某CNG加氣母站工藝改進(jìn)研究

◇山東實(shí)華天然氣有限公司 賈緒平

天然氣是一種清潔能源，近年來在能源結(jié)構(gòu)中的比重越來越大。CNG（Compressed Natural Gas）汽車運(yùn)輸是為了給距加氣母站周邊約200公里范圍內(nèi)的用戶提供天然氣能源的一種運(yùn)輸方式。本文介紹了某CNG加氣母站現(xiàn)有的工藝流程，分析干燥器、緩沖罐、儲(chǔ)氣井等設(shè)備的選型問題及整體工藝缺陷，提出操作優(yōu)化，對干燥器、緩沖罐、儲(chǔ)氣井等設(shè)備進(jìn)行替換或改造，以及增加CNG加氣柱軟管放空氣體及壓縮機(jī)填料放空氣體回收系統(tǒng)、緊急停機(jī)切斷系統(tǒng)的建議，以提高CNG加氣母站生產(chǎn)運(yùn)行的安全性。

1 引言

壓縮天然氣是一種新型、經(jīng)濟(jì)、安全的清潔燃料，具有優(yōu)良的燃燒特性和極低的廢氣排放指標(biāo)。CNG加氣母站是專門為CNG汽車、工廠提供能源的集接收、凈化、壓縮、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)天然氣于一身的大型城市天然氣運(yùn)用基礎(chǔ)設(shè)施。在當(dāng)今嚴(yán)峻環(huán)保形勢下，為保證綠色目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，各地相繼出臺(tái)了各項(xiàng)措施，重點(diǎn)要求以氣代煤、以電代煤。目前天然氣消費(fèi)需求持續(xù)旺盛，天然氣供需形勢較為嚴(yán)峻，CNG加氣母站對于天然氣管道未鋪設(shè)到的生產(chǎn)企業(yè)和居民有至關(guān)重要的積極作用。某CNG加氣母站在工藝流程方面還不夠完善，因此對其進(jìn)行優(yōu)化十分必要，從而更好地保障CNG加氣母站的安全運(yùn)行。

2 CNG加氣母站工藝流程優(yōu)化

2.1 CNG加氣母站工藝流程現(xiàn)狀

管道天然氣經(jīng)過上級門站的過濾調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)，然后進(jìn)入干燥器脫水，隨后進(jìn)入緩沖罐，再進(jìn)入壓縮機(jī)增壓（進(jìn)氣壓力1.2～1.4MPa，出口壓力最高25MPa），經(jīng)順序控制盤調(diào)序后，壓縮天然氣一是直接進(jìn)入長管拖車內(nèi)，二是進(jìn)入地下儲(chǔ)氣井并給子站汽車充裝，流程圖見圖1。

圖1 某CNG加氣母站現(xiàn)有工藝流程圖

加氣站內(nèi)主要設(shè)備有干燥器兩臺(tái)（一用一備），緩沖罐一臺(tái)，壓縮機(jī)三臺(tái)（兩用一備），儲(chǔ)氣井三口，單槍加氣柱四臺(tái)，雙槍加氣機(jī)三臺(tái)，儲(chǔ)氣井三口。詳見表1。

表1 CNG加氣母站內(nèi)主要設(shè)備

2.2 干燥器優(yōu)化

數(shù)量2臺(tái)，一用一備。型號DT-500F/2.0，設(shè)計(jì)壓力2.0MPa，處理量5000Nm3/h，發(fā)散壓力0.03MPa，吸附塔2臺(tái)，單塔容積1.1m3，半自動(dòng)控制。由分子篩脫塔、換熱器、分離器、循環(huán)風(fēng)機(jī)和加熱電爐等部件組成，設(shè)備分干燥吸咐系統(tǒng)和閉式循環(huán)再生系統(tǒng)兩大部分。

干燥塔相關(guān)流程：①吸咐流程。原料氣 → 吸咐塔 → 過濾器→干燥氣體至壓縮機(jī)；②再生流程。循環(huán)風(fēng)機(jī)→電加熱爐→再生塔→換熱器→分離器→液體從分離器下口自動(dòng)排除；③冷吹。即加熱完畢后，再將吸附塔吹冷至常溫。

天然氣工作壓力為2.0MPa時(shí)，干燥器的最大處理量為5000Nm3/h。但天然氣工作壓力為1.4MPa，考慮到富余量，實(shí)際最大處理量約為4000Nm3/h。且冬季壓縮機(jī)單臺(tái)運(yùn)行時(shí)瞬時(shí)流量為3200Nm3/h，兩臺(tái)壓縮機(jī)全部啟動(dòng)后的瞬時(shí)流量為6400Nm3/h，設(shè)計(jì)缺陷造成天然氣的節(jié)流效應(yīng)比較嚴(yán)重，氣體經(jīng)過干燥器后壓力由1.38MPa降低至1.33MPa。造成了能量的大大浪費(fèi)。此壓縮機(jī)的特性如下：隨著進(jìn)氣壓力的增加，壓縮機(jī)功率和排氣量都線性增加，進(jìn)氣壓力每升高0.5bar，功率上升7.8kwh，即增加2.6%；進(jìn)氣壓力每升高0.5bar，排氣量上升110Nm3，即增加3.9%[1]。即節(jié)流后，加氣槽車充裝速率降低3.9%，增加電費(fèi)約1.3%。

工藝改進(jìn)建議：如重新購置大處理量的干燥器（約80萬元），假設(shè)每天10萬方加氣量，電力成本0.1元/方，每天節(jié)約130元，需17年能收回成本，故更換新設(shè)備不劃算。可將備用干燥器同時(shí)啟用，這樣能增加天然氣處理量至理論值8000Nm3/h，緩解壓降帶來的充裝速率缺失和耗能增加情況。干燥器故障率較低，且實(shí)際使用分子篩壽命約4年，不會(huì)影響到加氣站生產(chǎn)。

2.3 緩沖罐優(yōu)化

容器容積2.5m3，內(nèi)徑1200mm，主體材料Q345R，設(shè)計(jì)壓力1.5MPa，最高允許工作壓力1.4MPa，安全附件安全閥型號A42F-16C，整定壓力1.5MPa，回座壓力1.125MPa。

冬季管道調(diào)壓器密封件如果老化將導(dǎo)致密封效果不佳，閉合時(shí)調(diào)壓后管段壓力超過1.4MPa，如壓縮機(jī)急停后，極易造成調(diào)壓后管段壓力超過1.5MPa，安全閥起跳，天然氣放空，且壓力不會(huì)降低至1.125MPa（調(diào)壓器前后閥門皆未關(guān)閉），安全閥不回座，如值班人員發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，處理不當(dāng)會(huì)造成天然氣的大量浪費(fèi)。一旦安全閥故障，緩沖罐會(huì)出現(xiàn)超壓現(xiàn)象，發(fā)生爆炸事故。

工藝改進(jìn)建議：原緩沖罐更換為容積不小于2.5m3、設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa的緩沖罐，增大壓力安全富余量，解決進(jìn)氣壓力不穩(wěn)導(dǎo)致的超壓和安全閥起跳問題。壓縮機(jī)進(jìn)口壓力亦可以增大至設(shè)計(jì)最大值1.4MPa，減少能耗，提升充裝速率。

2.4 儲(chǔ)氣井優(yōu)化

三口儲(chǔ)氣井，井深分別為78.19m，110.65m，133.88m，內(nèi)徑220mm。設(shè)計(jì)壓力27.5MPa，最高工作壓力25MPa，結(jié)構(gòu)圖見圖2。該儲(chǔ)氣井至少可以使用25年以上，安全可靠性好。其缺點(diǎn)是耐壓試驗(yàn)無法檢驗(yàn)強(qiáng)度和密封性，制造缺陷也不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，排污不徹底，容易對套管造成應(yīng)力腐蝕。

圖2 高壓儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)

進(jìn)口出口管道為同一根管道，當(dāng)壓縮機(jī)為儲(chǔ)氣井打氣時(shí)，子站小汽車的氣源來自壓縮機(jī)，而不是地下儲(chǔ)氣井。壓縮機(jī)加壓后的天然氣氣溫較高，夏天最高達(dá)到48℃或者更高，這樣會(huì)造成汽車的CNG鋼瓶溫度過高，熱應(yīng)力增加，影響鋼瓶的使用壽命[2]。

工藝改進(jìn)建議：采用兩根單獨(dú)的輸氣管道，同時(shí)在井內(nèi)添置一根長約2m的套管，配備相應(yīng)的閥門及壓力表，這樣能有效增加高溫天然氣在地底下的儲(chǔ)氣井內(nèi)存留時(shí)間，降低汽車充裝燃料氣體的溫度，降低溫度對汽車CNG鋼瓶的傷害程度[2]。改造后儲(chǔ)氣井結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 改造后儲(chǔ)氣井示意圖

2.5 放空系統(tǒng)優(yōu)化

當(dāng)前對環(huán)境保護(hù)的重視度越來越高，企業(yè)紛紛執(zhí)行清潔生產(chǎn)戰(zhàn)略，降低污染物排放，解決環(huán)境污染問題和能源損失問題，將設(shè)備放空的天然氣進(jìn)行回收利用便是切實(shí)可行的辦法。

（1）加氣柱放空回收。目前槽車充裝區(qū)加氣柱設(shè)備無氣體回收系統(tǒng)，每次長管拖車充裝完畢后，充裝軟管都會(huì)向大氣中放空約1 Nm3天然氣。以平均每天充裝40輛車計(jì)算，每天損耗40Nm3天然氣，足夠一個(gè)四口之家做飯、燒水、洗澡一個(gè)月。

工藝改進(jìn)建議：增加加氣柱回收系統(tǒng)，充裝完畢后，將軟管內(nèi)高壓天然氣經(jīng)過調(diào)壓器和過濾器后，進(jìn)入壓縮機(jī)入口管道或者回收罐。

（2）壓縮機(jī)填料放空氣體回收。目前狀況是通過放空管路，直接排放到大氣中。且放空過程是持續(xù)的過程，一旦放空管連接處漏氣，天然氣容易在撬裝壓縮機(jī)內(nèi)聚集，發(fā)生爆炸事故。

工藝改進(jìn)建議：壓縮機(jī)系統(tǒng)各級排污泄放的天然氣應(yīng)冷卻后進(jìn)入廢氣回收罐，在廢氣回收罐前設(shè)置高效過濾分離裝置，將排污氣中所含的油水進(jìn)行分離，油水沉積在罐的底部，天然氣經(jīng)上部管道進(jìn)入壓縮機(jī)入口，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境和減少浪費(fèi)的目的[3]。

2.6 緊急停機(jī)切斷系統(tǒng)優(yōu)化

場站內(nèi)壓縮機(jī)緊急停止按鈕只有壓縮機(jī)控制柜和機(jī)組外有配置，其他地方無設(shè)置；入站電動(dòng)球閥只可在現(xiàn)場控制或者子站控制室內(nèi)按鈕控制，壓縮機(jī)控制室未設(shè)置緊急按鈕；無其他緊急全站停止、放空按鈕。遇到緊急情況，需要人員使用對講機(jī)呼叫其他人員協(xié)助和跑動(dòng)來實(shí)現(xiàn)關(guān)閥、放空和緊急停機(jī)操作。

工藝改進(jìn)建議：增設(shè)手動(dòng)或者可燃?xì)怏w報(bào)警器觸發(fā)的緊急切斷系統(tǒng)，一旦發(fā)生緊急情況，能第一時(shí)間關(guān)閉主要閥門和放空天然氣，避免了人員現(xiàn)場搶險(xiǎn)處置，減少不必要的人員傷亡，大大地從應(yīng)急處置預(yù)防方面保障安全。

在儲(chǔ)氣井和緩沖罐放空管路設(shè)置防爆電動(dòng)控制球閥，儲(chǔ)氣井出口管道設(shè)置防爆電動(dòng)控制球閥；并在各值班室設(shè)置急停按鈕，并分級設(shè)定。一級切斷為關(guān)閉入站閥門、儲(chǔ)氣井進(jìn)出管道閥門和壓縮機(jī)，并打開緩沖罐放空閥門和儲(chǔ)氣井放空閥門，二級切斷為關(guān)閉入站閥門、儲(chǔ)氣井進(jìn)出管道閥門和壓縮機(jī)，三級為切斷關(guān)閉壓縮機(jī)。站內(nèi)可燃?xì)怏w報(bào)警裝置與壓縮機(jī)控制柜、各電動(dòng)球閥聯(lián)鎖。一旦監(jiān)控到工藝區(qū)內(nèi)設(shè)備或者管道發(fā)生漏氣現(xiàn)象，及時(shí)停止壓縮機(jī)并切斷站內(nèi)電動(dòng)閥門，并進(jìn)行放空，有效控制事故的范圍。

3 結(jié)束語

以上分析了加氣站的現(xiàn)有工藝流程存在的缺陷，提出了五項(xiàng)優(yōu)化建議：將備用干燥器同時(shí)啟用；更換設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa的緩沖罐；儲(chǔ)氣井采用兩根單獨(dú)的輸氣管道，同時(shí)在井內(nèi)添置一根長約2m的套管；增加加氣柱放空和壓縮機(jī)填料放空氣體回收系統(tǒng)；增設(shè)三級緊急停機(jī)切斷系統(tǒng)。此CNG加氣母站存在的工藝流程優(yōu)化對其它CNG加氣站的建設(shè)能夠提供借鑒，提升本質(zhì)安全水平。