CNG加氣槍排空天然氣的回收技術

摘 要

摘要：介紹了一種回收CNG加氣槍排空天然氣的系統(tǒng)，包括加氣槍三位控制閥門、余氣回收通道、排空天然氣的低壓利用模式和中壓利用模式。關鍵詞：壓縮天然氣加氣站；加氣機；加氣槍；余氣
摘要：介紹了一種回收CNG加氣槍排空天然氣的系統(tǒng)，包括加氣槍三位控制閥門、余氣回收通道、排空天然氣的低壓利用模式和中壓利用模式。
關鍵詞：壓縮天然氣加氣站；加氣機；加氣槍；余氣回收
Technology for Recovering Natural Gas Evacuated from CNG Refueling Nozzle
LI Shuwang，LUO Dongxiao
Abstract：A system for recovering natural gas evacuated from CNG refueling nozzle is introduced，including uozzle three-position control valve，recovery passage of residual gas，low-pressure utilization pattern and middle-pressure utilization pattern of evacuated gas.
Key words：CNG refueling station；refueling dispenser；refueling nozzle；residual gas recovery
1 概述
   按照加氣站操作規(guī)定，在對天然氣汽車加氣時，每充完一次壓縮天然氣(CNG)后，都必須排放掉加氣槍頂部管道內殘存的天然氣，即實施泄壓操作。據(jù)統(tǒng)計，實施一次泄壓操作，排放掉天然氣約1.2L。一個常規(guī)的天然氣汽車加氣站，一天可對約1200輛汽車加氣，也就是要進行1200次泄壓操作，每天天然氣的排放總量達到1440L。
   天然氣的直接排放是極大的能源浪費，而且天然氣中的甲烷又是極強的溫室氣體，對大氣環(huán)境破壞力很大。此外，直接排放還帶來許多安全隱患。因此對CNG加氣槍排空天然氣進行回收利用，有明顯的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。
2 天然氣汽車加注流程
天然氣汽車是由車載氣瓶內的高壓天然氣經(jīng)過調壓設備減壓后進入發(fā)動機，與空氣混合后燃燒產生動力，驅動行駛，而車載氣瓶內的高壓天然氣是通過汽車加氣站的加氣槍進行加注[1～3]。加氣槍的核心部件是一個兩位控制閥門，用于進行具體的加氣操作，該閥門的工作原理見圖1。
 

   加注操作過程如下[4]：
   ① 將加氣槍前端槍頭部分1的加氣接口與車載氣瓶加注口連接，打開車載氣瓶進氣口球閥。
    ② 操作加氣槍兩位閥門，使1-2通道關閉，1-3通道接通。此時車載氣瓶與加氣機內的高壓天然氣供應回路連通，高壓天然氣向車載氣瓶注入，車載氣瓶內天然氣壓力逐漸升高。
    ③ 待車載氣瓶內天然氣壓力升到規(guī)定值時，關閉車載氣瓶上的進氣球閥。此時，車載氣瓶進氣通路被切斷，但加氣槍兩位控制閥門頂端400mm長的槍頭部分壓力仍為20MPa左右。
    ④ 操作加氣槍上的兩位控制閥門，使1-3通道關閉，1-2通道接通，將槍頭部分的高壓天然氣直接排入大氣中，即實施泄壓操作。
    ⑤ 將加氣槍槍頭從車載氣瓶上拔出，加注操作過程結束。
3 CNG加氣槍排空天然氣回收利用技術
3.1 基本思路
    為了回收被排放掉的這部分天然氣，研究出一種有效的方法和裝置，使上述排放的天然氣由高壓轉化為中低壓，儲存或供用戶直接使用，以此實現(xiàn)加注過程“零排放”[5]。
    實現(xiàn)的基本思路是設計一個操作控制閥門，并增加一路余氣回收通道與中低壓儲存裝置或城市燃氣中低壓燃氣管道相連接，將原排入大氣的天然氣通過該回收通道送入儲氣罐儲存或用戶使用。
3.2 加氣槍排空天然氣回收利用系統(tǒng)
3.2.1三位控制閥門
    回收排空天然氣的核心部件是一個三位控制閥門，用于替代原兩位控制閥門。它與原加氣槍上的兩位控制閥外形尺寸一致，操作過程也基本一樣，不增加操作難度和工作量，且具有同等的安全可靠性。其工作原理見圖2。
 

    三位控制閥門的3個端口分別對應3個通道：1-2排空通道；1-2A回收通道；1-3加氣通道。
分別對應3種不同的工作狀態(tài)：待機狀態(tài)；余氣回收狀態(tài)；加注狀態(tài)。
    ① 非加注狀態(tài)(待機狀態(tài))：1-2(排空通道)連通，1-2A(回收通道)及1-3(加氣通道)關閉。此時，加氣槍槍頭與大氣相通。與原加氣槍操作無異。
    ② 加注狀態(tài)：1-3通道連通，1-2及1-2A通道關閉。此時，加氣機高壓天然氣供應通路通過槍頭部分與車載氣瓶相通。與原加氣槍操作也無差異。
    ③ 過渡狀態(tài)(余氣回收狀態(tài))：此為加注狀態(tài)向非加注狀態(tài)轉換過程中的一個短暫階段。三位控制閥的1-2A連通，1-2及1-3關閉。儲存在槍頭管道內高壓天然氣通過回收通道被送入儲存裝置儲存或供用戶使用，壓力被迅速釋放。
    之后，借助于彈簧的作用，三位控制閥迅速自動回到“非加注狀態(tài)”：回收通道關閉；排空通道打開。
    由此可以看出，本技術在原加注操作基礎上增加了一個過渡環(huán)節(jié)。在此階段，原本向大氣排空的那部分高壓天然氣被排入用戶系統(tǒng)，實現(xiàn)對排空氣體的回收，槍頭部分的高壓力得以釋放。
3.2.2余氣回收通道
    與三位控制閥門2A端口連接的余氣回收通道，負責對回收來的天然氣進行收集、降壓、隔離、儲存與利用。依據(jù)需要，分兩種回收方式：低壓利用模式和中壓利用模式。
3.2.3低壓利用模式
    圖3是CNG加氣槍排空天然氣回收利用技術的低壓模式。
 

   ① 回收與集氣部分
   與各臺加氣機加氣槍上2A端口相連接的多條余氣回收管道，將所回收的天然氣全部匯集到一條集氣總管上，實現(xiàn)多點余氣集中處理。
   ② 降壓與隔離部分
   實質上是一個水封隔離裝置，有兩個作用。一是將收集到的高壓天然氣快速釋放降壓，以低壓狀態(tài)進入低壓儲氣罐儲存待用或直接進入低壓用戶供氣系統(tǒng)。二是阻止低壓儲氣罐內的氣體回流，起單向閥(止回閥)的作用。
    水封隔離裝置設置水位觀測與監(jiān)控系統(tǒng)，確保水位保持在規(guī)定高度。水位高度一般大于儲氣罐運行壓力水頭或低壓用戶供氣系統(tǒng)運行壓力水頭100mm以上。
    由于來自集氣總管的天然氣瞬間壓力太高(近20MPa)，穿過水封隔離裝置快速減壓釋放過程中，必定會對水封內的水造成極大的沖擊，形成水氣混合物。因此，需設置多層抗沖擊的水/氣分離板，用于將高壓氣體帶出的混合物中的水滴遮擋并借助于重力讓其回流至水封中，保持水位不變。而混合物中的氣體則順利通過。
   水/氣分離板上鉆有許多小孔，便于氣體自下而上穿過，水滴由上而下墜落，每層分離板相距約為200mm，多于3層效果較佳。
   ③ 儲存及利用部分
   儲存及利用設施包括低壓儲氣罐、城市燃氣管網(wǎng)中的低壓燃氣管道以及各類低壓用戶。
   ④ 安全保障設施
   系統(tǒng)設置安全保障設施，確保生產過程中設備與人身的安全。
3.2.4中壓利用模式
   圖4是CNG加氣槍排空天然氣回收利用技術的中壓模式。
   與低壓模式的唯一區(qū)別在于采用一個單向閥門(止回閥)替代水封隔離裝置，同樣起降壓隔離作用，避免天然氣倒灌。與之對應的后續(xù)系統(tǒng)是中壓儲氣罐和中壓管道供氣系統(tǒng)。
 

4 結語
    對于一個典型規(guī)模的加氣站(規(guī)模為2.0×104m3/d)，可回收的天然氣總量可達1200m3/a,環(huán)保效益意義重大，經(jīng)濟效益次之。
參考文獻：
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[2] 黃雄健.天然氣汽車及天然氣加氣站的經(jīng)濟性分析[J].小型內燃機與摩托車，2009，38(2)：75-77.
[3] 周春.福建省天然氣汽車加氣技術路線的探討[J].煤氣與熱力，2010，30(2)：B01-B05.
[4] 何太碧，黃海波，譚金會，等.CNG加氣機技術水平評價指標體系[J].天然氣工業(yè)，2005(3)：118-121.
[5] 蘇昌林，劉縉林，邱東利，等.節(jié)能型壓縮天然氣加氣機[J].中國測試技術，2008，34(6)：138-140.
 
(本文作者：李樹旺1 羅東曉1、2 1.新奧能源控股有限公司 河北廊坊 065001；2.中山大學 廣東廣州 510275)