天然气组分和来源

天然气组分和来源 第一章 天然气基本知识 天然气组分和来源 天然气是指地下多孔地质构造中发现的自然形成的烃类气体和蒸气的混合气体，有时也含有一些杂质，主要组分是低分子烷烃。天然气一般可分为四种:从气田开采的气田气或称纯天然气;伴随石油一起开采出来的石油气，也称石油伴生气，含石油轻质镏分的凝析气田气以及从井下煤层抽出的矿井气。 气田气组分以甲烷为主，也含少量的CO2、H2S、N2和微量的惰性气体，详见l一2。我国四川、海南等地的天然气属于这一类，其中甲烷含量一般不少于90,，发热值为34 800,36 000kJ,m3。天津、大庆等地使用的天然气是伴生气，甲烷含量约为80,，其他烷烃占15,，热值较高，大约为41 900 kJ,m3。气田气除含有大量甲烷外，还含有2,,5,戊烷及戊烷以上的烃类，热值更高。矿井气的主要可燃成分是甲烷，其含量视抽气方式不同而变化，热值一般较低。抚顺、鹤壁等矿区使用这种矿井气多年。 天然气可以压缩或液化，在25MPa压缩状态下的天然气体积接近标准状态下的1,300。液态天然气的体积为标准状态时体积的1,625，有利于储存和用车辆或船舶远途输送，使不生产天然气的地区也能使用到天然气。 根据天然气的组成既可将天然气分为干气、湿气、贫气和富气，又可分为酸性天然气和洁气。结合我国情况，参考国外资料，其定义如下。 1 表l一2各种天然气成分 干气:每1m3。(压力为O.1 MPa、温度为20C的状态)井口流出物中，C5以上重烃液体含量低于13.5 cm3的天然气。 湿气:每1 m3井口流出物中，C5以上重烃液体含量超过13.5 cm3 的天然气(一般湿气需分离出液态烃产品和水分后才能进一步加工利用。 富气:每1 m3井口流出物中，C3以上烃类液体含量超过94 cm3 的天然气。 贫气:每l m3井口流出物中，C3以上烃类液体含量低于94 cm3 的天然气。 酸性天然气:含有显著H2S和CO2等酸性气体，需进行净化处理才能达到管输标准的天然气。 洁气:H2S和C02含量甚微，不需进行净化处理的天然气。 第二节 天燃气的物理性质 一、密度和相对密度 燃气的生产储存和使用，包括有液态和气态及其相互的变化，所以密度和相对密度包括气体和液体两种状态。 液体的密度是指单位体积内液体的质量。液体的相对密度是指在同一温度压力条件下，液体与同体积水的密度之比。气体的密度是 2 指单位体积 Vi——混合气体各体积绀分(,)。 比容是指单位质量的物质所占的体积，单位是(m3,kg)。它与密度互为倒数，即V=1/P。 气体的相对密度是指在温度压力相同条件下，气体与同体积空气的质量比。即 3 S=P/1.293 式中S——混合气体的相对密度; 1.293——标准状态下空气的密度(k/ m3)。 几种燃气的平均密度和相对密度见表1—4。 表1—4燃气的平均密度和相对密度 液化石油气气态的相对密度在1.5,2之间，因此，一旦液化石油气从容器或管道中泄漏出来，不像相对密度值小的可燃气体那样容易挥发和扩散，而像水一样往低处流动和滞存，很容易达到爆炸浓度，如遇着明火就会发生爆炸或燃烧。因此，用户在安全使用中必须充分注意。 2(液体的密度、相对密度 混合液体的密度计算公式如下: 式中P——混合液体的密度(kg,L); Pi——混合液体各组分的密度(kg,L); Vi——混合液体各组分的容积成分(,); gi——混合液体各组分的质量成分(,)。 混合液体的相对密度是相对于水而言(见表1—5)，而4?时水 4 的密度为1kg,L，故液体的相对密度与平均密度数值相等。 在常温下，液态液化石油气的平均密度是0.5,0.6,，约为水的一半，故水分和杂质处于液化石油气容器的底部，排污阀应装罐底。 表l一5液化石油气液态各组分相对密度 二、颜色、气味和毒性 液化石油气是一种无色、无味的物质，其在常温常压下以气态存在，在加压情 况下液化，便于储存和运输。液化石油气中含少量的硫化物。由于硫化物的存在，使液化石油气带有一种类似滴滴涕的刺鼻的臭味，对人体有一定的毒害作用，但人们可以凭借这种气味用以判断是否有液化石油气泄漏。液化石油气无毒，但在空气中浓度较高时，对人的中枢神经有麻醉作用。 三、沸点和露点 当液体温度升高时，液体的蒸气压也随之逐渐升高，直至其蒸气压力与外界压力相等，这时继续加热将使液体内部汽化，这种现象叫沸腾，沸腾时的温度称为沸点。通常说的沸点是指蒸气压力为101 325Pa时的饱和液体沸腾时的温度。某 —6。 些碳氢化合物的沸点见表1 表l一6某些碳氢化台物的沸点 5 沸点温度与液体种类和外界压力有关。压力增高，沸点上升。由于C4的平均沸点为0?左右，在冬季就可能会不能汽化，从而打不着火。由于室内温度大于C4的平均沸点，在室外使用钢瓶打不着火时，可将其放到室内片刻，当钢瓶温度接近室温时，瓶内液化石油气就可以导出，再点火就不困难了。 在压力不变的条件下，未饱和气体冷却到饱和状态时的温度称为露点温度。因此，气态碳氢化合物的露点温度就是给定压力下达到饱和状态时的饱和温度，对同种碳氢化合物，其压力增大，露点温度也升高。 当用管道输送气体碳氢化合物时，必须保持其温度在露点以上，以防凝结，阻碍输气。 四、比热容和汽化潜热 (一)比热容 比热容是指单位数量的某物质在温度变化l C时所吸收(或放出)的热量。 液化石油气有气态和液态之分，其比热容也就不同。表1-7为某些碳氢化合物在25 C时的比热。 表l一7某些碳氢化合物的比热容 (二)汽化潜热 6 液体沸腾时，1 kg饱和液体变成同温度的饱和蒸气所吸收的热量称为汽化潜热。该过程只有相变，而温度不发生变化。 汽化潜热这一 特性与安全生产和安全使用的关系很密切(见表l- 8)。液化石油 气的主要成分的沸点都很低。即在0C以下时液化石油气就达到它的沸点。因此液态液化石油气泄漏出来时，其压力降至常压，迅速吸收周围空气及容器的热量，把空气中的水分凝结成霜，形成白雾。倘若液态液化石油气沾至皮肤，则会迅速吸收人体的大量热量造成冻伤。因此，操作人员必须戴皮手套加以保护以防止皮肤冻伤。 —8某些碳氢化合物的汽化潜热 表1 (三)燃气的热值 l m3燃气完全燃烧所放出的热量称为燃气的热值，单位为kJ,m3，对于液化石油气，热值单位也可用kJ,kg。 热值可分为高热值和低热值。 高热值是指1 m3。燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气为凝结水状态排出时所放出的热量。 低热值是指l m3。燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸气状态时所放出的热量。 高、低热值数值之差为生成水蒸气的冷凝热。 1(混合气体比热容的计算 7 已知体积组分时， C=VlCl+V2C2+„+VmCm 已知质量组分时， C=g1C1+ g2C2+„+gmCm 式中C——混合气体的容积比热容，单位J,(m3?C); C——混合气体的质量比热容，单位J,(kg?K); C1，C2„Cm——混合气体各组分容积比热容，单位J,(m3?C); C1，C2„Cm——混合气体各组分质量比热容，单位J,(kg?K) V1，V2„Vm——混合气体各体积组分; g1，g2„gm——混合气体各质量组分。 2(混合液体比热容的计算 混合液体比热容可按下式计算: C=g1C1+g2C2+„+gmCm: 式中 C——混合液体的质量比热容J,(kg?K); g1，g2„gm——混合液体各质量组分; C1，C2„Cm——混合液体各组分质量比热容J,(kg?C)。 3(混合液体汽化潜热的计算 混合液体的汽化潜热可用下式计算: R=g1r1+g2r2+„+gmrm 式中 r——混合液体的汽化潜热(J,kg); g1，g2„gm——混合液体各质量组分; r1r2 rm——混合液体各组分的汽化潜热(J,kg)。 8 五、体积膨胀系数 绝大多数物体都具有热胀冷缩的性质。所谓体积膨胀系数，就是指温度每升高1C，液体增加的体积与原来体积的比值。 液化石油气体积膨胀系数比水大得多，约相当水的10至16倍，且随温度升高而增大。据计算，家用液化气钢瓶在满液情况下，温度每升高1C，压力就会上 ,3 MPa(20至30大气压)，不难推知，只要温升3C、至5 C，内压就会超过升2 普通钢瓶8 MPa的实际胀裂限度。因此-液化石油气的充装作业，必须限制装载量，不能全部充满液态液化气。 六、饱和蒸气压 一定温度下的液体置于密闭容器中，当单位时间由液态变为气态的分子数目与由气态变为液态的分子数目相等时，气液两相处于动态平衡状态，此时饱和蒸气所呈现的压力称为饱和蒸气压。 饱和蒸气压的大小与液体的种类、温度的高低有关。 碳氢化合物的蒸气压随温度升高而增大。一定液体的饱和蒸气压与容积大小及液量多少无关，只取决于温度。某些烃类的饱和蒸气压与温度的关系，见表1—9。 9 表1-9某些烃类的饱和蒸气压 单位(MPa) 七、临界状态 任何气体在温度低于某一数值时都可以等温压缩成液态，但当高于该温度时，无论压力增加到多大，都不能使气体液化，可以使气体压缩成液态的这个极限温度称为气体临界温度。当温度等于临界温度时，使气体压缩成液体所需的压力称为临界压力，此时的状态称为临界状态。其实，临界状态是饱和状态的一个特殊情况——极端情况:处于密封容器中的气液共存物质，在温度不断升高时，由于原来的饱和状态不断被打破，液相分子不断溢出液面，同时，由于液十H受热会膨胀，所占体积增大，因而使液相密度ID*会不断减少，而气相密度则会相应增大。 当温度升到一定值时，P帻一ID气，此时气液界面消失，气液不分，处于一个模糊状态，即临界状态。临界状态时的温度、密度、压 10 力均为常数，与容器的形状、大小无关。 气体的临界温度越高，越易液化。天然气主要成分甲烷临界温度低，故较难液化。而液化石油气的主要成分c。、C。临界温度较高，故较易液化，便于储存和运输燃气的临界温度和压力见表1一l0。 表1-10 液化石油气和天然气的临界压力和临界温度 第三节 燃气的燃烧特性 一、燃烧及其条件、形式和种类 )燃烧 (一 可燃物与助燃物作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和(或)发烟现象，称为燃烧。 任何物质要发生燃烧，都必须具备三个必要的条件:可燃物、助燃物和点火源。也就是说， 只有在上述三个条件同时具备的情况下才能发生燃烧。 (1)可燃物:凡是能与空气中的氧气或其他氧化剂起化学反应的物质称可燃物，如木材、氢气、煤炭、汽油、酒精、纸张等。 (2)助燃物:能帮助和支持可燃物燃烧的物质，即能与可燃物发生氧化反应的物质称为助燃物。如空气、氧气、氯气及其他一些氧化剂，空气到处都有。一般来说，这个燃烧条件是难以控制的。 (3)点火源:是指供给可燃物与助燃物发生燃烧反应的能量来源。 11 一般分直接火源和间接火源两大类。直接火源主要有明火(如生产、生活中的炉火、灯火、焊接火、撞击火星、摩擦打火等)、电弧、电火花、瞬间高压放电的雷击;间接火源主要有高温发热、自燃起火。 可燃物、助燃物和点火源是构成燃烧的三个要素，缺少其中任何一个要素，燃烧便不能发生。对于已经进行着的燃烧，若消除可燃物或助燃物其中任何一个条件，燃烧便会终止，这就是灭火的基本原理。 (二)燃烧过程 大多数可燃物质的燃烧是在其挥发出蒸气或气体状态下进行的，由于可燃物的状态不同，其燃烧特点也不同。 气体最容易燃烧，只要达到其本身氧化条件所需的热量便能迅速燃烧，在极短的时间内全部烧光。天然气和液化石油气中的所有组分，在常温常压下均是气态，在空间传播迅速，所以非常容易燃烧，甚至能形成爆炸。 可燃液体燃烧不是液体本身燃烧。首先是液体蒸发汽化，然后在火源作用下，蒸气氧化分解进行燃烧，燃烧又加速了汽化。由于液体燃烧在火源、升温、汽化等过程的准备阶段，要消耗时问和热量，时间长。值得指出的是液化石油气中C。、C(组分的沸点都很低，因此，液化石油气液体若泄漏出来，虽然为液态，但其汽化却十分迅速，燃烧和爆炸的危险性很大。 固体燃烧，如果可燃物是简单物质，如硫、磷等，受热时首先融化，然后蒸发、燃烧，没有分解过程;如果是复杂的物质，其固体燃烧相对液体、气体较为困难，燃烧速度较为缓慢。 12 (三)燃烧形式 根据气体的燃烧条件，可分为扩散燃烧和混合燃烧两种形式，在混合燃烧中又 可细分为部分预混燃烧和完全混合燃烧。 可燃气体不预先和空气混合，从管中喷出后与周围空气接触，其气体分子一边扩散，一边与氧分子混合，一边燃烧，燃烧反应在两种物质的界面带层进行，该种形式的燃烧叫做扩散燃烧。蜡烛的火焰形态，就是这种形式。 将可燃气体预先与燃烧所需的部分空气混合，然后从火孔流出燃烧，这种燃烧过程叫做部分预混燃烧，这种燃烧方式的火焰温度和燃烧完全程度都高于扩散燃烧。家用灶具多采用这种燃烧方式， 所谓完全混合燃烧，即将可燃气体与燃烧所需的全部空气相混合，然后从火孔流出燃烧。 由于预混充分，燃烧十分迅速，几乎看不到火焰。这种燃烧方式反应完全，且能获得高温。完全预混燃烧的灶具，必须保证气流的喷出速度大于火焰的传播速度，否则十分危险。 (四)闪燃和闪点 可燃液体表面的蒸气与空气混合，形成混合可燃气体，遇火源即发生燃烧。形成挥发性混合气体的最低燃烧温度称为闪点，在闪点时所发生的燃烧只出现瞬问火苗和火光，这种现象称为闪燃，闪燃燃烧是不连续的。 液化石油气的闪点都是非常低的，其数值见表1—11。液体在闪点温度以上达 到燃点时，因液体蒸发速度加快，可燃气体的数量增加， 13 能够维持连续稳定的燃烧。因此，闪燃是液体发生火险的信号，是着火的前奏。闪点是评价液体火灾危险性的重要指标。 表1-11 液化石油气主要成分闪点 (五)自燃和自燃点 自燃是物质自发的着火燃烧，通常是由缓慢的氧化作用或本身温度或介质温度而引起的。即物质在无外界火源的条件下，在一定温度下自行发热，散热受到阻碍而积蓄，逐渐达到自{妻}状态而致。自燃一般分为受热自燃和本身自燃。 (1)受热自燃:在没有外部火花、火焰的条件下，可燃物质受外界热源作用自行燃烧现霖称为受热自燃。可燃物质发生自行燃烧的最低温度称为自燃点。 (2)本身自燃:可燃物质在没有外来热源影响下，由于物质内部所发生的化学、物理或生化过程而产生热量(这些热量在适当条件下，会逐渐积聚，使物质温度上升，达到自燃点而燃烧，这种现象称为本身燃烧。 液化石油气中的硫化物能同储罐内壁或钢瓶内壁发生化学变化，生成硫化铁及硫化亚铁(这些物质也是十分危险的可燃烧物。如果容器或设备未充分冷却即敞开，则这些物质与空气接触，便能自燃。如果罐内仍有可燃气体存在，则能形成火灾事故，甚至引起储罐、钢瓶爆炸。液化石油气和天然气的自燃点见表1—12。 14 表l—12液化石油气和天然气的自燃点 )辛烷值 (六 辛烷值是燃料抗爆性的标志，它表示燃料在发动机内燃烧时不发生爆震的能力。 爆震是汽油机的一种不正常燃烧，它能产生高频震动和噪声。爆燃可引起功率下降，油耗增加，持久的爆燃会损坏机件。 辛烷值是指与汽油抗爆性相同的标准燃料所含异辛烷的体积分数。如辛烷值70的汽油，表示其抗震性等于70,的异辛烷和30,的正庚烷组成的标准燃料的抗爆性。 辛烷值越高表示抗爆性越好。天然气的主要成分是甲烷，甲烷的辛烷值为130，液化石油气的辛烷值在100,110之间，以上两者都较汽油有更高的辛烷值，即抗爆性能较汽油高。 二、热值、燃烧温度及燃烧产物 1(热值 热值是指单位重量或单位体积的可燃物质，在完全烧尽生成最简单最稳定化合物时所放出的热量(见表1—13)。热值又分高热值和低热值。它们之问的区别在于高热值记人生成的水的冷凝热，如不计算这部分冷凝热，则为低热值。 15 表l—13各种碳氢化合物的热值 2(燃烧温度 燃烧温度实质上是火焰温度。因为可燃物质燃烧所产生的热量是在火焰燃烧区内放出的，热量完全被燃烧生成物所携带，因而火焰温度也就是燃烧温度(见表1,14)。 表l—14液化石油气和天然气等可燃物质的理论燃烧温度 3(燃烧产物 液化石油气和天然气(含少量杂质)完全燃烧时产生二氧化碳(CO)2)和二氧化硫(SO2)等，当不完全燃烧时还会产生大量的一氧化碳(CO))。CO是一种无色气体，比空气略轻，有强烈的毒性。当空气中含有10,的CO时，在l,2min内可造成人的中毒死亡。完全燃烧时产生的CO2。也是,种无色气体，比空气重，不燃 烧，不助燃，不导电，有轻度毒性。但燃烧产物中CO2:中含量高时，使人窒息。 16 SO2比空气重，具有毒性，对眼膜和呼吸道有刺激性，当空气中含量为0.05,时，短时间内便可造成人的生命危险。由上述介绍可知，液化石油气、天然气及杂质的燃烧产物对人体都有一定的危害，因此，用户使用燃具的空间，必须具有 良好的通风条件，以使燃烧产物能及时排除。 4(燃烧产物与灭火工作的关系 燃气燃烧产物对灭火工作既有不利的一面，也有有利的一面。燃烧产物在一定的条件下，有阻燃作用。根据燃烧产物的颜色和气味可以判断是什么物质燃烧，有利于采取正确的灭火措施，根据燃烧产物烟雾温度、浓度和流动方向可以判断燃烧速度和蔓延方向。在一定的条件下，燃烧产物妨碍灭火人员行动，有使灭火人员窒息中毒的危险，燃烧产物烟雾会影响视线，妨碍消防工作，而很多燃烧产物有造成新的火源和促进火势发展的危险。 三、爆炸及爆炸极限 1(爆炸 物质自一种状态骤然转变到另一种状态，并在释放出大量能量的瞬间产生巨大声响及亮光的现象称为爆炸。迅速韵燃烧(约万分之几秒)以后和巨大数量燃烧产物的形成，包括能量释放及产物膨胀在内的剧烈的物理化学行为是燃烧爆炸，亦称爆炸。爆炸也包括气体或蒸气在瞬间膨胀的现象。 爆炸可分为物理性爆炸和化学性爆炸。 物理性爆炸:这种爆炸是由物理因素引起的，物质因状态或压 17 力发生突变而强力崩裂的爆炸称为物理爆炸。如:液化气体超压引起的爆炸。物理性爆炸前后物质的性质及化学成分均不改变。当液化石油气容器充装过满或温度过高，均可能导致容器超压，引起爆炸。 化学性爆炸:物质发生极迅速的化学反应，产生高温高压而引起的爆炸称为化学性爆炸。化学性爆炸前后物质的性质和成分发生了根本的变化。 天然气和液化石油气的爆炸一般属于气体混合物爆炸。天然气和液化石油气气体与空气混合，达到一定浓度时，遇着火源即能发生爆炸燃烧。密闭容器液化石油气和天然气的爆炸浓度极限 3(影响爆炸极限的因素 爆炸极限不是一个固定值，它随着一些因素而变化，影响爆炸极 18 限的主要因素有以下几点。 原始温度:爆炸性混合物的原始温度越高，则爆炸极限范围越宽，即爆炸下限降低而爆炸上限增高。 原始压力:混合物的原始压力对爆炸极限有很大的影响，在压力增加的情况下， 其爆炸极限的变化就很复杂。一般压力增大，爆炸极限扩大，压力降低，则爆炸极限缩小。 惰性气体及杂质:若混合物中所含惰性气体的百分数增加，爆炸极限范围缩小，安全性提高，惰性气体浓度提高到某一数值，可使混合物不爆炸。 充装容器的材质、尺寸等:实验证明，容器或管道直径越小，爆炸极限范围越小，这可能与材质的不明催化原因有关。 除上述因素外，火花的能量、热量交换表面的面积，火源和混合物的接触时间等，对爆炸极限均有影响。 爆炸浓度极限的实用意义: (1)评定气体或液体火灾危险性大小。可燃气体或液体蒸气的爆炸下限越低，爆炸极限范围越大，则火灾的危险性越大。 (2)划分可燃气体等级的依据。爆炸浓度下限低于10,的可燃气体属一级可燃气体，爆炸浓度极限下限高于10,的可燃气体属二级可燃气体。 (3)评定气体生产、储存火险类别，选择电气设备的依据。生产、储存爆炸浓度下限小于10,的可燃气体为甲类火灾危险，应选用隔爆型电气设备;生产、储存爆炸浓度下限大于10%的可燃气体为乙类 19 火灾危险，可选择任意一类防爆型电气设备。 四、车用天然气燃料的特点 天然气作为天然气的质量要求 1(民用天然气的质量指标 (1)本标准按天然气的高位发热量不同分为A组和B组;按用途不同A、B两组分为四类，其相应代号分别1类、?类、?类和N类。 (2)各组、各类天然气质量指标应符合表1—18规定。 20 表1—18天然气质量指标 规范号:SY T7514—88。 ?本标准中的m3为在101.325 kPa，20?状态下的体积; ?无游离水是指天然气经机械设备分不出游离水(在取样点处的温度和压力条件下)，气体的相对湿度小于或等于100,; ??类气总硫含量不小于480 mg/m3。 2(管输天然气气质标准 天然气中的酸性气体和水是造成管线内壁腐蚀、影响管线寿命的主要因素之一，严格控制进入管线的气体质量是延长管线寿命、安全供气的重要措施。世界主要产、用气国家对管输天然气气质标准见表1 —19。 表l一19世界主要产、用气国家天然气气质标准 ?美国《管线与气体杂志》1973年发表的美国输气管线安全法规中规定管输天然气中 21 硫化含量不得高于2.3mg/m3。 ?该数据取自前苏联《可燃气体运输手册》，但有关文献报导，法国拉克气体净化厂的含硫化氢指标为5.8mg/m3。 ?前苏联气体中含水量依据不同地区要求各异。 如果天然气中的游离水尚未脱净，由于天然气中含有少量的硫化物，则可能在民用天然气输配管网或车用钢瓶内形成H。S水溶液，对设备造成腐蚀。 天然气中主要有害杂质是H:s和其他含硫化物、CO2及H2O2。H2S能腐蚀输送管道且污染环境，对人体有害，在水存在时会与CO2和硫化物发生反应，对金属有腐蚀性。CO2含量过高还影响管道输送能力。并降低天然气发热量。水在一定温度和压力下，能与烃生成水化物，若温度低于露点温度还会结冰，导致输送过程中管道堵塞。因而，天然气开采出来后需经过净化才可达到商品天然气要求。 3(汽车用天然气质量要求(见表l一20) 表1—20汽车用压缩天然气质量要求 注:1、为确保压缩天然气的使用安全(压缩天然气应有特殊气味，必要时假如适避加臭剂，保证天然气的浓度在空气中达到爆炸下限的20,前能被察觉。 2、气体体积为在101.325kPa、20?状态下的体积。 规范号:SY/T 7546-1996。 22 4、天然气加臭的意义 天然气是具有一定毒性的爆炸性气体，且在压力下输送和使用。由于管道及设备材质和施工方面存在问题和使用不当，容易造成漏气，存在着火和人身中毒的危险，因此，当发生漏气时能及时被人们发觉进而消除漏气是很必要的，要求对没有臭味的燃气加臭，对于减少灾害，是必不可少的措施。 城镇燃气设计规范规定:有毒燃气泄漏到空气中，达到对人体允许的有害浓度之前应能察觉;无毒燃气泄漏到空气中，达到爆炸下限的20,浓度时，应能察觉。 一、天然气的输送 天然气的输送有长距离管路输送和液化天然气(LNG)输送方式等，另外，还 可采用移动管束式汽车输送。 (一)液化天然气(LNG) 天然气的主要组成——甲烷，在常温下不能用压缩的方法使其液化，只有在低温下(-162?)才能变为液态。天然气液化后储存在以绝热材料制造的储罐巾，町通过船运或年运方式输送。天然气液化前必须净化，脱除深冷过程中可能固化的物质(如水一二氧化碳、硫化氧及丙烷以上的重烃类，因为它们在深冷条件下会变成固体，覆盖在冷却表面，即使不发生冰堵，也会严重影响效率。净化后的天然气经过制冷为液态，体积变成气态体积的1/625，密度约为0.5，这使天然气在储罐中的储存量增大。不过现阶段液化成本较高，市场狭小，缺少互相坍调的技术规定，随着深冷工艺的发展，天然气液化将变得经济 23 些。 (二)长距离管输 城镇天然气传统的气源供应模式是通过长输管线来实现。天然气管输有五大环节:(集气)采气?净气?输气?储气?配气(供气)。长输系统由集输管网、气体净化设备、起点站、输气干线、输气支线、中间调压计量站、压气站、燃气分配站、管理维修站、通信与遥控设备、阴极保护站(或其他电保护装置)等组成。 )移动管束式汽车运输天然气 (三 由于国内天然气长输管线运输尚未形成基本网络，远不能满足工业、商业及民用对天然气输配供应的需要，对于许多城镇或居民小区，或对于某些产量低且不稳定的零星气田或单井，没有必要向城镇敷设一条永久性管线。因而，对于天然气的供应，除长输管线和液化天然气外，也可采用通过专用车辆，即移动管束式汽车由公路运输压缩天然气(CNG)，目前CNG公路运输系统技术较成熟，已在天然气汽车母子站系统上广泛使用。 二、天然气的储存 1(液化天然气的储存 液化天然气是将天然气经过净化处理，除去水、二氧化碳、硫等杂质及重碳氢化合物，然后采用节流膨胀、混合冷源制冷等深冷工艺将天然气冷却到一162?，将甲烷变成液体，体积缩小625倍，称为液化天然气，储存在冷库中。其占地面秘少，工作压力较低，储气量大，但制冷工艺设备复杂，投资较高。 24 2(压缩天然气的储存 压缩天然气又称CNG，是指将天然气经过多级压缩，将其压力压缩至较高值，一般是20,30 MPa，CNG储存体积较常压天然气大为减少，储存至高压容器中。其特点是，工作压力高，储气量大，但压缩设备投资较大，目前多用于天然气汽车加气站中。 3(吸附天然气的储存 吸附天然气英文缩写为ANG，是指在一定的压力情况下，使天然气吸附在吸附剂上，这是一种很有前途的方法。通过大表面吸附剂能储存大量的天然气，这是因为吸附在吸附剂微孔介质上的甲烷分子间的距离较气相时小得多。其具有工作压力低，储气量大，储气成本低，设备投资较小，工作安全可靠等特点。但目前其工艺技术尚不成熟，正处于研究发展阶段。 第二章 车用天然气加气站 第一节 车用天然气加气站介绍 一、天然气加气站概述 根据站区现场或附近是否有管线天然气，天然气加气站分为常规站、母站和子站。 常规站建在有天然气管线通过的地方，从天然气管线直接取气，天然气经过脱硫、脱水等工艺，进入压缩机进行压缩，然后进入储气瓶组储存或通过加气机给车辆加气。通常常规站加气量在600,1000m3/h之问。 母站建在临近天然气管线的地方，从天然气管线直接取气， 25 经过脱硫、脱水等工艺，进入压缩机压缩，然后进入储气瓶组储存或通过加气机给子站车或车辆加气。通常母站加气量在2500,4000 m3/h之间。 子站建在加气站周围没有天然气管线的地方，通过子站转运车将从母站运来的天然气给天然气汽车加气，一般还需配置小型增压器和地面瓶组。为提高转运车的取气率，用增压器将转运车内的低压气体升压后，转存在地面瓶组内或直接给天然气汽车加气。 子母站方式适合在城市人口密集、天然气管线布局不普遍的地方。 根据加气站储气装置容积VN的大小(天然气加气站可分为一级站、二级站、三级站: 一级站:3000 m3<VN?4000 m3 二级站:1500m3<VN?3000 m3 三级站:VN?1500 m3 )下的体积。 其中VN为标准状态(即P=I01.325 kPa,t=0? 根据加气所需时间，加气站分为快充站和慢充站。 慢充站主要由充气阀、压力表、软管和连接器组成，只配有少量甚至没有高压存储容器。慢充站通常在晚上对车辆加气，压缩机将天然气压缩后送入通往每辆汽车的分配歧管中，再经加气机进入汽车燃料罐，燃料罐加满后自动停止加气。这种配置很经济，而且具有很高的可靠性。加气时间随压缩机排量、加气汽车数量及燃料罐的容量不同而变化。 快充站是加气速度很快的加气站，由于车载燃料罐容积大小不等， 26 加气时间通常为3,10min。为实现快速加气，站区一般都配有高压容器预先存储气体，弥补压缩机排量不足的影响，储气容器通常采用高、中、低三组ASME瓶组，即阶式(Casecade)储气瓶组。公共加气站多属于这种类型。 根据所属关系，加气站分为商业加气站、私有加气站和公共加气站。 本节主要通过实例介绍天然气加气站设备的选型及工艺设计。常规站和子母站在我国的几个加气站示范城市中都有广泛应用。常规站和母站流程基本类似，结构和所用设备大体相同，不同之外在于母站排量比常规站大，并可通过加气机给子站车加气。相对于母站来讲，子站设备较少，但操作繁琐。有的地区的天然气含硫量低于国家标准要求，可考虑不设脱硫设备。下面对常规站、母站和子站分别进行介绍。 二、常规加气站 图5—1是进口天然气汽车加气站流程图。经过预处理(脱硫、脱水、分离轻质油)的天然气经过进站过滤、计量、调压后，以一定压力进入天然气深度脱水装置，使天然气水露点达到车用压缩天然气标准，而后经洗涤罐进入天然气压缩机进行三到四级压缩，使其压力达到25MPa，通过优先,顺序控制盘进入高、中、 低三组储气瓶暂时储存，再通过优先,顺序控制盘、加气机(亦可由压缩机直接通过优先,顺序控制盘、加气机)对天然气汽车充气。由此可见，天然气汽车加气站设备包括天然气深度脱水装置、天然气压缩系统、天然气储 27 存系统、控制系统(自动保护、自动启停机及优先,顺序控制盘)和压缩天然气售气系统。 图5-l进口压缩天然气汽车加气站流程图 1(天然气深度脱气装置 经过预处理的天然气还不能直接用于给天然气汽车充气，必须通过深度脱水装置，以降低天然气中的水分含量(在工作压力下将天然气水露点降至低于最低环境温度5?以上)，否则会出现以下危害:(1)在向汽车充气过程中，管阀件、加气嘴易产生冰堵现象，影响加气;(2)影响CNG汽车发动机的正常运转;(3)气瓶积水会降低气瓶使用的安全性，尤其是在天然气中含硫化氢的情况下;(4)影响压缩机的正常运转和维护。图5—2为进口加气站天然气深度脱水装置(有热再生、低压双塔)流程图。 来自加气站上游(已经过三甘醇脱水)的湿气通过l号气动阀进入以4A分子筛做 ?以下——吸附剂的干燥塔(例如甲塔)进行深度脱水，使其常压下水露点达到-60这是天然气深度脱水装置的吸附(即干 28 燥)过程。根据加气站上游天然气含水的情况不同，脱水装置的吸附周期的长短也不一样。可在干燥塔出口设置天然气露点指示器，随时都可以通过开启监测管路上的阀门，让干燥后的天然气通过该装置并观察该装置内的化学试剂的颜色变化来确定干燥剂是否需要再生。如果化学试剂显示了某种特定的颜色，则表明该午燥塔(甲塔)吸附床吸附的水分达到了设计量，应该马上对该塔进行再牛，而让乙塔进入吸附过程。再生时，来自高压储气瓶组的干气，经减压阀和3号气动阀进入甲塔，对该塔进行有热再生(此时置于塔内的电加热器通电对该塔加热——称为内置式加热方式。可有效地增大热传递效率，该装置还设计了再升温度高自动报警和断电保护装置)，即进入塔内的干气在高温条件下带走干燥塔吸附床上吸附的水分，通过5号气动阀进入风冷空气冷却器进行冷却(风冷换热器的设计，不仅使整个脱水装置变得紧凑，减少了占地面积和建站投资，而且特别适合于我国北方地区冬季使用)，再进入分离器，分离出的水分通过排污阀(手动阀或自动阀)排除，而干燥后的天然气则从分离器的上部出来，通过单流阀返回到脱水装置的入口，通过1号气动三通阀进入脱水装置重新进行脱水处理，其再生周期一般为6,8 h。干燥塔工作状态(吸附或再生)的切换是由位于脱水装置安伞距离以外的控制盘内的一组电拄元什，以仪表风做驱动力，通过控制干燥塔状态切换阀组(1,6号气动阀)的开关自动完成的，这就大大减轻了操作工人的劳动强度。为了适合在冬季环境温度低于o?的地区(例如我国北方地区)使用，该装置在可能有水分积聚造成冰堵的管线、阀门或设备处都采用保温或电加热 29 设计。 图5-2 某进口压缩天然气汽车加气站深度脱水装置流程图 2(天然气压缩系统 干燥后的天然气进入压缩机压缩，根据吸气压力的不同。采用三级或四级压缩。压缩机可采用少油润滑或无油润滑方式。压缩机主要包括丰机、驱动机、冷却器、管件、缓冲罐和监视仪表等。以下是某引进天然气压缩机系统的基本情况。 天然气压缩系统的主要流程是(参见图5—1):天然气经过低压深度脱水装置脱水后，经单流阀、入口关断阀、洗涤罐、压缩机入口调压阀，进入压缩机一级缸压缩，通过三级压缩、三级冷却后，进入四级缸压缩、四级冷却器冷却，再经压缩机末级过滤器、卸载,排气组合阀、单流阀、优先,顺序控制盘，进入压缩天然气储气瓶组储存。 该天然气压缩系统的特点是: (1)为方便用户安装和减少占地面积，整个机组(包括天然气洗涤罐、压缩机主机、空气冷却器、驱动机、储气瓶组、电控盘、优先,顺序盘、仪表风系统等)紧凑地安装在一个撬块上;为了降低机组运转时的噪音，整个撬块外罩有封闭的适合露天使用的隔音、防爆房;此外，为了减小机组的振动，机组采用了对称平衡式设计。 30 (2)压缩机气缸采用空气冷却，压缩机润滑油、压缩后的高温高压气体也采用空气冷却，减少了占地面积，简化了建站设计，而且特别适合于我国北方地区冬季 3。 使用，见图5— (3)压缩机气缸、填料采用有油润滑方式。有油润滑方式的压缩天然气(CNG)压缩机在压缩过程中润滑油不可避免地与天然气接触，部分润滑油被分离成微小的悬浮颗粒，可能因压缩而产生热能雾化，经过油气分离设备，大部分的浮粒可在冷却器中分离出来或由压缩机排气口的组合过滤器过滤掉。但是油雾不能彻底分离掉，未分离掉的部分油雾，只有当储气瓶的天然气经过天然气汽车的组合减压阀使压力下降后才能凝结，这就会影响到组合减压阀和高压电磁阀的正常工作。此外，车用压缩天然气中含润滑油，也会影响到发动机燃气装置(如电喷系统、流量传感器或含氧量传感器)的正常工作，这是车主经常抱怨的问题。 图5—3 某进口压缩天然气汽车加气站压缩机组冷却流程图 31 传统的矿物润滑油挥发性强，过量油雾的形成进一步扩大了上述问题。因而目前大多采用合成润滑油，可减少油雾量，但成本较高。 国外的CNG压缩机有的设计成无油润滑方式，即压缩机活塞环和填料环采用自润滑材料(填充特氟隆)这种方式避免了有油润滑方式的许多弊端，节省了殴备运转费用(润滑)(避免了对废油的处理，节省了更换过滤器的费用，又不影响汽车高压电磁闷和组合式减压阀的正常工作，使汽车发动机和加气站天然气压缩机的维修费用大大降低。 3(储气系统和售气系统(优先,顺序控制盘) 典型的储气系统和售气系统是通过优先,』质序控制盘的控制来实现高效充气和快速加气的。图5—4是一个典型的流程图。 图5—4某进口压缩天然气汽车加气站储(售)气系统及优先,顺序控制流程图 来自天然气压缩机的压缩气体在储气瓶组压力不能把汽车充满的情况下，可通过4#和8#。 气动阀分别到1号加气枪和2号加气枪直接给汽车加气;此时如 32 果没有汽车需要加气，那么来自天然气压缩机的压缩气体则通过1#、2#、3#气动阀分别给高压、中压、低压储气瓶充气。 三组储气瓶取气时，遵循“先用低压组、再用中压组、最后才用高压组给汽车充气”的快充原则(分别通过7#或11#。气动阀、6#或10#气动阀、5#或9#气动阀)，这种工作方式的优点是可以保证储气瓶充气最多，提高储气瓶的利用率，也可以使对汽车加气的速度最快。 4(控制系统 控制系统的功能是控制加气站设备(压缩机、脱水装置、加气机、优先,顺序盘)的正常运转和对有关设备的运行参数设置报警或停机点。加气站设备的控制系统采用PLC(可编程逻辑控制器)进行控制。这种控制方式可靠性高，能实现设备的全自动化操作，也可远传到值班室(实现无人看守，在保证设备操作可靠性的同时，大大减轻了操作工人的劳动强度。下面介绍某进口压缩天然气加气站配备的Nematron IWS一113,E型运算器及其显示器的PLC控制系统的工作情况。 压缩机控制盘控制和显示机组运行参数，它是根据手动一关闭(自动(HOA)多位开关所处的不同位置来控制储罐压力和加气机的工作状态的，并配有紧急停机 )位置时，机组处于停按钮(ESD))。各键功能如下:当HOA开关处在“OFF”(关闭 机状态，如果在运行状态下把HOA开关拨到“OFtl，，位置，机组将停止运行;当HOA开关处在“HAND”(手动)位置时，机组将试图启动，若机组启动成功，机组将吸入天然气，旁通阀打开，此时若将HOA形状扳到“OFF” 33 位置，机组则等待储罐压力降到设定点或者等候加气机软管从高压储罐里取气，储罐压力降低后，压缩机将自动启动、加载、运行。 机组启动程序如下:当机组得到运行的命令信号后，压缩空气将进入预润滑气缸，气缸把润滑油压入到压缩机的油道里，使压缩机机体得到润滑。在预润滑循环完成以后，机组进气阀打开，电动机开始启动，机组温度开始升高。电动机启动以后，启动定时器停止工作，净化定时器开始工作，同时所有过载簪机定时器开始工作。当机纽温度升高到额定点后，排气阀打开，旁通阀关闭，机组开始向储罐输进气体。 机组常规停机程序如下:当机组得到紧急停机命令信号后，电动机立刻停止运转，进气阀和排气阀均关闭，旁通阀打开，控制盘上垃示紧急停机信号。 如果机组在较长时间内不工作，为保证储罐总是处在充满状态，机纽控制系统中设置了定时启动功能。启动定时器工作过程如下:当HOA开关处于“AUTO”位置，且停机时间已达到没定时问时，,旦发现储罐的压力低于最高补偿压力，控制系统将启动压缩机进行充气;当储罐组都充满后，压缩机进入常规停机程序。 净化循环程序如下:净化循环是为了排除压缩机长时问连续运行后机组内积存的液体。 当压缩机连续运行时间超过预设时问(净化延时)以后，打开旁通阀，旁通阀于预定时间(净化时间)内持续开启，使过滤器里积存的液体通过旁通阀排到进气洗涤罐中。净化完成后，压缩机旁通阀关闭， 34 压缩机组恢复正常运行。 该PLC控制系统设计了如下菜单: (1)主菜单:主菜单屏上显示了6个供选用的通道，供操作员在实际操作中选用。 (2)状态菜单:可使操作员进入机组数据屏，操作员可以从该屏上渎出机组当前运转的参数。这些参数不会随操作员的意愿而改变。 (3)功能菜单:操作员通过此键用密码进入功能屏。功能屏由机组定时器和紧急停机设定点组成，紧急停机设定点由操作员设定。 (4)参数定位菜单:操作员可用适当的密码进入参数设定屏，设定屏由机组各种参数组成，这些参数可由操作员设定。 (5)报警菜单:当机组出现故障时，执行报警指令，屏幕显示报警信号。该PLC 压缩机进气压力或某级排气压力过高;?压缩机控制系统设定了如下报警点:? 某级(一、二、三四级)排气温度超高;?压缩机机油压力过低;?压缩机机油液位过低:?机组振动太大;?仪表风压力过低:?压缩机注油器不注油;?机组洗涤罐液位过高。 (6)故障诊断菜单:机组发生故障时，操作员打开该故障分析屏，屏幕将告诉操作员应检查哪些相关点，哪些相关点可能产生故障。 三、母站 母站同时为天然气汽车和子站车加气。子站车充气压力为20 MPa，每辆车充气4000 m3。;天然气汽车充气压力为20 MPa，每辆车充气150 m3。母站每天供气量约为56 000 m3。 图5—5为母站工艺流程简图，图5—6为母站设备示意图。 35 1(设备技术规格 压缩机组技术参数 最高吸入压力:0.8 MPa(116 psig) 图5-6母站设备示意图 最低吸入压力:0.6 MPa(87 psig) 公称排气压力:26.6 MPa(3 860 psig) 最高排气压力:28.9 MPa(4 200 psig) 额定排量:1 726 m3,h(1 073 SCFM) 缸径:7.125英寸,4.125英寸,2.750英寸,1.500英寸 行程:3.500英寸 最高转速:1 500 r,min 电机:三相四线制,380 V,50 Hz,260.75 kW(350 hp) 换热器:空气冷却式换热器 传动方式:皮带传动 驱动风方式:电机驱动 36 叶轮直径:60英寸 风扇电机:380 V,50 Hz,14.9 kW(20 hp) 预润滑泵:电机驱动380 V,50 Hz,0.39 kW(O.52 hp) PLC部件 处理器:1747一L541(SLC 5,04) 电源:1746一P4 输入端子:1746一IA 16 输出端子:1746一OW 16 模拟器端子:1746一N18 可燃气体探头:输入电压为直流+24 V(适用范围为直流+18,+32V)储气系统规 格参数 规格:6个ASME压力容器 布置:高为3个，宽为2个 生产工艺:无缝气瓶，旋压锻造收口 每个容器尺寸:直径20英寸，长20英尺5英寸 重量:18 774 kg(41 390 lbs)(总重量，包括鞍形支架) 储气容积:在27.6 MPa压力下储存1 607 m3 最高允许工作压力:27.6 MPa(4 000 psig) 安全系数:3:1 端头尺寸:1英寸(NPT，英制标准锥管螺纹) 设计标准:ASME标准第V1II节 充气优先控制盘规格 37 额定流量:21C下4 022 m3,h 最高允许工作压力:34.5 MPa(5 000 psig) 工作电压:120 V(直流) 工艺管线:1,2英寸不锈钢管 控制方式:PLC遥控 设计标准:符合ASME标准和NFPA 52标准 ESD类型:具有防供电故障安全性 快充加气机规格 额定流量:1 609 m3,h(1 000 SCFM) 最大允许工作压力:34.5 MPa(5 000 psig) 工艺管线:3,8英寸不锈钢管 外壳类型:标准不锈钢 软管:两条15英尺长带放空的软管 计算单元:(Micon 500CTM 温度补偿:PFS 3000型电子温度补偿装置 设计标准:符合ASME和NFPA标准 该加气机具有温度补偿功能,气体三线输入并采用科力斯(Coliolis)质量流量计。 高速加气柱规格 流量计:Coriolis型质量流量计 能力:100 kg,min(5 000 SCFM) 最高允许工作压力:35 MPa(5 000 psl’g) 38 精确度:?1, 电源:85,260 V交流电，50 Hz(60 Hz) 软管:双软管组件，最高工作压力为35 MPa(5 000 psig) 加气嘴:NGVl型，最高工作压力为31.5 MPa(4 500 psig)，流量为100 kg,min (5 000 SCFM或134 m3,min) 防爆等级:D组1区1类 设计标准:重量和计量方面符合UL,CSA、NFPA 52和ASME标准规定 2(流程布置 加气站以压缩天然气(CNG)的形式向天然气汽车(NGV)和大型CNG子站车提供燃料。由两个压缩机组将天然气管线中的天然气压力由0.6,0.8 MPa或0.8,1.0 MPa压缩到26.6 MPa。车载气瓶或子站车的天然气压力为20.7 MPa(3 000 psig，温度补偿到70F)。 每台压缩机组由每个撬块上单独的可编程逻辑控制器(PLC)及控制室中的主PLC进行控制。这些PLC根据气体需求的变化控制压缩机的起动和停机，监测故障及报警，控制压缩机组完成各项功能。每台压缩机组的起动装置位于供电室中。 在进入压缩机组之前，管道天然气先经过气体计量系统和气体干燥器。气体计量系统能准确计量出进入加气站的天然气量。气体干燥器脱除气流中多余的水分。水分会在压缩机或下游部件中产生冰堵，造成设备损坏，限制和堵塞气流，所以设置干燥器对于压缩机、加气 39 机和汽车的正常运行非常必要。 从压缩机中出来后，天然气进入撬块A上的充气优先控制盘。充气优先盘根据加气站哪一部分需要天然气，将气体直接送给加气机或加气柱，或送入一组储气装嚣。这些功能是由控制室中的PI。C所控制的。 储气系统由6个ASME压力容器及附属阀件和管件组成。在汽车不始加气时，储气系统可以立即提供气体，这就为压缩机的起动提供了时间。储气系统作为一个缓冲容器，可以减少压缩机起、停的次数。 加气站使用一台连接3根进气管的双枪CNG加气机给天然气汽车加气。子站车使用2根单软管的加气柱加气。CNG通过充气优先盘经由地下管线送入加气机和加气柱。加气机由内设的Mieon 500CTM计算单元控制。加气机和加气柱中为每根软管配置一个流量计，计量给汽车加入的天然气量。Micon 500cTM计算单元利用流量计测量CNG的流速，并且决定何时由从低压取气状态切换到从中压、高压储气装置取气状态。加气柱由压缩机直接供气，没有连接到储气瓶组，因此不需要顺序取气和计算单元。加气柱使用的流量计与加气机的流量计的不同之处，在于加气柱的流量计自身配有一个数字显示器。加气机的外表和功能都设计得与加油机尽可能相似，以使用户界面更加友好。 加气站还设有一台空气压缩机。压缩机组的自动阀和充气优先控制盘需要压缩空气，作为动力源进行操作。系统中还使用了一个空气干燥器，保证空气充分干燥，以适于阀门的执行器使用。空气压缩机 40 位于通风、有采暖设施的房子里面。 加气站还设有一套紧急切断(ESD)系统。当按下紧急切断按钮后，可以安全地关闭压缩机系统，并使所有阀门位于安全的位置。在压缩机组、加气机、干燥器和拎制室、供电室中都没有ESD按钮，这些按钮都通过信号线连接到控制ESD功能的主PLC上面。 3(压缩系统的操作 压缩系统由CNG压缩机组(又称撬块)、充气优先盘、电机控制中心、储气系统和空气脉缩系统组成。所有这些设备的功能都是由控制室中的总PLC和每个压 缩机撬块上的PLC自动控制的。 (1)压缩机组起动优先级控制功能 为使得任一压缩机组都不会比其他机组运行时间更长，压缩机起动的顺序是从运行时间最少的机器到运行时间最多的机器。每个撬块上的PLC记录该撬块的累计运行时间(h)。由于只有在所有撬块都没有投入运行的情况下才能进行起动优先级的排序，因此优先级的排列多在每天的午夜进行。如果一台或多台压缩机组在运行，PLC就将等到所有的机组都停止运行后才完成优先级的排列。PLC按每个撬块的运行时间进行启动顺序排列，将运行时间最少的撬块优先级排为第一，运行次数第二少的撬块排为第二，依此类推。 (2)压缩机组的运行顺序 需要多少撬块投入运行是由当前储气容器中的储气量所决定的。经授权的工作人员可以使用主PLC显示屏调整每个撬块的起动、关机和冷却的控制参数设定值。 41 如果已经有足够的撬块投入运行，就不再起动更多的撬块。如果还需要更多的撬块起动，那么程序将检查在过去l min内压缩机是否起动。在各撬块起动之间需要有l rain的间隔，以防止对电力供应系统施加很高的能耗峰值。如果在过去1 min内没有压缩机起动，程序将起动最近一次起动优先级控制功能确定的优先级最高的可起动撬块。 如果优先级最高的撬块是不可起动的，那么将起动优先级次之的撬块。判断一个撬块是否可起动是根据它是否供电、是否在线及“延时起动”是否生效。操作人员可以通过将仪表盘上的“compressor control”(压缩机控制)开关从“自动”挡拨到“备份”挡，使撬块备份。如果„台压缩机在线，那么仪表盘上的“compressor online”(压缩机在线)指示灯亮。 (3)压缩机组的起动 压缩机组可以以3种不同的形式起动。如果储气装置中的气量低于某一设定值，而此时子站车加气柱需要气时，主PLC将自动起动一个撬块。操作人员可以通过按下绿色的“自动起动”按钮起动撬块，这只有在压缩机在线。而且“延时起动”功能无效时才能实现。主PLC和撬块PLC在压缩机组运行方面起着不同的作用，主PLC决定何时起动和起动哪一个撬块，并且控制所有电机的起动。撬块PLC能监测压缩机的功能，在运转不正常(压力和温度等)时进行报警，并控制所有阀门的操作。 只有在当前储气量比停机设置参数值至少低于总储气量的10, 42 时，自动起动才有效。 无论通过自动还是手动，只要生成一个撬块起动信号，主PLC就打开“撬块运行”信号，这个信号可以被撬块PLC监测到。主PLC将起动一个60 s的计时器。在第1 s时，预润滑泵起动;第15 s时，预润滑泵关闭，压缩机电机起动。实际压缩并没有在这一时刻开始，这是由于卸压阀处于开启位置，气体通过回收罐返回到压缩机入口，进行着循环，不会造成压力积累。在第45 s时，主PLC开始查询一个由软起动装置生成的“达到速度”信号，如果找到，则开启电扇。在第60 s时，打开“压缩”信号，这一信号可以被撬块PLC监测到。无论是否能查找到“达到速度”信号，风扇都会在那时开始工作。如果在第5 rain时，还找不到“达 到速度”信号，主PLC将停止压缩机运行，并发出警报。 当撬块PLC从主PLC处检测到“撬块运行”信号之后，它将起动一个90 s的计时器。此时，仪表盘上的“在线”灯开始闪烁。在第1秒时，进气阀手打开。在第10s时，撬块开始检测入口压力，如果入口压力过低，撬块PLC将终止压缩机运行，并发出警报。在第14 s，撬块PLC将检查油压，以确定预润滑泵是否工作正常，如果它工作不正常(就会发出一个可以和主PLC仪表盘显示屏上看到的警告信息。撬块并不会关机，因为预润滑泵的功能对于压缩机的操作并不是至关重要的。在第60 s，检测从主PLC发出的“压缩信号”，这时撬块被称做投入运转，但事实上压缩过程还没有开始。在第65 s，又一次检测油压，这一次如果压力低撬块就会停机，并发出警报。此时压 43 缩机油泵产生油压，这对压缩机的正常运行至关重要。在第80 s，监测油的流量，如果流量低，就关闭压缩机，并发出警报。在第90 s，如果”压缩”信号还在，撬块就开始真正的压缩过程。这意味着卸压阀关闭，油压开始升高。仪表盘的“在线”灯将停止闪烁，保持亮的状态。 在压缩过程中，每30 min自动从级间分离器或过滤器中排出一次油和水的凝结液。每一次打开一个卸压阀，分离器中的压力将凝结水吹到回收罐中。每个撬块每运行4 h，回收罐中的水分就自动排放到撬块底座的一个梁中，该梁通过一个通风排气管放空，这个过程有较大的噪音。 (4)压缩机组的空运转和停机 一台压缩机的停机报警设置值和“空运转”周期的长度由主PLC赋予它的运行参数所决定。通过主PLC的显示屏，可由得到授权的工作人员设置所需的参数。由于每台压缩机的排量很大，只需要一台压缩机就可完成对储气装置的充气，在储气装置完全充满之前，另一台压缩机已经停机。然而，这台压缩机继续以“空运转”模式运行，以便准备好当储气水平降低到起动参数设定值以下时能很快回到压缩状态。 一旦储气装置的储气水平达到正在运行的撬块的停机参数漫定值，主PLC就关闭“压缩信号”并且起动一个“空运转”计时器。撬块PLC检测不到“压缩”信号时。打开所有卸压阀，压缩机处于“空运转”状态模式。这时，主PLC继续监测储气水平和“空运转” 44 计时器。如果储气压力降低到压缩机的起动参数设定值，主PLC打开“压缩”信号并重新起动“空运转”计时器。撬块PLC监测到“压缩”信号时。关闭卸压阀，这时系统又回到正常的压缩状态。如果在储气量降低到起动设置点之前“空运转”计时器已经结束，主PLC将使压缩机停机?并起动一个“延时起动”计时器。一旦“延时起动”计时器结束，则关闭风扇电机。这样就完成了压缩机绀的冷却和停机。 4(充气优先盘 控制盘外接有4根管线。气体管理系统通过电子装置控制3根管线给3组储气装置顺序供气，另外通过1根旁通管线给子站车供气。每根管线上都安装有自动防供电故障的紧急切断装置(ESD)。 由于母站既需要给子站车加气，又需要给普通的汽车加气，因此这种充气优先盘采用了一种特殊的结构，它既具有三级储气系统所具有的优点(最优的储气容积利用率、快速的充气速度)，又可通过压缩机给子站车充气。压缩机的气流模式为:子站车具有最高的充气优先级，同时不会牺牲普通汽车加气的时间和储气 容积利用率。 充气优先盘有两种基本的运行模式。如果压缩机的起动是由于储气装置中的气量低于压缩’机的起动设置点，那么就采用普通的优先级控制模式。天然气被首先送入高压储气装置，直到高压储气装置中的压力达到“从高压装置转向中压装置参数没定值”。这时中压储气装置的阀门打开，气体被送入中压储气装置，直到其中的压力达到“从中压装置转向低压装置参数设定值”，这时低压储气装置的阀门打开，气体被送入低压储气装置，直到储气装置中的气量达到停机设置点， 45 压缩机才停止运行。如果在压缩机给中压装置充气的过程中(高压储气装置的压力降低到“从高压装置转向中压装置的设置点”减去一个叮渊整的不灵敏压力值，中压储气阀门将关闭，压缩机将向高压储气装置供气，直到高版装毁中的气f仨达到“从高压装置转向中压装置的设置点”。这种情况同样电适用于从中压装置转向低压装置的设置点。 如果是子站车储气瓶组充气管线中的压力降低到子站车加气柱起动的设置点，不论这时压缩机是否在给储气装置加气，都将启动子站车加气模式。两台压缩机都开始进入压缩状态，其间相隔1 min的间隔，直到子站车储气瓶组中气压达到经过温良补偿后的充气压力。如果在给子站车的充气过程中，高压储气装置的压力降低到预设值以下，那么将暂时中断给子站车加气，转为给高压气瓶组加气，以保证加气机给汽车加气可以加满。 5，ESD功能 在发生紧急情况时，操作人员只要按加气站中任一紧急切断(ESD)按钮，就可以安全关闭压缩机组，使所有阀门都处于安全位置。在加气站中共有8个ESD按钮:每台压缩机组的仪表盘上有1个，干燥器上有1个，控制室中有1个，每台加气机有1个，供电室有1个。为了在ESD按钮被按下后能重新启动加气站，必须采取以下步骤:首先，被按下的按钮必须回到正常的位置，这需要旋转或拉起这个按钮;其次，必须在PLC盘的显示屏上确认ESD警报系统，发生报警时显示屏将指示有,个ESD按钮被按下，触摸显示屏确认收到ESD 46 警报;最后，按下主PLC盘上的“ESD重新启动”按钮，这时，加气站就完全重新启动，可以开始运行。 6(空气压缩机 空气压缩机位于加气站的一个房间主PLC显尔屏模式 PLC显示脐采用可触摸式屏幕。用户不需要使用功能键，只要触摸适当位置的图形就可以实现从这一显示模式转换到另一显示模式。标为“SKID A”和“SKID B”的方框代表这个加气站的两台压缩机绀。触摸其中的一个疗框可以使屏幕转换到显示该撬块运行参数的屏幕模式。触摸标为“Priority Panel”的图形可以使屏幕转换到显示充气优先盘和储气系统运行参数的屏幕模式。触摸标为“SET PO1NTS”的方框可以改变某些控制参数。触摸标为“STATS”的方框可以将用户带到显示每台压缩机组运行时间和压缩时间的屏幕模式。在屏幕下方标为“警报历史记录”的方框可以将用户带到硅示最近几次警报的 47 时间和类型的屏幕模式。下面对这些显示模式作进一步的介绍。 (1)单个撬块(撬块A或B)屏幕模式 单个撬块屏幕模式用来显示每台压缩机组的运行参数，从中可以看出每一级的压力和温度、入口和回收储罐中的压力、空气管线的压力，见图5—8。压缩机组内部的温度、压缩机组外部的温度、仪表风的压力和撬块外壳内的空气中天然气含量占最低爆炸极限的比例在屏幕底部显示。压缩机组的状态在屏幕顶部显示。触摸屏幕可以回到主屏幕模式(显示总体状态)。 —8单个撬块屏幕模式 图5 显示屏底部的5个按钮用来将某些阀门和马达的操作由“自动”改为“开启”或“打开”状态，可以通过再按一次按钮重新回到“自动”状态。这些按钮的当前状态显示在按钮的上方:当不处于“自动”状态时“Auto"灯将闪烁。这些按钮在撬块操作过程中用处不大，但在维护或检修故障时有用。“INLET”按钮打开进气阀门;“RECV DRAIN”按钮打开回收罐的排污阀门;“UNLOAD”按钮关闭所有的卸压阀门(只是在试验时使用，不应一直保持关闭状态);“FAN”按钮开启换热器风扇;“PRELUBE”按钮开启预润滑泵。除预润滑泵之外，所有这些按钮在再按一次之前都保持“开启”或“打开”状态。预润滑泵上安装有一个计时器，防止对电机造成损坏，当计时器超时后， 48 预润滑泵重新回到“自动”状态。 (2)充气优先盘屏幕模式 充气优先盘屏幕模式如图5—9所示，它显示了储气瓶组、子站车加气柱管线和3组储气装嚣中的气压，同时以占总储存能力百分比的形式给出储气装置中的气量。另外，此屏幕还显示了气体如何从压缩机送人加气机、加气柱或储气装置。开启的阀门显示为黑色，气体流经的管线为粗线。在“To Dispenser”标记旁的紧急切断装置(ES[))阀门在通常操作条件下总是处于开启的位置(当有ESD按钮按下时，阀门关闭，以防止天然气从储气装置流向加气机。阀门PVl是中压储气装置阀门，阀门PV2是低压储气装置阀门，阀门PV3是通向子站车的阀门。只需触摸屏幕就可以返回到主屏幕模式(显示总体状态) (3)参数设定值屏幕模式 此屏幕模式见图5,10，它警告用户:只有经授权的用户才可以修改设定值。通过触摸屏幕，可以返回到主屏幕模式(显示总体状态)。按F1进入充气优先盘设置值屏幕模式，按F2进入起动和停机设定值屏幕模式。 (4)充气优先盘参数设定值屏幕模式 此屏幕模式见图5-11，其中可以改变的设置值是“开始向中压储气装置充气的压力值”、“开始向低压储气装置充气的压力值”和“共用不灵敏压力值”。“开始向中压储气装置充气压力值”是指中压储气装置阀门开启、允许气体同时流人中压和高压装置时高压储气装置的气压值。“开始向低压储气装置充气压力值”是指低压储气装置阀门 49 开启、允许气体同时流入低压和中压装置时中压储气装置的气压值。共用不灵敏压力值对于这两个参数都适用。PI，C利用设置压力减去不灵敏压力值计算各阀门的压降。、当压力达到这个值时阀门关闭。如希望改变参数设定值，按相应的方框，使用键盘输入数字，然后按“回车”键。所输入的数字只有在可接受的范围起停机参数设定值屏幕模式 (6)加气站状态屏幕模式 50 此屏幕模式显示每台压缩机组的运行和压缩时间。运行时间是指压缩机和电机运行的总时间(h)，包括压缩机的冷却时间(这时并不压缩气体)。压缩时间是指压缩机真正处于压缩过程的时问(h)。通过触摸屏幕可以回到主屏幕模式(显示总体 状态)。 8(CNG加气机的操作 CNG加气机的操作包括以下 51 (7)继续由中压储气装置通过主气流阀给汽车加气，直到流速降低到低于IPTP FLOW2参数设定值。该参数设定值通过Micon 500 CTM的Info—Pac输入Micon 500 CTM中，其单位是kg,mim，流量低于此设定值后，高压电磁阀开始充电。 (8)如果还没有达到“最终充气压力”，将继续从高压储气装置通过主气流阀给汽车加气，直到达到“最终充气压力”，例如200 MPa,2l C(3000 psig,70F)。 (9)当达到最初的“最终充气压力”后，Micon 500 CTM将关闭所有的电磁阀，并通过压力变送器监测汽车的压力。监测时问的长短由“重起动”计时器参数设定值决定，该参数可以通过Micon 500CTM的1nf0一Pac进行设置。如果在该参数确定的延迟时间内“最终充气”压力维持不变，则加气过程结束，加气机关闭。 (10)在加气过程最后，可以听到大约3 s的声音信号，表示加气过程已经结束。 (11)将加气枪从汽车上卸下，重新放回加气机架上。 四、子站 子站为天然气汽车加气，车载瓶充气压力为每辆车充气10-70Nm3，每个子站可为150辆公交车加气，每天供气量约为30 000 m3，三班20小时生产。母站有天然气净化设备，子站则不考虑气体净化设备。 CNG加气子站流程图如图5—13所示。 1(流程及设备介绍 52 图5一14是子站工艺流程图，图5—15是子站设备示意图。 加气子站系统流程是将CNG转运车上的气经接气柱接受后，在子站配置的PLC自控系统指令下，经过调压阀到洗涤罐，再经过压缩机升压后，经过分配阀到地面瓶组，再通过分配阀到加气机给车辆加气。 压缩机在整个流程中完成将转运车上的气体升压的任务。 压缩机的具体参数 结构:单列两级风冷结构 电机功率:45 kW 进气压力:7.7 MPa 排气压力:25 MPa 图5—13 CNG加气子站工艺流程图 图5一14 CNG加气子站流程简图 排气量:800 m。 电机规格:4极，转数I 500 r,rain 防爆等级:国标D?BT4 润滑油品类:推荐采用符合美国军用压缩机油标准MIL,L-2104B要求的SAE 30级 油品或性能符合要求的国产合成润滑油 润滑油耗量:1.5 L,(24 h)。 53 图5—15 CNG加气子站设备不意图 压缩机具有自动运行、自我诊断功能的控制系统。 储气系统规格参数 规格:3个ASME压力容器 生产工艺:无缝气瓶，旋压锻造收口 每个容器尺寸:直径20英寸，长20英尺5英寸 重量:18 774 kg(总重量，包括鞍形支架) 储气容积:在27.6 MPa压力下能储存30 000标准立方英尺 (在20 MPa压力下储存1 100 m。) 安全系数:3:1 端头尺寸:l英寸(NPT) 设计标准:ASME第VIII节 转运车是按照美国运输部标准(DOT)生产的DOT-3AAX-2900psi型七管长车。 转运车主要技术参数 容器规格:559 mm(直径)?16.4mrn(壁厚)?10.97 m(长) 单个容器水容积:2.25 m。 单个容器天然气容积:568.8 m3 拖车底盘尺寸:2.4 m(宽)?2.7 m(高)?12.2 m(长) 总重:24 t(装满时总重为26 t ) 54 CNG加气子站的控制系统主要有两块:一是位于压缩机机侧的PLC控制模块;一是位于加气机PLC显尔面板 2(天然气汽车加气过程 (1)将接地把钳牢固地夹在转运车尾部接地卡板上; (2)打开转运车尾部阀箱内的刹车装置，将加气软管对准转运车上加气口插上，检查是否接牢; 55 (3)缓慢打开转运车上加气口的主阀门; (4)缓慢打开转运车上的各个气瓶阀门; (5)打开接气柱上的球阀，加气开始; (6)注意车上压力表、温度表(不可超过60C)的读数; (7)加气完毕后，记录加气情况; (8)关闭转运车上的各个瓶组阀门; (9)关闭转运车上加气口的主阀门; (10)打开接气柱上的进气阀，打开接气柱上的放空阀，直至压力表读数为O; (11)关闭接气柱上的放空阀，拔下快装接头; (12)将接地把钳从转运车尾部接地卡板上撒去; (13)待汽车司机签字后，发出转运车离开指令; 3(转运车在子站卸气过程 转运车司机将车就位后，摇起拖车支撑臂，断开牵引头与拖车的连线(制动、指示灯等)，而后驾驶牵引车头离开。 加气工必须在加气机停机、地面瓶组充满、压缩机停止运转后，方能更换转运车。转运车卸气过程如下: (1)将接地把钳牢固地夹在转运车尾部接地卡板上; (2)打开转运车尾部阀箱内的刹车装置，将加气软管对准转运车上加气口插上，检查是否接牢; (3)打开转运车上加气口的主阀门; (4)缓慢打开转运车上的各个瓶组阀门; 56 (5)过约1 min后，打开接气柱上的主阀门; (6)卸气、加气开始; ,5 MPa时，停止向加气机加气，待压缩机停机后，关闭转运 (7)等压力低至4 车上的各个瓶组阀门; (8)关闭转运车上加气口的主阀门; (9)关闭接气柱上的进气阀，打开放空阀，泄去软管中的压力; (10)关闭接气柱上的放空阀，从转运车上拔下快装接头，将接地把钳从转运车尾部接地卡板上撤去。 第二节 天然气加气站主要设备 一、天然气净化设备 天然气净化设备主要包括脱硫、脱水设备。未经过处理的天然气中都含有硫、水和其他杂质，这些杂质不仅影响天然气的热值(辛烷值)，而且影响管道、加气站设备和天然气汽车的安今。天然气在开采过程中不可避免地会含有水分，如果天然气中含有硫，就可能产生硫化氢水溶液，不仅腐蚀机械设备，而且使天然气压缩过程中耗功增加，影响换热器的换热效果，也影响CNG发动机的正常运转;储气瓶组的放气过程、压缩天然气进入发动机前的膨胀过程容易使管路产生冰堵，危害甚大。为防止发生上述现形，应该脱除天然气中的水分。使其产生危害的条件不存在。一般天然气的水露点应低于操作条件下最低环境温度。我国石油部规定天然气的水露点应低于操作条件下最低环境温度5 C。通常采用有热再生吸附法脱水，水露点低于-60C。 天然气中的硫多以硫化氢和硫醇等硫化物形式存在。硫化氢与水 57 接触，溶解于其中形成酸性很强的雾状硫化氢水溶液，它的存在会对压力容器、压缩机气缸和管道等的强度和寿命造成很大危害。为减少它对机械设备的危害，需对天然气进行处理，减少其含硫量。脱硫塔采用物理或化学方法将天然气中硫组分脱除，以减少其对机械设备的危害。 (一)脱水干燥器 天然气脱水是将天然气中气相水分脱除，常见的脱水方法有固体干燥剂吸附法、甘醇液吸收法、冷分离法。根据工作压力分为低压脱水和高压脱水。高压脱 水的优点是体积小，重量轻;缺点是制造要求高，由于是高压脱水，压缩机等其他设备带水运行，可能造成其损坏。低压脱水的优点是制造要求简单，可保证其他设备的安全运行;缺点是占地面积大。用户可根据自己的实际情况来选择何种脱水设备。 固体干燥剂脱水的操作过程是周期性的，用一个或多个干燥塔吸附脱水，干燥剂应采用吸水能力比吸烃类或吸酸性气体能力强的吸附剂。由于吸附时产生吸附热，用热气流加热就会使吸附剂吸附水分，同时吸附剂得到再生，再生冷却后分离出水分。 固体干燥剂有多种，例如氯化钙、活性碳、硅胶、氯化铝、分子筛等。各种固体干燥剂的吸附和再生过程基本上是一样的，其设备和工艺流程也相同。处理量较小的可以用两个吸附塔切换吸附和再生，吸附再生循环流程见圈5—17。 再生气从主压力调节阔前引出，先进入到新再生好的脱水器内作 58 冷却剂，然后进入加热炉进一步加热，热再生气随即进入脱水器中的再生分子筛。热气体被水饱和后送去空气冷却并分去冷凝液，然后返回主压力调节阀后与原料气汇合。 干燥剂的使用寿命与干燥剂的吸容量以及粉碎和破裂等受损情况有关，一般在没有中毒的情况下可以使用1,3年。其干燥度，可深度干燥气体水分小于0.016 g,m。; 循环周期普遍采用的是8 h的循环期;最后的再生温度因干燥剂而异，一般是177?,233?全部气流的5,,15,用于再生。8 h的循环期一般用6 h加热，2 h冷却。 吸附法的设计处理量应保证吸附剂有一个经济的使用年限。一般，硅胶采用7,9g H2O每100 kg吸附剂;分子筛采用9,12g H2O每100 kg吸附剂;干气露点一般低于-40?。 (二)吸附法脱水原理 1(硅胶法 硅胶的吸附性能和其他固体干燥剂大致相同，但是它对极性物质的选择性很强，因此用于天然气脱水是有利的。硅胶的全名称为二氧化硅，其组成为SiO2 99.7l,，Fe2O2 0.03,，TiO 0.09,，Na2O 0.02,，CaO 0.01,，ZrO2 0.01,，其他痕量元素0.03,。硅胶在适当条件下，可以使气体的露点达-70?。硅胶的吸附性能与吸附床层的温度、操作压力和进入麻烦层的气体线速有关。一般说来，和其他固体吸附剂一样，床层吸附压力越高，气体密度愈大，因而就增加吸附物质的热容量，所以吸附热就散得愈快。同时，气床在床层流动时，将导致传 59 质段缩短，也就是说，在一定压力下，未达到饱和吸附量前，床层的有效吸附量增加得很快，吸附周期得以缩短。 2(分子筛法 分子筛是一种多孔性的铝硅酸盐结晶，也叫抱沸石，有天然的，也有人工合成的。在它们的晶体结构中具有大量的孔腔，这些孔腔是由规则而均匀、其数量级为分子大小的孔道互相联结的。这些孔腔通常被少量吸附水所占据。在脱水活化后，分子筛的晶体结构不会发生变化或变化很小。这样一来，它们就具有很大的 3.2,3.3 A 4A型 4.2,4..7 A 60 5A型 4.9,5.5 A 丝光沸石 6.6A 3(分子筛的化学组成和结构 分子筛的性能是由它们的化学组成和晶体结构所决定的，按其化学组成来讲，其化学式通式可写成Na2O?nAl2O2?ωH2O。 对于A型分子筛，n=2;X型，n=2.2,3.3;Y型，n=3.5,5.5。分子筛中的SiO2与AI2O2的克分子比，通常叫做硅铝比。随着分子筛中硅铝比的增加，除结构性质发生变化外，其物理性能和化学性质亦有变化，如热稳定性和耐酸稳定性都有所提高。13X分子筛在500 C水汽处理24 h后，其晶体结构可能遭到破坏，而Y型和丝光沸石则不受影响。硅铝比N5.4,6.4的合成Na型八面沸石在以下也有极高的耐蒸汽性能。各种分子筛在酸性介质中的稳定性对比如下:A型，?PH5;X型，?PH5;Y型，>~PH5;丝光沸石对任何深度的酸皆稳定(氢氟酸除外)。 所以在直用分子筛时，必须注意介质的pH值。如果酸度过高，可能导致分子筛晶体结构的破坏，变成无定形物质。同时，碱度过大也值得注意。分子筛在纯 ,的NaOH溶液中，A型晶体就不可逆地转化为合成方纳石，其组成为水或5 3(NaOAl2O3?2SiO)?NaOH?8H2O，而方纳石型的物质是不具有分子筛结晶物质的吸附性的。 通常所制得的分子筛都是直径为几微米的晶体粉末，还得加入10,,20,的黏剂(如黏土)成型，做成球型、圆柱形等的颗粒才能在工业上应用。 61 4(分子筛的吸附 分子筛起物理吸附作用。当用加热或其他方法使被吸附的分子脱附时，剩下的分子筛晶体仍然处于和分子进入时相同的化学状态。吸附和脱附是完全可逆的。在恒定的温度下，当某一化合物在外部主相中的压力或浓度增加时，其吸附量会很快上升到一个饱和值。压力的进,步增加不会导致吸附量的继续增大。 分子筛晶体外部表面积对所有大小分子都有吸附作用，但是其量只不过占吸附总量的0.2,,1,。 5(分子筛效应 分子筛能按照分子的大小和形状将它们分开。如4A型分子筛易于吸附H2O、CO2、H2S、SO2和两个碳原子以下的烃类(不吸附丙烷和更大的烃分子(只有丙烯除外，因为分子筛对它的吸附要强烈的多，所以它进入A型分子筛的孔道)。5A分子筛型除了能吸附和4A类相同的物质以外，至少还可以吸附直至以下的直链烷烃、烯烃和醇类，5A型分子筛排斥所有的支链烃、环烷烃(除环丙烷外)和芳香烃分子。 极性的、不饱和的芳香化合物被优先吸附。如果两种物质的分子都足够小而能进入分子筛的孔道，分子筛还能优先选择性地吸附极性或不饱和分子。分子的极性和不饱和度愈高，它在晶体内就被吸附得愈牢。 分子筛吸附的另一个重要特征是，当有必要在较高的温度下进行吸附时，它的吸附量比普通的吸附剂要高。 6(吸附速率 62 物质在分子筛颗粒上的吸附速率取决于以下因素: (1)吸附质分子扩散到颗粒内部的活性分子筛晶体的速率。 (2)吸附质分子和分子筛孔径的相对尺寸。当吸附质分子同分子筛孔径几乎相等时，吸附速率会显著下降。而且在吸附作用进行得特别慢的情况下，通常可以发现脱附作用也特别慢且特别困难。 (3)分子筛同吸附质之间吸附力的强度。 (4)温度。 7(分子筛天然气脱水 分子筛脱水的优点是: (1)分子筛可以使气体浓度脱水，以提高非常低的露点。同时，由于在相对温度低时它的吸附量比其他吸附剂高，因而可以缩小干燥塔尺寸，节约投资;也使得在相同条件下，分子筛床层高度比硅胶氧化铝低得多，所以气体通过分子筛床层的降压比硅胶、氧化铝低。 (2)分子筛在较高温度下，也能有效地干燥气体。如在93 ?温度下，5A分子筛的温容量为15,(重量)，而其余的吸附剂在此温度下的温容量几乎可以忽略不计了。这就使得分子筛床层可以在绝热条件下操作，从而减少投资;而且可以在再生未得到完全冷却时就能转为吸附，从而可以缩短再生周期，降低动力消耗。 (3)能选择性地吸附水分，避免发生重烃类共吸附而使吸附剂失效，从而延长了吸附剂的寿命;同肘，如若需要，可以除去其他选定杂质(如在脱水的同时，降低气体中的H2S、CO2和硫醇等的含量)。 (4)分子筛不易被液态水损坏，而硅胶等吸附剂遇水则容易破碎。 63 虽然分子筛的成本较高，但由于有如上一些优点，这点不足也就得到了弥补。分子筛用于天然气脱水多使用4A型。使用4A型的原因是可以排斥除CH4、C2H6以外的烃类(两个碳原子以上的烃类和芳香烃常导致吸附剂污染和结焦)，延长吸附剂寿命。 分子筛脱水装置可以采用通常的固体吸附剂脱水装置。无须做特别的修改，甚至在操作上也可以互换。分子筛作为吸附干燥剂的特点是在相对温度较低时，具有极高的吸附性能。 8(复式床层吸附法 复式床层吸附，即分子筛同硅胶等联合使用。气流首选通过硅胶床层脱去饱和水，再通过分子筛床层脱掉最后的微量水，使达到要求的低露点。其缺点是脱水时会发生烃类的同时吸附。 图5—18为一典型复式床层天然气脱水装置流程。其干燥气露点为-90 ?。4个干燥塔都分为两层，上层装硅胶，下层为分子筛，采用4个干燥塔的目的是为了可以调节整套装置的处理量。在满负荷的情况下，3个干燥塔用于脱水，第4个塔再生。干燥时，气流由上而下通过硅胶层，脱去饱和水，再通过分子筛层，使气体具有非常低的露点。再生时，热的吹扫气流由下l而上流动。吹扫气温度为249?,260?，床层温度最高保持在加热温度(吹扫气)的70,,75,的水平上。当吹扫气离开硅胶床层的温度达到200?以上时就认为再生好了。整套装置使片{自动程序控制，实现全盘自动化，可由一人操作。 各种吸附剂都具有不同的特点，如氯化钙法可用于高寒地区，但腐蚀严重，氯 化钙与油牛成乳化物，与硫化氢生成沉淀，废渣废水的 64 处理也颇为麻烦，不适用于温带和热带。硅胶吸附能力很好，但遇到液态水、油料等又易粉碎，处理量大时很快就失效，只适用于处理量小而舍水 图5-18 典型夏式床层天然气脱水装置流程 量又不大的情况。氧化铝法是较好的方法，吸附能力较好，但是它的活性损失较快，特别是酸性气体较多时容易变质，所以需要经常更换吸附剂，故成本较高，分子筛法是高效脱水剂，特别是高酸性分子筛出现后，即使高酸性天然气也可以先脱水而不脱酸性。此种高酸性分子筛适用于处理量大(几百万立方米每天)的情况，但要求露点降大的天然气，如液化天然气(LPG)。其成本稍高，还需要专门设备，因此在处理量小、露点降要求一般的情况下，分子筛法就不是最理想的方法。这时可以考虑使用其他固体吸附剂或液体吸附剂，如氯化钙水溶液(以前曾使用过，现已淘汰)、二甘醇法(原来使用得较多，现在也很少使用)、甘醇----醇胺法(使用于一些要求露点降不高的天然气中)、三甘醇法(广泛使用，前面已介绍)等。 (三)脱硫塔 采用加湿法脱硫，有化学法和物理法两种方法。在脱硫塔内天然气与脱硫剂(Fe2O4)接触而发生化学反应，将气体中的H2S水溶液或水和物从气体中去除，属化学法，反应式是Fe3O4十 65 4H2S=FeS+Fe2S2+4H2O2天然气进入脱硫塔后与脱硫剂接触时流速，在150,200 mm,s之间，与脱硫剂接触时间20,40 s之间，此时天然气与介质充分接触，脱硫效果最佳，其最大特点是应用广泛，但不能再生使用。采用物理方法脱硫。技术新颖，脱硫剂可再生使用。 国内新近研制的一步法脱硫、脱水循环，大大减少了设备的占地面积和操作人工成本，效果也不错。 二、压缩机 (一)压缩机概述 天然气公司提供的管线天然气压力为0.3,0(5 MPa。为达到汽车的续驶里程(150,300km)，气体必须压缩后储存在车载瓶内。通常车用储瓶的存储压力为20,25 MPa，车载瓶存储压力提高到35 MPa时可以增加天然气汽车的续驶里程。 慢冲加气站的压缩机只需将气体压力升到稍高于车载储瓶的压力即可。对快冲加气站而言，站用储罐的容积越大(压力越高，效果就越好。用于此类站型的压缩机的排气压力最少应达到25 MPa。 压缩机的流量从1.8标准立方英尺每分到几百标准立方英尺每分。1992年美国气体协会(AGA)对486座天然气加气站的对比研究和分析表明，仍然在用的加气站中80%的加气站的流量在1000 m3,h以下。 AGA推荐采用的压缩机的单机额定流量低于150 m3/h。通常这种压缩机都做成带外壳橇装结构，不附带存储容器。 压缩机的结构类型多采用往复式。其中以活塞式、膜片式、液压 66 式居多。采用何种型式压缩机，可根据加气站的规模、用户的熟悉程度来选择。 往复活塞式是最常用、最为大多数人熟悉的结构方式。相对来讲，这种方式的 压缩机操作方便，维护简单，但是气缸内或多或少需要注油，必然会使介质受到污染，影响天然气发动机的使用效果;膜片式和液压或压缩机则结构较复杂，维护时技术要求较高，但是在压缩介质的过程中，介质不与油脂接触，不受污染。 用在加气站方面的压缩机以往复活塞式居多。往复活塞式压缩机按照其气缸排列方式分为对称平衡式、立式、角度式等。立式结构占地面积小，气体作用力垂 )对基础影响不大。气缸不支撑活塞重量，活直作用于基础。水平不平衡力(挠力 塞环、支撑环周圈受力均匀，不会出现偏磨现象，寿命较长，但是整个设备高度较高，维修时需要工具台;对称平衡式结构气缸对称布置，气体作用力平行于基础，水平不平衡力可通过精确配重而部分平衡掉(二阶不平衡还存在)，但是维修方便;角度式综合了二者的优缺点。 压缩机机身承受载荷强度分为轻载荷、中载荷、重载荷。压缩机在运行过程中频繁起停， 气缸内高压气体不能及时排出，每次开机时由于气体作用力、启动扭矩，机身受冲击载荷较大，并且压缩机连续运转，温度和应力较大。一般应选中载荷、重载荷机身。 气缸润滑方式分为有油润滑、少油润滑、无油润滑。由于天然气汽车对天然气气质要求相当严格，所以应该选用少油润滑或无油润滑 67 气缸。如果选用有油润滑方式(在压缩机的各级级间、末级应加设油气分离器。 按气体冷却方式分，有水冷和空气冷两种。水冷有开式水循环和闭式水循环(在北方冬天需加防冻液)。开式水循环适宜的范围较小。加气站一般建在城市，寸土寸金，若加上冷却塔和蓄水池，占地面积较大，水资源短缺，在北方缺水城市尤其不宜;空气冷却时风机和换热器嗓音较大，需采取降噪措施。风冷受周围环境温度限制，对气缸的冷却方式一直是个争论的问题。关于气缸的冷却问题应该和压缩机转速联合考虑。根据美国一家公司对气缸冷却与否的研究，在压缩机外绝热压缩工况表明，压缩机排气量提高O(25,时运行90天后，未发现零件磨损加剧的迹象;前苏联气体科学研究所压缩机实验室研究结果也表明压缩机外绝热压缩工况时并不引起排气温度很大提高，没有水冷却气缸与有水冷却气缸的零件磨损也在允许的范围压缩机在各工况下气缸的排气温度 68 表5-2 压缩机在外绝热工况下的磨损量 此数据由苏联气体科学研究所压缩机实验室在10 -l型燃气摩托压缩机上实验获得。对天然气这种绝热指数(K=11.26)较小的介质，采用气缸外绝热是最合理 的选择。 (二)气体压缩方式 机械方式气体压缩方式有多种，但总的来说可分为如下4种类型: (1)往复式压缩机通过活塞在气缸中往复运动将气体压缩，对气体做功，改变其压力和密度等特性，气体流入、流出气缸靠气阀来控制。此类压缩机包括有油润滑活塞式、无油润滑活塞式和膜片式等。 (2)透平式压缩机通过叶轮在壳体内的高速运转，将动能转换成气体内能。此类机械包括离心式、轴流式和混流式。 (3)回转式压缩机通过转子的相对运动，转子上啮合副相互啮合，将气体压缩。 (4)射流式压缩机通过气体流过高速喷嘴，将动能转换成气体内能。 (三)压缩机的结构布置 69 对称平衡式是普遍使用的结构方式。目前该种结构的压缩机多由2,8个气缸，德莱塞兰的该种机型最多有12个气缸。真正的对称平衡式压缩机曲轴上的曲拐和对应气缸夹角为180。，某些设计精度高、工艺性好的曲轴可不带轴承，以减少不平衡力矩。也有在一个曲轴上并列布置3,4个连杆的，由于这种结构紧凑、安装方便、易于维修，立式、角度式双作用气缸在无油润滑和膜片式压缩机中应用广泛。多曲拐压缩机设计有多种变形，角度式和立式压缩机的变形有L形和V形。也有将活塞缸和膜片缸结合在一起的联合式压缩式图5—19是典型的曲拐布置方式。图5—20、图5—21、图5—22、图5—23分别是立式、对称平衡式、膜片式和联合式压缩机的结构。 有油润滑压缩机 有油润滑压缩机分为有十字头型和不带十字头刑。 不带十字头型压缩机的活塞和连杆直接相连，压缩气缸和曲轴箱通过活塞环隔离。由于压缩介质容易泄露到曲轴箱，这种结构紧只适用于非易燃、易爆、易泄露气体，空气、氮气等。 图5—19 典型的曲拐布置方式 图5—20立式压缩机 图5—21 对称平衡式压缩机 大流量有油润滑压缩机都加设有特殊装置，以实现气缸和曲轴箱 70 的隔离密封。其活塞与活塞杆相连，活塞杆另一端与十字头相连。活塞杆尺寸较小，可通过多组填料组成的填函密封。这种结构适合高吸气压力和易燃、易爆、易泄露气体。 上述两种结构中润滑油都被注入气知:(以实现刈。缸和活寒摩擦副的润滑。 向填函中注人相同的润滑油可延长其使用寿命，润滑油通过一一个由曲轴带动的轴头泵注入。 图5—22膜片式压缩机 图5—23联合式压缩机 无油润滑压缩机 许多化工、食品加工、公共服务事业如加气站、电力、能源等部门都要求介质纯净，在某些情况下合成润滑油可能与工艺气体相溶解，污染气体。为解决此类问题，可采用有自润滑特性的碳纤维活塞环、塑料活塞环、弹簧式活塞环(径向载荷同时作用在气缸和活塞上)、双间隔室加刮油环结构，以防止活塞环带油污染工艺气体。 另一种无油结构是采用润滑型线即干密封结构，这种干密封结构的效果与活塞环密封效果相当，泄露量不超过5,。与第一种无油润滑结构相似，配有双间隔室加刮油环结构，以防止活塞环带油污染工艺气体。 膜片式压缩机上述几种压缩机在工作过程中。活塞都与介质直接接触，膜片式压缩机则在工作过程中与介质完全隔离。在膜片式压缩 71 机的工作过程中，往复运动首先转换成液体流动，液体流动传递到某一薄的、柔性膜片上，膜片移向压缩腔使其容积变化，压缩腔中气体被压缩，压力、温度升高，完成压缩。虽然有上述不同，但都是通过活塞往复运动将机械能转换成气体内能，气体流入、流出压缩腔都是靠自动气阀来完成，自动气阀靠阀体两侧的压差开启和关闭，余隙容积都影响容积效率。 (四)主要部件 1(曲轴箱、曲轴、轴承和连杆 曲轴上都镶嵌有滑动轴承。对大于148 KW(200 hp)的压缩机，推荐采用滑动轴承。曲轴有单曲拐或多曲拐两种。多曲拐曲轴的各列曲拐错角一般为180?，以减少应力和振动。曲拐错角不是180?时，其布置和力的方向都有很火不同。在某些情况下，力可全部或部分平衡掉，但是压缩机基础必须承载止点载荷和其他所有载荷。 图5—24是压缩机部件示意图，其惯性力有两种:一是沿活塞运动方向的往复惯性力，一是由曲轴上的多列活塞产生的惯性力矩。对振动影响最大的是发生在附近的一阶振频和二阶振频，其他振频可忽略不计。 压缩机的结构、布置不同，其惯性力大小和方向也各不相同。一阶惯性力的公式为: F″=0(OO00284RN2W 二阶惯性力的公式为: 72 F″=(R/L)F″ 图5—24 压缩机部件示意图 上两式中R为曲拐半径(英寸)，N为曲轴转速(r,min)，W为往复运动质量(磅)，L为连杆质量(磅)。 各种不同结构及布置下惯性力的特征如表5,3所示，其中D为气缸中心线间 距(英寸)。 表5—3不同结构及布置下惯性力的特征 曲轴和连杆通过滑动轴承连接，成套筒状紧箍在曲拐上，连杆通过2个或4个连杆螺栓紧箍在滑动轴承上。轴瓦采用轴承材料(如青 73 铜。)，并镶嵌有低磨损材料(如巴氏合金)。润滑油在轴承表面形成油膜，以防止轴承表面与曲拐直接接触。 连杆小头通过锁紧销与十字头(带十字头型)或活塞(不带十字头型)连接。锁紧销表面经过抛光、热处理等工艺;材质选取低合金钢，表面镀铬，以减小磨损;润滑油在两者之间形成油膜，以防止直接接触。为保证轴承表面润滑，一般采用强制润滑，由轴头泵从机身油池中抽取润滑油，通过曲轴、连杆上的油道到达轴承表面。3(74 kw(5 hp)以下可采用飞溅润滑，但超过3(74 kW以上的压缩机不推荐采用。 2、十字头 十字头一端通过销孔与连杆小头相连，一端与活塞相连，见图5—25、图5—26。由于十字头与活塞杆相连，其在间隔室中的上下间隙值必须合适。十字头表面和滑道之间的润滑方式与曲轴轴承类似。为补偿十字头的磨损量，其表面装有可调整的滑履，以补偿滑履表面磨损，十字头一滑道也设计成可更换的，但滑道的径向尺寸必须与十字头承压表面尺寸相同。 图5—25十字头与连杆小头，活塞杆的连接(横截面) 图5—26十字头与连杆小头、括塞杆的连接(纵截面) 3(活塞杆 活塞杆与十字头相连，其连接方式有直接螺纹连接和法兰连接两种，分别见图5—27、图5—28。活塞杆是压缩机额定载荷的主要控 74 制因素，活塞杆承受气体力和惯性力(并由填函中填料密封。因此活塞杆与十字头连接的方式及作用必须考虑。每种方式都有其优点，在用户不特殊说明时，制造商根据自己的特点来选择。活塞杆的两个关键问题是失效和表面粗糙度。活塞杆的失效、表面粗糙度(尤其是螺纹连接的活塞杆的表面粗糙度)将影响填料和活塞环的寿命。压缩机机身的功率等级将限制活塞直径和作用在活塞上的气体力。拉伸应力是压缩机真实能力的表现，极限拉伸应力受活塞杆材质及其质量的影响。十字头销轴瓦是另一重要因素。其他因素还有十字头连接方式和机身载荷等。机身载荷必须大于活塞杆和十字头销允许应力等级。 如果十字头销轴瓦承受载荷超出允许值，将导致其摩擦副间油膜的破坏，导致轴承磨损。为保持此油膜，必须注意以下两个主要因素:活塞杆载荷和其反向载荷。活塞杆载荷是作用在活塞杆上的拉伸力或压缩力。随着活塞的运动，该力的 大小和方向都在不停地发生变化。活塞杆载荷是气体力和惯性力的总和。气体力是压缩气体时产生的。反向载荷在活塞运动的每个行程中有助于润滑十字头和十字头销。当打开双作用气缸的75 图5—27螺纹连接 图5—28法兰连接 双作用气缸的推力载荷可用下式表示: 拉伸力Pt=D(P2-P1)一D′P2; 压缩力Pc=D(P2-P1)一D′P1; 如图5—29所示。 图5—29 双作用气缸对活塞杆的推力载荷 4(间隔室 间隔室用于防止润滑油窜入气缸，其典型结构有短单间隔室、长单间隔室、短双间隔室、长双间隔室四种，如图5—30所示。根据应用范围不同来选择不同结构的间隔室。不管何种间隔室，间隔室上部设有放空处，底部设有排污处。排污是将聚集在间隔室的油污及杂质排出;放空是将填料泄露气体排出。对易燃、易爆、有毒、有害等危险气体必须用导管将其引到安全处放空。膜片式压缩机的本质特性决定了它只需采用短间隔室就足够。 各种问隔室的应用范围如下: (1)短单间隔室用于膜片式压缩机或对介质含油量要求不高的场合; (2)长单间隔室用于无油润滑方式，活塞杆上通常配有甩油环; (3)短双间隔室适用于易燃、易爆、有毒、有害等危险气体，并配有刮油环; 76 (d)短双间隔室 图5—30典型间隔室结构 (4)长双间隔室适用于易燃、易爆、有毒、有害等危险气体，并配有刮油环。 双间隔室的结构见图5—3l。 图5—3l 间隔室的结构 5(活塞杆填函 人字形填函(见图5-32)的填料为通用的填料环，通常是特氟龙(TFE)材质，适用于有油压缩和无油压缩。填料环的数量取决于活塞尺寸和其上的作用力，填料环安装在阴阳支座内。填料环的压力可以是预置的(液压)，也可以是弹簧加载。如果填料环损坏，就不能再使用。 分瓣式填函的填料为模块化的填料，其材质根据使用范围可以是炭纤维、聚四氟乙烯、软金属或环氧树脂，通常是6瓣通过弹簧连在一起，如图5—33所示。载荷从周围通过缝隙流向活塞杆，多次节流后被密封，减少了活塞杆和密封圈间的泄露。 采取何种形式填料取决于压力等级和活塞杆尺寸。但是不论采 77 取何种填料，填料承受的载荷为气缸内全部气体的压力。图5—34是典型的填 函结构图。 膜片式压缩机对气体的压缩是通过液压油推动膜片来实现的，因此它不需要填函，压缩气体只存在压缩缸内。 6(活塞 以减小振动，可通过使 对称平衡式压缩机的两个活塞应尽量做到其质量相等， 用不同材质或结构来实现。活塞与活塞杆相接，材质可选用铸铁、铸钢、铝、钢、低合金钢和不锈钢等。 立式单缸活塞或卧式单缸活塞即使加上配重盘也不能将不平衡力完全平衡掉。所有单缸市式或卧式压缩机的一阶和二阶不平衡力都存在，在配管和安装后续设备时必须认真考虑。 所有的高低压有油润滑压缩机的活塞环都采用金属环，通常是铸铁环。活塞环通常由1,3个密封环和1,2个刮油环组成。密封环通常采用直切口结构，其开口间隙较小;搭接结构密封环密封快，通常用在硬制或表面镀铬气缸，或磨损变形的气缸。 中低压有油双作用压缩机通常用搭接环，在活塞两端布置。高压压缩机通常采用间隔环和调整环，调整环形成的凹槽宽，间隔环装在连续凹槽中，环的厚度较高，可以是直切口也可以是搭接口。双作用气缸、活塞结构见图5—3S，双作用 —36。 气缸组件见图5 图5—35双作用气缸、活塞结构 78 图5—36 双作用气缸组什 无油润滑压缩机采用非金属密封环，常用材料有特氟龙(或加入填充剂)、超强塑料(PEEK)等。采用这些材料后不仅活塞环的磨损率低，气缸的磨损率也低。由于这些材料的受热膨胀率较高，所以环切口较大。 活塞环通常由一个或多个支撑环(或导向环，和两个或多个密封环组成。支撑环承受活塞自重，防止活塞与气缸直接接触，通常是直切口。密封环可以是79 图5—37气阀工作原理 图5—38菌状阀剖视图 板状阀的主要部件是阀座、弹簧、升程限制器和导向环，其结构见图5—39。阀片关闭时(弹簧将阀片紧紧压在阀座上。当阀片上的力大于升程限制器的作用力时，阂片开启，气体进入阁片。图5,40、5—41分别是环状阀和槽状阀的结构图。 网状阀的结构见图5—42。 菌状阀的主要部件是阀座、菌状弹簧、阀片、弹簧保持器，其结构见图5—43。菌状阀上的压差将使弹簧离开阀座，将阀片打开，气体进入阀体。轻质合金金属和塑料是阀片常用的材料。 图5—39板状阎剖视图 图5-40环状嘲结构图 气阀装在往复活塞式或膜片式压缩机的缸头上。 阀的变型有多环阀、同心组合阀等。多环阀由多个同心环片组成，每个弹簧单独承载，会造成阀片不均匀磨损，开启关闭不及时。同心组合阀的余隙容积小，进气可冷却排气阀。 选择气阀类型时必须认真分析压缩机的运行状况。气阀必须适合压缩机的进排气压力、流速、压缩机转速和温度等条件以及压缩机对阀片开启面积、阀隙速、 压力降、压差和余隙容积的要求等。这些要 80 求可能受气缸空间布置以及材料强度的限制。弹簧的硬度和阀片开启面积是气阀性能的关键。 (五)膜片式压缩机的工作原理及结构 膜片式压缩机由两个相联的系统组成:液压系统和气体系统。液体流动直接由活塞驱动，活塞的往复运动转换成液体流动，液体流动再传递到膜片上，膜片移向压缩腔，将气体压缩。膜片式压缩机的工作循环:活塞从下死点位置开始运转，液压油充满液压腔，气体进入压缩腔，膜片被推向液压缸侧，随着活塞移动，液体推动膜片开始压缩气体，等作用在气阀上的力超过开启阀片需用力时，阀片打开，压缩气体流出压缩腔，活塞向上止点移动，液体继续推动膜片，使膜片最终与压缩腔贴合，气体被全部排出，完成压缩循环。当活塞到达上止点前，膜片变形达到最大值，此时活塞仍在移动，使液体的最终压力达到限制器的设定值，此时活塞运动到上止点，活塞开始向下止点运动，余隙容积气体膨胀，等气阀上的气体作用力小于外界力作用时，吸气阀打开，气体进入压缩腔开始吸气，活塞继续运行到下死点，完成整个循环。图5—44是膜片式压缩机的缸头剖面图。 删5—44 膜片式压缩机的缸头剖面倒 活塞从下死点往上死点运动过程中，液压油经注油泵注入液压腔，使液压腔体积大于压缩腔的体积，这两个过程应紧密联系，否则膜片移动不能保证气体的有效压缩，容积效率不高。压缩腔吸气使液压油注入液压腔，可确保膜片在液压腔中全行程移动。 1(气体膜片和液压油膜片 81 气体膜片和液压油膜片是膜片式压缩机的关键部件。每个膜片都做成具有高精度弯曲状的型线，如图5—45所示。 图5—45气缸或油缸型腔曲线 膜片型线可分为“自由弯曲”和“受控弯曲”两种，膜片的应力等级决定其弯曲程度。对应每个曲率，球型或环状型线决定压缩机容积和膜片的表面积。 对自由弯曲型线，球型或环状型线的半径相等，如图5—46所示，图中半径以与半径B相等。其上的应力分布从R=0到R=n都相等。半径弯曲应力在膜片定位点最大。受控弯曲是“双半径轮廓”半径A与B不相等。这种结构可限制膜片在边界R=”处的弯曲应力，但是会增加环状表面的径向弯曲应力。膜片最大应力发生在球型或环状连接处如图5—46所示(ZR或I处)。 每种曲率都有其优点。对给定的半径R。对两种型线y。相等，型线的半径形成大的容积，对“自由弯曲”型线而言，其应力分布在三个方向上更均匀。 图5—46型腔曲线几何图 气体膜片结构如图图5—47所示，型线表面有一些气体从气 82 腔流入气阀的浅、细的径向凹槽(排气过程时)，气阀布置在膜片中央，凹槽密封圈分布在型腔周围，材质多为橡胶或金属，其作用是防止气体从膜片泄露到外界。如果对密封要求很严，可将膜片与气体膜片合在一起，或将两者焊接在一起。 在一在液压膜片(见图5—48)上，用同心环状小孔凹槽代替气体膜片的径向凹槽。这些小孔的作用是将液压油载荷分布到膜片上。 图5—47气体膜片 图5—48液压膜片 膜片组通常由3片很薄的薄片(O(2,O(5 mm)组成，作用在膜片组上的应力与膜片型线曲率、工作压力、膜片厚度、应力有关。 工作循环中膜片上的应力分布如图5—49所示。 综合工作应力和速度考虑，膜片应采用耐磨、高延展性和韧性较好的材质，表面粗糙度要高，为优化膜片的使用寿命，应除去影响膜片应力的其他因素。 2(补偿油泵 补偿油泵是容积泵，通过在曲轴上安装一偏心轮将曲轴的旋转运动转换成活塞在液压腔内的往复运动，其结构见图5—50。活塞前端加装弹簧使其与偏心轮紧密结合，液压油通过吸人阀进入液压腔，偏心轮的位置安排使压缩循环开始时液压油进入液压腔压缩。这个时间间隔可保证液压油充满液压腔，压缩循环中膜片满行程运动。 图5—50补偿油泵结构图 3(限制器 83 限制器相当于,个安全阀，见图5—51，其作用是防止液压油压力过高，在每个压缩循环中开启和关闭一次，保持液压缸的容积。使膜片压缩机的容积效率最高。如果限制器在压缩循环中开启过早，液压油回流，膜片就不能满行程运转。因此限制器的设定压力要稍高于压缩机的排气压力，通常高20,，但不能超过结构和材质的许用应力。压缩机控制系统首先确保运行安全，极限危险压力和温度都可由停机设备自动监控，并配备可视仪表显示设备的起,停状态。 图5—5l 限制器组件 三、控制系统 控制系统因加气站类型不同而不同。但基本原理是一样的，其作用都是决定天然气是流出或流入压缩机，气体回收系统或加气机，许多压缩机都有自身的启动,停机控制、检测和自我保护系统。如果系统配备有高压储气瓶，就必须配备有更高一级的控制系统，用来确定给哪个罐或瓶组充气，或从哪个罐或瓶组取气。 控制高压天然气充装站区地面瓶组的阀组系统叫做优先盘。通常是通过一系列气动或电动阀门，决定高压天然气流向瓶组的高压区、中压区、低压区。控制系统在罐问不停地切换，直到各个瓶组都充到最大存储压力，压缩机排气控制系统自动将压缩机停机。 控制从站区地面瓶组中取气的阀门系统叫做顺序盘。通常是通过一系列气动或电动阀门，决定从瓶组中取气的顺序。等汽车储罐和地面瓶组中压力相等的时候，地面瓶组各罐中只有部分气体被利用，随着两者之问的压差减小，气体从地面瓶 组流向汽车储罐的流量也随 84 之减少。为达到最高的充气效率，顺序盘就将另一罐区的阀门打开，从中区取气。瓶组优先,顺序一体盘结构 四、储气瓶组 储气瓶组指站区地面瓶组，不包括车载瓶。储气瓶组有多种称呼，如气瓶、储存器、罐、瓶组、压力容器等。无论何种称呼，存储容器必须得到ASME(美国机械师学会)或DOT(美国运输部)的认可，并且装有与天然气设备相适应的ASME安全装置和手动切断阀。 ASME瓶组无需每5年复检一次，从长期使用来看，比较经济。其 85 每个容器都装有用于排出污物的排污装置。与同等容积的其他设备相比，其优点是单体容量大和数量少，缺点是初始投资成本较高。 DOT瓶组多是将20个或更多气瓶垂直排放在一固定支架枪头 图5—58软管 快充加气机包括计量仪表、顺序取气控制单元、显示单元、温度补偿单元和整 套连接部件(软管、脱开装置和加气嘴)。加气机按其外 86 型分为标准型、流线型和纤细型。无论采用何种外型，加气机的内部设备都相同。 加气柱具备两种功能。第一，如果不需要进行计量和顺序取气，它可以作为标准快充式加气机的廉价代用品。第二，它适用于每辆汽车都需要有自己的加气点的慢充系统，根据设计的不同，每个加气柱可以引出l,4根软管。 如上所述，加气机设备采用了很多重要的安全措施。首先，每个加气设备，不论是何种类型，都要在连接加气机和加气嘴的软管上安装一个拉断阀，这个装置在加气嘴还没有取下汽车就开走的情况下，可以防止加气机发生灾难性的事故。如果不采用拉断阀，汽车可能会拉倒加气机，拉断气体管线，造成很危险的事故。拉断阀的目的就是使得对加气机的损坏降到最低程度，防止将加气机拉离底座。 拉断阀被拉断后，在进行重新连接之前，必须由一个有资格的服务人员对整个拉断阀和软管组件进行检查。 尽管采取了所有可能的预防措施，拉断阎机构仍然存在失效的可能。一定要保证加气机底座上或附近没有障碍物缠上软管。如果软管绕住加气机或附近的其他物体，拉断阀也可能不会正常工作。不管在汽车突然开走时拉断阀是否成功地工作，都会对软管、加气嘴和拉断阀甚至加气机造成损害，造成巨大的财产损失。因此，必须对司机采取一切预防措施，包括对司机进行足够的培训，以保证这种情况不会发生。 CNG加气机另一个重要的安全措施是压力一温度补偿系统，也被 87 称做防止过充系统。要了解这一系统，必须首先了解带压力气体的性质，以及储气瓶设计的一些重要细节。 像所有气体一样，天然气会随温度变化而膨胀和收缩。当气体带压力时，就会导致压力作相应的变化，有时这种变化是非常大的。例如，假设气瓶中相对密度为O.6的天然气在20.7?时储存压力是20 MPa。如果气瓶中气体的温度降低到 -40?，那么气体的压力大约会降到11.O MPa。与之相反，如果温度升高到49?，那么气体压力将大约为24(8 MPa。由此可看出，尽管气瓶中的气体质量没有变化，但压力可以从11.O MPa变到24.8 MPa。 对于具有典型天然气组分的气体(事实上随地区不同，其组分变化很大)，其温度将变化5,9?，压力将变化O.11 MPa。 同样，气瓶也是按特定的压力比设计的。例如，一个设计工作压力为20.7 MPa的气瓶可以安全承载24.8 MPa的气体，而不会影响气瓶的安全性。这意味着一个气瓶通过压力补偿充装到20?时的压力为20.7 MPa以后，可以被加热到49?而不影响安全性。然而，如果一个汽车在-40?的寒冷天气中被充装到20.8 MPa，然后立即进入一间温度为室温21?的停车库，那么气瓶中的压力就会升高到30(5 MPa，这个压力高于大多数气瓶的设计压力。因此，加气机必须根据环境温度调整充气结束时的加气压力。这就是防止过充系统的功能。 这就是为什么加气机给汽车充气结束时的气压力每天都不一样，特别是不同垂节相差较大。其实，加入汽车的燃料量没有变化，因此汽车的续始里程也没有变化，加气机只是根据环境温度校正了最 88 终加气压力。 种不同的技术:手工计算、气动式和电子式。 最终加气压力的温度补偿可采用{ 气动式系统采用了“带恒压室的阀门”设计，当达到预设压力以后会通过机械切断加气过程。这是一种比较老的技术，现在正在被更先进和更可靠的电子技术所代替。 有两种电子补偿系统可选。一种是“带恒压腔阀门”型，使用一种电子机械式的开关和一个电磁阀来控制气流。这种设计主要用于慢充和不设计量仪表的快充设施。另一种是使用气体方程和计算公式软件以及压力和温度传感器计算正确的最终充气压力型，它也可以用来解决其他问题，例如解决由于压缩生热造成的计量不准确问题。该系统通过计算单元实施，是快充式加气机采用最多的温度补偿系统。 对于单独的加气机设备，防止过充系统通常设置在加气机中。在慢充系统或使用加气住的快充式加气站中，压力一温度补偿系统通常设置在加气柱上游(紧挨加气柱)独立的遥控仪表盘中。对于设有多个加气柱或软管的慢充设施，由于所有的汽车同时加气，通常整个系统只使用一个温度补偿单元。 2(质量流量计 为避免混淆流量的概念，应该首先理解质量流率和体积流率的概念。体积流量(Q)可表示为立方英尺、米3、L、厘米3等，流过横断面面积为A的管子的体积流量公式为Q=V?A。质鼙流量(M)表示的是质量，如磅,单位时间、克,单位时间。质量流量公式为M=d?A?V，其中密度(d)对可压缩性流体(如气体的质量流量)影响很大，对液体 89 影响很小。 很多流量计都是体积型的，通过测量其他过程物理量如绝压、差压、温度、黏度来转换成质量。这种方法得到的质量流量是推导出来的，这是与直接流量测量的区别。 静态温度一热力型质量流量计是热散失(热头损失)式质量流量计。静态温度一热力型质量流量计需要两个传感器(铂热电阻，一个是温度传感器，一个是热传 感器)，都在平衡态(稳态)下工作。流体变成不平衡态时的热头损失将影响热传感器，并通过电子(加热)作用使其返同平衡态。使用静态温度传感器，流体流动时热头损失只影响温度传感器的表体温度。这样，传感器内核温度不变，并且对流速和温度变换迅速响应。由于这种流量汁工作时需要外接电源，这种传感器的对流体的温度和流速有更广泛的适用范围。热传感器对环境温度的过热索引值可通过另一不加热元件来校正，气体密度的变化最终可通过分子的热交换率、传感器的温度来校正。 热测量或能量平衡型热质量流量计都是热散失型的，通常需要1个加热元件和2个温度传感器。尽管有多种变形设计，但它们有类似的操作方法。通常加热元件安装在流管的中央，给流体一恒定热能。两个匹配的铂热电阻或热偶安装在离加热元件等距离的上下游，流体的温度差值被传感器检测到，并输出一信号。由于两个传感器都有相同的温度和压力效应，这种设计从根本上讲，不受气体密度变化的影响，可直接给出准确的质量流量，这种设计的适用测量范围最大为200 L/min，不适合工业性、比较脏的气体使用。 90 科力斯(Coriolis)质量流量计是直接流量测量的仪器。方便满足过程测量的需要，其操作原理是Coriolis效应或Coriolis对流体加速作用的角动量守恒作用，力作用在流束上使其震颤时，在作用力的相反方向上流体将产生一个旋转或扭曲即角动量，这个力的振幅取决于管道中流体的质量。CorioIis质量流量计用简谐振荡代替角动量，流体流过平行管时就像音叉一样产生反振动，利用简振器可测出测量管的振动情况，振波相位差就是流体的质量的表征量。各种流管、探头和传感器组成C0riolis质量流量计。与其他质量流量计相比，它的尺寸较大，价格较高。图5—59是Y形科力斯流量计的外形图，图5—60是科力斯流鼍计的部件图。 图5—59 Y形科力斯流量计外形图 图5—60 Y形科力斯流量计的部件图 大多数差压流量计只提供一个体积流率输出。这种流量计在压力测点上有压力表或压力传感器来表征流量，如果需要显示质量流量，则还需要其他物理量来表征质量流量，这些物理量如绝压、差压、温度、黏度等可通过手算或电子计算，以显示正确的质量流量。节流孔板、喷嘴、文丘里管、流量管、流量弯头、流环计等都是差压流量计。这些流量计的变形产品是音速管和音速文丘里管。 电磁流量计是依据法拉第电磁感应定律制成的。导磁流体流经与电磁场正交的非电磁区域时，受到电磁场的电磁力作用(切割磁力 91 线)。无论是波动直流电还是正弦交流电，通过一对电极间的离子交换产生电磁力，使电磁流量计产生一个与流体速度成正比的电磁力信号输出。电磁流量计仅适用于导电流体，其最小导电磁通率为O(1μ/cm2，不能用在气体和石化产品中，安装这种流量计对流体不会产生阻尼。 正位移流量计采用凸轮、螺旋齿轮、活塞、叶轮、滑板、垂板等结构。这种流量计是通过传动结构每个位移确定的流体质量来计算一定时间内的总位移来计算流量。如果需要显示质量流量，则还需要其他物理量来表征质量流量，这些物 理量如绝压、差压、温度、黏度等可通过手算或电子计算，以显示正确的质量流量。 靶式流量计用在流体较脏、一般不需精确测量的情况下，靶板或靶体插入流体中，并与流动方向垂直，作用在靶板上的压差通过应变仪或平衡力的方法测得。应变仪的信号或维持靶板平衡所需要的能量信号与流速成正比。靶式流量计用于能产生使靶板响应的差压反应的流体的流量测量。靶式流量计安装在产生湍流、波动或振动最小的地方。如果需要显示质量流量。则还需要其他物理量来表征质量流量，这些物理量如绝压、差压、温度、黏度等可通过手算或申子计算，以显示正确的质量流量。靶式流量计需要其他物理量来表征质量流量。 叶轮流量计包括流体调节器、转子、转子支座、转子轴承、壳体和卷板。叶轮有多个叶轮旋转速度与流体流速成正比，并通过卷板反映出来，叶轮对流体的密度和黏度变化很敏感。如果需要显示质 92 量流量，则还需要其他物理量来表征质量流量，这些物理量如绝压、差压、温度、黏度等可通过手算或电子计算以显示正确的质量流量。为防止轴承损坏，叶轮式流量计只能用于干净流体中，如果加上轴封，应用范围将增大。其他转子式仪表有螺桨式、桨轮式、叶轮式、旋杯式等。 超声波流量计的传感器可装在导管外，或者浸泡在流体中。一般使用两种基本方法，即传输时间法和多普勒方法。传输时间差型超声波流量计是测量脉冲沿顺流和逆流传输的时问差。流体的上下游各有一台传感器，分别检测信号，通过计算信号的传输时间差。多普勒超声波流量计采用多普勒效应，通常在流体中要求有微小粒子或气泡，如果发送的信号和接收的信号数量相等，说明流体静止。流体流动时将发生频率变化，频率变化与流体流速成正比。 虹吸式流量计是采用卡门导管使流体产生涡流现象来测量流体流量。当流体流经竖直平板时在平板两侧的下游产生旋涡，旋涡的频率和流体的流速成正比。如果需要显示质量流量，则还需要其他物理量来表征质量流量，这些物理量如绝压、差压、温度、黏度等可通过手算或电子计算，以显示正确的质量流量。 七、附机设备 1(仪表风 仪表风系统即压缩空气系统，通常由压缩机(气泵)缓冲罐及管线组成。压缩空气用于给加气站内的气动阀门、电气开关等提供动力气体源。空气中经常有灰尘，经压缩机压缩后会含有油污，这些杂质 93 都会影响气动阀门、电气开关的使用寿命和工作稳定性。因此，建议在空气吸气端加进气过滤器，进入缓冲罐之前加油滤，以保证空气干净。 2(管线过滤器及紧急切断阀 过滤器与气源上游进气端相连，出口与下游相连。一般在过滤器壳体上标有流向标示，底部设有排污口。进出口管线上设有切断阀，如果过滤器需要更换滤芯，而工艺流程又要求连续供气时，就应该安装旁通控制管线和旁通控制阀门。在过滤器进口和过滤器之间还需安装切断阀和压力表。切断阀用于在更换过滤器时切断进气，装压力表是为了便于观察过滤器的状态。壳体底部装有排污阀以便泄放腔内污物，排污阀的安装位置稍高于过滤器底平面。压力表的量程为管线压力的1.5,2倍。过滤器工作时，气体经过过滤器的压力降通常不大于O.12MPa，如果压差超过O.3 MPa。就必须更换滤芯。 94