CNG加氣站壓力提升的技術研究和經濟性分析
武漢齊達康環保科技股份有限公司：方紅星
一 提問
將CNG加氣站（以下簡稱“加氣站”）系統壓力提高到35MPa，儲氣瓶組壓力提高到35MPa，車載瓶壓力提高到30MPa，現有的加氣站如何改造？新建加氣站如何建設？其經濟性如何？
二 現有加氣站改造方案
2.1. 改造技術路線：
加氣站內卸氣柱、壓縮機、儲氣瓶組、加氣機等設備壓力等級提升的技術，已經在各相關企業以企業標準或國家（行業）標準的形式得以實現，加氣站建設只是將這些設備有效利用而已。將在用或在建的加氣站原有的系統壓力保持在25MPa不變，新增系統壓力按35MPa設計。加氣車輛按車載瓶的壓力不同分為兩個區，載20MPa車用瓶的車輛在20MPa加氣區，載30MPa車用瓶的車輛在30MPa加氣區，各區采用不同的加氣槍，不能通用，以示分開，確保安全。
2.2. 現有模塊化設備介紹
說到加氣站改造，不得不先提到一種設備：模塊化集成加氣橇裝設備（集成式CNG加氣站）。在GB50156《汽車加油加氣站設計與施工規范》2014版實施后，集成式加氣設備就應運而生，這種設備現在已普遍使用，效果也很理想：建站周期大大縮短，建站也更加簡單。
圖一中的模塊化集成加氣設備包含六大功能模塊：卸氣功能（能連接一臺或兩臺CNG槽車）、增壓功能、儲氣功能（含中、高壓瓶組）、順序加氣功能、售氣功能（含一臺至四臺售氣機）、防爆PLC控制功能。可根據客戶需求，選擇其中的任何功能集成安裝設計，能實現：一臺設備即是一個CNG加氣子站。其所用的增壓設備為液壓壓縮機，液壓壓縮機在提高排氣壓力、降低故障率、降低氣體泄漏率等方面，較傳統機械壓縮機有極大的優勢。有了這種集成化設備，使加氣站改造變得簡單。
2.3. 加氣母站改造：
圖二是典型的加氣母站流程示意圖，只是系統設計壓力最高為25MPa。當加氣站內需要增加35MPa加氣系統，給30MPa的CNGV加氣時，只需在壓縮機的高壓出口增加一套模塊化集成加氣設備即可（如圖三：改造后的CNG加氣母站流程示意圖），原來的系統及設備照樣給20MPa的CNGV加氣。對壓縮機、特別是液壓壓縮機來說，將天然氣壓力從15－25MPa增壓到35MPa，是一件很容易的事情，且由于儲氣瓶組采購成本大大降低，在加氣站增加一套3方或6方瓶組的成本不大，集成后對加氣站改造的周期大大縮短，除了在新的系統與原系統管道對接需要停止加氣外，幾乎不影響現在加氣站對外售氣。
2.4. 加氣子站改造
圖四是典型的加氣子站流程示意圖，只是系統設計壓力最高為25MPa。當加氣站內需要增加35MPa加氣系統，給30MPa的CNGV加氣時，與加氣母站一樣，只需在壓縮機的高壓出口增加一套模塊化集成加氣設備即可（如圖五：改造后的CNG加氣子站流程示意圖），原來的系統及設備照樣給20MPa的CNGV加氣。
2.5. CNG加氣站常規站改造
圖六是典型的CNG常規加氣站流程示意圖，只是系統設計壓力最高為25MPa。當加氣站內需要增加35MPa加氣系統，給30MPa的CNGV加氣時，與加氣母站和子站一樣，只需在壓縮機的高壓出口增加一套模塊化集成加氣設備即可（如圖七：改造后的CNG常規加氣站流程示意圖），原來的系統及設備照樣給20MPa的CNGV加氣。
2.6. L－CNG加氣站改造
圖八是典型的L－CNG加氣站流程示意圖，只是系統設計壓力最高為25MPa。當加氣站內需要增加35MPa加氣系統，給30MPa的CNGV加氣時，與加氣其它種類加氣站一樣，只需在壓縮機的高壓出口增加一套模塊化集成加氣設備即可（如圖九：改造后的L－CNG加氣站流程示意圖），原來的系統及設備照樣給20MPa的CNGV加氣。
三 新建加氣站方案
新建的系統壓力為35MPa的加氣站又分別與圖二、圖四、圖六、圖八一樣，只不過系統壓力由25Mpa提高為35MPa而已。當然，對20MPa的CNGV與30MPa的CNGV應區別對待，應強制區分在不同的售氣機上加氣，就象給汽油車加油的92#與95#應強制區分開來一樣。只需將售氣機的加氣程序稍作改動即可。即給20MPaCNGV加氣時，用20MPa的加氣程序，同樣的售氣機，如果設置在30MPa的加氣區，則用30MPa的加氣程序。
四 改造后的經濟效益和社會效益
4.1. 加氣效率提升。計算依據如下：
Ø 加氣的流速取決于壓差，壓差越大，流速越高，加氣則越快；
Ø 提高壓力限值后，加氣時間將有所增加。現有加氣站，將空瓶加氣到20MPa，與提高壓力限值后的加氣站，將10MPa加氣到30MPa相比，兩者壓差均為20MPa，所需加氣的時間基本一樣。因此，CNGV加氣時間只是增加CNGV車載瓶內壓力從0增壓到10MPa 所需的時間；
Ø 提高壓力限值后的加氣站，將35MPa氣體把空瓶（瓶的容積80升）從 0 加到壓力為10MPa，13秒。即全部加氣時間比原來增加13秒
Ø 從下表中可以看出，CNGV進站加氣時間13.5秒/方提高到10.4秒/方，節省時間23%，同時，加氣站因每方氣的加氣時間縮短，也節省人工成本25%.
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車載瓶壓力限值 |
20MPa |
30MPa |
備注 |
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加氣時間（秒） |
150 |
163 |
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從進站到出站時間（秒） |
270 |
283 |
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加氣量（方） |
20 |
27.2 |
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充氣槍每方氣的加氣時間（秒） |
7.5 |
5.99 |
加氣站節省人工成本25% |
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司機每方氣的站內時間（秒） |
13.5 |
10.4 |
司機每次加氣節約時間23% |
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說明：20MPa的時間是實際測量時間，30MPa的時間是理論推測 |
4.2. 運輸成本減少
Ø 前提：18方水容積槽車、運輸距離100公里。平均每趟能槽氣3700方（總氣量約4200方，槽車卸氣到4MPa時的卸氣量），平均成本約0.35元/方（武漢、氣溫25℃）；每天10萬方（母站），需27車次；
Ø 壓力限值提高到30MPa后，在槽車的重量等級不變的情況下，平均每趟能運氣5200方（總氣量5700方），只需19.2車次，平均成本0.25元/方；節約運輸成本29% .
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運輸效益分析表 |
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槽車壓力（MPa） |
20 |
30 |
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槽車容積（方） |
18 |
18 |
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運氣量(Nm3) |
3700 |
5200 |
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每天10萬方運輸車次 |
27 |
19.2 |
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百公里運費（元/方） |
0.35 |
0.25 |
4.3. 加氣站改造費用
4.3.1. CNG加氣站提高壓力改造方案
前面的分析中已有說明：只需增加一臺集成橇（設計壓力35MPa）即可。改造過程中，可以先將改造區與生產區隔離開，改造管路及安裝準備好，只是在施工處理最后一個焊點時，加氣站停止對外售氣。時間從第一天晚上9點到第二天早上9點，加氣低谷段，且有預先通知，對加氣站經營影響不大。
4.3.2. 增壓橇技術參數
考慮到液壓增壓橇需與前面的機械壓縮機聯動，因此其最大排氣量不能低于前面的機械壓縮機的排氣量，因此液壓壓縮機的最大排氣量應該涵蓋此范圍。下表中的技術參數可以適用于大多數的加氣站改造。
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增壓橇技術參數 |
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序號 |
要求內容及指標 |
數值 |
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充25MPa槽車 |
充30MPa槽車 |
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1 |
進氣壓力(MPag) |
3.0～30.0 |
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2 |
環境溫度(℃ |
-40～40 |
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3 |
進氣過濾精度（μm） |
5 |
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4 |
排氣壓力(MPag) |
30 |
35 |
|
5 |
最大排氣量（Nm3/h） |
2900 |
2700 |
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6 |
噪音 db (A) |
≤75 |
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7 |
增壓方式 |
液壓驅動 |
|
8 |
冷卻方式 |
全風冷 |
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9 |
油箱容積(L) |
600 |
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10 |
增壓電機總功率(kW) |
37 |
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11 |
機組總功率(kW) |
≤42 |
|
12 |
機組外形(長×寬×高mm) |
3000×2500×5000 |
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13 |
運輸尺寸(長×寬×高mm) |
3000×2500×2800 |
4.3.3. 改造所需設備及費用估算：
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CNG加氣站提高壓力所需設備及費用估算 |
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設備名稱 |
內容（規格） |
數量 |
價格 |
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液壓增壓集成橇 |
一橇雙機：兩臺18.5kW主電機，總排量4000方/小時，可根據前端機械壓縮機的排量，自動控制電機的開啟。含1方緩沖瓶、2臺加氣柱、防爆PLC控制柜 |
1 |
75萬 |
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電纜 |
長度現場定 |
1組 |
1.5萬 |
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球閥 |
PN35、DN25 |
1 |
2000 |
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鋼管 |
φ34x5 |
50米 |
3000 |
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土建施工 |
電纜溝開挖及恢復，氣管溝開挖及恢復，壓縮機水泥基礎等項目 |
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2萬 |
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設備吊裝 |
一次到位 |
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1000 |
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管線安裝 |
含人工、射線探傷 |
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3萬 |
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共計 |
82.1萬 |
4.3.4. 改造后運行成本
Ø 電費成本：原來只需增壓到25MPa，改造后需要增壓到35MPa，除了一次性改造投資外，在設備運行過程中，電量也會增加。折算到每方氣增加的電費成本為：小時耗電量/小時排量。即：
42kW.h/2700=0.0156度電/方（
約0.016元/方）
Ø 加氣站節省人工成本：由于加氣槍每方氣的加氣時間節省25%，則加氣站人力成本可節省25%，以武漢為例，加氣站的加氣量為15000方/天，加氣操作人力成本為3500元/月（含社保），加氣量不變的情況下，可以節省2人（晝夜），約7000元/月，折算到單位成本為：
7000/(15000×30)=
0.016元/方
五 總結：
1 壓縮機是加氣站提高壓力限值的增壓設備，出口壓力達35MPa的機械壓縮機有較多的生產廠家，液壓壓縮機的出口壓力有50Mpa（用于氫氣壓縮）甚至更高。瓶組、加氣機、卸氣柱等可以按國家相關壓力容器（瓶）標準，根據需求達到35MPa。能夠滿足加氣站壓力限值提升需求，技術可靠；
2 加氣站建設，老站采用增加一臺集成橇裝設備（含緩沖、增壓、計量）的方法完成改造，方便可靠，新建站則直接按35MPa系統壓力設計安裝。可將20MPa車載瓶與30MPa車載瓶按不同加氣區分開，并用不同的加氣嘴強制區分，技術可行；
3 加氣站提高壓力限值改造后，增加設備投資80多萬，電耗成本增加約0.016元/方。司機每次加氣節約時間23%，加氣站節省人力成本0.016元/方，節省運輸成本29%，15000方/天的加氣子站年節省54萬元，可以在18個月內收回成本。至于母站和常規站的投資成本則是無法收回。但由于壓力限值提高，天然氣終端客戶群將會大大增加，加氣站的效益也會相應增加。
