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1、压缩天然气CNG汽车加气站技术培训教材 发展城镇公共交通有利于减轻大气环境污染，以CNG替代公交车用汽、柴油，在这方面的作用尤其明显。目前，我国的大气污染情况相当严重。据国家环保局的数据，全国660各大、中城市的大气环境检测结果显示，大气环境质量达到国家一级标准的仅有1%，而其中汽车排放是城市大气污染的重要因素。推广和应用天然气汽车（NGV），是解决严峻的排放形势的一个有效的途径。1998年1月，全国燃气汽车协调小组提出了我国发展燃气汽车的工作设想和实施建议；同年7月，选出了北京、上海、重庆等12个城市作为推广天然气汽车（NGV）的实验示范城市。从趋势上看，NGV作为解决石油资源短缺和改善汽车
2、排放的有效手段，将在我国得到更进一步的应用和推广。 CNG汽车加气站的建设应侧重考虑交通线路布局及其经营效益等要素。一般情况下，对于欲建天然气汽车加气站的城镇，约束条件甚多。不仅其站址是否理想，而且从减少征地和有利线路调度的角度看，都难于做出主观选择。根据国外经营CNG汽车加气站的经验表明，采取子、母站运营方式比较好。即在天然气气源处兴建颇具规模的加压站或加压、加气站作为母站，再按征地条件、交通线路及CNG汽车允许行驶距离范围在城区均匀布置若干规模大小不一的子站，并兼顾出租车、公务车和家用私车的加气。子站既可单独设置，也可与汽车加油站合建。 1、CNG加气站站址及其设置原则 对拟设点的加气站主
3、要考虑具备防火间距条件和道路交通等外部条件。CNG加气站的设置有下列原则： 1）单独设置或与加油站合建的CNG加气站，气源由气瓶转运车供应； 2）合建站根据储油、储气容器的容积按表8-6划分等级； 合建站的等级划分 表8-6级别油品储罐容积/m3压缩天然气瓶总容积/m3总容积单罐容积一级61.15012二级6030注：表中油品总容积系汽油储罐容积，柴油储罐容积乘系数0.5后计入总容积。 3）城镇建成区内不宜建一级合建站； 4）对重要公共建筑和涉及国计民生的其他重要建筑物周围100m范围内不得建加气站或合建站。 5）加气站的设计规模应根据车辆充装用气量和气源的供应能力确定； 6）加气机的数量应根
4、据加气汽车类型及其数量和快充加气作业时间确定；7）加气机的额定工作压力为20MPa；8）加气机的计量精度不低于1.0级，计量单位可用m3或kg，最小分度值0.1m3或0.1kg；9）加气速度不大于0.25 m3/min；10）加气机的加气软管、切断阀、加气抢与CNG加油站和供应站的加气柱的要求相同；11）供电系统的设计与CNG供应站的要求相同。单独设置的加气站的选址可参考表8-2和表8-3的相关规定。对于合建站，汽油和柴油罐应采用地下直埋卧式罐，将柴油罐布置在汽油和CNG储气装置之间，同时还应符合表8-7关于油罐、加气机与站外建、构筑物防火距离的规定。2、CNG加气站的工艺设计加气站宜由CNG
5、的接受、储存、加气等系统组成。在子站内可配置小型压缩机用于储气装置瓶组之间天然气的转输。1）CNG加气站主体设施可参照汽车用燃气加气站技术规范CJJ842000的相关要求进行布置。加气站内CNG储气装置与站内设施的防火间距和加气站、合建站设施之间的防火间距均不应小于表8-8和表8-9规定。加气站、合建站与站外建筑物相邻一侧，应建造高度不低于2.2m的非燃烧实体围墙；面向车辆进、出口道路的一侧宜敞开，也可建造非实体围墙、栅栏；车辆进、出口要分开设置。加气站、合建站内的停车场和道路设计要求：单车道宽度不小于3.5m，双车道宽度不小于6.5m；气瓶转运车的道路转弯半径不小于12.0m，一般道路转弯半
6、径不宜小于9.0m；道路坡度不大于6%，且坡向站外；站内场地和道路路面应采取不发火花水泥路面。图8-17为加气站主体设施平面布置图。本图是为120辆BK6111CNG公交车而配置的技术设施。加气高峰在上午7：00至中午13：00之间，目前实际平均加气量为4700kg/d左右，约每日加气55辆次，每辆次加气量为85kg左右。2）CNG加气站工艺流程及其设备的配置加气子站与加压母站的不同之处在于其气源压力很高（气瓶转运车额定压力为20MPa），也不需要对天然气再进行预处理。对负荷不均匀的快充加气系统，除了和配置容量和级数较少的多级压缩机外，在加气作业快速、精确、安全和高效方面有很高的要求。图8-1
7、8为某加气站工艺流程简图。按上述流程，首先必须将站内卸气柱的卡套软管快速接头与气瓶转运车的卸气主控阀接好。经优先/顺序控制盘选择启动顺序控制阀，在压缩机、储气装置和加气机之间形成以下四种流程：1）气瓶转运车加气机（计量）充装载气瓶；2）气瓶转运车压缩机加气机（计量）充装车载气瓶；3）储气装置加气机（计量）充装载气瓶；4）气瓶转运车压缩机储气装置充车载气瓶。如同图8-7所示的优化/顺序控制原理一样，通过一系列气动阀或电动阀不断的切换，控制着储气装置瓶组的取气顺序和压缩机的自动启闭。随着CNG汽车车载气瓶一辆接一辆地取气，站上储气装置中被利用的某瓶组的压力就不断下降，直至两者压力平衡时则按充气顺序
8、原则把车载气瓶切换到更高一级的瓶组取气，依次逐级阶式起充转移储气装置中各瓶组的气体。当加气负荷很大且储气装置无法满足车载气瓶取气时，可以启动压缩机直接向车载气瓶补气直至定级压力。这样，以低、中、高压瓶组顺序取气优先级和压缩机补气为最优先级的系统流程，可以提高气瓶的利用率和最大限度地减少压缩机频繁启动。储气装置的容量是不可能全部被利用的，其容积利用率与其利用方式有很大关系，主要影响因素是储气装置设定的起充压力的高低及其分组情况。应用气体状态方程进行分析，可设计出储气装置的利用方案，以期得到较高目标的容积利用率，如例8-3的算例。【8-3】设有6个水容积为1m3气瓶所组成的储气装置，设定最高储气压
9、力为25MPa。汽车CNG气瓶取气时使储气装置压力降低而需要压缩机补气，按如下两种不同的利用方案使其维持系统连续运行，试分析计算其容积利用率（为简单计，不考虑压缩因子）。解：方案1设上述6个气瓶不分组，直接用于为气瓶充气到压力20MPa，则全部6个气瓶可供利用的压差5MPa，其容积利用计算如下储气装置容积利用率= 储气装置可供出气量 最高储气压力下储气装置的总气量= （250200）6 = 300 = 20%25061500 方案2将储气装置按3：2：1的容积比例分成低压区、中压区和高压区瓶组，各储气瓶的供气中止压力分别为13.1MPa、18.2MPa和20.0MPa，则上述瓶组可供利用的压差
10、分别为11.9MPa、6.8MPa和5.0MPa，其容积利用计算如下储气装置容积利用率 = 各区瓶组可供出气量之和 最高储气压力下储气装置的总气量 = 3（250131）+2（250182）+（250200） =36.2%2506 通过上述两种储气装置利用方案的比较可见，采用按压力分区和改变其设定补气起充压力的方法可显著提高储气装置的容积利用率。 表8-10所示为某CNG加气站的储气装置瓶组（二区三线和三区四线）容积利用率测试结果。所谓二区三线是指加气机设三条取气线，即来自低压瓶组、中压瓶组和压缩机三条线路。所谓三区四线是指加气机四条取气线，即来自低压瓶组、中压瓶组、高压瓶组和压缩机四条线路。
11、 现行行业标准汽车用燃气加气站技术规范CJJ842000还推荐各瓶组内天然气补气起充压力和储气瓶数量的比值，见表8-11。 站上储气装置的设置容积大小，取决于加气负荷、加气时间（压缩机供气份额）和储气容积分区比例等因素，容积设置得稍大一些实际上可以减少压缩机的启动时间，以节省能耗和降低CNG的成本。 按工业标准选择多级压缩机，遵循的基本原则如下： 1）典型的压缩比为4：1； 2）在相同中压下，较低的吸入压力选择较多的级数； 3）级数少和各级效率平衡的压缩机较廉价和节能； 4）压缩比小，多级中间冷却的压缩机，一般m3/kW指标较高； 5）按照气体状态方程，为了最大限度升压，需逐级优化最小升温。
12、由此不难看出，根据加气负荷大小，在CNG加气子站安装二级压缩机就已经足够了，若吸入压力较高（0.23.6MPa），其工作效率就显著提高。 CNG的生产和应用技术已走过了六十余年的历史，能提供成套加气站设备和CNG压缩机的公司很多，部分高吸入压力、风冷式和水冷式有润滑的压缩机可从表8-4中参考查阅。一般在加气子站内用于天然气储气装置之间的压送和卸车所设置的小型压缩机，应符合下列规定： 1）采用风冷式压缩机； 2）由气瓶转运车供气，进气压力不小于0.6MPa； 3）排气压力不大于25.0MPa； 4）排气量可按大于天然气储存量的20%计算，并按24h内完成转输； 加气机又称售气机，与加气柱不同，C
13、NG汽车的加气机，它装有质量流量计、压力-温度补偿系统和微型计算机系统。当加气抢与汽车加气接口的快速连接发出音响信号，加气开始，经从储气装置顺序取气依次传送输气参数设定值，在延时时间内维持不变；直至“最终充气压力”，加气过程结束音响信号为止，即可卸抢和静电卡，完成一次充气的全过程。和加油机一样，加气机显示板上可读出加气量、单价和总价。单独加满CNG气瓶所需时间根据车型大小而不同，一般为310min。 除了在设备设置和管理上需要严格的安全措施之外，更重要的是必须设置压力-温度补偿系统，并根据环境温度调整充气结束时的加气压力，以防只向车载气瓶过量充装，其原因是天然气和其它气体一样，会随温度的变化而
14、膨胀和收缩，导致气瓶内压发生相应的变化。图8-19为不同环境温度下充气校正关系曲线。 现在加气机加气压力的温度补偿措施采用更先进一些电子温度补偿系统，应用气状态方程及其计算公式软件并设置压力-温度传感器，以便计算出正确的最终压力。同时，它也可解决由于压缩过程发热造成计量不准确的问题 加气站收费的依据是加气机给汽车车载气瓶加气时所显示的计量值，计量表采用质量流量计将测出的气体流速反映到数字显示器上。该流量计工作时需要外接电源，其传感器对流体的温度和流速有广泛的适用范围。 加气机包括过滤器、流量计、管道、阀件、加气抢、仪表以及电气装置。在加气机主机箱内设置按不同进气压力接管的切换阀门。加气程序采用
15、计算机控制系统。图8-20为三区三线加气机构造图。 加气机设置的数量应根据加气站的规模、加气汽车数量等因素确定。汽车加气抢的数量按一级站68台、二级站26台设置。汽车加气时间可按46min/车次来计算。加气系统设计压力为25MPa。 加气速度按切换充装压力确定，在工作状态下的单枪加气速度不小于0.12m3/min，双枪加气速度不小于0.18 m3/min；在最大工作压差时的单枪加气速度不大于0.25 m3/min。 3、CNG加气站初步设计实例 根据实践经验，一个75L空的车载气瓶可在2min内充至20MPa，而且可认为压缩过程气体终状态的温升与压缩机或储气装置来气初状态的温度无关。若环境温度
16、为15，初态瓶内气温为15、表压为0MPa，充气量为0m3；终态瓶内气温为50、表压为20MPa，此时应用状态方程可求出充气量为17.1m3。经一段时间，最终瓶内气温与环境温度（15）趋于平衡，瓶内表压为14MPa，充气量仍为17.1m3。由此可以估测，按每辆车由储气装置快充2min为基准，那么一台200m3/h排气量的压缩机每小时充装10辆车是不成问题的。实际情况下车载气瓶会有剩余气，假设实际充气量平均为气瓶储气能力的90%，即等于15.4 m3。 对于快充加气站，一般平均每辆车充气过程用时6min。其中1min用于接通加气抢，23min用于加气，23min用于卸加气抢和办理支付手续。 设计
17、加气系统需要评估如下可变因素： 1）压缩机大小及台数。 2）储气规模及储气装置分区情况。 3）加气抢数量。 4）每日充气车辆数。 5）是否预留慢充加气系数。 6）投资能力。 为此，CNG加气站初步设计应考虑以下步骤： 1）确定一日中和高峰小时欲充装的汽车类型和数量。 2）建立逐时加气车辆数变化表，平均充装量可按15.4 m3/辆计算。 3）选定充装用时（快、中和慢速），CNG需要在高峰小时内每个加气抢按充装10辆车计。 4）确定优先/顺序系统及其储气容积利用率（%），参考表8-10. 5）设定压缩机型号及其所推荐的储气装置瓶组大小，对较大型加气站可参考如下压缩机容量（m3/h）与储气水容积（m
18、3）相对比例关系 压缩机200m3/h储2m3； 压缩机400m3/h储4m3； 压缩机800m3/h储8m3； 6）做出逐时供需气量平衡表。 7）调整所需压缩机或储气装置瓶组，满足加气要求即告完成计算。 4、CNG汽车及其基本性能 CNG汽车的概念很广。若以车载天然气的形态，可把天然气汽车区分为：压缩天然气、液化天然气和压力吸附式（用金属）天然气汽车。若以替代燃料的程度可把天然气汽车区分为：压缩天然气单一燃料、压缩天然气和汽油切换两用燃料以及压缩天然气加柴油喷射双燃料汽车。实际应用最为广泛的是后两种。 由原装汽油机改成适用于CNG的发动机，相对于柴油机的改装要简单容易得多，因为汽油机是奥托电
19、火花点燃式内燃机，但改装后其功率要比原机下降8%以上。由于燃料的改变，天然气以气态进入气缸，点火提前角、压缩比、空燃比控制和混合特性等还需要调整优化。 由原装柴油机改成适用于单燃料CNG的发动机，则需将狄塞尔机改成奥托机，采用火花点火。天然气燃点高，即使在高压缩比（）之下也不易点着，若过高还易引发爆震，因此发动机需作较大的改动，以选择合适的压缩比。然而，天然气的辛烷值高，抗爆性能好，改装后其动力性不降低。 改装后的汽油或柴油车辆，由于要增加CNG气瓶（公称压力20MPa）的荷载和随之需提高车身高度（承载弹簧加力引起的），无疑其造价要比原车贵一些。 根据1997年日本丰田汽车公司的经验，把汽油机
20、和柴油机改装后车辆的动力性、经济性和污染物排放特性作了综合比较，见表8-12. 21世纪前夕，汽车制造商在全球生态环境恶化的压力下，汽油机广泛采用电子喷射、三元催化剂、O2传感器和空燃比反馈控制技术等新技术。向超低排放技术发展，促使CNG汽车不能停留在简单的燃料替代改造的水平，进一步跨向CNG汽车发动机整机性能优化匹配的研制和开发。CNG在火花点火式汽油机上的应用技术主要是混合器的改进，由机械调节改成电子控制，进而又变成全电子数字控制，其控制功能日趋完善。CNG在重型柴油机上引燃柴油和CNG的形式，围绕其引燃油量和气量的控制问题，已进入到电子控制时代。还有一项是围绕着发动机效率、燃料经济性、动
21、力性和排放性能的问题，采用了理论空燃比反馈控制和稀燃技术等。 具有新技术特点的CNG单一燃料汽车见图8-21，其CNG燃料系统如图8-22所示。 评价新技术在整车性能上的成效可归纳为以下三点。 1）动力性 改用CNG以后，功率可保持或超过原有水平，但对原汽油机还是有功率损失，这取决于原发动机技术水平和使用状况。一般CNG发动机比汽油机的容积效率低10%15%，功率损失约为5%20%。 CNG发动机往往在理论空燃比附近（A/F=16.8左右时）可获得最大功率，这是它与汽油机的不同之处。这也表明O2传感器更适用于CNG发动机作为控制反馈元件，并很好地兼顾了动力性和排放性能。 2）经济性 一般说，C
22、NG汽车的经济性好于汽油车。该车发动机磨损少，寿命长，维修保养费低，燃料价格又低。但从能量消耗方面，比汽油车改善幅度显然不大，与柴油车比则更差。CNG发动机毕竟是按奥托循环改成的，其热力循环效率肯定比柴油机低，只是由于其燃料抗爆性好，压缩比一般可达12：1，故由热损失可得到补偿。 3）排放性能 与汽油车相比，CO和HC可大幅降低，但NOx降低不太明显。与柴油车相比，NOx和PM改善得十分明显。由于天然气是C/H比最小的燃料，单位能量CO2之排放量最低的优势很明显。 必须指示的是，任何发动机，随着环境温度的降低，污染物排放会增加，变化情况见表8-13. 从表8-13可知CNG车排放污物中HC成份最高，但都是以未燃尽、无毒的CH4为主。 显然，电喷、O2传感器、三元催化剂和稀燃技术在很大程度上改善了汽车的排放性能，同时为CNG发动机的改进指出了方向。