深圳市CNG加氣站脫水裝置設(shè)置探討

摘 要

摘要：在選擇CNG加氣站脫水方式時(shí)，要結(jié)合就地條件，主要根據(jù)壓縮機(jī)的性能和氣源選擇采用前脫水或后脫水。個(gè)別站場(chǎng)對(duì)出氣氣質(zhì)要求更加嚴(yán)格時(shí)，在條件允許的情況下還可選擇壓縮機(jī)前
摘要：在選擇CNG加氣站脫水方式時(shí)，要結(jié)合就地條件，主要根據(jù)壓縮機(jī)的性能和氣源選擇采用前脫水或后脫水。個(gè)別站場(chǎng)對(duì)出氣氣質(zhì)要求更加嚴(yán)格時(shí)，在條件允許的情況下還可選擇壓縮機(jī)前后均設(shè)置脫水裝置方式。
關(guān)鍵詞：CNG加氣站；脫水裝置；低壓；中壓；高壓；加氣母站
    CNG加氣站主要是用于汽車加氣，它與民用天然氣站相比，對(duì)天然氣中的水含量和硫含量的要求更為嚴(yán)格，特別是天然氣中的水含量，如果超標(biāo)，它將會(huì)引起兩個(gè)不良作用：第一，水和硫化氫反應(yīng)生成硫酸，CNG中假若有硫酸生成，它將會(huì)腐蝕CNG站的設(shè)備和儲(chǔ)氣罐，以及腐蝕汽車的加氣瓶一旦發(fā)生泄露，爆炸事故很容易發(fā)生。其次，汽車的加氣瓶中所充的天然氣一般是25Mpa，汽車在燃燒天然氣時(shí)，首先是減壓，由于急劇減壓會(huì)在減壓閥和氣體管路中產(chǎn)生焦耳-湯姆遜效應(yīng)，倘若CNG中的水含量過(guò)高，就會(huì)因制冷效應(yīng)而發(fā)生冰堵導(dǎo)致汽車供氣不暢的后果。
    壓縮天然氣汽車加氣站進(jìn)站天然氣的質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《天然氣》GB 17820中規(guī)定的Ⅱ類氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和壓縮機(jī)運(yùn)行要求的有關(guān)規(guī)定。增壓后進(jìn)入儲(chǔ)氣裝置及出站的壓縮天然氣的質(zhì)量，必須符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《車用壓縮天然氣》GB 18047的規(guī)定：在汽車駕駛的特定地理區(qū)域內(nèi)，在最高操作壓力下，車用CNG的水露點(diǎn)不應(yīng)高于-13℃。當(dāng)最低氣溫低于-8℃時(shí)，水露點(diǎn)應(yīng)比最低氣溫低5℃(相當(dāng)于在常壓下不高于-55℃)。因此必須在加氣站中對(duì)原料氣進(jìn)行深度脫水。
1 壓縮天然氣脫水工藝
    一般用于天然氣脫水的方法有吸收法脫水、吸附法脫水和低溫法脫水。應(yīng)根據(jù)天然氣氣質(zhì)情況、用戶要求、脫水要求以及經(jīng)濟(jì)比較確定合理的脫水方法。吸收法和吸附法主要應(yīng)用于水露點(diǎn)的控制。低溫法可同時(shí)控制水露點(diǎn)和烴露點(diǎn)。吸附法脫水深度比吸收法要高的多，但設(shè)備投資較大。由于天然氣汽車用燃?xì)鈱?duì)水分的要求很高，故目前國(guó)內(nèi)外一般采用分子篩吸附脫水的干燥工藝。
    CNG加氣站中的脫水裝置按其在加氣站工藝流程中的位置不同可分為低壓脫水(壓縮機(jī)前脫水)、中壓脫水(壓縮機(jī)級(jí)間)及高壓脫水(壓縮機(jī)后)三種。這里只討論低壓脫水和高壓脫水。
    (1) 低壓脫水(壓縮機(jī)前脫水)
原料天然氣進(jìn)站后，先經(jīng)過(guò)濾、計(jì)量、凋壓進(jìn)入緩沖罐，再進(jìn)入前置脫水裝置進(jìn)行深度脫水，使水露點(diǎn)不高于-55℃(常壓下)，脫水后的天然氣進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)多級(jí)增壓，達(dá)到25MPa后進(jìn)入儲(chǔ)氣裝置或直接給汽車加氣(圖1)。
 
   (2) 高壓脫水(壓縮機(jī)后)
原料天然氣進(jìn)站后，先經(jīng)過(guò)濾、計(jì)量、調(diào)壓進(jìn)入緩沖罐，再進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)多級(jí)增壓，達(dá)到25MPa后進(jìn)入后置高壓脫水裝置進(jìn)行深度脫水，使露點(diǎn)不高于-55℃(常壓下)，脫水后的天然氣經(jīng)分配裝置進(jìn)入儲(chǔ)氣裝置或直接給汽車加氣(圖2)。
 
    加氣站內(nèi)的脫水工藝宜采用固體吸附法。在壓縮機(jī)前進(jìn)行脫水時(shí)，宜采用活性氧化鋁-分子篩或硅膠-分子篩兩級(jí)脫水裝置；在壓縮機(jī)后脫水時(shí)，宜采用分子篩一級(jí)脫水裝置。天然氣脫水裝置設(shè)置在壓縮機(jī)后或壓縮機(jī)中段時(shí)，壓縮天然氣進(jìn)入脫水裝置前，應(yīng)先經(jīng)過(guò)間冷、氣液分離和除油過(guò)濾裝置，以脫除游離的水分和油分。
    低壓脫水設(shè)備處于壓縮機(jī)前端，因此進(jìn)入壓縮機(jī)的氣體為純凈的干氣，無(wú)雜質(zhì)的氣體對(duì)壓縮機(jī)不造成磨損，可延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命。由于氣體中無(wú)水分，又提高了壓縮機(jī)的產(chǎn)氣效率。壓縮機(jī)機(jī)組中無(wú)需設(shè)置冷凝水導(dǎo)出系統(tǒng)。由于操作壓力較低，對(duì)容器制造工藝要求低。缺點(diǎn)是脫水設(shè)備體積較大，且脫水量大，所需再生能耗較大。另外此方法處理天然氣易受天然氣氣質(zhì)影響，若來(lái)氣含水量不穩(wěn)，會(huì)影響脫水效果，同時(shí)，由于天然氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后有時(shí)會(huì)帶出一些雜質(zhì)，會(huì)影響車用氣質(zhì)量。
    而高壓脫水處理壓縮機(jī)的末端，未經(jīng)精處理的濕氣和雜質(zhì)會(huì)造成壓縮機(jī)閥件及活塞的過(guò)早磨損和降低產(chǎn)氣量。并且由于壓力高達(dá)25MPa，對(duì)容器制造工藝要求高，需設(shè)置可靠的冷凝水導(dǎo)出系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。優(yōu)點(diǎn)是干燥器設(shè)備體積小、再生氣量少、干燥后的氣體露點(diǎn)低(≤-60℃)等。由于天然氣通過(guò)壓縮所形成的冷凝水排出量約占總脫水量的70%～80%，故采用壓縮機(jī)后脫水或級(jí)間脫水所需用的設(shè)備、脫水劑、再生能耗低。并且處理后的天然氣不會(huì)再受二次污染，使車用氣質(zhì)量穩(wěn)定。
表1 高壓脫水，低壓脫水的特點(diǎn)
脫水方式
低壓脫水
高壓脫水
對(duì)壓縮機(jī)的影響
保護(hù)壓縮機(jī)
對(duì)壓縮機(jī)的汽缸等部位產(chǎn)生一定腐蝕
吸附劑的壽命
吸附劑的使用壽命長(zhǎng)
吸附劑的使用壽命短
運(yùn)行成本及維修費(fèi)用
更換閥件容易，材料費(fèi)用低
運(yùn)行成本及維修費(fèi)用相對(duì)較高
處理效果
氣質(zhì)可能不穩(wěn)定
氣質(zhì)穩(wěn)定
    天然氣脫水裝置的位置應(yīng)據(jù)下列條件確定：
    ① 對(duì)選用的壓縮機(jī)在運(yùn)行中，其機(jī)體限制冷凝水的生成量，且天然氣的進(jìn)站壓力能克服脫水系統(tǒng)等阻力時(shí)，應(yīng)將脫水裝置設(shè)置在壓縮機(jī)前(低壓脫水)；
    ② 對(duì)選用的壓縮機(jī)在運(yùn)行中，其機(jī)體不限制冷凝水的生成量，并附有可靠的導(dǎo)出措施時(shí)，可將脫水裝置設(shè)置在壓縮機(jī)后(高壓脫水)。
    ③ 對(duì)于在市政中壓管網(wǎng)上取氣的CNG標(biāo)準(zhǔn)站，考慮到中壓管網(wǎng)壓力不高，假如放在中壓前置脫水，勢(shì)必造成壓縮機(jī)排量的減少或功率的增大。
3 本地區(qū)汽車加氣站脫水裝置的方式選擇
    2008年深圳市完成了管道石油氣向天然氣的整體轉(zhuǎn)換，深圳市陸續(xù)用上了清潔能源天然氣，氣化率逐年大幅上升，2009年9，深圳燃?xì)饧瘓F(tuán)與中石油昆侖天然氣公司簽署《深圳市CNG項(xiàng)目合資經(jīng)營(yíng)框架協(xié)議》，正式掛牌成立深圳中石油深燃天然氣利用公司，大力發(fā)展CNG汽車加氣市場(chǎng)，先期建設(shè)4座CNG加氣站。CNG加氣站將在深圳得到大力發(fā)展，下面就對(duì)該地區(qū)加氣站采用何種脫水方式作簡(jiǎn)單分析。
   (1) 對(duì)于加氣母站
   加氣母站兼有對(duì)附近小規(guī)模用氣城鎮(zhèn)供氣的功能，目前國(guó)內(nèi)建設(shè)的加氣母站設(shè)備先進(jìn)，壓縮機(jī)性能良好。深圳市建設(shè)加氣母站氣源可考慮來(lái)自西氣東輸二期管線，國(guó)家西氣東輸二線東段工程項(xiàng)目2011年底竣工投產(chǎn)，每年為深圳提供40×108m3天然氣，穩(wěn)定供氣30年，高壓管道管徑DN800，設(shè)計(jì)壓力4MPa。氣源主要是土庫(kù)曼斯坦氣田的天然氣，屬于氣井天然氣，主要成份為甲烷(CH4)，體積組分約占天然氣的96%，另外還含有乙烷、丙烷等其它烴類，以及CO2、N2等，氣質(zhì)符合《天然氣》GB 17820中規(guī)定的Ⅱ類氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，含水量少并且穩(wěn)定，接收門站壓力高達(dá)4MPa，使用低壓(前置)脫水方式，不會(huì)由于進(jìn)氣壓力低，而使設(shè)備體積大。因此本地母站采用低壓脫水的方式是合理的，并且有效的保護(hù)了壓縮機(jī)，又提高了壓縮機(jī)的產(chǎn)氣效率。
    (2) 對(duì)于CNG標(biāo)準(zhǔn)站
    隨著CNG汽車用戶的發(fā)展，深證將迎來(lái)CNG加氣站的建設(shè)高峰期，以滿足不斷增長(zhǎng)的CNG汽車加氣需求。對(duì)于本地CNG標(biāo)準(zhǔn)站的脫水裝置設(shè)置需考慮以3個(gè)方面：
    ① 取氣管網(wǎng)壓力；
    ② 管網(wǎng)里氣源的氣質(zhì)；
    ③ 初投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。
    CNG標(biāo)準(zhǔn)站天然氣基本來(lái)源于市政管網(wǎng)，深圳市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)已初具規(guī)模，建成高壓、次高壓管線161km，中壓市政管網(wǎng)1169km，因此待建的CNG標(biāo)準(zhǔn)站可根據(jù)場(chǎng)站位置分別考慮：
    (1) 站址靠近中壓管線，從中壓管網(wǎng)取氣壓縮。由于中壓管道壓力為0.15MPa，而低壓脫水裝置壓力損失約為0.03～0.05MPa，若前置脫水的話，勢(shì)必造成壓縮機(jī)排量的減少或功率的增大。本地管網(wǎng)里氣源氣質(zhì)良好，在門站又經(jīng)過(guò)了一次過(guò)濾清潔的過(guò)程，含水和硫化氫的量很小，所以對(duì)壓縮機(jī)危害不大；另外本地CNG標(biāo)準(zhǔn)站用地面積小，考慮到高壓脫水在25MPa的工作壓力下，設(shè)備體積小，壓力損失小，占地面積小，并且購(gòu)置費(fèi)用相對(duì)較低，故此情況下CNG標(biāo)準(zhǔn)站基本采用高壓脫水的干燥方式。
   (2) 站址靠近高壓管線，對(duì)于燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，壓力就是財(cái)富，可以充分利用高壓管線壓力，從高壓系統(tǒng)中取氣壓縮。由于市政管道內(nèi)天然氣氣質(zhì)良好，而且壓力相對(duì)較高，此情況下高壓脫水、低壓脫水均可采用，具體視項(xiàng)目實(shí)際情況確定。
4 結(jié)論
   在選擇CNG加氣站脫水方式時(shí)，一定要從整體考慮，結(jié)合本地的條件，主要根據(jù)壓縮機(jī)的性能和氣源選擇采用前脫水或后脫水。個(gè)別站場(chǎng)對(duì)出氣氣質(zhì)要求更加嚴(yán)格時(shí)，在條件允許的情況下還可以選擇壓縮機(jī)前后均設(shè)置脫水裝置的方式，這里不再贅述。
 
(本文作者：朱軍1 李雪飛2 張華3 1.深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司 廣東深圳 518040；2.安徽建筑工業(yè)學(xué)院 安徽合肥 230022；3.中國(guó)燃?xì)饪毓捎邢薰?廣東深圳 518033)