CNG加气站压力提升的技术研究和经济性分析
2019-04-25 方红星 次 我有话说
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。