CNG汽車加氣站工藝系統(tǒng)冰堵問題淺析.doc

CNG汽車加氣站工藝系統(tǒng)冰堵問題淺析劉 錫 麟摘 要：本文依據多年CNG加氣站的工作經驗，對CNG汽車加氣站工藝系統(tǒng)常常出現(xiàn)的冰堵問題，進行了深入地研究與探討，并從理論上對冰堵形成的機理進行了細致的分析。為妥善解決冰堵問題提出了一些有益的見解和方法，以供同行們參考。1. CNG加氣站的冰堵現(xiàn)象冰堵是CNG加氣站常見的一種故障現(xiàn)象，尤其是冬天，環(huán)境溫度較低的情況下更會頻頻發(fā)生。所謂冰堵，就是在加氣站工藝系統(tǒng)管線中，由于氣體流動時壓力降低，體積膨脹等原因產生的吸熱作用，使局部溫度急劇降低到0以下。這時，如果氣體中含有游離水，就會在局部結冰而使管路堵塞，無法正常給汽車加氣。為了徹底揭開冰堵這個謎的，我們作了許多試驗，不僅從理論上揭示了冰堵現(xiàn)象的形成機理，并找到了一些解決冰堵現(xiàn)象的可行辦法，總結出了一套行之有效的經驗，提供給同行們借鑒。2. 冰堵現(xiàn)象發(fā)生的條件2.1加氣母站 冰堵容易發(fā)生的階段：在設備調試期間，尤其在冬天調試時； 冰堵的部位：主要發(fā)生在加氣柱進氣管處； 冰堵時的溫度：主要發(fā)生在夜間，環(huán)境溫度0左右，壓縮機的排氣溫度4045； 冰堵時的壓力：一般在10Mpa以下。2.2加氣子站 冰堵容易發(fā)生的時間：不分季節(jié)，但冬季發(fā)生的幾率更高； 冰堵部位：主要發(fā)生在卸氣柱排氣管處和售氣機進氣管處； 冰堵時的溫度：容易發(fā)生在環(huán)境溫度0左右。但在夏季，氣溫高達1528也時有發(fā)生； 冰堵時的壓力，一般在10Mpa以下，尤其是7Mpa左右更易產生。3. 壓縮天然氣溫度變化的原因及對系統(tǒng)的影響從上述冰堵產生的條件可以看出，溫度變化是冰堵產生的關鍵因素。這里的溫度，不僅指環(huán)境溫度的變化，更要注重系統(tǒng)中壓縮天然氣的溫度變化。3.1工藝流程與系統(tǒng)的溫度變化從熱力學定律可以知道，天然氣在CNG加氣站系統(tǒng)中工作狀態(tài)的變化會引起系統(tǒng)溫度的變化。那么，CNG在系統(tǒng)中壓縮放熱，膨脹吸熱，使管路系統(tǒng)溫度變化的規(guī)律是什么？當系統(tǒng)中的天然氣處于壓縮狀態(tài)時，增壓的過程沿著氣流的方向，如加氣母站的工藝流程就是這樣，是個放熱過程。正常情況下，壓縮機末一級排出的氣體，經冷卻后的溫度一般在40左右，再經過較長管線的傳輸，與環(huán)境進行熱量交換并達到平衡后，氣體溫度總是要高于環(huán)境溫度。如果在冬天，環(huán)境溫度低于0，氣體經室外空冷器的冷卻后，已低于40（用手摸摸壓縮機排氣管感到比較涼，說明已低于體溫），但在較長輸氣管道中的天然氣，仍處于壓縮狀態(tài)繼續(xù)放熱，與管道周圍環(huán)境進行熱平衡后，到達加氣柱時仍高于環(huán)境溫度。隨著系統(tǒng)壓力的不斷升高，壓縮氣體放出的熱量更多，和環(huán)境溫度抵消后甚至遠高于0。這一點我們可通過下面的公式計算中明確地看出。 kTST2= 1P1/P2(kTS/T11) 式中 T1拖車氣瓶內的初始絕對溫度(K); T2充氣結束時拖車氣瓶內的絕對溫度(K); Ts氣源絕對溫度（K）; P1拖車氣瓶內的初始壓力（MPa）； P2充氣結束時拖車氣瓶內的絕對壓力（MPa）； k絕熱指數(shù)。假定 T1=0273.15 P1=3MPa0.1MPa Ts=20273.15 P2=20MPa0.1MPa k=1.32（天然氣）代入上式中，可得： T2=363.59K（90.4）這里是假定系統(tǒng)處于絕熱狀態(tài)下的計算結果，實際上系統(tǒng)在不停的和管道與氣瓶周圍環(huán)境進行熱交換。實際溫度遠遠低于這個計算溫度，但又遠高于當時的氣溫。也就是說冬季氣溫在0左右，充氣終了時，拖車氣瓶的氣體溫度常常高達20以上。當系統(tǒng)中的天然氣處于膨脹狀態(tài)時，如同在加氣子站的工作過程。拖車氣瓶中的氣體溫度與環(huán)境溫度基本一致，壓力由開始的20Mpa，經過卸氣機中的軟管、閥門、管道、流量計、閥門等的節(jié)流作用，逐步降低?；蛘哒f，在進入壓縮機前，氣體沿著流動的方向，壓力在不斷減小。這是個吸熱過程，系統(tǒng)中壓縮天然氣的溫度隨著壓力的降低而下降，必然低于環(huán)境溫度，有時甚至低于0。假定從拖車氣瓶經卸氣柱和輸氣管道，到達壓縮機進氣口，氣體壓力降低約12MPa（售氣機的供氣量越大壓降越大），那么通過下面的公式計算，即可明顯看出溫度的變化情況： T2=T1(P2/P1)(K-1)/K式中 T1拖車氣瓶內的初始絕對溫度(K)，取環(huán)境溫度20； T2卸氣過程中拖車氣瓶和卸氣管路中的絕對溫度(K); P1拖車氣瓶內的氣體壓力（MPa）； P2卸氣過程中壓縮機進氣管道處的絕對壓力（MPa）； P壓降（MPa） k絕熱指數(shù)。天然氣取k=1.32將已知數(shù)據代入上式可得以下結果： 由此可知，系統(tǒng)壓力在低壓段（如7 MPa 以下），壓力降低12MPa，溫度的降低就超過10以上，甚至高達34。但在高壓段（如10MPa以上），壓力降低12MPa，溫度的降低最多15.3。也就是說卸氣管路系統(tǒng)的溫度始終在0以上。因此高壓段不易產生冰堵。3.2含水量與露點溫度為了分析CNG加氣站冰堵現(xiàn)象形成機理，首先必須了解天然氣的水露點。所謂“露點”即露點溫度，是工程上衡量天然氣中水含量的一項重要指標，是指在一定壓力下，天然氣中水蒸氣開始冷凝而出現(xiàn)液相的溫度。經常涉及到的術語有常壓露點和壓力露點。常壓露點指天然氣在標準壓力狀態(tài)下或一個大氣壓下的露點溫度，壓力露點則指天然氣在高于大氣壓的工作壓力下的露點溫度。天然氣和其它氣體一樣，當它的含水量保持不變時，其露點溫度則隨著壓力的變化而變化。或者說當常壓露點保持不變時，壓力露點則隨著壓力的提高而上升。比如天然氣中的含水量保持8mg/Nm3時，常壓露點為60。當操作壓力上升為20Mpa時,壓力露點升高到26.8；而操作壓力降到7Mpa時，壓力露點則下降到36。這是為什么呢？因為壓力越低，氣體中的水分越容易呈現(xiàn)氣態(tài)，而壓力越高越容易壓出游離水。如同吸了水的海棉，在一定壓力下其中的水被擠出了，看似擠干了，含水量已經很少，但若再加大壓力還是可以壓出水來的（當然如果把其中的水分烤干了，不含水分子了，那另當別論）。所以，當壓縮天然氣的含水量保持不變時（即常壓露點為定值時），氣體的壓力越高，則壓力露點越高；相反，隨著壓縮天然氣的壓力的降低，則壓力露點亦越來越低。但是只要該壓力露點低于管道中的實際溫度，就不會產生冰堵。當然，若實際溫度大大低于0，比如-10，該壓力露點（如-5）又高于管道中的實際溫度，就必然產生游離水而冰堵。3.3關于壓縮天然氣氣質的標準GB180472000車用壓縮天然氣標準中對含水量的規(guī)定：“在汽車駕駛的特定地理區(qū)域內，在最高操作壓力下，（壓縮天然氣的）水露點不應高于13；當最低氣溫低于8，(壓縮天然氣的)水露點應比最低氣溫低5?！边@里的“最高操作壓力”應理解為20Mpa，即汽車氣瓶中的氣體最高壓力。我覺得該標準的規(guī)定不夠嚴謹，“水露點比最低氣溫低5”可能遠不夠，因為管路中的溫度往往遠遠低于當?shù)氐沫h(huán)境溫度，如西安冬季極限溫度不會低于15，而管道中的氣體溫度常常達到2030，所以含水量滿足標準的氣體不一定滿足實際要求，所以仍然會結冰，產生冰堵。所以該標準的表述還值得進一步探討。注意： 25Mpa壓力下露點為13的壓縮天然氣的含水量大約相當于常壓露點52.5, 20Mpa壓力下露點為13的壓縮天然氣的含水量大約相當于常壓露點52)4. 冰堵現(xiàn)象形成機理的分析4.1加氣柱與卸氣柱加氣柱和卸氣柱的工藝過程不同，引起系統(tǒng)中壓縮天然氣的溫度變化不同，因此產生冰堵的情況也不同。加氣柱工作時，整個系統(tǒng)的氣體處于壓縮狀態(tài)，這是個放熱過程，而且氣體溫度隨著壓力的增大而升高。當環(huán)境溫度低于0，系統(tǒng)壓力較低時，管道內的溫度不可能升高很多，實際上最低也只有4，大多數(shù)在0左右。系統(tǒng)壓力升高到10Mpa以上后，壓縮天然氣的溫度慢慢上升達到56。這樣，當天然氣常壓露點45（8Mpa壓力露點為10左右,20Mpa壓力露點為2左右）的情況下，在加氣柱中就難以出現(xiàn)游離水而冰堵。卸氣柱的工藝過程正好相反。因為它在工作過程中，氣體始終處于膨脹狀態(tài)，是吸熱過程，它會使管道和周圍環(huán)境溫度大大降低。尤其當環(huán)境溫度為0左右時，它會使管道氣溫降低到21（如系統(tǒng)壓力由20Mpa下降到7Mpa左右時），甚至降到30（壓力再降到3Mpa左右時）。這樣，同樣是常壓露點為45的壓縮天然氣，在母站加氣柱中不會冰堵。但到了加氣子站，通過卸氣柱壓力降低到10Mpa以下時依然要冰堵。因為這個壓力下的天然氣水露點已高于10，會出現(xiàn)游離水。而管道溫度由于氣體的迅速膨脹而遠低于10，使游離水結冰。要使它在2130的管道中不冰堵，就必須使壓縮天然氣的常壓露點60（相應的壓力露點20Mpa時為26.8；7Mpa時為36）。如前所述，母站加氣柱在給拖車加氣過程中，隨著系統(tǒng)壓力的升高，CNG的壓力露點也在步步升高，直到壓力升高到20Mpa時，CNG的壓力露點已達到0以上（假定該CNG的常壓露點為45），只要管道中的溫度不低于0，就不會產生冰堵。在加氣柱中，該壓縮天然氣先后經過內徑為16（223）的短管、通徑為16的球閥、通徑為15的流量計、通徑為16的球閥等管接件的節(jié)流，使流速增加，再到加氣軟管的大通徑(22)，高壓氣體突然膨脹，進入拖車大儲氣瓶組后進一步膨脹（開始加氣時氣瓶中的壓力很低，由于管路中較大的壓差，使氣體流速很大）。由于膨脹過程的吸熱作用，使氣體溫度降低到0以下，隨著瓶中壓力的增加，壓差減小，氣體的流速降低，節(jié)流膨脹所引起的吸熱作用減弱，溫度的降低也就不再明顯了。4.2壓縮機在母站加氣過程中，還出現(xiàn)過一種現(xiàn)象。當開一臺壓縮機，給一臺拖車氣瓶組加氣時，如果出現(xiàn)冰堵，那么改為，通過兩臺加氣柱，給兩臺拖車氣瓶組同時加氣時，加氣柱的冰堵現(xiàn)象就減輕。也許是兩個系統(tǒng)的氣體分流作用，壓力的提高較為緩慢，這樣壓差小、流速慢，膨脹吸熱的作用減弱，氣體和管道溫度的降低有限。例如，若壓縮機的排氣溫度在40左右，一臺拖車加氣時，拖車上的溫度計顯示不到10，可兩臺拖車同時加氣時，溫度計的顯示都超過20，就說明了這個問題。4.3售氣機在子站加氣過程中，如果拖車壓力較高，如10Mpa以上時，壓縮機排量大，系統(tǒng)流量也大，而且供大于求，四臺售氣機8個槍加氣量都保持穩(wěn)定不變。因此管路中的壓差較小，流速也小，相應的膨脹作用弱，吸熱少，管路中的氣體溫度降低也較少；當拖車氣體壓力較低，如7Mpa以下時，壓縮機排氣量減小，工藝系統(tǒng)流量小。這時要保持四臺售氣機8個槍的氣量，壓縮天然氣供不應求，所以管路中的壓差增大，流速增加，膨脹作用加劇，吸熱增加，管道中的氣體溫度降得很低。尤其到了冬季，這種吸熱降溫作用，抵消了壓縮機的排氣溫度，再經過售氣機管路中閥件細孔的節(jié)流作用，使該處的局部溫度遠遠低于0。所以冬季售氣機極易在進氣閥門管件處形成冰堵。 5. 典型冰堵現(xiàn)象產生的原因5.1為何加氣母站調試時容易產生冰堵這種現(xiàn)象多發(fā)生在冬季母站調試過程中。其主要原因有以下幾方面。 加氣柱在工廠進行水壓試驗后，沒有將管路系統(tǒng)中的水分清除干凈，當給拖車加氣過程中，管道中的氣體膨脹降溫，只要低于0，就必然使系統(tǒng)中的這些水分結冰。 干燥器處理后的天然氣露點沒有達標（60）干燥器制造完工，至安裝調試時若相隔時間較長，其中的分子篩可能由于吸附了周圍環(huán)境和管道中的濕氣已經飽和。投產前的第一次再生，如果按說明書中的一般要求進行操作，再生處理可能不徹底。造成干燥處理后的天然氣露點沒有達標，常壓露點大約40，相對的壓力露點在3左右（含水量約80100mg/Nm3）。雖然這時的環(huán)境溫度僅為0左右，但在壓力為7Mpa左右，加氣柱管內溫度大約40，出現(xiàn)游離水，必然產生冰堵。只需要調整一下再生程序，即可改善了脫水效果不再出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象。5.2 為什么冰堵多發(fā)生在系統(tǒng)壓力低于10Mpa時我們先看看下面的計算： T2=T1(P2/P1)(K-1)/K 當 T1=273.1515 （拖車氣瓶的初始溫度，即環(huán)境溫度） T2=273.150 （產生冰堵時必須0） K=1.32(天然氣)將以上數(shù)據代入公式并解之得： P2/P1=e-0.214=0.8 P2=0.8P1如果 P1 分別為 15MPa 10MPa 7 MPa 5 MPa 時那么 P2 則等于 12MPa 8MPa 5.6MPa 4 MPa由此可知，系統(tǒng)壓力在低壓段（如7 MPa 以下），壓力降低到80%，壓力損失在1MPa左右時，溫度的降低就超過15。但在高壓段（如10MPa以上），壓力要降低到80%，壓力損失需要23MPa。正常管路系統(tǒng)不會產生這么大的壓損。這也是10MPa以上的高壓段不易產生冰堵的主要原因。5.3 夏天子站卸氣柱為何產生冰堵五一黃金周期間，某燃氣公司兩座加氣子站的卸氣柱，夜間相繼出現(xiàn)冰堵現(xiàn)象。當時的環(huán)境氣溫白天28，夜間20，進氣壓力7Mpa以下，冰堵時的管路氣體溫度7。但是設備相同，氣源相同的其他子站卻沒有發(fā)生冰堵。為什么呢？ 主要原因是某加氣母站脫水干燥器出現(xiàn)故障，致使拉來的氣質含水量太高。常壓露點估計在-44左右，相應的壓力露點0左右。這樣，當氣體壓降約1Mpa多，所引起的溫度降低就超過20，使系統(tǒng)低于0而冰堵。 另外，拖車氣體壓力降到7 Mpa以下時，壓縮級排量不足650Nm3/h。這時如果儲氣單元的氣體壓力小于18Mpa，無法補氣，卻有8個加氣槍同時加氣，每把加氣槍平均氣量僅有大約80Nm3/h。由于氣體供不應求，致使系統(tǒng)壓力大幅度降低。同時，卸氣柱高壓管路中的各管接件通徑很小，小孔徑的節(jié)流作用使壓力下降，氣體溫度急劇降低到0以下，必然產生冰堵。所以拖車壓力7Mpa時沒有產生冰堵，就是因為排量大，系統(tǒng)壓降小，壓差不會使氣體溫度下降過多。大排量加氣使系統(tǒng)管路結霜也是這個原因。這從前面的計算亦可以看出。 和其它沒有冰堵的子站相比，該兩個站之所以產生冰堵，就是因為加氣車輛多，同時工作的加氣槍多達8把，而每把槍加氣量卻比較小的原因。所以必須停掉幾把槍，使剩余加氣槍的加氣量增加，系統(tǒng)氣體供求量保持基本平衡，就可以避免冰堵。而且加氣速度加快。5.4 冰堵為什么只在卸氣柱而不在售氣機上產生有時，在同一座加氣子站上，冰堵卻只發(fā)生在卸氣柱上，而不在售氣機處產生。這種現(xiàn)象一般不會出現(xiàn)在冬季，只會在氣溫較高的季節(jié)產生。一方面卸氣過程膨脹吸熱，使氣體溫度大幅度降低。另一方面卸氣柱管路系統(tǒng)閥門、管件通徑都小于管子通徑。由于瓶頸處的節(jié)流作用，在孔徑處首先形成低溫區(qū)，同時該處氣量小（孔徑?。禍厮盏暮苄崃?，就足以使其結冰而堵塞。其余管路部分內徑大沒有節(jié)流，所以不易形成冰堵。售氣機處于壓縮機之后，在較高的環(huán)境溫度下，壓縮熱加上環(huán)境溫度遠遠大于氣體壓力下降所引起的膨脹吸熱，二者溫度相抵后，永遠高于0,所以非冬季節(jié)不會在售氣機上產生冰堵。6.冰堵現(xiàn)象