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山西國新科萊天然氣有限公司
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CNG加氣站國產設備運行狀況技術分析

瀏覽次數: 日期:2009年12月12日 16:15

摘要:

1 氣源調壓計量系統
    1.1 氣源壓力與壓縮機進氣壓力的匹配
  我市CNG加氣站多數由城市管網中壓管道供氣,供氣壓力一般為0.3MPa~0.4MPa。根據觀察,近年來我市對CNG加氣站的供氣壓力,在春、夏、秋三季基本能保證0.3MPa及以上水平,適應壓縮機的進氣要求;但冬季來臨后,由于季峰用氣的到來,城市氣源的季峰調節能力尚無法適應城市冬季用氣的需求,以至CNG加氣站的供氣壓力普遍下降,部分加氣站供氣壓力有時僅為0.2MPa或更低。對于要求供氣壓力為0.3MPa的壓縮機,當供氣壓力下降為0.3MPa以下時,壓縮機的供氣量亦隨之下降,如供氣壓力為0.2MPa時,有的V型和L型壓縮機的供氣量將減少約25%。因此,CNG加氣站建設在一段時期內還必須認真考慮季峰供氣對加氣站自身能力的影響。
    1.2 進站計量裝置
  目前采用的計量裝置有孔板流量計和渦輪流量計,其中后者使用更為廣泛。為保證流量計正常、準確的運行,應按規定設置緩沖罐,同時在流量計和緩沖罐之間設置止回閥,從而實現對壓縮機工況的調節和阻止壓縮機排污時氣體沖擊的逆向傳遞,避免對孔板流量計差壓變送裝置和渦輪流量計造成損壞。
2 天然氣壓縮機
  天然氣壓縮機是CNG加氣站的關鍵設備,國內生產天然氣壓縮機始于80年代末期,我市CNG加氣站已投入運行的國產壓縮機主要有V型、L型和ZW型。這3種壓縮機均由隔爆異步電動機帶動曲軸,再通過連桿、十字頭帶動活塞在氣缸中作往復直線運動進行氣體壓縮,冷卻方式都為循環水冷卻,V型與L型天然氣壓縮機系氣缸有油潤滑,ZW型天然氣壓縮機為氣缸無油潤滑。
    2.1 循環水冷卻系統
  CNG加氣站壓縮機循環水冷卻系統普遍使用當地自來水作水源,隨著運行時間的增加,循環水冷卻系統在工作過程中不可避免地產生結垢,從而造成壓縮機傳熱效率下降、溫度升高、設備故障率增加甚至壽命縮短等問題。為解決壓縮機結垢的問題,曾先后采用了電子除垢器、機械清洗法、化學投藥法、化學清洗法、軟水器等,各種方法初步效果見表1。
    2.2 傳動機構潤滑系統
  天然氣壓縮機傳動機構潤滑系統是采用強制與飛濺潤滑相結合的方法,由曲軸的非動力輸入端帶動軸頭油泵,壓力油經曲軸內油孔潤滑曲軸銷、連桿大頭瓦,再擠入連桿體油孔輸入到小頭襯套、十字頭銷處,從連桿大小頭溢出的潤滑油由于離心作用而飛濺潤滑到各級十字頭滑道面上。經運行實踐表明,十字頭和滑道故障時有發生,是傳動機構中故障率甚高之組件。究其原因,滑道間隙過小或變形、以及潤滑油牌號不當、油壓低和流量過小、缺油等均是造成十字頭和滑道磨損過快或燒研的主要因素。為此,對于在運行的天然氣壓縮機,定期檢查與保持滑道合理間隙、防止溫度過高是十分必要的,同時開車前(特別是每天第一次開車前)均應手動盤車,必須十字頭滑道等摩擦面上有油注人為止。另一方面,天然氣壓縮機制造廠亦應注意潤滑方式,并結合壓縮機轉速、活塞行程確定十字頭滑道的合理間隙,從而消除這一缺陷之高發率。
    2.3 氣缸潤滑
  (1)氣缸有油潤滑
  壓縮機各級氣缸潤滑采用注油器分別進行注油潤滑,油止回閥設在注油點前,注油量由該機型規定的注油滴數范圍確定。壓縮機運行中,注油器任一柱塞均不能發生故障停止運動、油路亦不能堵塞,否則將會造成活塞缸或活塞環嚴重磨損甚至拉傷。注油滴數應嚴格按規定操作,注油滴數過少會形成潤滑點油量不足,注油滴數過多會造成壓縮機和高壓脫水裝置的油分離器負荷過重及分子篩提早污染,甚至使壓縮天然氣中含油量增加,影響汽車發動機運行工況。
  (2)氣缸無油潤滑
  ZW型天然氣壓縮機各級氣缸潤滑均為無油潤滑,活塞環由金屬塑料環制成,使用壽命達到耐磨性要求。此種機型在實踐中得到不斷完善與進步,如通過加大活塞桿空檔距離(為行程2倍以上)及改進刮油環,基本解決了曲軸箱串油的問題,從而保證了無油潤滑的根本要旨。
    2.4 天然氣壓縮機啟動方式
  V型、L型、ZW型壓縮機在無負荷狀態下啟動,啟動控制方式有:
  (1)Y-Δ降壓啟動,起動時定子每相繞組上的電壓為正常工作電壓的1/3,適合無負荷啟動,而且啟動器結構簡單、價格便宜,V型機通常采用這種啟動方式。
  (2)自耦變壓器降壓啟動,自耦變壓器有65%和80%兩檔抽頭,可供選用,較Y-Δ降壓起動的啟動轉矩大,常用于較大的壓縮機電機,如L型機的啟動,但其價格較高,不允許頻繁起動,啟動頻率為5次幾,在壓縮機熱態時再次啟動應間隔半小時以上。
  (3)ZW型壓縮機電機采用軟啟動,這是一種較上述傳統方法更先進的啟動方式,啟動時電壓斜坡起動并帶限流特性,啟動平滑、保護拖動系統,減少啟動對電網的沖擊,啟動器體積小、節能,啟動頻率為20次幾。這種啟動方式提高了用戶的生產率,越來越得到廣泛的應用,是傳統啟動器的更新換代產品,但其價格高。
    2.5 壓縮機的運行
  在壓縮機啟動和運行中,操作人員必須隨時在機房查看和監聽有無異?,F象及聲音出現,并作記錄。因為機械故障不受電控控制,切忌不可產生因使用了PLC控制系統便萬無一失之誤解。
3 深度脫水裝置
  城市天然氣的含水量要求(GB/T17820)為在天然氣交接點壓力和溫度條件下水露點應比最低環境溫度低5℃。而汽車用壓縮天然氣的水露點為在汽車駕駛的特定地理區域內,在最高操作壓力下,水露點不應高于-13℃;當最低氣溫低于-8℃,水露點應比最低氣溫低5℃(GB18047)。顯然以城市天然氣為氣源的CNG加氣站,還必須對城市天然氣進行深度脫水才能輸出合格的汽車用壓縮天然氣。我市在運行的加氣站主要采用的是低壓脫水裝置或高壓脫水裝置,低壓脫水裝置系硅膠與分子篩復合吸附處理方式,高壓脫水為分子篩吸附處理方式。運行中的脫水裝置,如何達到與保持脫水效果的規定要求,是加氣站產出合格壓縮天然氣的重要環節之一,它涉及到再生循環效果和分子篩的性能穩定兩個方面。
    表1 壓縮機除垢方法對比
    類別 操作 環境影響 對設備影響 效果
    電子除垢器 無人操作 無 無 結垢較多
    機械清洗 勞動強度大 無 無 能除垢,并能清除固體沉積物
    化學投藥法 需專人管理 有污染 腐蝕設備 可防垢
    化學清洗法 需技工操作 有污染 腐蝕設備 除垢尚可,但能耗較大,受操作水平影響
    軟水器 可無人操作 輕微污染 無 效果較好

  說明:(1)機械清洗法的實施,要求壓縮機熱交換器便于拆卸,同時鏟刮后宜進行化學鈍化處理,此法難于清洗氣缸水套等。
   (2)軟水器使用中,應適時檢測軟水質量,同時每年可輔以鍋爐清洗劑清洗并沖洗固體沉積物;同時,循環水池尤以玻璃鋼水池為佳。
   (3)冷卻塔保持正常冷卻效果,是上述清洗法達到目的之基礎。
    3.1 再生循環流程
  再生循環過程中,吸附劑再生溫度越高,吸附劑再生越完全,殘余吸附質含量越少,有利于增大干燥吸附時的吸附容量。
  (1)再生溫度
  再生溫度是再生工藝和設備安全運行的需要,它的確定與設備結構、工藝需要、再生劑性質、天然氣性質及組份中污染成份的含量等有關。我們使用的幾種設備的再生溫度分別為:
  低壓脫水裝置:分子篩干燥塔為220℃-270℃或230℃-250℃
  高壓脫水裝置:230℃(進口)/105℃(出口)或230℃(進口)、200℃-230℃(進口)
  由此可見,合理確定再生溫度及控制點、確保再生溫度的實現是保證再生與干燥效果的基礎,特別是天然氣中含有輕質油成份時尤為重要。
  (2)高壓脫水裝置的再生氣與冷卻水循環
  高壓脫水裝置進行再生操作時,需要有再生氣循環及向水冷卻器供應循環冷卻水,通常CNG加氣站都采用由壓縮機循環水系統供應冷卻水。當壓縮機運行與再生操作不同步時,再生氣與冷卻水循環均不能實現,將影響再生操作的順利完成,結果導致壓縮天然氣質量的下降。所以,應在壓縮機運行中進行高壓脫水裝置的再生運行。為此,當壓縮機運行時間少于再生操作時,可讓壓縮機輕負荷運行一定時間,以達到兩者同步運行的目的。
  (3)再生氣調壓
  低壓脫水裝置再生氣,利用再生塔內余氣閉式循環,壓力≤0.1MPa,通過系統操作,能便利的實現壓力工況穩定,從而再生過程順利完成。高壓脫水裝置,再生氣取自壓縮機后高壓管路或貯氣庫,經調壓后壓力降為0.4MPa-0.8MPa。目前高壓脫水裝置配用的調壓裝置適應大調節比的能力差,出口壓力波動較大、故障率高、易冰堵,影響了加熱過程的平穩持續,造成再生程序不完全,以致干燥效果下降,為此尋求和選用合格的調壓裝置是達到再生效果重要基礎之一。
  (4)再生過程的溫度控制
  高壓脫水裝置多系外置加熱器,某些脫水裝置僅通過控制再生塔的進口溫度和熱吹時間來確定再生過程的完成與否,然而在進口溫度相同時,相同熱吹時間形成的塔內溫度場的分布還受到再生氣流速的影響,而調壓器出口壓力變化及冰堵將影響氣流速度,因此宜以控制再生塔進、出口溫度來確定過程的終結,這樣能更準確的達到再生過程的溫度要求。
    3.2 吸附劑
  分子篩有較強的吸附能力,特別是對水的吸附尤為強烈。但分子篩有比較脆弱的一面,即油分子會污染分子篩,特別是重油。重油分子在分子篩表面附著,使分子篩的微孔被堵塞,再生時,重油分子在分子篩表面結焦使其使用壽命大大降低;對于輕質油,由于沸點較低,對分子篩的影響相對減少,再生時大部份輕質油被蒸發,少部份殘留、結焦。此外,在使用過程中分子篩產生粉化,也是其失效的重要原因。為此另一方面,應定期清洗或更換分離器濾芯,以維持正常壓降和保障分離效果,減小油污染;同時,對于低壓脫水裝置凈化氣源含油組分亦是十分重要的問題;另一方面,再生與干燥相互切換時,升壓與降壓均應緩慢進行,以防止形成沖擊,升壓速度宜小于5MPa/min。
4 地下鋼管儲氣井
  隨著技術的發展和相關標準的制訂與完善,地下鋼管儲氣井近年在我市得到了較為廣泛的應用。地下鋼管儲氣井的建造按SY/T6535-2002高壓氣地下儲氣井實施,但在實際建造中尚有以下問題應進一步探討與明確規定:
  (1)按SY/T6535-2002中5.4固井規定,井筒與井壁間環形空間應用油井水泥漿封固。實際建井中,往往以自我理解確定固井深度,有的儲氣井僅固井30多米,這種不規范的操作難于確保井筒質量,可能給儲氣井的使用與壽命留下隱患。
  (2)SY/T6535-2002中7.5判廢規定,對上述檢測不合格并無法修復和使用時間達到25年的儲氣井應予報廢。在長達25年的使用中,儲氣井的薄弱環節之一的鋼管連接處,按前述標準中5.3.2.5規定,套管間的連接螺紋應用套管密封脂進行輔助密封。儲氣管井承受8MPa-25MPa交變壓力,循環次數達2.5×104,在這樣條件下持續長達25年的時間,密封脂能否保持完好的輔助密封,迄今既未見相關資料明示亦無儲氣井實踐。儲氣井的可靠運行是十分重要的,為此進一步探索與完善密封脂性能是十分必要的,否則將影響儲氣井壽命。
  (3)套管的防腐
  套管外壁與井內壁形成環形空氣氣體空間,固井部份被油井水泥充填。目前,儲氣井建造中,對于套管外壁防腐與否尚無統一認識,其一認為固井部份經混凝土包覆不會出現腐蝕;其二是認為未固井段殘留空氣量有限不至出現腐蝕,所以施工中有的僅涂刷防銹漆。個人認為,固井段由于混凝土的緊密包覆,起到了隔絕空氣的作用,固可抵御化學腐蝕的侵襲;而未固井部份處于環狀空氣的包圍,況且地下構造透氣性也難于確定,在長時間運行中又不能再次防腐處理,為此建議采用更為有效的防腐措施,如涂覆氯璜化聚氯乙烯等,以便更有效的防止化學腐蝕。
5 高壓管道
  壓縮天然氣高壓管道最高工作壓力達25MPa,同時壓力波動頻繁、波動幅度大。以往建站時,管道連接多用卡套連接方式,卡套接頭往往系國外產品,不銹鋼管則多是國內生產??ㄌ走B接利用卡套刃口在裝配時切人被連接管道而起連接和密封作用,這種連接方式不用密封件、裝拆方便、避免了焊接接頭存在的焊縫薄弱環節??ㄌ走B接的連接好壞與卡套材質、制造精度和熱處理質量、管材精度與硬度有關,與裝配質量關系也較大。國外卡套接頭與國產管材在尺寸精度與表面硬度方面的匹配往往較差;另一方面卡套連接用人工裝配方式,裝配質量取決于操作工的經驗,裝配質量的穩定性難于保證。在近年的運行中,我市CNG站已多次發生φ20以上(含φ20)接頭沖脫的嚴重漏氣事故,鑒于此,部分在運行站或新建站對于φ20以上的高壓不銹鋼管道采用了焊接連接,高壓閥門則采用金屬密封墊焊接管接頭(JB966-77),亦有部份在運行站改造時采用球面密封焊接管接頭。金屬密封墊焊接管接頭制造工藝簡單、工作可靠、對管道尺寸精度要求不高,其特點是對接焊縫往往成為它的薄弱環節,為了確保焊接質量,施工中必須嚴格實施氬弧焊和X光射線探傷操作要求。
6 售氣機
  售氣機具有加氣、計量、計價、統計與限壓等功能,目前國產售氣機大多采用進口質量流量計,電磁閥采用國內產品的日漸增加。經運行發現售氣機機械故障發生較為頻繁,影響了加氣站的正常運行。
  (1)過濾器
  售氣機各級電磁閥前大多裝有過濾器,這對于設置后置脫水裝置的加氣站尤為必要,但部分售氣機的過濾器其過濾面積過小,造成過濾器極易堵塞或濾網破壞,給售氣機閥門帶來了隱患,因此設置合理有效的過濾器是售氣機正常工作的基礎條件之一。
  (2)兩位三通閥泄漏及電磁閥和單向閥故障率高發是應引起重視的問題。特別在經營狀況較好的加氣站,兩位三通閥正常使用壽命僅數月,給加氣帶來了較大的影響,而電磁閥和單向閥(特別是三連電磁閥)零件損壞頻繁,甚至造成一路無法修復整個三連電磁閥報廢的局面,所以提高閥件的使用壽命和選用單體電磁閥是售氣機制造廠應考慮的問題。
  (3)限壓功能
  售氣機普遍具有限壓功能,當加氣壓力達到天然氣汽車儲氣瓶壓力最大值(20MPa)時,售氣機自動停止售氣。目前需要注意的是這一功能的正確發揮,部分售氣機的限壓設定值往往偏差較大,造成汽車儲氣瓶的安全隱患。為此,個人認為應加強重視這一涉及安全的充裝措施,限壓設定值的偏差宜控制在汽車儲氣瓶允許最高工作壓力的±5%以內。
  綜上所述,在運行加氣站通過提高技術水平、強化設備的維護保養和結合運行實際實施技術改造,提高了加氣站的運行質量和可靠性。當前,應進一步加強管理,切實貫徹有關規范的要求,認真做好高壓系統的檢驗與測試工作:(1)開展高壓儲氣容器的周期檢驗。(2)高壓安全閥的定期校驗。(3)壓力、溫度變送器的定期校驗。(特別是壓縮機控制系統中的壓力變送器)(4)實施高壓輸氣管道的周期檢驗,特別是焊接連接管道的焊縫檢驗和管道壁厚測定。

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