液壓式CNG汽車加氣裝置

摘 要

摘要：論述了液壓式CNG汽車加氣加氣裝置的設(shè)備組成、增壓原理、工作流程、壓力控制、注液量控制。在液壓介質(zhì)溫度控制、排氣流程、降低起動(dòng)電流等方面進(jìn)行了改進(jìn)。與壓縮機(jī)加
摘要：論述了液壓式CNG汽車加氣加氣裝置的設(shè)備組成、增壓原理、工作流程、壓力控制、注液量控制。在液壓介質(zhì)溫度控制、排氣流程、降低起動(dòng)電流等方面進(jìn)行了改進(jìn)。與壓縮機(jī)加氣裝置相比，液壓式CNG汽車加氣裝置能耗低，取氣率高，加氣速度穩(wěn)定，排氣溫升小，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝，發(fā)展前景廣闊。
關(guān)鍵詞：液壓式；CNG汽車；CNG加氣裝置；CNG加氣子站
CNG Vehicle Hydraulic Filling Device
WANG Xiao-qiang
Abstract：The composition，pressurization principle，workflow，pressure control and liquid injection control of CNG vehicle hydraulic filling device are discussed. Its hydraulic medium temperature control，gas exhaust flow，starting current control and so on are improved. Compared with compressor gas filling device，CNG vehicle hydraulic filling device has advantages of low energy consumption，high gas
intake rate-stable gas filling speed，small gas exhaust temperature rise，simple structure and easy installation，with wide development prospect.
Key words：hydraulic type；CNG vehicle；CNG filling equipment；CNG filling substation
    我國(guó)由于汽車保有量迅速增加，汽車尾氣帶來(lái)的環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。而以壓縮天然氣(CNG)為燃料的CNG汽車在尾氣排放方面具有明顯的優(yōu)越性，顆粒物排放幾乎為零，NOx、CO和HC的排放也顯著降低，因此，越來(lái)越多的城市開(kāi)始發(fā)展CNG汽車[1]，對(duì)CNG汽車加氣站的需求也日益旺盛。液壓式CNG汽車加氣裝置以其節(jié)能、取氣率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低噪聲等優(yōu)勢(shì)在眾多加氣裝置中脫穎而出。
1 液壓式CNG汽車加氣裝置簡(jiǎn)介
    液壓式CNG汽車加氣裝置適用于CNG加氣子站的建設(shè)，在沒(méi)有管輸天然氣的情況下，用CNG氣瓶車運(yùn)輸、儲(chǔ)存CNG，通過(guò)增壓裝置壓縮CNG，為CNG汽車加氣[1]。圖1是用該裝置建設(shè)的CNG加氣子站工作示意圖。
 
1.1 液壓式CNG汽車加氣裝置的設(shè)備構(gòu)成
    構(gòu)成液壓式CNG汽車加氣裝置的主要設(shè)備有CNG氣瓶車、液壓式增壓裝置、控制柜、空氣壓縮機(jī)。
    本文中的CNG氣瓶車是在普通CNG氣瓶車基礎(chǔ)上改裝而成的，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。每輛CNG氣瓶車都有8個(gè)儲(chǔ)氣瓶，為了簡(jiǎn)化圖形，圖中只畫出2個(gè)儲(chǔ)氣瓶。儲(chǔ)氣瓶?jī)啥说淖⒁洪y、回液閥和排氣閥都是常閉型氣動(dòng)球閥，向氣動(dòng)球閥的氣缸充壓縮空氣則氣動(dòng)球閥開(kāi)啟；氣缸泄氣則氣動(dòng)球閥關(guān)閉。
 
    液壓式增壓裝置的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1中虛線框內(nèi)部分，主要設(shè)備有液壓介質(zhì)儲(chǔ)罐、柱塞泵、電動(dòng)機(jī)，圖1中省略了驅(qū)動(dòng)柱塞泵的電動(dòng)機(jī)。這些設(shè)備集成在一個(gè)橇塊上，一端通過(guò)注液管、回液管和排氣管上的快裝接頭和CNG氣瓶車連接，另一端和加氣機(jī)連接。
    控制柜是本裝置中的控制設(shè)備，以可編程邏輯控制器(PLC)和觸摸屏為核心，PLC通過(guò)中間繼電器和電磁閥控制CNG氣瓶車上的氣動(dòng)球閥和液壓式增壓裝置。觸摸屏起監(jiān)控作用，用戶可以在觸摸屏上查看系統(tǒng)壓力、液壓介質(zhì)溫度等參數(shù)，修改系統(tǒng)壓力上限、下限等參數(shù)。
    空氣壓縮機(jī)的作用是生產(chǎn)壓縮空氣以驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)球閥，使得控制柜可以遠(yuǎn)程控制CNG氣瓶車上的氣動(dòng)球閥。
1.2 液壓式CNG汽車加氣裝置的原理及流程
   ① 增壓原理
   液壓式CNG汽車加氣裝置的增壓原理見(jiàn)圖1。利用柱塞泵將液壓介質(zhì)經(jīng)注液管注入CNG氣瓶車上的儲(chǔ)氣瓶，壓縮儲(chǔ)氣瓶中的CNG，并將CNG置換出來(lái)，經(jīng)排氣管給CNG汽車加氣，柱塞泵的流量決定了液壓式CNG汽車加氣裝置加氣的速度，這一過(guò)程稱為注液。當(dāng)注入儲(chǔ)氣瓶的液壓介質(zhì)的體積達(dá)到儲(chǔ)氣瓶容積的95%左右時(shí)就停止注液，然后利用儲(chǔ)氣瓶中剩余CNG的壓力將液壓介質(zhì)經(jīng)回液管推回到液壓介質(zhì)儲(chǔ)罐中，這一過(guò)程稱為回液?；匾核俣却笥谧⒁核俣?，因此可以在前一個(gè)儲(chǔ)氣瓶回液的同時(shí)就向下一個(gè)儲(chǔ)氣瓶注液。
② 工作流程
    液壓式CNG汽車加氣裝置的工作流程是：先向第一個(gè)儲(chǔ)氣瓶注液，第一個(gè)儲(chǔ)氣瓶注液結(jié)束后回液，在第一個(gè)儲(chǔ)氣瓶回液的同時(shí)就向第二個(gè)儲(chǔ)氣瓶注液，第二儲(chǔ)氣瓶注液結(jié)束后回液，并在回液的同時(shí)向第三個(gè)儲(chǔ)氣瓶注液，以此類推直到最后一個(gè)儲(chǔ)氣瓶回液結(jié)束，工作流程結(jié)束，然后就可以斷開(kāi)液壓式增壓裝置和CNG氣瓶車。連接下一輛CNG氣瓶車又可以開(kāi)始新的工作流程，這種情況下中斷加氣的最短時(shí)間是最后一個(gè)儲(chǔ)氣瓶回液的時(shí)間加上更換CNG氣瓶車的時(shí)間。加氣量大時(shí)還可以在前一輛CNG氣瓶車最后一個(gè)儲(chǔ)氣瓶回液的同時(shí)就向下一輛CNG氣瓶車第一個(gè)儲(chǔ)氣瓶注液，待前一輛CNG氣瓶車最后一個(gè)儲(chǔ)氣瓶回液結(jié)束后再將回液管移到下一輛CNG氣瓶車，使因更換CNG氣瓶車而中斷加氣的時(shí)間只是在向第二輛CNG氣瓶車第一個(gè)儲(chǔ)氣瓶注液前將注液管和排氣管從第一輛CNG氣瓶車移到第二輛CNG氣瓶車所需要的時(shí)間，操作熟練的人員只需要3～5min，這一過(guò)程稱作換車。
   ③ 壓力控制
   壓力控制是通過(guò)控制柱塞泵的工作狀態(tài)和工作時(shí)間，使儲(chǔ)氣瓶中CNG的壓力穩(wěn)定在上限和下限之間，圖3是壓力控制流程。
 
    本裝置沒(méi)有直接測(cè)量?jī)?chǔ)氣瓶中CNG的壓力，而是用注液管道的壓力代替儲(chǔ)氣瓶中CNG的壓力作為被控制的系統(tǒng)壓力，管件和閥門造成的壓力損失只是使系統(tǒng)壓力略高于儲(chǔ)氣瓶中CNG的壓力。設(shè)備開(kāi)始工作后，如果系統(tǒng)壓力低于上限就讓柱塞泵進(jìn)入加壓狀態(tài)，向儲(chǔ)氣瓶注液，給儲(chǔ)氣瓶加壓，直至系統(tǒng)壓力高于上限。系統(tǒng)壓力高于上限后就讓柱塞泵進(jìn)入空載狀態(tài)，停止注液，儲(chǔ)氣瓶停止加壓。柱塞泵進(jìn)入空載狀態(tài)后延時(shí)至少6s，如果在這段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)壓力沒(méi)有低于下限就停止柱塞泵。在延時(shí)期間或停止柱塞泵后系統(tǒng)壓力低于下限就讓柱塞泵進(jìn)入加壓狀態(tài)，給儲(chǔ)氣瓶加壓，直至系統(tǒng)壓力超過(guò)上限，再次讓柱塞泵進(jìn)入空載狀態(tài)，如此反復(fù)。
    柱塞泵工作時(shí)有空載和加壓兩種狀態(tài)，柱塞泵處于空載狀態(tài)時(shí)液壓介質(zhì)通過(guò)旁通管直接回到液壓介質(zhì)儲(chǔ)罐，對(duì)儲(chǔ)氣瓶中的CNG沒(méi)有加壓作用，電動(dòng)機(jī)功率只有額定功率的1/3左右；柱塞泵處于加壓狀態(tài)時(shí)把液壓介質(zhì)注入儲(chǔ)氣瓶，對(duì)液壓介質(zhì)做功，對(duì)儲(chǔ)氣瓶中的CNG有加壓作用。
   ④ 注液量控制
   現(xiàn)階段受技術(shù)條件限制還不能直接測(cè)量CNG氣瓶車上儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)的液位，而測(cè)量液壓介質(zhì)儲(chǔ)罐內(nèi)的液位則非常容易。假設(shè)每次回液都能使注入儲(chǔ)氣瓶的液壓介質(zhì)全部回到液壓介質(zhì)儲(chǔ)罐，那么只要開(kāi)始回液時(shí)液壓介質(zhì)儲(chǔ)罐內(nèi)的液位保持不變就可以保證每次注入儲(chǔ)氣瓶的液壓介質(zhì)都一樣多。因此，可以通過(guò)控制開(kāi)始回液時(shí)也就是注液結(jié)束時(shí)液壓介質(zhì)儲(chǔ)罐內(nèi)的液位來(lái)間接控制注入儲(chǔ)氣瓶的液壓介質(zhì)的量(注液量)，選擇合適的液壓介質(zhì)儲(chǔ)罐內(nèi)的液位就可以使注液量約等于儲(chǔ)氣瓶容積的95%，而且這時(shí)回液最充分。
2 液壓式增壓裝置和壓縮機(jī)比較
2.1 設(shè)備能耗
液壓式CNG汽車加氣裝置中主要做功的設(shè)備是柱塞泵，絕大多數(shù)能量都是柱塞泵消耗的。柱塞泵的輸出功率可按下式計(jì)算[3]：
 
式中P1——柱塞泵的輸出功率，kW
    qV——柱塞泵的排液量，L/min
    p——柱塞泵輸出壓力，MPa
    忽略柱塞泵的能量損失，柱塞泵的輸出功率等于它的輸入功率(即軸功率)。本裝置的加氣能力為1000m3/h，輸出壓力是20MPa時(shí)，要求柱塞泵排液量約83.3L/min，柱塞泵的軸功率約27.8kW；輸出壓力是22MPa時(shí)，柱塞泵的軸功率約30.5kW，而相同加氣能力的壓縮機(jī)加氣裝置需要的軸功率卻在120kW左右。
2.2 取氣率高，加氣速度穩(wěn)定，溫升小
    在較理想的狀態(tài)下，液壓式CNG汽車加氣裝置的取氣率在95%左右，儲(chǔ)氣瓶殘余壓力小于1MPa。柱塞泵的流量決定液壓式CNG汽車加氣裝置的最大加氣速度，而柱塞泵的流量在工作壓力范圍之內(nèi)是恒定的，因此，不論儲(chǔ)氣瓶中剩多少CNG，本裝置的加氣速度都保持不變。CNG在高壓狀態(tài)下被壓縮，壓縮比小且恒定，因此，增壓過(guò)程中CNG溫升較小，到達(dá)加氣機(jī)的CNG溫度已經(jīng)等于環(huán)境溫度。
    壓縮機(jī)式加氣裝置中CNG氣瓶車只是CNG的儲(chǔ)存設(shè)備，作為壓縮機(jī)的進(jìn)氣氣源，儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)CNG的壓力就是壓縮機(jī)的進(jìn)氣壓力，加氣過(guò)程中壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力不斷降低，壓縮比不斷增大，隨著壓縮比增大，增壓速度越來(lái)越低，當(dāng)進(jìn)氣壓力降到6MPa左右時(shí)壓縮機(jī)的增壓速度明顯小于加氣速度，繼續(xù)加氣就得不償失了。因此，壓縮機(jī)式加氣裝置的取氣率為70%～80%，會(huì)有20%～30%的CNG留在儲(chǔ)氣瓶里，隨著CNG氣瓶車在公路上運(yùn)輸。而且隨著壓縮比增大，壓縮機(jī)需要的軸功率和排氣溫度迅速升高，排氣溫度能達(dá)到140℃。
2.3 設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝
    液壓式CNG汽車加氣裝置的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，非常簡(jiǎn)單，沒(méi)有冷卻系統(tǒng)，沒(méi)有專門的緩沖瓶組，而且柱塞泵工作時(shí)振動(dòng)小，對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)沒(méi)有特殊要求。和本裝置配套的加氣機(jī)是單線加氣機(jī)，從液壓式增壓裝置到加氣機(jī)只需要一條管道，即使接多臺(tái)加氣機(jī)，管道也非常簡(jiǎn)單。
    壓縮機(jī)式加氣裝置不但要有緩沖瓶組，而且壓縮機(jī)本身的結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜，不但有壓縮系統(tǒng)，還有冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)，而且壓縮機(jī)工作時(shí)由于活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)而有強(qiáng)烈的振動(dòng)，因此，對(duì)設(shè)備基礎(chǔ)有嚴(yán)格要求。與壓縮機(jī)配套的加氣機(jī)都是三線加氣機(jī)，即從緩沖瓶組到加氣機(jī)有3條管道，當(dāng)接多臺(tái)加氣機(jī)時(shí)管道會(huì)比較復(fù)雜。管道越復(fù)雜，可能的漏點(diǎn)就越多。
3 改進(jìn)
3.1 液壓介質(zhì)溫度控制
    我國(guó)幅員遼闊，南北氣候差異極大，北方冬季最低氣溫遠(yuǎn)低于0℃。液壓介質(zhì)溫度過(guò)低時(shí)柱塞泵會(huì)因?yàn)楣ぷ鹘橘|(zhì)黏度過(guò)大而加劇磨損，縮短使用壽命。液壓介質(zhì)溫度過(guò)高時(shí)柱塞泵又會(huì)因工作介質(zhì)黏度太小而泄漏量變大，增加能耗[3]，而且液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)往往都伴隨出現(xiàn)工作介質(zhì)溫度急劇升高的現(xiàn)象。根據(jù)設(shè)備使用環(huán)境有選擇地安裝加熱器、散熱器和溫度傳感器，將溫度控制在合理范圍之內(nèi)，并在溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)報(bào)警，以提示操作人員檢查設(shè)備。
3.2 排氣流程改進(jìn)
    本裝置原有設(shè)計(jì)是只有正在注液的儲(chǔ)氣瓶的排氣閥是打開(kāi)的，這種情況下，即使加氣量不是很大，系統(tǒng)壓力變化也比較頻繁，使柱塞泵和管道頻繁受到?jīng)_擊。經(jīng)過(guò)計(jì)算，改為多個(gè)儲(chǔ)氣瓶同時(shí)排氣，即當(dāng)某個(gè)儲(chǔ)氣瓶注液時(shí)，打開(kāi)它和它后面還沒(méi)有注液的儲(chǔ)氣瓶的排氣閥，多個(gè)儲(chǔ)氣瓶同時(shí)排氣。如果容器的排氣通道有效截面積保持不變，那么容器排氣時(shí)壓力變化的速度是隨著容器的容積增大而減小，容積越大，壓力變化也就越慢[3]。排氣流程改進(jìn)后排氣氣源的容積成倍增加，而排氣通道也就是排氣管沒(méi)有變化，因此，壓力變化的速度大幅度降低。試驗(yàn)測(cè)得7個(gè)儲(chǔ)氣瓶同時(shí)排氣時(shí)，壓力從22MPa降到20MPa需要2min左右的時(shí)間。實(shí)際加氣時(shí)這個(gè)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，遠(yuǎn)大于單個(gè)儲(chǔ)氣瓶排氣時(shí)6～12s的排氣時(shí)間，這就使柱塞泵和管道受沖擊的次數(shù)大幅度減少。
3.3 變頻調(diào)速大幅度降低起動(dòng)電流
    有些加氣站是在已建成的加油站基礎(chǔ)上合建的，原有變壓器容量有限，就要求電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流盡可能小。使用變頻器可以很好地解決上述難題，還可以節(jié)能。
    柱塞泵是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，因此，變頻器采用線性V/f控制，即變頻器輸出電壓和輸出頻率成線性關(guān)系，這樣電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不隨轉(zhuǎn)速變化而變化。忽略電動(dòng)機(jī)到柱塞泵的能量損失，則電動(dòng)機(jī)的軸功率等于柱塞泵的軸功率。電動(dòng)機(jī)軸功率和轉(zhuǎn)矩、機(jī)械角速度有以下關(guān)系[4]：
    P2=Tω    (2)
式中P2——電動(dòng)機(jī)的軸功率，W
    T——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，N·m
ω——電動(dòng)機(jī)的機(jī)械角速度，rad/s
 
式中n——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，min-1
由式(2)、(3)得到：
 
由式(4)可知，只要降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以降低電動(dòng)機(jī)的功率。
 
式中f——電動(dòng)機(jī)電源頻率，Hz
    p——電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)
由式(4)、(5)得到：
 
    由式(6)可知，降低電動(dòng)機(jī)供電頻率就可以降低電動(dòng)機(jī)的功率。
    P3=UI    (7)
式中P3——變頻器輸入功率，W
    U——變頻器輸入電壓，V
    I——變頻器輸入電流，A
    忽略能量損失，變頻器輸入功率等于電動(dòng)機(jī)軸功率，既P2=P3。根據(jù)式(6)、(7)得到：
 
    由式(8)可知，降低電動(dòng)機(jī)供電頻率就可以降低變頻器輸入電流，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)變頻器輸入電流也相應(yīng)降低，甚至小于電動(dòng)機(jī)的額定電流，與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不受影響，這樣就避免了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。由式(6)可知，柱塞泵空載時(shí)降頻工作可以進(jìn)一步減小空載時(shí)的能耗。
參考文獻(xiàn)：
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[4] 電氣工程師手冊(cè)第二版編輯委員會(huì).電氣工程師手冊(cè)(第2版)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.
 
(本文作者：王曉強(qiáng) 安瑞科(廊坊)能源裝備集成有限公司 河北廊坊 065001)