液壓CNG加氣子站高壓回油危險性分析與處理方法

王 磊

(山西壓縮天然氣集團 臨汾有限公司，山西 臨汾 041000)

液壓式CNG汽車加氣子站是車用壓縮天然氣加氣站的一種，是根據(jù)《CNG加氣站總體規(guī)劃》和《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》GB50156-2006的要求，參照國內(nèi)外此類設備的現(xiàn)有技術狀態(tài)，克服現(xiàn)有技術的不足和諸多技術難點自主研發(fā)的技術;是以自動控制的方式，運用成套專用設備，將專用液壓油以高壓注入裝有壓縮天然氣的長管拖車瓶式壓力容器中，將容器內(nèi)的CNG推出，經(jīng)油氣分離、過濾，再通過站內(nèi)的售氣機實現(xiàn)給以CNG為燃料的汽車加氣的設備集合。

本文首先對液壓加氣子站工作原理、工藝流程特性及運營情況進行介紹，其次對CNG液壓加氣子站運行過程中存在高壓氣體進入回油箱等危險進行技術分析，從而得出高壓回油危險的預防措施及處理方法。

一 液壓CNG加氣子站工作原理和特性

(一)工作原理

液壓式CNG加氣子站是利用特殊性質(zhì)的液體，以高壓(不高于22MPa)直接將液體充入CNG長管半掛拖車的儲氣鋼瓶中，將鋼瓶內(nèi)的壓縮天然氣推出，通過站內(nèi)的加氣機把高壓天然氣充入汽車儲氣瓶內(nèi)，達到給CNG汽車售氣的目的。

(二)工藝流程

1.當剛剛開始啟動設備或PLC控制系統(tǒng)監(jiān)測到液壓系統(tǒng)壓力低時，系統(tǒng)可根據(jù)壓力反饋自動控制選擇只啟動主油泵或主、輔油泵同時工作(雙機雙泵設備)。

2.在液壓泵出口設壓力控制閥，并設壓力傳感器，壓力控制閥設定控制范圍20～22MPa(或用戶設定)。

3.當液壓系統(tǒng)壓力達到高限22MPa(或用戶設定值)時，壓力控制閥停止向高壓系統(tǒng)供液，并通過旁通回路把高壓液體回流到液體儲罐中。

4.液壓泵經(jīng)一定時間的延時，如果系統(tǒng)壓力仍然不降，則系統(tǒng)可根據(jù)負載自動控制停油泵，當系統(tǒng)壓力降至底限20MPa(或用戶設定值)時，液壓泵根據(jù)壓力反饋自動控制。

5.設備運行時，由PLC過程控制實現(xiàn)8個鋼瓶依次順序工作。氣動執(zhí)行器根據(jù)PLC控制程序適時開啟和關閉各鋼瓶的進出口閥門，轉(zhuǎn)換工作鋼瓶。當前一輛拖車的天然氣卸完氣后，由人工調(diào)換快裝接頭到第二輛拖車(換接時間在3分鐘左右)，實現(xiàn)加氣站不間斷運行。

(三)主要設備配置

1.液壓增壓撬體。主要由高壓泵、過濾器、溢流閥、液壓油儲罐、注回油管路系統(tǒng)，注油控制閥、電液閥及管路附件和拖車升降系統(tǒng)組成。

2.氣動系統(tǒng)。主要由小型空氣壓縮機、氣源凈化裝置、吸附式干燥機、氣動執(zhí)行器及氣管等組成。

3.可燃氣體報警系統(tǒng)。液壓撬體內(nèi)設有燃氣報警器探頭，當撬體內(nèi)泄漏的燃氣體積濃度達到5%時，燃氣報警器探頭就向燃氣報警控制裝置發(fā)出信號，由控制裝置發(fā)出聲光報警信號，提醒操作人員作處理;如泄漏的燃氣體積濃度達到15%時，系統(tǒng)自動停止站內(nèi)設備的運行。

4.自動控制系統(tǒng)。主要由控制柜和與之相連的電路系統(tǒng)組成。控制柜包括PLC、軟啟動器、隔離柵、按扭、電磁閥和空氣斷路器等主要部件。通過PLC控制程序控制系統(tǒng)的自動運行，對設備進行自動監(jiān)控，并在面板上實時顯示設備的工作單元、壓力、溫度及電機電流等參數(shù)。

5.加氣機及管路系統(tǒng)。加氣機是壓縮天然氣加氣站用于給車輛充氣并進行計量的設備。加氣機系統(tǒng)用單線雙槍加氣機，通過高壓液壓油的作用，高壓天然氣由子站拖車經(jīng)站內(nèi)管線進入加氣機給CNG汽車加氣。

二 液壓式CNG加氣子站特點及運營情況

(一)占地較少，安裝方便

占地面積小:設備為整體撬裝結構，且不需要固定的儲氣設備;液壓增壓撬體的尺寸為8000mmx2150mmx2500mm，另外加上拖車區(qū)、配電及控制室、氣動系統(tǒng)和包括兩臺雙槍加氣機的加氣區(qū)，整個站的占地面積不到800m2。在高地價的大中城市明顯降低了建設工程在土地方面的投資。這種站機動靈活，移動方便，從設備到場后連接管線，調(diào)試設備，一天可完成，建設周期非常短。同時辦理各種營業(yè)手續(xù)也比較簡單便捷。

(二)安全環(huán)保，噪音低，自動化程度較高

設備噪音低、設備運行震動小，且有完善的降噪防護;設備選用的是防爆異步電動機，功率較小并且安裝有燃氣報警器探頭，若氣體泄漏量達到設定值，將自動停機。相對于CNG往復式壓縮機其電機功率較低，噪音相對降低很多，不超過75dB，這在居民區(qū)及商業(yè)區(qū)顯得尤其環(huán)保、安全。

(三)建站速度快，設備集成度高、投資及運營成本低

日加氣量為10000m2的加氣站投資約為300萬元(不包括土地等前期費用)，投資回收期約為三年。運行中節(jié)能效果好:主系統(tǒng)電機功率小，系統(tǒng)設計無水冷卻系統(tǒng)，所消耗的電費比固定式CNG加氣站降低50%，而其他類型的CNG加氣站需要投資壓縮機、儲氣井等，這類站的投資回收期要長得多，運行費用要高很多。

(四)卸氣率以及自動化程度高

管束余壓小于1.0MPa，卸氣率達到95%以上;整套設備由PLC自動控制系統(tǒng)全程監(jiān)測、控制。

三 液壓CNG加氣子站高壓回油危險性分析

(一)液壓CNG加氣子站注回油控制原理

液壓CNG加氣子站的液壓油箱是常壓容器，拖車鋼瓶是高壓容器，它們之間通過控制閥門連接在一起。設備注油時，油箱中的液壓油通過油泵注入拖車鋼瓶;設備回油時，拖車鋼瓶內(nèi)的液壓油，靠鋼瓶內(nèi)剩余CNG膨脹壓力與油箱內(nèi)氣體形成的壓差，流入常壓的油箱。由于油液幾乎不具有可壓縮性和膨脹性，流入油箱的油液使油箱內(nèi)油位上升，油箱上端的氣體通過油箱頂部的呼吸管緩緩排除，油箱內(nèi)的壓力仍然維持常壓，因此對油箱不具有破壞性。

回油結束時，流入油箱中的介質(zhì)不再是油液，而是壓縮天然氣，由于壓縮氣體具有膨脹性，所以當壓縮天然氣進入油箱時，會導致油箱內(nèi)壓力升高。

設備正?；赜蜁r，因鋼瓶剩余CNG較少(僅5%)，膨脹后壓力僅1MPa左右，加之油箱通過其頂部的呼吸管向外放空釋放壓力，油箱壓力只發(fā)生微小升高，使壓差開關獲得回油結束信號，通知總回油閥門關閉，結束回油。下面為系統(tǒng)正?；赜瓦^程。

1.自動注回油

(1)設備自動運行當前單元注油，此時撬體前艙注油氣動球閥、拖車后艙氣動球閥、拖車前艙氣動球閥、撬體前艙總排氣閥打開。

(2)當PLC得到注油到位信號時(檢測點:低液位計浮球)，撬體前艙注油氣動球閥、拖車前艙氣動球閥關閉，撬體前艙回油氣動球閥和總回油電磁閥打開，當前注油單元開始回油，同時切換下一單元注油。

(3)當PLC得到回油到位信號時(檢測點:油箱壓差開關)，拖車后艙氣動球閥、撬體前艙回油氣動球閥和總回油電磁閥關閉，一次回油結束;第二次回油，二次回油結束后，該單元回油完成。

2.手動注回油

在液位正常情況下，手動注油當前單元，當檢測到注油到位信號時，系統(tǒng)自動停止;進入手動回油，正常回油當前單元，拖車后艙氣動球閥、撬體前艙回油氣動球閥、總回油電磁閥打開，當檢測到回油到位信號時，上述氣動球閥全部關閉，回油結束。

當進入油箱內(nèi)的壓縮天然氣壓力很高(鋼瓶剩余CNG遠大于5%)，遠遠大于油箱呼吸管排出氣體的能力時，油箱內(nèi)氣壓必將瞬間急速升高，導致油箱安全蓋打開，嚴重時會導致噴油，氣壓超過油箱承受極限時，油箱就會變形甚至破裂。

(二)高壓氣體回油的幾種情況

拖車從母站到子站，鋼瓶CNG壓力一般在18～20MPa左右，假設鋼瓶氣壓上限為20MPa，對拖車每只氣瓶注油到其容積的95%，回油結束時剩余氣壓應為1MPa左右，此狀況屬于正常回油，不會造成噴油或者損壞油箱的情況發(fā)生。

但假如某鋼瓶只注油到容積的50%，便開始回油，回油結束時剩余氣膨脹后壓應為10MPa，即高壓氣體回到油箱，此時狀況往往會造成噴油現(xiàn)象發(fā)生。更極端的情況，如果對拖車某一鋼瓶注油極少或者根本未對其注入液壓油，就開始回油，進入油箱的氣體壓力就非常接近或等于拖車鋼瓶初始壓力，油箱頂部呼吸管來不及排放卸壓，油箱內(nèi)壓力瞬間升高，導致噴油甚至油箱損壞。

從上面分析看，凡是注油不足95%就開始回油都將不同程度導致超過1MPa的CNG進入油箱，注油越少，回油結束時壓力越高，造成的破壞性越大。那么，有哪些情況會導致注油不足就開始回油呢?歸納起來有以下三類。

1.在可控情況下人為操作

當我們發(fā)現(xiàn)設備故障以及中途需要對設備檢修，或者未取完氣需要提前換車時，往往通過手動回油，此種情況只要遵循操作規(guī)范，在可控狀態(tài)下的進行操作，一般不會導致噴油、損壞油箱等嚴重后果。

2.球閥內(nèi)漏或者相關元器件故障，或擅自改變系統(tǒng)元器件設置，將可能發(fā)生高壓氣體回油箱

(1)當拖車后艙氣動球閥內(nèi)漏時;對工作單元注油時，液壓油通過泄漏球閥，竄入其他鋼瓶，造成工作單元注不足95%，剩余氣體超過5%，切換回油時，回油結束，膨脹余壓超過1MPa。

(2)撬體前艙回油氣動球閥、注油氣動球閥內(nèi)漏時。

(3)系統(tǒng)發(fā)生“雙回油”時;即上一單元回油尚未結束，下一單元注油已到低液位，亦啟動回油?！半p回油”時上一單元回油未結束，下一單元注油必然不充分，剩余氣體必然超過5%，必將引發(fā)下一單元高壓氣回到油箱。

(4)擅自變更液位計高、低液位設置或液位計干簧管出現(xiàn)故障，系統(tǒng)不能獲得“注油到位”信號或獲得信號錯誤時。

(5)擅自變更壓差開關設定值(過高或過低)或壓差開關故障，系統(tǒng)不能獲得“回油到位”信號或獲得信號錯誤時。

(6)手動回油時誤將未完成回油，或根本未注油取氣的鋼瓶“手動回油”。

(7)明知拖車氣瓶內(nèi)剩余氣體較多，壓力較高，仍存僥幸心理未加任何防范措施直接對其進行手動回油。

(8)注油時撬體操作臺手動放散閥未關閉，高壓氣體通過放散回路進入油箱。

(9)換車時，8號瓶2次回油沒有完成，就提前換雙注回油管到下一臺車。此時“8號瓶2次回油”，實際是就將下一臺車雙數(shù)鋼瓶高壓氣“回”入油箱。

四 高壓回油處理方法

無論什么原因引起，當發(fā)現(xiàn)鋼瓶內(nèi)剩余氣體較多(超過5%)需要回油時，必須先關閉撬體操作臺相應管路的手動球閥，在控制柜上操作“手動回油”，然后緩慢開啟手動球閥，通過手動球閥節(jié)流降壓的方式，控制介質(zhì)流入撬體油箱內(nèi)的速度，達到對油箱的保護作用。

(一)拖車鋼瓶注入油量少于95%多于80%(瓶內(nèi)剩余高壓氣體多余5%，少于20%)，時仍需手動回油→嚴格控制手動球閥開啟度(嚴禁全部開啟)小開度分多次，節(jié)流降壓回油→發(fā)現(xiàn)有氣體導入時→立即關閉手動球閥;以上操作必須在安全員監(jiān)督，設備員指導下進行。

(二)當拖車鋼瓶注入油量少于或等于80%(瓶內(nèi)剩余高壓氣體多于或接近20%)→嚴禁直接操作手動回油→請示安全員和設備員→先將鋼瓶氣體導出安全泄壓，將其壓力降低至4MPa以下→再按“(一)”操作步驟手動回油。以上操作必須在安全員監(jiān)督，設備員指導下進行。

(三)定期檢查拖車氣動球閥、撬體前艙氣動球閥，如有內(nèi)漏必須及時維修或更換。

(四)隨時觀察液位計浮球是否正常，定期檢查干簧管及線路，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

(五)定期對控制柜內(nèi)的電磁閥進行灰塵清理，發(fā)現(xiàn)損壞及時更換，防止電磁閥觸發(fā)故障或短路故障。

(六)定期檢測壓差開關設置是否正常，動作是否靈敏可靠，如有異常及時調(diào)整或更換。

(七)確保持油箱呼吸管上暢通，阻火器應定期清洗。

(八)嚴格控制油箱內(nèi)的油位，確保取氣率在95%左右。切忌為片面追求過高的取氣率(如超過5%)，而將油箱上液位設的過高。致使鋼瓶剩余氣體過少，膨脹壓力過低，回油效率降低，系統(tǒng)回油超時，甚至不能觸發(fā)壓差開關動作，“回油不結束”。

(九)切忌為片面追求過低放空排放(氣損)，而擅自將回油壓差開關值設定過低，元件過于靈敏，回油壓力波動引發(fā)壓差開關誤動作，產(chǎn)生誤信號，引發(fā)上一鋼瓶回油不充分，繼而引發(fā)下一鋼瓶注油不充分(低于95%)自動回油，高壓氣體進入回油箱。

五 結束語

通過對液壓加氣子站工作原理、工藝流程特性及運營情況進行了介紹，并對液壓CNG加氣站注回油控制原理、高壓氣體回油的幾種情況進行了技術分析，從而得出了幾點有效的高壓回油處理方法以及預防措施。

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