CNG加气枪排空天然气的回收技术
2012-4-25李树旺 罗东晓
摘要:介绍了一种回收CNG加气枪排空天然气的系统,包括加气枪三位控制阀门、余气回收通道、排空天然气的低压利用模式和中压利用模式。
关键词:压缩天然气加气站;加气机;加气枪;余气回收
Technology for Recovering Natural Gas Evacuated from CNG Refueling Nozzle
LI Shuwang,LUO Dongxiao
AbstractA 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 wordsCNG refueling station;refueling dispenser;refueling nozzle;residual gas recovery
1 概述
   按照加气站操作规定,在对天然气汽车加气时,每充完一次压缩天然气(CNG)后,都必须排放掉加气枪顶部管道内残存的天然气,即实施泄压操作。据统计,实施一次泄压操作,排放掉天然气约1.2L。一个常规的天然气汽车加气站,一天可对约1200辆汽车加气,也就是要进行1200次泄压操作,每天天然气的排放总量达到1440L。
   天然气的直接排放是极大的能源浪费,而且天然气中的甲烷又是极强的温室气体,对大气环境破坏力很大。此外,直接排放还带来许多安全隐患。因此对CNG加气枪排空天然气进行回收利用,有明显的经济效益和环保效益。
2 天然气汽车加注流程
天然气汽车是由车载气瓶内的高压天然气经过调压设备减压后进入发动机,与空气混合后燃烧产生动力,驱动行驶,而车载气瓶内的高压天然气是通过汽车加气站的加气枪进行加注[1~3]。加气枪的核心部件是一个两位控制阀门,用于进行具体的加气操作,该阀门的工作原理见图1。
 

   加注操作过程如下[4]
   ① 将加气枪前端枪头部分1的加气接口与车载气瓶加注口连接,打开车载气瓶进气口球阀。
    ② 操作加气枪两位阀门,使1-2通道关闭,1-3通道接通。此时车载气瓶与加气机内的高压天然气供应回路连通,高压天然气向车载气瓶注入,车载气瓶内天然气压力逐渐升高。
    ③ 待车载气瓶内天然气压力升到规定值时,关闭车载气瓶上的进气球阀。此时,车载气瓶进气通路被切断,但加气枪两位控制阀门顶端400mm长的枪头部分压力仍为20MPa左右。
    ④ 操作加气枪上的两位控制阀门,使1-3通道关闭,1-2通道接通,将枪头部分的高压天然气直接排入大气中,即实施泄压操作。
    ⑤ 将加气枪枪头从车载气瓶上拔出,加注操作过程结束。
3 CNG加气枪排空天然气回收利用技术
3.1 基本思路
    为了回收被排放掉的这部分天然气,研究出一种有效的方法和装置,使上述排放的天然气由高压转化为中低压,储存或供用户直接使用,以此实现加注过程“零排放”[5]
    实现的基本思路是设计一个操作控制阀门,并增加一路余气回收通道与中低压储存装置或城市燃气中低压燃气管道相连接,将原排入大气的天然气通过该回收通道送入储气罐储存或用户使用。
3.2 加气枪排空天然气回收利用系统
3.2.1三位控制阀门
    回收排空天然气的核心部件是一个三位控制阀门,用于替代原两位控制阀门。它与原加气枪上的两位控制阀外形尺寸一致,操作过程也基本一样,不增加操作难度和工作量,且具有同等的安全可靠性。其工作原理见图2。
 

    三位控制阀门的3个端口分别对应3个通道:1-2排空通道;1-2A回收通道;1-3加气通道。
分别对应3种不同的工作状态:待机状态;余气回收状态;加注状态。
    ① 非加注状态(待机状态):1-2(排空通道)连通,1-2A(回收通道)及1-3(加气通道)关闭。此时,加气枪枪头与大气相通。与原加气枪操作无异。
    ② 加注状态:1-3通道连通,1-2及1-2A通道关闭。此时,加气机高压天然气供应通路通过枪头部分与车载气瓶相通。与原加气枪操作也无差异。
    ③ 过渡状态(余气回收状态):此为加注状态向非加注状态转换过程中的一个短暂阶段。三位控制阀的1-2A连通,1-2及1-3关闭。储存在枪头管道内高压天然气通过回收通道被送入储存装置储存或供用户使用,压力被迅速释放。
    之后,借助于弹簧的作用,三位控制阀迅速自动回到“非加注状态”:回收通道关闭;排空通道打开。
    由此可以看出,本技术在原加注操作基础上增加了一个过渡环节。在此阶段,原本向大气排空的那部分高压天然气被排入用户系统,实现对排空气体的回收,枪头部分的高压力得以释放。
3.2.2余气回收通道
    与三位控制阀门2A端口连接的余气回收通道,负责对回收来的天然气进行收集、降压、隔离、储存与利用。依据需要,分两种回收方式:低压利用模式和中压利用模式。
3.2.3低压利用模式
    图3是CNG加气枪排空天然气回收利用技术的低压模式。
 

   ① 回收与集气部分
   与各台加气机加气枪上2A端口相连接的多条余气回收管道,将所回收的天然气全部汇集到一条集气总管上,实现多点余气集中处理。
   ② 降压与隔离部分
   实质上是一个水封隔离装置,有两个作用。一是将收集到的高压天然气快速释放降压,以低压状态进入低压储气罐储存待用或直接进入低压用户供气系统。二是阻止低压储气罐内的气体回流,起单向阀(止回阀)的作用。
    水封隔离装置设置水位观测与监控系统,确保水位保持在规定高度。水位高度一般大于储气罐运行压力水头或低压用户供气系统运行压力水头100mm以上。
    由于来自集气总管的天然气瞬间压力太高(近20MPa),穿过水封隔离装置快速减压释放过程中,必定会对水封内的水造成极大的冲击,形成水气混合物。因此,需设置多层抗冲击的水/气分离板,用于将高压气体带出的混合物中的水滴遮挡并借助于重力让其回流至水封中,保持水位不变。而混合物中的气体则顺利通过。
   水/气分离板上钻有许多小孔,便于气体自下而上穿过,水滴由上而下坠落,每层分离板相距约为200mm,多于3层效果较佳。
   ③ 储存及利用部分
   储存及利用设施包括低压储气罐、城市燃气管网中的低压燃气管道以及各类低压用户。
   ④ 安全保障设施
   系统设置安全保障设施,确保生产过程中设备与人身的安全。
3.2.4中压利用模式
   图4是CNG加气枪排空天然气回收利用技术的中压模式。
   与低压模式的唯一区别在于采用一个单向阀门(止回阀)替代水封隔离装置,同样起降压隔离作用,避免天然气倒灌。与之对应的后续系统是中压储气罐和中压管道供气系统。
 

4 结语
    对于一个典型规模的加气站(规模为2.0×104m3/d),可回收的天然气总量可达1200m3/a,环保效益意义重大,经济效益次之。
参考文献:
[1] 宋晓琴.国内外CNG加气站的发展趋势[J].油气储运,2003(8):14-16.
[2] 黄雄健.天然气汽车及天然气加气站的经济性分析[J].小型内燃机与摩托车,2009,38(2):75-77.
[3] 周春.福建省天然气汽车加气技术路线的探讨[J].煤气与热力,2010,30(2):B01-B05.
[4] 何太碧,黄海波,谭金会,等.CNG加气机技术水平评价指标体系[J].天然气工业,2005(3):118-121.
[5] 苏昌林,刘缙林,邱东利,等.节能型压缩天然气加气机[J].中国测试技术,2008,34(6):138-140.
 
(本文作者:李树旺1 罗东晓1、2 1.新奥能源控股有限公司 河北廊坊 065001;2.中山大学 广东广州 510275)
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