CNG加气站压力提升的技术研究和经济性分析

CNG加气站压力提升的技术研究和经济性分析
武汉齐达康环保科技股份有限公司：方红星
一   提问
将CNG加气站（以下简称“加气站”）系统压力提高到35MPa，储气瓶组压力提高到35MPa，车载瓶压力提高到30MPa，现有的加气站如何改造？新建加气站如何建设？其经济性如何？
二   现有加气站改造方案
2.1. 改造技术路线：
加气站内卸气柱、压缩机、储气瓶组、加气机等设备压力等级提升的技术，已经在各相关企业以企业标准或国家（行业）标准的形式得以实现，加气站建设只是将这些设备有效利用而已。将在用或在建的加气站原有的系统压力保持在25MPa不变，新增系统压力按35MPa设计。加气车辆按车载瓶的压力不同分为两个区，载20MPa车用瓶的车辆在20MPa加气区，载30MPa车用瓶的车辆在30MPa加气区，各区采用不同的加气枪，不能通用，以示分开，确保安全。
2.2. 现有模块化设备介绍

图一：模块化集成加气橇装设备

说到加气站改造，不得不先提到一种设备：模块化集成加气橇装设备（集成式CNG加气站）。在GB50156《汽车加油加气站设计与施工规范》2014版实施后，集成式加气设备就应运而生，这种设备现在已普遍使用，效果也很理想：建站周期大大缩短，建站也更加简单。
图一中的模块化集成加气设备包含六大功能模块：卸气功能（能连接一台或两台CNG槽车）、增压功能、储气功能（含中、高压瓶组）、顺序加气功能、售气功能（含一台至四台售气机）、防爆PLC控制功能。可根据客户需求，选择其中的任何功能集成安装设计，能实现：一台设备即是一个CNG加气子站。其所用的增压设备为液压压缩机，液压压缩机在提高排气压力、降低故障率、降低气体泄漏率等方面，较传统机械压缩机有极大的优势。有了这种集成化设备，使加气站改造变得简单。
2.3. 加气母站改造：

图二：典型的加气母站流程示意图

图二是典型的加气母站流程示意图，只是系统设计压力最高为25MPa。当加气站内需要增加35MPa加气系统，给30MPa的CNGV加气时，只需在压缩机的高压出口增加一套模块化集成加气设备即可（如图三：改造后的CNG加气母站流程示意图），原来的系统及设备照样给20MPa的CNGV加气。对压缩机、特别是液压压缩机来说，将天然气压力从15－25MPa增压到35MPa，是一件很容易的事情，且由于储气瓶组采购成本大大降低，在加气站增加一套3方或6方瓶组的成本不大，集成后对加气站改造的周期大大缩短，除了在新的系统与原系统管道对接需要停止加气外，几乎不影响现在加气站对外售气。

图三：改造后的CNG加气母站流程示意图

图三：改造后的CNG加气母站流程示意图

 
 

2.4. 加气子站改造

图四：典型的加气子站流程示意图

图四是典型的加气子站流程示意图，只是系统设计压力最高为25MPa。当加气站内需要增加35MPa加气系统，给30MPa的CNGV加气时，与加气母站一样，只需在压缩机的高压出口增加一套模块化集成加气设备即可（如图五：改造后的CNG加气子站流程示意图），原来的系统及设备照样给20MPa的CNGV加气。

图五：改造后的加气子站流程示意图

2.5. CNG加气站常规站改造

图六：典型的CNG常规加气站流程示意图

图六是典型的CNG常规加气站流程示意图，只是系统设计压力最高为25MPa。当加气站内需要增加35MPa加气系统，给30MPa的CNGV加气时，与加气母站和子站一样，只需在压缩机的高压出口增加一套模块化集成加气设备即可（如图七：改造后的CNG常规加气站流程示意图），原来的系统及设备照样给20MPa的CNGV加气。

图七：改造后的CNG常规加气站流程示意图

 
 
2.6. L－CNG加气站改造

图八：典型的L－CNG加气站流程示意图

图八是典型的L－CNG加气站流程示意图，只是系统设计压力最高为25MPa。当加气站内需要增加35MPa加气系统，给30MPa的CNGV加气时，与加气其它种类加气站一样，只需在压缩机的高压出口增加一套模块化集成加气设备即可（如图九：改造后的L－CNG加气站流程示意图），原来的系统及设备照样给20MPa的CNGV加气。
 

图九：改造后的L－CNG加气站流程示意图

 

 

三   新建加气站方案
新建的系统压力为35MPa的加气站又分别与图二、图四、图六、图八一样，只不过系统压力由25Mpa提高为35MPa而已。当然，对20MPa的CNGV与30MPa的CNGV应区别对待，应强制区分在不同的售气机上加气，就象给汽油车加油的92#与95#应强制区分开来一样。只需将售气机的加气程序稍作改动即可。即给20MPaCNGV加气时，用20MPa的加气程序，同样的售气机，如果设置在30MPa的加气区，则用30MPa的加气程序。
 
四   改造后的经济效益和社会效益
4.1.  加气效率提升。计算依据如下：
Ø  加气的流速取决于压差，压差越大，流速越高，加气则越快；
Ø  提高压力限值后，加气时间将有所增加。现有加气站，将空瓶加气到20MPa，与提高压力限值后的加气站，将10MPa加气到30MPa相比，两者压差均为20MPa，所需加气的时间基本一样。因此，CNGV加气时间只是增加CNGV车载瓶内压力从0增压到10MPa 所需的时间；
Ø  提高压力限值后的加气站，将35MPa气体把空瓶（瓶的容积80升）从 0 加到压力为10MPa，13秒。即全部加气时间比原来增加13秒
Ø  从下表中可以看出，CNGV进站加气时间13.5秒/方提高到10.4秒/方，节省时间23%，同时，加气站因每方气的加气时间缩短，也节省人工成本25%.

车载瓶压力限值	20MPa	30MPa	备注
加气时间（秒）	150	163
从进站到出站时间（秒）	270	283
加气量（方）	20	27.2
充气枪每方气的加气时间（秒）	7.5	5.99	加气站节省人工成本25%
司机每方气的站内时间（秒）	13.5	10.4	司机每次加气节约时间23%
说明：20MPa的时间是实际测量时间，30MPa的时间是理论推测

 
4.2.  运输成本减少
Ø  前提：18方水容积槽车、运输距离100公里。平均每趟能槽气3700方（总气量约4200方，槽车卸气到4MPa时的卸气量），平均成本约0.35元/方（武汉、气温25℃）；每天10万方（母站），需27车次；
Ø  压力限值提高到30MPa后，在槽车的重量等级不变的情况下，平均每趟能运气5200方（总气量5700方），只需19.2车次，平均成本0.25元/方；节约运输成本29% .

运输效益分析表
槽车压力（MPa）	20	30
槽车容积（方）	18	18
运气量(Nm3)	3700	5200
每天10万方运输车次	27	19.2
百公里运费（元/方）	0.35	0.25

 
4.3.  加气站改造费用
4.3.1.    CNG加气站提高压力改造方案
前面的分析中已有说明：只需增加一台集成橇（设计压力35MPa）即可。改造过程中，可以先将改造区与生产区隔离开，改造管路及安装准备好，只是在施工处理最后一个焊点时，加气站停止对外售气。时间从第一天晚上9点到第二天早上9点，加气低谷段，且有预先通知，对加气站经营影响不大。
4.3.2.    增压橇技术参数
考虑到液压增压橇需与前面的机械压缩机联动，因此其最大排气量不能低于前面的机械压缩机的排气量，因此液压压缩机的最大排气量应该涵盖此范围。下表中的技术参数可以适用于大多数的加气站改造。

增压橇技术参数
序号	要求内容及指标	数值
		充25MPa槽车	充30MPa槽车
1	进气压力(MPag)	3.0～30.0
2	环境温度(℃	-40～40
3	进气过滤精度（μm）	5
4	排气压力(MPag)	30	35
5	最大排气量（Nm3/h）	2900	2700
6	噪音 db (A)	≤75
7	增压方式	液压驱动
8	冷却方式	全风冷
9	油箱容积(L)	600
10	增压电机总功率(kW)	37
11	机组总功率(kW)	≤42
12	机组外形(长×宽×高mm)	3000×2500×5000
13	运输尺寸(长×宽×高mm)	3000×2500×2800

4.3.3.    改造所需设备及费用估算：

CNG加气站提高压力所需设备及费用估算
	设备名称	内容（规格）	数量	价格
	液压增压集成橇	一橇双机：两台18.5kW主电机，总排量4000方/小时，可根据前端机械压缩机的排量，自动控制电机的开启。含1方缓冲瓶、2台加气柱、防爆PLC控制柜	1	75万
	电缆	长度现场定	1组	1.5万
	球阀	PN35、DN25	1	2000
	钢管	φ34x5	50米	3000
	土建施工	电缆沟开挖及恢复，气管沟开挖及恢复，压缩机水泥基础等项目		2万
	设备吊装	一次到位		1000
	管线安装	含人工、射线探伤		3万
共计			82.1万

4.3.4.    改造后运行成本
Ø  电费成本：原来只需增压到25MPa，改造后需要增压到35MPa，除了一次性改造投资外，在设备运行过程中，电量也会增加。折算到每方气增加的电费成本为：小时耗电量/小时排量。即：
42kW.h/2700=0.0156度电/方（约0.016元/方）
Ø  加气站节省人工成本：由于加气枪每方气的加气时间节省25%，则加气站人力成本可节省25%，以武汉为例，加气站的加气量为15000方/天，加气操作人力成本为3500元/月（含社保），加气量不变的情况下，可以节省2人（昼夜），约7000元/月，折算到单位成本为：
7000/(15000×30)=0.016元/方
 
五   总结：
1    压缩机是加气站提高压力限值的增压设备，出口压力达35MPa的机械压缩机有较多的生产厂家，液压压缩机的出口压力有50Mpa（用于氢气压缩）甚至更高。瓶组、加气机、卸气柱等可以按国家相关压力容器（瓶）标准，根据需求达到35MPa。能够满足加气站压力限值提升需求，技术可靠；
2    加气站建设，老站采用增加一台集成橇装设备（含缓冲、增压、计量）的方法完成改造，方便可靠，新建站则直接按35MPa系统压力设计安装。可将20MPa车载瓶与30MPa车载瓶按不同加气区分开，并用不同的加气嘴强制区分，技术可行；
3    加气站提高压力限值改造后，增加设备投资80多万，电耗成本增加约0.016元/方。司机每次加气节约时间23%，加气站节省人力成本0.016元/方，节省运输成本29%，15000方/天的加气子站年节省54万元，可以在18个月内收回成本。至于母站和常规站的投资成本则是无法收回。但由于压力限值提高，天然气终端客户群将会大大增加，加气站的效益也会相应增加。