CNG加氣槍排空天然氣的回收技術(shù)

摘 要

摘要：介紹了一種回收CNG加氣槍排空天然氣的系統(tǒng)，包括加氣槍三位控制閥門、余氣回收通道、排空天然氣的低壓利用模式和中壓利用模式。關(guān)鍵詞：壓縮天然氣加氣站；加氣機(jī)；加氣槍；余氣
摘要：介紹了一種回收CNG加氣槍排空天然氣的系統(tǒng)，包括加氣槍三位控制閥門、余氣回收通道、排空天然氣的低壓利用模式和中壓利用模式。
關(guān)鍵詞：壓縮天然氣加氣站；加氣機(jī)；加氣槍；余氣回收
Technology for Recovering Natural Gas Evacuated from CNG Refueling Nozzle
LI Shuwang，LUO Dongxiao
Abstract：A 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 words：CNG refueling station；refueling dispenser；refueling nozzle；residual gas recovery
1 概述
   按照加氣站操作規(guī)定，在對(duì)天然氣汽車加氣時(shí)，每充完一次壓縮天然氣(CNG)后，都必須排放掉加氣槍頂部管道內(nèi)殘存的天然氣，即實(shí)施泄壓操作。據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)施一次泄壓操作，排放掉天然氣約1.2L。一個(gè)常規(guī)的天然氣汽車加氣站，一天可對(duì)約1200輛汽車加氣，也就是要進(jìn)行1200次泄壓操作，每天天然氣的排放總量達(dá)到1440L。
   天然氣的直接排放是極大的能源浪費(fèi)，而且天然氣中的甲烷又是極強(qiáng)的溫室氣體，對(duì)大氣環(huán)境破壞力很大。此外，直接排放還帶來(lái)許多安全隱患。因此對(duì)CNG加氣槍排空天然氣進(jìn)行回收利用，有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。
2 天然氣汽車加注流程
天然氣汽車是由車載氣瓶?jī)?nèi)的高壓天然氣經(jīng)過(guò)調(diào)壓設(shè)備減壓后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，與空氣混合后燃燒產(chǎn)生動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)行駛，而車載氣瓶?jī)?nèi)的高壓天然氣是通過(guò)汽車加氣站的加氣槍進(jìn)行加注[1～3]。加氣槍的核心部件是一個(gè)兩位控制閥門，用于進(jìn)行具體的加氣操作，該閥門的工作原理見(jiàn)圖1。
 

   加注操作過(guò)程如下[4]：
   ① 將加氣槍前端槍頭部分1的加氣接口與車載氣瓶加注口連接，打開(kāi)車載氣瓶進(jìn)氣口球閥。
    ② 操作加氣槍兩位閥門，使1-2通道關(guān)閉，1-3通道接通。此時(shí)車載氣瓶與加氣機(jī)內(nèi)的高壓天然氣供應(yīng)回路連通，高壓天然氣向車載氣瓶注入，車載氣瓶?jī)?nèi)天然氣壓力逐漸升高。
    ③ 待車載氣瓶?jī)?nèi)天然氣壓力升到規(guī)定值時(shí)，關(guān)閉車載氣瓶上的進(jìn)氣球閥。此時(shí)，車載氣瓶進(jìn)氣通路被切斷，但加氣槍兩位控制閥門頂端400mm長(zhǎng)的槍頭部分壓力仍為20MPa左右。
    ④ 操作加氣槍上的兩位控制閥門，使1-3通道關(guān)閉，1-2通道接通，將槍頭部分的高壓天然氣直接排入大氣中，即實(shí)施泄壓操作。
    ⑤ 將加氣槍槍頭從車載氣瓶上拔出，加注操作過(guò)程結(jié)束。
3 CNG加氣槍排空天然氣回收利用技術(shù)
3.1 基本思路
    為了回收被排放掉的這部分天然氣，研究出一種有效的方法和裝置，使上述排放的天然氣由高壓轉(zhuǎn)化為中低壓，儲(chǔ)存或供用戶直接使用，以此實(shí)現(xiàn)加注過(guò)程“零排放”[5]。
    實(shí)現(xiàn)的基本思路是設(shè)計(jì)一個(gè)操作控制閥門，并增加一路余氣回收通道與中低壓儲(chǔ)存裝置或城市燃?xì)庵械蛪喝細(xì)夤艿老噙B接，將原排入大氣的天然氣通過(guò)該回收通道送入儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存或用戶使用。
3.2 加氣槍排空天然氣回收利用系統(tǒng)
3.2.1三位控制閥門
    回收排空天然氣的核心部件是一個(gè)三位控制閥門，用于替代原兩位控制閥門。它與原加氣槍上的兩位控制閥外形尺寸一致，操作過(guò)程也基本一樣，不增加操作難度和工作量，且具有同等的安全可靠性。其工作原理見(jiàn)圖2。
 

    三位控制閥門的3個(gè)端口分別對(duì)應(yīng)3個(gè)通道：1-2排空通道；1-2A回收通道；1-3加氣通道。
分別對(duì)應(yīng)3種不同的工作狀態(tài)：待機(jī)狀態(tài)；余氣回收狀態(tài)；加注狀態(tài)。
    ① 非加注狀態(tài)(待機(jī)狀態(tài))：1-2(排空通道)連通，1-2A(回收通道)及1-3(加氣通道)關(guān)閉。此時(shí)，加氣槍槍頭與大氣相通。與原加氣槍操作無(wú)異。
    ② 加注狀態(tài)：1-3通道連通，1-2及1-2A通道關(guān)閉。此時(shí)，加氣機(jī)高壓天然氣供應(yīng)通路通過(guò)槍頭部分與車載氣瓶相通。與原加氣槍操作也無(wú)差異。
    ③ 過(guò)渡狀態(tài)(余氣回收狀態(tài))：此為加注狀態(tài)向非加注狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的一個(gè)短暫階段。三位控制閥的1-2A連通，1-2及1-3關(guān)閉。儲(chǔ)存在槍頭管道內(nèi)高壓天然氣通過(guò)回收通道被送入儲(chǔ)存裝置儲(chǔ)存或供用戶使用，壓力被迅速釋放。
    之后，借助于彈簧的作用，三位控制閥迅速自動(dòng)回到“非加注狀態(tài)”：回收通道關(guān)閉；排空通道打開(kāi)。
    由此可以看出，本技術(shù)在原加注操作基礎(chǔ)上增加了一個(gè)過(guò)渡環(huán)節(jié)。在此階段，原本向大氣排空的那部分高壓天然氣被排入用戶系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)排空氣體的回收，槍頭部分的高壓力得以釋放。
3.2.2余氣回收通道
    與三位控制閥門2A端口連接的余氣回收通道，負(fù)責(zé)對(duì)回收來(lái)的天然氣進(jìn)行收集、降壓、隔離、儲(chǔ)存與利用。依據(jù)需要，分兩種回收方式：低壓利用模式和中壓利用模式。
3.2.3低壓利用模式
    圖3是CNG加氣槍排空天然氣回收利用技術(shù)的低壓模式。
 

   ① 回收與集氣部分
   與各臺(tái)加氣機(jī)加氣槍上2A端口相連接的多條余氣回收管道，將所回收的天然氣全部匯集到一條集氣總管上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)余氣集中處理。
   ② 降壓與隔離部分
   實(shí)質(zhì)上是一個(gè)水封隔離裝置，有兩個(gè)作用。一是將收集到的高壓天然氣快速釋放降壓，以低壓狀態(tài)進(jìn)入低壓儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存待用或直接進(jìn)入低壓用戶供氣系統(tǒng)。二是阻止低壓儲(chǔ)氣罐內(nèi)的氣體回流，起單向閥(止回閥)的作用。
    水封隔離裝置設(shè)置水位觀測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)，確保水位保持在規(guī)定高度。水位高度一般大于儲(chǔ)氣罐運(yùn)行壓力水頭或低壓用戶供氣系統(tǒng)運(yùn)行壓力水頭100mm以上。
    由于來(lái)自集氣總管的天然氣瞬間壓力太高(近20MPa)，穿過(guò)水封隔離裝置快速減壓釋放過(guò)程中，必定會(huì)對(duì)水封內(nèi)的水造成極大的沖擊，形成水氣混合物。因此，需設(shè)置多層抗沖擊的水/氣分離板，用于將高壓氣體帶出的混合物中的水滴遮擋并借助于重力讓其回流至水封中，保持水位不變。而混合物中的氣體則順利通過(guò)。
   水/氣分離板上鉆有許多小孔，便于氣體自下而上穿過(guò)，水滴由上而下墜落，每層分離板相距約為200mm，多于3層效果較佳。
   ③ 儲(chǔ)存及利用部分
   儲(chǔ)存及利用設(shè)施包括低壓儲(chǔ)氣罐、城市燃?xì)夤芫W(wǎng)中的低壓燃?xì)夤艿酪约案黝惖蛪河脩簟?/span>
   ④ 安全保障設(shè)施
   系統(tǒng)設(shè)置安全保障設(shè)施，確保生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備與人身的安全。
3.2.4中壓利用模式
   圖4是CNG加氣槍排空天然氣回收利用技術(shù)的中壓模式。
   與低壓模式的唯一區(qū)別在于采用一個(gè)單向閥門(止回閥)替代水封隔離裝置，同樣起降壓隔離作用，避免天然氣倒灌。與之對(duì)應(yīng)的后續(xù)系統(tǒng)是中壓儲(chǔ)氣罐和中壓管道供氣系統(tǒng)。
 

4 結(jié)語(yǔ)
    對(duì)于一個(gè)典型規(guī)模的加氣站(規(guī)模為2.0×104m3/d)，可回收的天然氣總量可達(dá)1200m3/a,環(huán)保效益意義重大，經(jīng)濟(jì)效益次之。
參考文獻(xiàn)：
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(本文作者：李樹旺1 羅東曉1、2 1.新奧能源控股有限公司 河北廊坊 065001；2.中山大學(xué) 廣東廣州 510275)