天然气加气站地面储气设备选型简介

天然气加气站地面储气设备选型简介

陈继帅

高拓石油天然气技术（上海）有限责任公司 上海市 201399

摘要：本文介绍了国际、国内压缩天然气运输设备的类型、制造标准和设计制造单位的资质要求，并对各标准和大、小容积气瓶组成的运输设备进行了比较。

关键词：压缩天然气；气瓶；运输设备；制造；设计；资质；比较

一、 加气站内压缩天然气（CNG ）地面储存设备的压力等级

液态燃料（比如汽油、柴油、LPG）的加注动力来源于站内的一个液泵。而天然气燃料的加注与液体燃料的加注方式不同，通过气体压差自动把高压气体充装到NGV车上的气瓶内。因此，为加速气体的快速流动，短时间内给NGV车上气瓶加满气，压缩机出口压力或加气站内储气装置的储气压力必须高于NGV车上气瓶加满气的压力。而且不用外界另提供动力。

根据目前加气站的生产状况，用于储存CNG的设备压力等级如表1

表1 CNG运输、储存设备压力等级汇总表

按照中国《气瓶安全监察规程》规定气瓶的公称工作压力^[2]定义：对于盛装压缩天然气的气瓶，系指在基准温度时（20℃），所盛装气体的限定充装压力。

工作压力^[2]是指压力容器在正常工作情况下，其顶部可能达到的最高压力（表压力）

下面主要介绍在国内使用的压缩天然气运输设备。

二、天然气储存设备制造单位的资质

在中国境内，CNG地面储存设备属于特种设备，强制执行中华人民共和国国务院令 第549号《国务院关于修改〈特种设备安全监察条例〉的决定》，该条例自2009年5月1日起施行。  

和CNG 地面储存设备相关的《特种设备安全监察条例》条款汇总如下：
　　第二条  本条例所称特种设备是指涉及生命安全、危险性较大的锅炉、压力容器（含气瓶，下同）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施和场（厂）内专用机动车辆。
　　第三条  特种设备的生产（含设计、制造、安装、改造、维修，下同）、使用、检验检测及其监督检查，应当遵守本条例，但本条例另有规定的除外。

第六条  特种设备检验检测机构，应当依照本条例规定，进行检验检测工作，对其检验检测结果、鉴定结论承担法律责任。

由此可见，CNG地面储存设备属于特种设备管理范畴，制造单位应取得中华人民共和国国家质量监督检疫建议总局颁发的特种设备制造许可证（包含境外制造单位）。我国对压力容器的制造实行压力容器制造许可证制度，制造单位应取得相应级别的证书后才能进行生产。压力容器制造许可级别划分见表2

表2 压力容器制造许可级别划分

按照上表的级别划分，加气站内天然气储存设备的制造单位应取得A1或D1级别的证书（包含境外制造单位）。

三、 设计单位的资质

我国现行的压力容器设计实行“特种设备设计许可证”制度，在制度中明确了压力容器的类别和品种范围，涉及到CNG地面储存设备的类别和品种有A1高压容器（仅限于高压单层）或D1无缝气瓶或D3特种气瓶、SAD压力容器分析设计。

由此可以得出结论：从事高压气体运输设备设计的单位至少必须取得A1或者D1或者D3的设计许可证。

对于CNG 地面储存设备的固定装置（比如固定瓶组的框架、钢带、前后管板等部件）设计应采用SAD压力容器分析设计，以消除设备在充装、卸气过程中因温差引起的峰值应力，有效避免固定装置在使用时结构的失效。

对于气瓶的设计实行设计文件备案管理制度，即气瓶设计图纸要经过国家质量管理部门的审批并定型、备案。

四、CNG 地面储气装置

4.1 CNG 地面储气装置的作用

一旦气体被压缩到高压，就可以给汽车加气。在一些可以整夜慢充的加气站中，气体通过一个售气系统或加气柱被直接充装到NGV车的储气瓶中。即称为慢充加气站内，适合于家庭用小排量加气。

加气站内安装储气装置的主要目就是节能降耗，主要体现在以下几个方面：

1. 减少压缩机（增压机）的启动频率

2. 缩短压缩机（增压机）的工作时间

3. 提高瓶组内气体的使用率

4. 实现对供气设备的不间断供气

5. 缩短加气时间

6. 延长系统的使用寿命

4．2 CNG 地面储气装置的工作原理

由于加气站内储气装置的最高工作压力一般为25MPa，NGV车上气瓶加满气的最高压力（气瓶称为公称工作压力）为20MPa，如果站内压缩机停止向储气装置供气时，储气装置给NGV车加气时只有25-20=5MPa的气体可以利用，气体的最高利用率为：

（300.37-252.7）/300.37 = 15.8%

即只有15.8%的高压气体被利用，剩余的近85%的气体得不到应用，浪费能源和投资，直接导致加气站运行成本大幅度提高。

为提高地面储气装置内高压气体的利用率，一般采用三级储气系统，在该系统中人为把储气装置分为完全独立的三组（或称为三级、三部分），按照从储气装置内取气的顺序划分为低压组（首先取气）、中压组（第二取气）、高压组（最后取气），通过一个较复杂的顺序充气方案（一般和压缩机配套供应）将CNG充装到三级储气装置中，气体从储气装置中取出的方案是通过售气机中“顺序取气系统”或简单的顺序充气办法来完成的。

三级储气装置的划分不是按照储气装置的压力等级来划分的，每组储气装置的原始工作状况是相同的，只是卸压后设置再次充气的启动压力不同。通常情况下，三级储气装置充满气时压力相同均为24.8~25MPa。

• 给NGV车内气瓶加气时，售气机首先从低压组取气，一旦低压组气体压力降低到规定的最低值（也可以根据流量大小）时，售气机的顺序控制系统会自动将气源切换到中压组，同样通过压差继续给NGV车气瓶充气直到中压组气体的压力降到规定的最小值时，自动切换到高压组，一旦高压组内气体压力（或气体流速）降到某一设定值时，与压缩机配套的顺序充气装置会自动启动压缩机，直接给NGV车气瓶充气，直到NGV车气瓶加满气为止。

4.3 CNG 地面储气装置安装的场合

结合CNG地面储气装置的作用，CNG地面储气装置适合安装在以下场合：

1. 标准站

2. 传统（活塞往复式）加气子站

3. 液压活塞式加气子站

4. LCNG加气站

5. 具有给NGV车加气功能的加气母站

4、4 CNG 地面储气装置的形式

根据组成CNG 地面储气装置主体设备的结构形式不同，CNG地面储气装置分为以下三种形式：

1. 单个大容积瓶体组成的储气装置（无缝式、焊接式）

2. 单个小容积瓶体组成的储气装置

3. 地面储气井

图1 地下储气井式的储气装置

五、 CNG地面储存设备制造、检验标准

5.1 大容积气瓶CNG地面储存设备制造、检验标准

在中国，由于天然气加气站是近几年出现的新生事物，故目前还没有正式的大容积高压气瓶储储存装置的国家标准，为此国家发改委在石家庄的某企业起草四项国家标准----《大容积钢质无缝气瓶》、《高压气体长管压缩天然气运输半挂车》、《燃气调压装置》、《地面储气装置》，现该4项标准正在审批中。国内企业制造的大容积钢质无缝气瓶执行的标准为在中国气瓶标准化委员会备案的企业标准。

在国外，由于制造高压气体储运设备时间较长，通常执行ASME、ISO等通用标准，对于天然气储存设备执行的标准为ASME、ISO11120、CE中的一种。

天然气地面储存设备制造标准汇总如下表4

表4 高压气体储存、运输设备制造、检验标准汇总表

由于每套标准均自成体系，且重点考虑的方面不尽相同，故不同标准对产品的要求也不同。

5.2 小容积气瓶CNG运输设备制造、检验标准

中国境内使用时制造、检验标准如下：

GB19158《站用压缩天然气钢瓶》

《气瓶安全监察规程》

《固定式压力容器安全技术监察规程》

GB50156《汽车加油加气站设计与施工规范》2006年版

中国境外使用时制造、检验标准如下：

ISO11439

CE

……

且应以气瓶使用地政府认可的规范为准。

六、不同形式储存设备的比较

6.1、钢质大容积无缝气瓶与小容积无缝气瓶的比较

表6 钢质大容积无缝气瓶与小容积无缝气瓶的比较

6.2 钢质大容积无缝气瓶与焊接多层缠绕瓶的比较

表7 钢质大容积无缝气瓶与焊接多层缠绕瓶的比较

七、选型要点

当前，压缩天然气运输设备多种多样，如何有效选择适宜的运输设备需要考虑一下几个方面：

1. 1. 运输道路（含天然气终端用户的场地）的具体情况，确定车辆的外型尺寸和重量；

   2. 用户的用气量，以便确认运距和车辆类型、数量；

   3. CNG加气母站提供气体的压力等级，以便确认运输设备中气瓶的压力等级；

   4. 当地政府认可的CNG运输设备制造标准、规范；

   5. CNG运输设备制造商的资质、资信证书、售后服务体系和质量管理体系的完善程度，确保产品的质量，并能得到良好的服务；

   6. CNG运输设备的合法性，比如半挂车有没有公告，气瓶集装箱有没有船级社出具的认证报告等，以便半挂车上牌和气瓶集装箱上户；

   7. 投入资金情况，利于成本回收。

八、参考资料

1、《特种设备安全监察条例》

2、《气瓶安全监察规程》

3、《压力容器安全技术监察规程》1990版

4、《固定式压力容器安全技术监察规程》2009版

5、GB150《压力容器》2011版

6、GB50156-2002 《汽车加油加气站设计与施工规范》2006年版

7、ISO11439《气瓶——用于贮存汽车燃料(天然气)的高压气瓶》

8、ISO11120《气瓶—水容积150L~3000L的可重复使用的无缝钢制气瓶的设计、结构和试验》

9、《国质检特函[2005]203号《关于锅炉压力容器制造许可管理工作有关问题的意见》

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