液压式CNG汽车加气装置
2010-11-26王晓强
摘要:论述了液压式CNG汽车加气加气装置的设备组成、增压原理、工作流程、压力控制、注液量控制。在液压介质温度控制、排气流程、降低起动电流等方面进行了改进。与压缩机加气装置相比,液压式CNG汽车加气装置能耗低,取气率高,加气速度稳定,排气温升小,设备结构简单,便于安装,发展前景广阔。
关键词:液压式;CNG汽车;CNG加气装置;CNG加气子站
CNG Vehicle Hydraulic Filling Device
WANG Xiao-qiang
AbstractThe 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 wordshydraulic type;CNG vehicle;CNG filling equipment;CNG filling substation
    我国由于汽车保有量迅速增加,汽车尾气带来的环境污染日趋严重。而以压缩天然气(CNG)为燃料的CNG汽车在尾气排放方面具有明显的优越性,颗粒物排放几乎为零,NOx、CO和HC的排放也显著降低,因此,越来越多的城市开始发展CNG汽车[1],对CNG汽车加气站的需求也日益旺盛。液压式CNG汽车加气装置以其节能、取气率高、结构简单、低噪声等优势在众多加气装置中脱颖而出。
1 液压式CNG汽车加气装置简介
    液压式CNG汽车加气装置适用于CNG加气子站的建设,在没有管输天然气的情况下,用CNG气瓶车运输、储存CNG,通过增压装置压缩CNG,为CNG汽车加气[1]。图1是用该装置建设的CNG加气子站工作示意图。
 
1.1 液压式CNG汽车加气装置的设备构成
    构成液压式CNG汽车加气装置的主要设备有CNG气瓶车、液压式增压装置、控制柜、空气压缩机。
    本文中的CNG气瓶车是在普通CNG气瓶车基础上改装而成的,其结构见图2。每辆CNG气瓶车都有8个储气瓶,为了简化图形,图中只画出2个储气瓶。储气瓶两端的注液阀、回液阀和排气阀都是常闭型气动球阀,向气动球阀的气缸充压缩空气则气动球阀开启;气缸泄气则气动球阀关闭。
 
    液压式增压装置的结构见图1中虚线框内部分,主要设备有液压介质储罐、柱塞泵、电动机,图1中省略了驱动柱塞泵的电动机。这些设备集成在一个橇块上,一端通过注液管、回液管和排气管上的快装接头和CNG气瓶车连接,另一端和加气机连接。
    控制柜是本装置中的控制设备,以可编程逻辑控制器(PLC)和触摸屏为核心,PLC通过中间继电器和电磁阀控制CNG气瓶车上的气动球阀和液压式增压装置。触摸屏起监控作用,用户可以在触摸屏上查看系统压力、液压介质温度等参数,修改系统压力上限、下限等参数。
    空气压缩机的作用是生产压缩空气以驱动气动球阀,使得控制柜可以远程控制CNG气瓶车上的气动球阀。
1.2 液压式CNG汽车加气装置的原理及流程
   ① 增压原理
   液压式CNG汽车加气装置的增压原理见图1。利用柱塞泵将液压介质经注液管注入CNG气瓶车上的储气瓶,压缩储气瓶中的CNG,并将CNG置换出来,经排气管给CNG汽车加气,柱塞泵的流量决定了液压式CNG汽车加气装置加气的速度,这一过程称为注液。当注入储气瓶的液压介质的体积达到储气瓶容积的95%左右时就停止注液,然后利用储气瓶中剩余CNG的压力将液压介质经回液管推回到液压介质储罐中,这一过程称为回液。回液速度大于注液速度,因此可以在前一个储气瓶回液的同时就向下一个储气瓶注液。
② 工作流程
    液压式CNG汽车加气装置的工作流程是:先向第一个储气瓶注液,第一个储气瓶注液结束后回液,在第一个储气瓶回液的同时就向第二个储气瓶注液,第二储气瓶注液结束后回液,并在回液的同时向第三个储气瓶注液,以此类推直到最后一个储气瓶回液结束,工作流程结束,然后就可以断开液压式增压装置和CNG气瓶车。连接下一辆CNG气瓶车又可以开始新的工作流程,这种情况下中断加气的最短时间是最后一个储气瓶回液的时间加上更换CNG气瓶车的时间。加气量大时还可以在前一辆CNG气瓶车最后一个储气瓶回液的同时就向下一辆CNG气瓶车第一个储气瓶注液,待前一辆CNG气瓶车最后一个储气瓶回液结束后再将回液管移到下一辆CNG气瓶车,使因更换CNG气瓶车而中断加气的时间只是在向第二辆CNG气瓶车第一个储气瓶注液前将注液管和排气管从第一辆CNG气瓶车移到第二辆CNG气瓶车所需要的时间,操作熟练的人员只需要3~5min,这一过程称作换车。
   ③ 压力控制
   压力控制是通过控制柱塞泵的工作状态和工作时间,使储气瓶中CNG的压力稳定在上限和下限之间,图3是压力控制流程。
 
    本装置没有直接测量储气瓶中CNG的压力,而是用注液管道的压力代替储气瓶中CNG的压力作为被控制的系统压力,管件和阀门造成的压力损失只是使系统压力略高于储气瓶中CNG的压力。设备开始工作后,如果系统压力低于上限就让柱塞泵进入加压状态,向储气瓶注液,给储气瓶加压,直至系统压力高于上限。系统压力高于上限后就让柱塞泵进入空载状态,停止注液,储气瓶停止加压。柱塞泵进入空载状态后延时至少6s,如果在这段时间内系统压力没有低于下限就停止柱塞泵。在延时期间或停止柱塞泵后系统压力低于下限就让柱塞泵进入加压状态,给储气瓶加压,直至系统压力超过上限,再次让柱塞泵进入空载状态,如此反复。
    柱塞泵工作时有空载和加压两种状态,柱塞泵处于空载状态时液压介质通过旁通管直接回到液压介质储罐,对储气瓶中的CNG没有加压作用,电动机功率只有额定功率的1/3左右;柱塞泵处于加压状态时把液压介质注入储气瓶,对液压介质做功,对储气瓶中的CNG有加压作用。
   ④ 注液量控制
   现阶段受技术条件限制还不能直接测量CNG气瓶车上储气瓶内的液位,而测量液压介质储罐内的液位则非常容易。假设每次回液都能使注入储气瓶的液压介质全部回到液压介质储罐,那么只要开始回液时液压介质储罐内的液位保持不变就可以保证每次注入储气瓶的液压介质都一样多。因此,可以通过控制开始回液时也就是注液结束时液压介质储罐内的液位来间接控制注入储气瓶的液压介质的量(注液量),选择合适的液压介质储罐内的液位就可以使注液量约等于储气瓶容积的95%,而且这时回液最充分。
2 液压式增压装置和压缩机比较
2.1 设备能耗
液压式CNG汽车加气装置中主要做功的设备是柱塞泵,绝大多数能量都是柱塞泵消耗的。柱塞泵的输出功率可按下式计算[3]
 
式中P1——柱塞泵的输出功率,kW
    qV——柱塞泵的排液量,L/min
    p——柱塞泵输出压力,MPa
    忽略柱塞泵的能量损失,柱塞泵的输出功率等于它的输入功率(即轴功率)。本装置的加气能力为1000m3/h,输出压力是20MPa时,要求柱塞泵排液量约83.3L/min,柱塞泵的轴功率约27.8kW;输出压力是22MPa时,柱塞泵的轴功率约30.5kW,而相同加气能力的压缩机加气装置需要的轴功率却在120kW左右。
2.2 取气率高,加气速度稳定,温升小
    在较理想的状态下,液压式CNG汽车加气装置的取气率在95%左右,储气瓶残余压力小于1MPa。柱塞泵的流量决定液压式CNG汽车加气装置的最大加气速度,而柱塞泵的流量在工作压力范围之内是恒定的,因此,不论储气瓶中剩多少CNG,本装置的加气速度都保持不变。CNG在高压状态下被压缩,压缩比小且恒定,因此,增压过程中CNG温升较小,到达加气机的CNG温度已经等于环境温度。
    压缩机式加气装置中CNG气瓶车只是CNG的储存设备,作为压缩机的进气气源,储气瓶内CNG的压力就是压缩机的进气压力,加气过程中压缩机进气压力不断降低,压缩比不断增大,随着压缩比增大,增压速度越来越低,当进气压力降到6MPa左右时压缩机的增压速度明显小于加气速度,继续加气就得不偿失了。因此,压缩机式加气装置的取气率为70%~80%,会有20%~30%的CNG留在储气瓶里,随着CNG气瓶车在公路上运输。而且随着压缩比增大,压缩机需要的轴功率和排气温度迅速升高,排气温度能达到140℃。
2.3 设备结构简单,便于安装
    液压式CNG汽车加气装置的结构见图1,非常简单,没有冷却系统,没有专门的缓冲瓶组,而且柱塞泵工作时振动小,对设备基础没有特殊要求。和本装置配套的加气机是单线加气机,从液压式增压装置到加气机只需要一条管道,即使接多台加气机,管道也非常简单。
    压缩机式加气装置不但要有缓冲瓶组,而且压缩机本身的结构也很复杂,不但有压缩系统,还有冷却系统、润滑系统,而且压缩机工作时由于活塞做往复运动而有强烈的振动,因此,对设备基础有严格要求。与压缩机配套的加气机都是三线加气机,即从缓冲瓶组到加气机有3条管道,当接多台加气机时管道会比较复杂。管道越复杂,可能的漏点就越多。
3 改进
3.1 液压介质温度控制
    我国幅员辽阔,南北气候差异极大,北方冬季最低气温远低于0℃。液压介质温度过低时柱塞泵会因为工作介质黏度过大而加剧磨损,缩短使用寿命。液压介质温度过高时柱塞泵又会因工作介质黏度太小而泄漏量变大,增加能耗[3],而且液压系统出现故障时往往都伴随出现工作介质温度急剧升高的现象。根据设备使用环境有选择地安装加热器、散热器和温度传感器,将温度控制在合理范围之内,并在温度过高或过低时报警,以提示操作人员检查设备。
3.2 排气流程改进
    本装置原有设计是只有正在注液的储气瓶的排气阀是打开的,这种情况下,即使加气量不是很大,系统压力变化也比较频繁,使柱塞泵和管道频繁受到冲击。经过计算,改为多个储气瓶同时排气,即当某个储气瓶注液时,打开它和它后面还没有注液的储气瓶的排气阀,多个储气瓶同时排气。如果容器的排气通道有效截面积保持不变,那么容器排气时压力变化的速度是随着容器的容积增大而减小,容积越大,压力变化也就越慢[3]。排气流程改进后排气气源的容积成倍增加,而排气通道也就是排气管没有变化,因此,压力变化的速度大幅度降低。试验测得7个储气瓶同时排气时,压力从22MPa降到20MPa需要2min左右的时间。实际加气时这个时间会更长,远大于单个储气瓶排气时6~12s的排气时间,这就使柱塞泵和管道受冲击的次数大幅度减少。
3.3 变频调速大幅度降低起动电流
    有些加气站是在已建成的加油站基础上合建的,原有变压器容量有限,就要求电动机起动电流尽可能小。使用变频器可以很好地解决上述难题,还可以节能。
    柱塞泵是恒转矩负载,因此,变频器采用线性V/f控制,即变频器输出电压和输出频率成线性关系,这样电动机的输出转矩不随转速变化而变化。忽略电动机到柱塞泵的能量损失,则电动机的轴功率等于柱塞泵的轴功率。电动机轴功率和转矩、机械角速度有以下关系[4]
    P2=Tω    (2)
式中P2——电动机的轴功率,W
    T——电动机的转矩,N·m
ω——电动机的机械角速度,rad/s
 
式中n——电动机的转速,min-1
由式(2)、(3)得到:
 
由式(4)可知,只要降低电动机的转速就可以降低电动机的功率。
 
式中f——电动机电源频率,Hz
    p——电动机的极对数
由式(4)、(5)得到:
 
    由式(6)可知,降低电动机供电频率就可以降低电动机的功率。
    P3=UI    (7)
式中P3——变频器输入功率,W
    U——变频器输入电压,V
    I——变频器输入电流,A
    忽略能量损失,变频器输入功率等于电动机轴功率,既P2=P3。根据式(6)、(7)得到:
 
    由式(8)可知,降低电动机供电频率就可以降低变频器输入电流,电动机起动时变频器输入电流也相应降低,甚至小于电动机的额定电流,与此同时,电动机输出转矩不受影响,这样就避免了电动机起动电流对电网的冲击。由式(6)可知,柱塞泵空载时降频工作可以进一步减小空载时的能耗。
参考文献:
[1] 李秋利.发展滨海新区天然气汽车的构思[J].煤气与热力,2008,28(2):B23-B25.
[2] 吴国光,李连成,杨俊杰.CNG液压加气子站与常规加气子站方案比选[J].煤气与热力,2008,28(1):R29-R32.
[3] 姜继海.液压与气压传动[M].北京:高等教育出版社.2002.
[4] 电气工程师手册第二版编辑委员会.电气工程师手册(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2000.
 
(本文作者:王晓强 安瑞科(廊坊)能源装备集成有限公司 河北廊坊 065001)
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