關于幾種CNG汽車加氣子站安全性之淺見

譚高祥

(重慶新概念儀器儀表有限責任公司，重慶 400020)

隨著經濟和社會的飛速發展，能源的日益匱乏，國際油價不斷攀升，環保要求越來越高，壓縮天然氣作為廉價而清潔的燃料，近年來取得了飛速的發展，預計到2020年，我國天然氣汽車保有量將達到1000萬輛，壓縮天氣加氣站數量將會以每年20%的速度遞增。

然而，天然氣屬于易燃易爆危險化學品，其火災危險性為甲類，且汽車加氣站多建在城市市區交通主道旁，一旦發生事故，后果嚴重。國內也已發生了多起加氣站的泄漏和火災爆炸事故。如何提高加氣站的安全性是加氣站安全管理的又一重大課題，本文將從天然氣發展、加氣站工藝、災害原因分析、加氣子站工藝設備、設備投資及安全性等進行逐一闡述。

1 天然氣汽車的發展

1.1 常壓天然氣汽車

我國20世紀50年代末60年代初開始天然氣汽車的應用。那時主要應用在公共客運系統，俗稱“氣包車”，“氣包車”的真正名字叫做“常壓天然氣汽車”，也就是將天然氣不經過任何壓縮，直接灌裝到燃料充裝容器中。在公交車車頂上安一個金屬架，金屬架上放上橡膠氣囊(氣包)，天然氣裝在橡膠氣囊里，裝滿了就上路。

1.2 壓縮天然氣(CNG)汽車的應用

1990 年開始CNG汽車的應用，主要在四川、重慶地區;

1990 年—1998年是壓縮天然氣的發展階段，此間，壓縮天然氣相關設備以進口產品為主;

1999 年我國成立了全國清潔汽車行動協調領導小組，開始建立示范站，CNG汽車進入了快速發展時期;但氣源限制嚴重影響了其發展速度;

2003 年后東部和中部依賴“西氣東輸”和“鐘武線”;華北、東北地區依靠當地油氣田資源;山西等富煤地區依靠本地豐富的煤層氣資源解決了部分氣源問題，CNG汽車的應用才真正進入了一個快速發展時期。由于國外進口設備價格高以及售后服務不方便，加速了CNG設備的國產化，到目前為止CNG汽車產業鏈上的相關設備已經實現全國產化。

2 CNG加氣站的分類及工藝設備

2.1 CNG母站

母站是從中、高壓輸氣干線(母站一般靠近門站或集輸站)直接取氣經過下述述流程圖進入儲氣裝置后通過加氣柱完成給CNG拖車加氣的功能。(有些加氣母站也配備直接給CNG汽車加氣和城市管網調峰的功能)。

CNG加氣母站工藝流程圖

2.2 CNG標準站

標準站是城市主管網(一般是中壓管網)直接取氣經過下述述流程圖進入儲氣裝置后通過加氣機完成給CNG汽車加氣的功能。

CNG加氣標準站工藝流程圖

2.3 CNG加氣子站

CNG加氣子站是建在周圍沒有天然氣管網的地方，通過CNG拖車把母站生產好的CNG運輸到子站，通過子站相關設備(卸氣柱、增壓裝置、儲氣裝置、加氣機)完成給CNG汽車加氣的功能。

目前國內有三種工藝形式的CNG加氣子站：機械式壓縮機CNG加氣子站、液壓活塞式壓縮機CNG加氣子站、液壓平推式CNG加氣子站;具體工藝流程如下：

2.3.1 機械式壓縮機CNG加氣子站

機械式壓縮機CNG加氣子站工藝流程圖

2.3.2 液壓活塞式壓縮機CNG加氣子站

液壓活塞式壓縮機CNG加氣子站工藝流程圖

2.3.3 液壓平推式CNG加氣子站

液壓平推式CNG加氣子站工藝流程圖

3 火災危險性及火災爆炸事故的原因分析

天然氣的主要成分為甲烷，屬一級可燃氣體，甲類可燃危險性，爆炸濃度極限為5% ～15%，最小點火能量僅為0.28mJ，燃燒速度快，燃燒熱值高(平均熱值為33440kJ/m3)，對空氣的密度為0.55，擴散系數為0.196，極易燃燒爆炸，且擴散能力強，火勢蔓延快，一旦發生火災將難以施救。加氣站火災爆炸事故因素分析如圖1所示：

圖1 加氣站火災爆炸事故因素分析圖

從圖1我們分析發現，子站發生火災爆炸事故的因素中，天然氣泄漏和一些人為過失(包括出現火源和未及時發現等)是子站爆炸的主要緣故，人為過失屬于子站安全的外界因素，不在本文的討論范圍內，本文主要從天然氣泄漏和達到爆炸極限的條件來進行比較。

4 三種不同形式CNG子站系統的特點

4.1 機械式壓縮機CNG加氣子站

(1)結構復雜，故障點較多;(2)大型傳動部件多(帶傳動或電機直連)，傳遞效率低;(3)管道、閥門、填料、焊點多，壓力變化頻繁，設備振動大，漏點多;(4)系統功率大，能耗大，節能效果差，運行成本高;(5)工藝流程及控制系統復雜，可靠性相對較低;(6)非標件多，維修復雜，維修成本高;(7)活塞運動速度快，填料壽命短，氣體泄漏量大。

4.2 液壓活塞式壓縮機CNG加氣子站

(1)結構簡單，無大型機械傳動部件，傳動效率高;(2)系統總功率小，效率高，最為節能;(3)液壓系統運行更為平穩，可靠性高;(4)無需填料，活塞運行速度低，密封件壽命更長;(5)無噴油現象，設備安全性和可靠性更高(6)油箱容積小，液壓油耗損少，維護費用也低;(7)活塞的阻隔作用，減少了油氣直接接觸的機會，多級CNG專用過濾器的設置，使得天然氣含油量降到更低;

(8)模塊化設計，設備標準化程度高，拆卸方便，維護成本低;(9)無須專用CNG拖車，普通拖車和液壓拖車均可使用。

4.3 液壓平推式CNG加氣子站

(1)工藝流程最為簡單，無大型機械傳動部件，傳動效率高;(2)系統總功率介于機械式壓縮機和液壓活塞式壓縮機之間，節能效果較好;(3)無活塞、無填料，密封件少且為常規密封件;(4)無需專用的強制冷卻系統，結構簡單，維護方便;(5)回油噪音大、壓力高，時有噴油現象，液壓油損耗大，安全性低;(6)油箱容積大，液壓油使用成本高;(7)油氣直接接觸，油氣含量高;

(8)標準件多，設備維護成本最低;(9)需要使用液壓專用拖車，通用化程度不高。

5 三種不同形式CNG子站的設備投資比較

從圖2可知，三種不同形式CNG子站設備投資上，機械式壓縮機CNG子站與液壓活塞式壓縮機CNG子站差不多，液壓平推式CNG加氣子站投資最高。

圖2 三種不同形式CNG子站的設備投資比較

6 三種不同形式CNG子站的安全性分析比較

6.1 機械式壓縮機CNG加氣子站

(1)機械式壓縮機控制系統復雜，閥門、管道、活塞環、焊點等很多，壓縮機本身不停的壓縮釋放天然氣，而且多數執行元件在動作時，還必須由先導閥帶動，而先導閥一般使用管路中的高壓CNG經減壓閥減壓后來工作。整個系統壓力變化頻繁，設備振動大，各元件很容易出現泄漏，直接影響安全運行，因此其漏點多，泄漏的幾率大。

(2)機械式壓縮機普遍采用兩級壓縮方式壓縮天然氣，活塞線速度很快，在工作過程中不斷的對氣體做功，氣體的不停壓力變化帶來整個系統的高溫，必須配備冷卻系統，目前，普通壓縮機都采用的水循環風冷，中高壓氣體進入冷凝器循環，造成冷凝器故障頻發，開焊，泄漏天然氣，高、低壓氣體竄通導致冷凝器損壞，增大了爆炸可能性。

(3)機械式壓縮機本身就是一個曲柄連桿的大型機械傳動系統，無論選擇所謂的無油潤滑還是有油潤滑，壓縮機轉速通常在600RPM以上，轉動半徑大，本身重量大，動能就大，快速旋轉易導致活塞桿的斷裂，這種斷裂多出現在和十字頭的連接部位或者活塞的緊固處，這種斷裂的沖擊通常會造成設備周圍部件的松動或損壞，導致天然氣大量泄漏，是造成設備損壞和人身傷害的重大隱患。

(4)機械式壓縮機系統往往設計成多缸式，為了平衡，一般采用對稱布置。由于轉動部件多，一般采用具有一定壓力的油潤滑系統(濕式潤滑)，以便提高其使用壽命。目前提出的無油、少油潤滑仍必須有潤滑油消耗，采用濕式潤滑，潤滑油會混合于天然氣中，在壓縮后還要使用油氣分離裝置，將其分離出來。潤滑系統在活塞連桿式壓縮機中起著很關鍵的作用，必須隨時監控供油壓力、供油溫度、回油溫度等重要技術指標，并且要具有報警和聯鎖控制功能，使操作變得復雜。如果潤滑系統出現故障，系統溫度會急劇上升，氣缸積碳增多，密封件可能出現燒毀，因此復雜的控制系統增大了這種潛在風險。

(5)機械式壓縮機易損件多、非標件多，氣體不停壓縮釋放導致整個系統的壓力變化頻繁，溫度升高，不正常的溫升導致氣閥、填料、活塞環等易損件的密封性能下降，引起泄漏，使用壽命也會縮短，機械式壓縮機子站一般有壓縮機房，一旦通風不良，任何泄漏都會導致天然氣的積聚，極易形成爆炸性蒸氣云，非常危險。

6.2 液壓活塞式壓縮機CNG加氣子站

(1)液壓活塞式壓縮機相對于機械式壓縮機結構較簡單，沒有復雜的控制執行機構，各種閥門、管道、控制點減少了三分之二，泄漏點也就減少了三分之二，使得整個系統的泄漏不安全因素只有機械式壓縮機子站的三分之一。

(2)液壓活塞式壓縮機一般也采用兩級壓縮，活塞線速度較低，系統運行也比較平穩，系統溫升相對于機械式壓縮機較低。冷卻系統(氣體冷卻、油冷卻)一般采強制風冷，冷凝器的故障風險與機械式壓縮機冷凝器類似。

(3)液壓活塞式壓縮機無大型傳動機構，直接采用電機驅動液壓泵，驅動系統都是標準件，機構簡單，動能低、慣性小，如果出現損壞，拆卸維修容易，不存在意外的安全隱患。

(4)無獨立的潤滑系統，液壓油本身就具有自潤滑作用，氣缸內密封件使用壽命長，密封件使用壽命在4000小時以上，再加上氣體和液壓油之間有活塞的密封，油氣混合幾乎沒有，且油箱內無氣體竄入，相對于液壓平推式子站無需油箱放空系統，安全性從根本上提高。

(5)液壓活塞式壓縮機安裝在露天狀態下，通風始終保持良好，況且其結構較為簡單，泄漏點少，天然氣幾乎沒有積聚的可能性，安全性能始終處于良好的狀態下。

6.3 液壓平推式CNG加氣子站

(1)液壓平推式增壓裝置，結構最為簡單，也沒有復雜的控制執行機構，泄漏點最少，且采用單線高壓供氣，系統本身壓力基本恒定，發熱量低，設備表面溫度低，各閥門、管道、控制點的壽命也大大增加了，大大的降低了氣體泄漏風險。

(2)無活塞缸筒，直接將高壓液壓油注入CNG拖車中，系統運行效率高，系統最為平穩，單線供氣，加氣能力佳，系統溫度上升低，無需專用的強制冷卻系統，直接自然風冷即可，所以，不存在由冷凝器故障帶來的潛在安全風險。

(3)無大型傳動機構，驅動系統原理與液壓活塞式壓縮機一樣，傳動機構結構類似，二者在傳動結構上存在的潛在安全風險屬于同一級別。

(4)無潤滑系統，液壓油與CNG直接接觸，氣液之間無活塞阻隔，油氣混合大，高壓氣體會竄入油箱中，其油箱容積較大(大于4m3)，回油時瞬間壓力高(20MPa)，回油時時常有噴油現象出現，回油振動和噪音都很大，同時油箱頂部設有呼吸管，與大氣相通，油箱內處于持續氣體混合狀態(天然氣與空氣)，油箱處于爆炸0區，爆炸危險性極高。

(5)液壓平推式子站也安裝在露天狀態下，通風始終保持良好，正是基于這一原因，降低了其油箱內的爆炸風險，但是，一旦設備處于日加氣量較低、非正常的連續性工作的時候，油箱爆炸危險性急劇升高，目前國內已經發生多起類似事故，必須引起高度的安全重視。

7 結論

綜上分析，液壓活塞式壓縮機CNG加氣子站具有結構簡單，使用穩定、泄漏量小，維護方便、運行成本低，安全性最為可靠，機械式壓縮機CNG加氣子站技術成熟，安全性其次，液壓平推式子站安全性最低，其安全性能應引起高度重視。

［1］compressor《淺述加氣站天然汽車壓縮機房火災爆炸事故故障樹分析》壓縮機技術情報.