CNG汽车加气站脱水装置 应用体会与分析

 无锡华润燃气有限公司       李彦学

摘要：对天然气汽车加气站高压后置分子筛脱水撬的运行状况进行总结分析并与其它几种形式的分子筛脱水装置进行比较，为今后建站的选型设计提出建议。
关键词：CNG脱水装置  压缩天然气  运行状况  分子筛

分子筛脱水装置是加气站的四大关键设备之一（脱水、压缩、储气、售气），其作用主要在于防止系统冰堵和对高压容器的腐蚀，目前应用的脱水装置一般分为两种形式：低压前置和高压后置，前者设在压缩机之前，工作压力基本等同管网压力；后置设在压缩机后，工作压力为25MPa。
1、高压后置脱水装置应用体会：
1.1无锡华润燃气公司现有四座加气站，采用的脱水撬均为高压后置式，其理由主要为三点：一是沿袭传统习惯；二是管网压力偏低；三是采购成本较低。不同厂家设备的原理、结构和工艺流程基本相同，仅再生系统冷却方式有所差异。




图1采用标准流 程，即再生热气经板翅式风冷却器冷却；图2热再生气与高压节流后的冷气交换热量，前者需要消耗0.45KW冷却风机功率，但可以做到全天候工作。而后者无需冷却风机， 再生阶段压缩机不得停机，否则将无法获得冷源。

此外冷源还受高压端的实际压力影响和流量影响，若压力偏低、流量偏小时，原本冷量已显不足的状况会进一步加剧，导致排气温度未能足够冷却、油水分离不彻底。

前者冷却器采用高效板翅式换热器，不受工艺和环境条件改变影响，实现“全天候可靠工作，确保气液分离器有效工作，避免“自然冷却”冷量不足、排气温度不稳定、油水分离不彻底之缺陷。

1.2、主要运行参数：

	处理气量	进气温度	温度设置	再生时间	吸附时间	露点温度	其它
中南站	2000Nm3/h	室温	180~220℃	5h	＞8h	＜-55℃	露点稳定
太湖站	2000Nm3/h	45℃	＜250℃	6h	＞8h	＜-55℃

1.3运行状况

后置高压脱水装置在中南站等加气站投用已分别达到2~3年，基本上能满足使用要求，本文主要对其设备多发故障和先天性缺陷予以分析：

故障/缺陷现象	原因分析	排除或改进措施
接头普遍漏气	(1)处于高压状态下螺纹接头承受高低压和高低温交变应力。  (2)管道制造过程中未能保证形位公差，致使接头承受附加应力。	中南站设备两年后被厂家招回重新制作管系后基本消除
切换阀门更换较频繁，分子筛亦更换	同上述原因1
露点不稳定，内部常有冰堵	由于天然气焦-汤效应因素（压力每下降1bar，温度约下降0.4℃），当再生气减压时，压力会从200 bar下降至2 bar，温降可达80℃，若再生气含湿量较大（如成品气露点不达标，或气井气运行初期底部存水），均会造成内冰堵。	提高加热温度，延长加热时间，加大再生气量确保成品气干燥度达标。 由于气井液压试验后不可能排净水，运行初期（3~6个月），尽可能不用气井返回气作为再生气源。
运行初期，再生周期难以保证，再生气难于回收（即使采用回气计量装置，但因回气不均匀性造成计量误差）	压缩机运行时间与加气车数量有关，而再生周期一般不低于6小时（加热3.5h，吹冷2h）当压缩机停机时，再生气源中断或使用气瓶储气但再生气不能返回压缩机入口。	再生过程调整至白天压缩机连续开机时段，避免再生断气和超压。

另外：由于四个站均采用了无油/少油压缩机，分子筛不会发生油中毒，据了解未采用无油压缩机的站点，其后置高压脱水装置的分子筛严重油中毒，满负荷工作状态，分子筛平均更换周期仅为3~6个月。

2、前置型脱水装置：
后置高压脱水装置显然具有体积小、重量轻，初期投资小于前置型，但由于其运行费用较高，安全性差，对压缩机无保护作用，所以仅适用于中小型、低管网压力（＜2bar）和低配型压缩机。据调查统计，国际市场在上世纪九十年代已不再推荐使用高压后置型式，国内2000年后，前置型用量逐年递增，特别是在管网压力较高的中大型站，几乎全部采用前置型，其处理量单台可达近10000Nm³/h，工作压力涵盖低、中压，有的甚至超过10MPa。目前管网压力仍有（特别是主管线压力）升高趋势。

 2.1前置型分类及流程：
按压力等级可分为低压（0.2~10MPa）、中压(＞1.6~＜10MPa)、高压（≥10MPa）。
按再生循环方式可分为减压再生型和零排放型。前者在进行再生工序时，需将罐内压力排放至0.05MPa，其吸附/再生分别为两个独立封闭系统，后者再生工序是在等压（管网压力）下进行，全过程无任何气体排放，且使用干气（产品气）加热再生和吹冷、冷却分离后的湿气再次进入吸附罐入口，属于半封闭系统。同后置高压型，前置型控制方式也有半自动和全自动之分，半自动型除切换倒塔时需操作人员到现场进行阀门手动操作，再生过程（加热和吹冷）均为自动控制进行。


3、前、后置脱水装置经济技术比较：

项目	前置脱水装置	后置脱水装置
处理气量	＞1000~10000m3/h 中大型站	＜1000m3/h     小型站
压缩机有效排量	不减少压缩机排气量	干燥器再生时耗气量约为压缩机排气量的5%，减少压缩机有效排气量
管网压力	＞0.2~10.0 MPa 压力过低，会导致设备过于庞大	≤0.2 MPa
管网气质	要求不高 有益于压缩机工作环境改善和延长寿命	有要求 当管网气质不好（含水、硫、凝析油及固体颗粒）时，有可能对压缩机造成腐蚀、磨损、液击等损伤。
充气负荷	不受压缩机开机时间限制	易受压缩机负荷变化影响
投资、运行成本	投资较大； 基本无易损件，无润滑油污染，吸附剂、零部件寿命长	投资较小； 高低压切换冲刷吸附剂，压缩机润滑油有可能污染吸附剂，吸附剂寿命较短，高压零部件易损坏，再生气回收利用困难
体积、重量	体积、重量大（尤其低压时）	体积、重量小

4、脱水装置功能再认识：

CNG汽车加气站四大设备之一的脱水装置，其基本功能或用途主要有三：
〈一〉避免系统冰堵，这是因为天然气的焦耳-汤姆逊效应较一般气体更为强烈，
如压缩空气压力每下降1bar，其温度降低约0.1℃，而压缩天然气压力每下降1 bar，温度降低约0.4℃，其焦-汤效应是压缩空气的4倍。加气站和汽车内部管道、阀门多处存在节流小孔，极易形成大压降、大温差，导致管内气体温度骤降至零下几十度，远低于当地最低环境温度，因此，CNG系统所要求的水份含量也远低于输送管网所要求的含水量。根据经验，中国大陆南方当气体露点温度高于-35℃，北方地区露点温度高于-45℃，东北、新疆等寒冷地区露点温度高于-55℃，就有可能发生冰堵现象，高压、低温状态还有可能形成水合物堵塞管道系统，导致加气站不能实现正常加气，汽车无法启动和运行。
〈二〉避免设备、管道、贮罐等腐蚀和产生“氢脆”，文献【2】称：全国发生的85起气瓶爆炸事故，主要是由于气体含水量超标，导致腐蚀，“氢脆”引发的。
〈三〉避免水（油、烃）聚集，据文献【2】介绍，出租车气瓶使用两年后，在维护检测时，往往能倒出约0.5~1升的油水混合物。另据介绍，中国、泰国推广应用液压子站时，某些子站液压油寿命极低，追究原因，发现大部分也是由于母站输送气体含水、含重烃、含CO₂量过高所致。

5、结束语：无锡华润燃气公司基于前期投运的四座加气站干燥脱水装置运行状况和调查研究，认为前置干燥脱水装置运行压力低，管道和阀门不受交变压力影响，运行安全、稳定可靠，虽然价格较后置干燥脱水装置高，但综合成本低，尤其是不降低压缩机排气量，所以在2008年以后新建加气站，全部采用了低压前置零排放型脱水设备。

文献【1】：《行业发展报告  2007-9》   中国通用机械工业协会
文献【2】：《关于CNG加气站安全技术的几点考察》
四川石油管理局  朱清澄
          西华大学  黄海波