CNG加氣站工藝流程再造優(yōu)化設(shè)計

◎?qū)O昕

CNG加氣站工藝流程再造優(yōu)化設(shè)計

◎?qū)O昕

目前國內(nèi)CNG加氣站的工藝流程方面存在著較多的安全隱患，地下儲氣井松動和天然氣竄井等事故時有發(fā)生，本文在對目前國內(nèi)常規(guī)CNG加氣站工藝流程的現(xiàn)狀和問題進行分析的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的再造優(yōu)化設(shè)計方案，重點是對地下儲氣井的結(jié)構(gòu)和功能進行改造，通過串聯(lián)改并聯(lián)、增設(shè)獨立的進氣出氣管線和增加套管等方式，使地下儲氣井不僅可以為加氣操作提供足夠的壓力，而且還具備了高溫天然氣冷卻容器的功能，滿足了CNG加氣站的實際需要，同時提出的優(yōu)化設(shè)計方案具有較好的經(jīng)濟性、可行性。

CNG即壓縮天然氣（Compressed Natural Gas，簡稱CNG），其作為汽車燃料具有環(huán)保、安全、經(jīng)濟等多方面優(yōu)勢，符合經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展和城市環(huán)保發(fā)展的趨勢和取向，因此CNG加氣站近年來在全國各地得到了很快發(fā)展。不過目前CNG加氣站的設(shè)計和建設(shè)方面還存在不少問題，特別是在工藝流程方面還存在著諸多的安全隱患，時常有地下儲氣井松動和天然氣竄井的情況或事故發(fā)生，甚至導(dǎo)致氣井竄出地面、井內(nèi)天然氣嚴重泄漏，使站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)、爆炸的風(fēng)險大大升高。因此，為了更好地確保CNG加氣站的安全運行，基于科學(xué)可行的理論基礎(chǔ)，有必要對其工藝流程進行重新設(shè)計再造和優(yōu)化。

常規(guī)CNG加氣站工藝流程的現(xiàn)狀及其優(yōu)化方案

現(xiàn)狀及問題。目前常規(guī)的CNG加氣站其工藝流程一般如下：城鎮(zhèn)天然氣管網(wǎng)中的天然氣通過專門的輸氣管線進入加氣站，存儲在氣體緩沖罐中，經(jīng)過脫水、過濾裝置處理，然后通過蝶閥進入壓縮機進行增壓作業(yè)，經(jīng)過壓縮機多級壓縮后，天然氣變?yōu)榭晒┢嚾剂鲜褂玫母邏籂顟B(tài)（20.0MPa），壓縮后的天然氣進入順序控制盤中，調(diào)序后直接作為汽車燃料給汽車加氣或者進入站內(nèi)儲氣裝置（儲氣罐或地下儲氣井）中進行臨時性存儲。

一般作為臨時性儲氣裝置的地下儲氣井多以串聯(lián)的形式在進氣或出氣時共用一條輸氣管線，這樣有利于節(jié)約鋼材和降低工藝設(shè)計的復(fù)雜性和建設(shè)成本，但其存在的缺點也是顯而易見的，如果地下儲氣井中的一個發(fā)生了泄露，其井內(nèi)壓力降低，在壓力差的作用下另外一個儲氣井中的天然氣會流向發(fā)生泄露的儲氣井內(nèi)，導(dǎo)致天然氣竄井事故發(fā)生。高壓天然氣泄露中會產(chǎn)生較大的上沖力，導(dǎo)致地下儲氣井的井管發(fā)生松動，甚至發(fā)生斷裂，乃至發(fā)生爆炸等嚴重事故。

如果加氣站需要加氣的汽車過多，當(dāng)壓縮機無法提供足夠的壓力時，由地下儲氣井代為補充壓力從而滿足加氣壓力的需求。如果壓力足夠就一直充的方式進行，一般來講經(jīng)過加壓處理后的高壓天然氣溫度一般在70攝氏度以上，將這種高溫加壓的天然氣直接給汽車加氣會造成較大的計量誤差，同時還會使汽車的CNG鋼瓶熱應(yīng)力增加，影響其使用的安全性和壽命。

優(yōu)化設(shè)計理論依據(jù)。從解決上述針對CNG站內(nèi)存在的安全隱患出發(fā)，通過以下理論依據(jù)制定優(yōu)化設(shè)計方案。

關(guān)于氣井可能發(fā)生井竄問題，如能通過改變串聯(lián)安裝方式，打破氣井局部發(fā)生泄漏時高壓氣體泄漏對氣井罐體反作用力的連續(xù)性，理論上可有效降低氣井發(fā)生井竄的可能性，同時降低偶發(fā)泄漏事故可能導(dǎo)致的天然氣泄漏量，降低站內(nèi)發(fā)生火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險，達到提高安全性的目的。

關(guān)于天然氣在經(jīng)過多級壓縮后伴隨高溫輸出的情況，如能在不耗費額外成本的情況下，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)流程起到降溫作用則為優(yōu)選方案。近年來，國內(nèi)能源行業(yè)對相對具有恒溫特性的地源熱這一清潔能源越來越重視，考慮到站內(nèi)氣井埋在地下，而罐體材料一般具有良好的熱傳導(dǎo)性，故具備與淺地表土壤直接進行熱交換的可行性，理論上可以作為罐內(nèi)高溫氣體降溫的長效措施。

優(yōu)化設(shè)計方案。針對以上關(guān)于常規(guī)CNG加氣站工藝流程中存在的問題和理論分析，從以下幾個方面對其工藝流程進行再造和優(yōu)化設(shè)計。

地下儲氣井由串聯(lián)改為并聯(lián)，多個井罐之間使用獨立的輸氣管道對外連接，并為每根輸氣管道配備獨立的壓力表和單向閥門，壓力表及閥門狀態(tài)通過傳感技術(shù)將信息匯集到總控系統(tǒng)內(nèi)，多根輸氣管道在末端匯合，給站內(nèi)加氣機供氣。

改變站內(nèi)生產(chǎn)加氣流程，取消壓縮機輸出的高溫天然氣直接向加氣機供氣的功能，將壓縮機產(chǎn)氣與地下儲氣井串聯(lián)，利用地下儲氣井與地源熱（恒溫冷量）進行熱交換的物理結(jié)構(gòu)，讓高溫加壓的天然氣在經(jīng)過地下儲氣井后得以降溫冷卻。

如條件允許，為并聯(lián)連接的地下儲氣井設(shè)置獨立的帶傳感功能的計量裝置，通過對進出儲氣井總氣量的變化來對儲氣井泄漏進行早期預(yù)防與監(jiān)測，發(fā)生泄漏及時采取降壓放散等措施，進一步降低天然氣竄井現(xiàn)象的發(fā)生概率及由此導(dǎo)致的系列事故的出現(xiàn)。

改造后的CNG加氣站工藝流程如下：天然氣經(jīng)過外接輸氣管道進入加氣站后，存入緩沖罐，繼而進行過濾并進入干燥脫水裝置去除水分，干燥后的高壓氣體經(jīng)由壓縮機繼續(xù)加壓增壓，經(jīng)過控制盤調(diào)序后進入地下儲氣井，冷卻后通過加氣機直接給汽車加氣。

地下儲氣井熱交換能力進一步優(yōu)化方案

地下儲氣井的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀。地下儲氣井是CNG加氣站的關(guān)鍵性裝置，其可靠性直接影響著加氣站的安全性。地下儲氣井一般深埋于地下用于存儲CNG氣體，埋藏深度一般為80-200米，這樣的埋藏深度使其基本上避免了明火接觸和地面隱患，同時還具有抗靜電、占地面積小等多方面優(yōu)點，這也是國內(nèi)CNG加氣站的首選儲氣系統(tǒng)解決方案。目前國內(nèi)大多數(shù)CNG加氣站的地下儲氣井的進出氣都是使用一條輸氣管道集中存儲，對進入儲氣井的高溫天然氣冷卻效果有限，難以達到徹底冷卻的目的，考慮到冷卻至常溫的天然氣對計量和車用儲氣瓶安全性的影響，有必要對提升儲氣井冷卻高溫天然氣的能力進行進一步探討。

優(yōu)化方案。為了使地下儲氣井能夠提升冷卻高溫天然氣的能力，可以通過延長天然氣在儲氣井中滯留時間和加大輸氣管道、罐體與淺地表土壤接觸面積兩種方式。第一種方式，參考站內(nèi)設(shè)計日加氣能力，適當(dāng)加大儲氣井容積，使高溫天然氣在進氣管線和儲氣井中有更長的停留緩沖時間，以便通過罐體和外界恒溫土壤進行熱交換，達到充分降溫的目的。第二種方式，在地下儲氣井總儲氣能力不增加的情況下，減小儲氣單元的容積，進一步增大儲氣罐體與淺地表土壤的接觸面積（即：熱交換面積），使進入儲氣井的高溫天燃氣能夠在更短的時間內(nèi)實現(xiàn)降溫，達到充分降溫的目的。實際操作中，以實現(xiàn)目標的成本核算為參考，可以通過同時采用上述兩種方式來優(yōu)化冷卻效果，這樣改造后的地下儲氣井不僅可以為加氣提供足夠壓力及備用氣源，而且還具有冷卻高溫天然氣的作用，避免了CNG計量出現(xiàn)較大的誤差以及高溫氣體對汽車CNG存儲鋼瓶可能造成的危害，能夠達到優(yōu)化計量結(jié)果、提高站內(nèi)運營安全性的目標，具備現(xiàn)實可行的研究意義。

本文對國內(nèi)CNG加氣站的工藝流程現(xiàn)狀及其存在的問題進行了闡述，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計方案。將原來直接加氣的方式改為經(jīng)過地下儲氣井冷卻后再進行加氣操作，這樣使得加氣時的天然氣溫度符合計量和安全性要求，同時將地下儲氣井連接方式由串聯(lián)改為并聯(lián)，通過對地下儲氣井的改造和計量裝置、單向閥門的安裝，有效避免了儲氣井泄露引起的天然氣竄井現(xiàn)象。通過采取提高天然氣在儲氣井內(nèi)滯留時間和加大儲氣井與土壤熱交換面積兩種方式，提高了天然氣的冷卻效果，實現(xiàn)了對高溫天然氣的冷卻功能。

（作者單位：青島新奧燃氣有限公司）