向储气井加压至25.0MPa；当高压组压力低于20.0MPa时，子站压缩机直接向汽车和高压储气井加压。

图1CNG加气子站工艺流程图

Figure1gas-fillingflowchartinaCNGsecondaryfuelingstation

2、常见CNG标准站工艺过程

从城市中压管网来0.2-0.25MPa的中压天然气进站后，经调压、过滤、计量后进入缓冲罐，再进入压缩机加压到25MPa；从压缩机出来的高压天然气经脱水后通过优先顺序控制盘进入储气瓶组储气，储气瓶组分为高、中、低三组压力，按1：

2：

3配置；汽车加气时，按低、中、高三组压力依次通过加气机向车辆加气，当车载钢瓶内压力达到20MPa时停止加气；当储气瓶组内压力低于设定值时，压缩机再次启动向储气瓶组储气直至达到设定上限值；在储气瓶组压力均低于设定下限值时，压缩机直接为CNG汽车加气。

四、加气站工艺参数、价格信息整理

加气站工艺参数：

A、加气子站主要工艺设计参数如下：

1）设计规模：

建设规模1.5×104Nm3/d；

2）设计压力：

压缩机前后设计压力为27.5MPa，运行压力为≤25.0MPa；加气机设计压力为27.5MPa，运行压力≤25.0MPa；排污、放散系统设计压力为：

0.80MPa

3）设计温度:

进气温度：

≤30℃;排气温度：

≤45℃

4）设计流速：

增压前后工艺管路系统设计流速≤5m/s。

5）加气能力：

1200Nm3/h；

6）卸气完成后余压：

3.0MPa；

7）压缩机撬装装置日工作时间：

24h。

B、加气标准站的工艺设计参数如下：

1）设计规模：

2.0×104Nm3/d；

2）工艺系统设计压力为：

压缩机前0.40MPa，压缩机后27.50MPa。

3）排污、放散系统设计压力为：

0.80Mpa。

4）再生系统设计压力为：

稳压器前27.5MPa，稳压器后1.6Mpa。

5）压缩机进气压力：

0.2MPa；进气温度：

≤30℃；排气温度：

≤40℃（冷却后）；排气压力：

25.0MPa

6）加气能力：

1670Nm3/h

加气站价格信息整理：

以嘉兴市天然气价格为例：

常规标准站的管道天然气价格为3.20元/Nm3,车用天然气的售气价格为5.19元/Nm3，子站从母站购得的天然气价格约为2.75-3.25元

五、现有子站加气工艺改进方案：

压缩天然气（CNG）加气子站的成本主要包括CNG采购成本、运行管理人员费用、计量损耗、压缩机运行费用及其它费用，当气源采购方式、人员及设备确定后，影响加气站运行成本的主要就是压缩机的运行费用了。

压缩机的作用是将槽车内的天然气加压后输送到储气井或储气瓶组（以下统一称储气设施）或直接给汽车加气，在排气压力固定的情况下，压缩机做功的大小（即压缩机运行的能耗）与压缩机的进气压力有很大关系。

由于槽车内的CNG压力有高低，如何在现有加气工艺基础上合理利用槽车内的压力能，是节约加气站压缩机运行成本的关键。

（1）合理调整加气工艺的设想

在传统子站加气工艺中，CNG槽车被固定当作低压储气设施使用，而事实上，储气设施内的压力在加气过程中会不断下降，尤其中压储气设施的压力可能会下降到表压力15.0Mpa左右，而槽车内CNG的表压力最高时可达到20.0Mpa左右，此时直接将槽车作为低压储气设施使用，槽车内的压力能显然没有得到合理利用。

为充分利用槽车内高压CNG的压力能，合理降低CNG压缩机的能耗，有必要对传统加气工艺进行适当调整，具体的工艺调整方案有以下几种：

A、不再将CNG槽车固定为低压，而是通过改变现有顺序控制盘的功能或新增一台顺序控制盘，用于自动控制CNG槽车和中压储气设施的供气顺序，每次加气时先比较槽车和中压储气设施的压力，压力较低的作为低压组优先供气，以下简称新工艺1，该工艺与传统工艺相比，工艺结构上有一定的改变。

B、将CNG槽车固定为低压，当槽车内的压力高于中压储气设施内的压力时，将槽车压力与中压储气设施压力进行平衡，两者压力一致后按传统工艺加气，以下简称新工艺2，该工艺与传统工艺相比，工艺结构上没有改变，只是改变了一下操作程序。

C、将CNG槽车固定为低压，当槽车内的压力高于中压储气设施内的压力时，先将槽车压力与中压储气设施压力进行平衡，再启动压缩机将高、中压储气设施内的压力提升到设计压力，然后按传统工艺加气，以下简称新工艺3，该工艺与传统工艺相比，工艺结构上也没有改变，也只是改变了一下操作程序。

（2）不同加气工艺下压缩机能耗的比较

为合理选择加气工艺，降低加气站能耗，需要将传统工艺和新工艺1--3的能耗进行计算比较，为此，先要将工况参数作一个规定。

这里，我们假设起始情况下CNG槽车内表压力20.0Mpa，槽车的水容积18m3；中压储气设施内的初始表压力15.0Mpa，水容积4m3；高压储气设施内初始表压力25.0Mpa，水容积2m3；待加气汽车内的余气表压力按1.0Mpa计算，一次加气过程按多辆汽车同时加气考虑，多辆汽车总的水容积按1m3计算，加气后车内表压力为20.0Mpa；多次加气后将槽车内的CNG全部增压加到储气设施内，使高、中压储气设施内的表压力全部达到25.0Mpa，以便在统一的结束状态下进行能耗比较。

由于CNG汽车加气的压力很高，压缩因子对天然气的计算量有很大影响，而考虑了压缩因子影响后的计算会相当复杂。

为在方便计算分析的同时能够得到相对可靠的比较结论，首先将CNG作为理想气体进行压缩机能耗的理论计算分析；根据计算分析结果再选取两种不同的工艺，以纯甲烷代替CNG，在考虑压缩因子影响的基础上进行实际气体压缩机能耗的理论计算分析；最后再以四川金星压缩机制造有限公司ZW-0.29/30-250JX型CNG子站压缩机的相关特性曲线数据对考虑了压缩因子影响的理论计算结果进行复核。

在计算的基础上，对各种不同工艺的能耗进行比较分析。

A、按理想气体计算分析各种工艺压缩机的理论能耗

在汽车加气过程中，每完成一个加气过程，槽车和储气设施内的压力就会有所下降。

在不启动压缩机的情况下，充气过程是通过槽车或储气设施和汽车内CNG的压力平衡来实现的，在这个平衡过程中，各CNG储气设施内的表压力和储气量按以下公式计算：

P=〔（P1＋Pa）×V1＋（P2＋Pa）×V2〕/（V1＋V2）-Pa

（1）

V=V0×（P＋Pa）/Pn

（2）

式中P--CNG储气设施平衡后的表压力，Mpa

P1P2--进行压力平衡加气作业的两台CNG储气设施在压力平衡开始前各自的表压力，Mpa

V1V2--进行压力平衡作业的两台CNG储气设施的水容积，m3

V0--泛指任意CNG储气设施的水容积，m3

V--按标准状态（20℃，0.101325Mpa）计算的CNG储气设施中CNG的储气量，Nm3

Pa--大气压，受地理环境和天气的影响，大气压并不是一个固定的数值，为方便计算，取Pa=0.1Mpa

Pn--标准状态压力，Pn=0.101325Mpa，为方便计算，取Pn=0.1Mpa

当高压储气设施内的表压力低于或可能要低于设定最低表压力（一般为20.0Mpa）时，启动压缩机将槽车内的CNG加压到表压力25.0Mpa并同时储存到高、中压储气设施内。

压缩机在运行过程中，CNG槽车内的天然气不断减少，车内CNG的压力也不断下降，但排气表压力保持25.0Mpa不变，这一过程压缩机做功按式（3）计算：

（3）

式中W--压缩机对气体做功，J；

Ps,Pd--实际平均吸排气绝对压力，Pa；

Vs--压缩气体容积（吸气状态下），m3；

λv--容积系数，无量纲；

k—绝热指数。

为方便计算，取容积系数λv=1，绝热指数按纯甲烷计，取k=1.31，压缩机出口压力按表压力25.0Mpa计，压力单位用Mpa调整,并将吸气状态的压力与容积的积换算为标准状态（标准压力仍按0.1Mpa计）后的压缩机做功计算公式为：

（4）

式中W--压缩机对气体做功，MJ；

Ps--实际平均吸气绝对压力，Mpa；

Va—标准状态下的吸入气体容积，Nm3；

Z—吸气压力下的压缩因子，按理想气体计算时Z=1。

根据气体状态方程，气体的压力、体积和温度三者相互关联，CNG的温度在压力平衡（膨胀）和压缩过程中都会发生变化，但在汽车加气和压缩机升压过程中，每一个过程稳定后，稳定阶段的气体温度还是相对固定的，考虑到与计算状态的一致，假定CNG的温度在整个分析过程中维持在20℃不变。

在此基础上按理想气体将CNG传统工艺和新工艺1-3下加气过程中压缩机的能耗按式（4）进行计算，结果见表1—表4。

表1按理想气体计算的传统工艺加气过程压缩机能耗

Table1:

compressorenergyconsumptionresultsintraditionalfillingprocess（idealgas）

操作情况

CNG槽车

中压储气设施

高压储气设施

压缩机能耗计算

剩余气量（Nm3）

表压力（Mpa）

剩余气量（Nm3）

表压力（Mpa）

剩余气量（Nm3）

表压力（Mpa）

初始状况

3618.00

20.000

604.00

15.000

502.00

25.000

压缩机补气494.9Nm3,平均进气压力14.93Mpa,能耗26.98MJ

第1次加气

3438.00

19.000

604.00

15.000

492.00

24.500

第2次加气

3267.47

18.053

604.00

15.000

472.53

23.526

第3次加气

3105.92

17.155

604.00

15.000

444.08

22.104

第4次加气

2952.87

16.305

604.00

15.000

407.13

20.256

压缩机升压

2458.00

13.556

1004.00

25.000

502.00

25.000

第5次加气

2339.05

12.895

932.95

23.224

502.00

25.000

压缩机补气414.7Nm3,平均进气压力9.43Mpa,能耗45.13MJ

第6次加气

2226.37

12.269

855.63

21.291

502.00

25.000

第7次加气

2119.61

11.676

778.71

19.368

495.68

24.684

第8次加气

2018.47

11.114

712.68

17.717

472.85

23.542

第9次加气

1922.66

10.581

655.60

16.290

435.75

21.687

压缩机升压

1508.00

8.278

1004.00

25.000

502.00

25.000

第10次加气

1439.05

7.895

882.95

21.974

502.00

25.000

压缩机补气505.2Nm3,平均进气压力5.46Mpa,能耗91.50MJ

第11次加气

1373.73

7.532

767.41

19.085

492.85

24.543

第12次加气

1311.85

7.188

672.23

16.706

459.91

22.896

第13次加气

1253.23

6.862

593.49

14.737

407.28

20.264

压缩机升压

748.00

4.056

1004.00

25.000

502.00

25.000

表2按理想气体计算的新工艺1加气过程压缩机能耗

Table2:

compressorenergyconsumptionresultsinnewprocess（No.1）（idealgas）

操作情况

CNG槽车

中压储气设施

高压储气设施

压缩机能耗计算

剩余气量（Nm3）

表压力（Mpa）

剩余气量（Nm3）

表压力（Mpa）

剩余气量（Nm3）

表压力（Mpa）

初始状况

3618.00

20.000

604.00

15.000

502.00

25.000

压缩机补气472Nm3,平均进气压力13.81Mpa,能耗29.90MJ

第1次加气

3544.11

19.589

492.00

12.200

497.89

24.795

第2次加气

3452.88

19.083

402.40

9.960

488.72

24.336

第3次加气

3349.48

18.508

330.72

8.168

473.80

23.590

第4次加气

3237.94

17.889

273.38

6.734

452.69

22.534

第5次加气

3121.40

17.241

227.50

5.588

425.10

21.155

压力平衡后

2740.01

15.122

608.89

15.122

425.10

21.155

压缩机升压

2268.00

12.500

1004.00

25.000

502.00

25.000

第6次加气

2159.05

11.895

922.95

22.974

502.00

25.000

压缩机补气459.7Nm3,平均进气压力8.50Mpa,能耗56.04MJ

第7次加气

2055.84

11.321

836.16

20.804

502.00

25.000

第8次加气

1958.06

10.778

755.95

18.799

489.99

24.399

第9次加气

1865.42

10.263

687.67

17.092

460.91

22.945

第10次加气

1777.66

9.776

629.14

15.629

417.19

20.760

压缩机升压

1318.00

7.222

1004.00

25.000

502.00

25.000

第11次加气

1259.05

6.895

872.95

21.724

502.00

25.000

压缩机补气402.3Nm3,平均进气压力5.17Mpa,能耗75.96MJ

第12次加气

1203.21

6.584

751.83

18.696

488.96

24.348

第13次加气

1150.30

6.291

652.59

16.215

451.11

22.455

压缩机升压

748.00

4.056

1004.00

25.000

502.00

25.000

表3按理想气体计算的新工艺2加气过程压缩机能耗

Table3:

compressorenergyconsumptionresultsinnewprocess（No.2）（idealgas）

操作情况

CNG槽车

中压储气设施

高压储气设施

压缩机能耗计算

剩余气量（Nm3）

表压力（Mpa）

剩余气量（Nm3）

表压力（Mpa）

剩余气量（Nm3）

表压力（Mpa）

初始状况

3618.00

20.000

604.00

15.000

502.00

25.000

压缩机补气415Nm3,平均进气压力13.65Mpa,能耗26.84MJ

压力平衡后

3454.36

19.091

767.64

19.091

502.00

25.000

第1次加气

3282.98

18.139

760.02

18.900

491.00

24.450

第2次加气

3120.61

17.237

746.71

18.568

476.68

23.734

第3次加气

2966.79

16.382

729.22

18.131

457.99

22.799

第4次加气

2821.06

15.573

708.76

17.619

434.18

21.609

第5次加气

2683.01

14.806

686.25

17.056

404.74

20.137

压缩机升压

2268.00

12.500

1004.00

25.000

502.00

25.000

第6次加气

2159.05

11.895

922.95

22.974

502.00

25.000

压缩机补气459.7Nm3,平均进气压力8.50Mpa,能耗56.04MJ

第7次加气

2055.84

11.321

836.16

20.804

502.00

25.000

第8次加气

1958.06

10.778

755.95

18.799

489.99

24.399

第9次加气

1865.42

10.263

687.67

17.092

460.91

22.945

第10次加气

1777.66

9.776

629.14

15.629

417.19

20.760

压缩机升压

1318.00

7.222

1004.00

25.000

502.00

25.000

第11次加气

1259.05

6.895

872.95

21.724

502.00

25.000

压缩机补气402.3Nm3,平均进气压力5.17Mpa,能耗75.96MJ

第12次加气

1203.21

6.584

751.83

18.696

488.96

24.348

第13次加气

1150.30

6.291

652.59

16.215

451.11

22.455

压缩机升压

748.00

4.056

1004.00

25.000

502.00

25.000

表4按理想气体计算的新工艺3加气过程压缩机能耗

Table4:

compressorenergyconsumptionresultsinnewprocess（No.3）（idealgas）

操作情况

CNG槽车

中压储气设施

高压储气设施

压缩机能耗计算

剩余气量（Nm3）

表压力（Mpa）

剩余气量（Nm3）

表压力（Mpa）

剩余气量（Nm3）

表压力（Mpa）

初始数据

3618.00

20.000

604.00

15.000

502.00

25.000

压缩机补气236.4Nm3,平均进气压力18.43Mpa,能耗7.44MJ

压力平衡后

3454.36

19.091

767.64

19.091

502.00

25.000

压缩机升压

3218.00

17.778

1004.00

25.000

502.00

25.000

第1次加气

3059.05

16.895

972.95

24.224

502.00

25.000

压缩机补气459.6Nm3,平均进气压力10.61Mpa,能耗43.37MJ

第2次加气

2908.47

16.058

933.53

23.238

502.00

25.000

第3次加气

2765.81

15.266

886.19

22.055

502.00

25.000

第4次加气

2630.67

14.515

831.33

20.683

502.00

25.000

第5次加气

2502.63

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第6次加气

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