车用CNG技术的安全性分析

日期：2008-02-28 来源：国际能源网 作者：本站专稿

2008

02/28

15:13

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关键词： CNG 技术

引言
    由于车用CNG（压缩天然气）技术具有良好的环保、节能效益，国家大力推广应用，各级政府已把推广应用CNG技术作为新兴产业和新的经济增长点来发展。目前该项产业在国内发展迅速，一些城市已基本形成车用CNG充装站网络。车用CNG技术由车用CNG充装站和双燃料汽车技术组成，从多年的运行状况看来，车用CNG技术是安全可靠的，主要设备均实现了国产化，类型也有很多种。本文假设加气站的选址恰当、布局合理、管理规范，只从技术视角，以CNG汽车加气站内的天然气压缩、储存、充装流程为例，对车用CNG技术的安全性作相应分析。
    一、车用CNG技术工艺简介
    车用CNG技术主要由两大部分构成：
    CNG加气站：国内的CNG加气站，基本上分为两大类：开放式结构和橇装式结构。所谓开放式结构，是将设备分别安装在厂房（棚）内，并按工艺流程及高低压管道和各种阀门将这些设备联系起来，形成一个开环工艺系统。采用国产设备建成的充装站基本上都是这种形式，它的设备空间大、便于维修保养，但自动化程度低，基本上是手动操作或半自动运行。所谓橇装式结构，是指将加气站的主要设备，如净化、压缩、冷却、控制、储气等设备都尽可能的集成在一个橇装底座上，形成一个可控的整体设备，可在工厂内完成全部制造调试工作，便于运输和露天安装，大大减少了现场安装调试的工作量，只要通上电，接通气路就可以工作，采用进口设备的充装站基本都是这种形式，但是，值得说明的是，目前郑州投入运营的三个进口设备加气站的前置过滤系统均为国产，而非进口橇装设备。
    根据加气的工艺流程，充装站又分解为净化、脱水、压缩、储存、控制等几个子系统，北方地区典型的国产设备加气站大部分采用压缩前过滤、后置双塔式干燥器高压脱水、L型水冷式有油润滑压缩机、大容量储气罐或储气井、手动或半自动控制的子系统来组成整个工艺流程（以下的分析即以此类加气站为例）。
    双燃料汽车技术：燃气汽车的技术发展大致可分三代产品：第一代在传统化油器基础上加装一套燃气供给系统，使汽车能够燃用气体燃料；第二代技术在第一代的基础上，采用闭环电控技术，可使汽车排放水平达到欧洲II号排放法规要求，其在国内外仍大量使用；第三代技术为闭环电控喷射技术，但目前尚未进入产业化阶段，郑州乃至河南省目前改装的双燃料汽车都属第一代产品。
    双燃料汽车技术实际上是处于车用CNG技术工艺的终端。
    国产设备加气站（母站类）的车用CNG技术组成如下图：
    二、车用CNG技术安全性分析及减小不安全性的解决措施
    1.净化过程安全性分析及解决措施
    净化过程包括脱硫、脱油、脱水等工序，严格的讲，压缩系统中的每级压缩前后的冷凝除油过程也可归于净化过程，压缩前对天然气的脱硫、脱油、脱水是为了保证压缩机的正常运行，而后置脱水，即压缩后的对CNG（压缩天然气）的净化和干燥是为了保证后置干燥系统的正常运行（比如防止分子筛中毒等）以及保证所售气质的纯净，不但确保燃气在双燃料汽车发动机内燃烧良好，不会对发动机产生任何危害，同时也避免对售气系统的堵塞（比如加气枪的冰堵现象）和损害，从而避免引发事故。前所述及，北方地区典型的国产设备加气站大部分采用压缩前过滤、后置双塔式干燥器高压脱水，这种工艺流程的优点是脱水彻底：经逐级压缩大部分的水分早已析出，在压缩机末级出口压力即25Mpa的压力下气相中的饱和水含量已经非常少，仅相当于0.3Mpa（这个压力一般为前置脱水压力）的压力下气相饱和水含量的3%，；其缺点是对加气站的核心设备——压缩机的保护减弱，使之容易受到腐蚀和损坏。
    目前郑州市几个加气站的气源均来自西气东输管线，气质符合《天然气》中规定的Ⅱ类气质标准，含水和硫化氢的量很小，所以对压缩机危害不大，倒是某些加气站的有油润滑压缩机的润滑油会从气缸进入CNG（压缩天然气），会导致后置干燥系统失效，并在储气系统沉积，增大排污量，会造成浪费并形成事故隐患。
    解决措施：对脱水系统的配置情况，主要依据当地气质来决定，所以对不同地区来说，净化和干燥系统的差异可能很大，只要气质达到行业标准《汽车用压缩天然气》SY/T7546-96即可。所以建议尽量采用前置脱水，加强天然气压缩前的净化力度，这已经成为国内外车用CNG技术脱水环节的趋势；对于有油润滑压缩机的润滑油会从气缸进入CNG（压缩天然气）的情况，可通过在压缩机末级出口处加装油凝析罐和过滤器（在山东等地的某些加气站采取了此类措施）来解决，或者选用少油润滑压缩机，对已建成运营的加气站应注意凝析出的润滑油的收集与再利用。
    2.压缩过程安全性分析及解决措施
    压缩过程在加气站工作流程中处于核心位置，包括进气缓冲和卸压回收、压缩机组润滑油的注入、压缩机和CNG（压缩天然气）的闭式水循环冷却以及上面所提到的除油净化。压缩机的安全隐患主要存在于卸压回收和压缩机和天然气的水冷过程，前者是因为卸气量大而厂家指定回收罐容积相对太小导致卸压回收过程开始时，回收罐压力骤增，安全阀频繁起跳，回收罐长期处于压力频繁波动工作状态，会使罐体出现疲劳，存在安全隐患；后者是因为尽管闭式水冷循环方式效率高，但是冷却水管路的结垢却危害极大，一旦堵塞冷却循环水管路，高温报警时压缩机的紧急停车动作会损坏设备。
    解决措施：可通过改进压缩机的汽缸气相回路减少卸压余气的排放量（在这一点上，国产设备厂家可借鉴进口设备的气缸气相回路的设计），对已建成运营的加气站，可酌情提高回收罐的工作压力，并相应提高其安全阀的起跳压力，目前郑州市的部分汽车加气站对此类情况的处理办法是将卸压余气直接引入城市管网，但是这涉及到重复计量的问题；对于冷却水管路的结垢问题，长远的解决办法是在压缩机的选用上采用气缸设计散热翅片的风冷式压缩机，对已建成运营的加气站则需在冷却水路加装除垢器，并对管路定期除垢。
    3.储气系统安全性分析及解决措施
    储气系统因其内部所储存的25Mpa～30Mpa的CNG（压缩天然气）而成为安全技术考虑的重中之重，在储气设备的布置方式、安全可靠性评价、工艺制造以及材质方面都有着特殊要求。目前的储气设备分为瓶储式、罐储式和井储式：
    ①瓶储式，即将若干储气瓶按不同压力分级布置，单瓶容积多为60升至80升，材质多为无缝优质钢或具有防火功能的缠绕树脂纤维，优点是经济、灵活、建设成本低，缺点是供气阻力大、管阀漏点多，增加了不安全因素；
    ②罐储式，将CNG（压缩天然气）储存在球形或者圆柱形的储气罐中，水容积2～6立方米，于90年代后期广泛使用，优点是管阀联结点少，泄漏因素降低，具有较好的安全性，缺点是爆炸事故发生时，地面冲击波的辐射范围大、强度大；
    ③井储式，顾名思义，是将CNG（压缩天然气）储存在地下储气井内，一般单井水容积2～3立方米，采用进口钢材质的套管和钢筋混凝土固井技术，优点是安全牢固、减少占地、爆炸事故发生时减少地面冲击波范围和强度，缺点是耐压试验无法检验强度和密封性、制造缺陷不能及时发现、排污不彻底容易对套管造成应力腐蚀。
    郑州目前只有一座已建成未营业加气站的储气方式为井储式，其余均为罐储式。迄今为止，储气井的建造中，对于套管外壁防腐与否尚无统一认识，原因大致归结为两个，其一，认为固井部分经混凝土包敷不会出现腐蚀，其二，认为未固井段残留空气有限不会出现腐蚀，所以施工中仅涂防锈漆。其实，对于未固井段而言，应进行防腐处理，以抵御地下的化学腐蚀与电化学腐蚀，并因其在长期运行过程中不能再次防腐处理，而应采用长效防腐措施，以消除储气井地下渗漏的安全隐患。
    解决措施：对瓶储式及其站进行改造，尽量采用井储式；对建成的罐储式加气站加强检修，重点对管阀联结点处进行定期检查；对待建加气站尽量采取井储式，并对井身采取全面长效防腐措施。
    4.充装系统安全性分析及解决措施
    充装系统的主要设备是售气机，售气机已全部实现国产化，上边装有可脱开装置（即防止加气枪还未取下时，汽车开走或滑动，拉断气体线）以及压力--温度补偿系统，只要气相线不缠绕住售气机或者其他物体而致使防脱装置不能正常工作，充装系统的安全性是可以得到保障的，但是，在另外一方面，也就是在售气机的内部，其电磁阀前过滤器过滤面积过小容易造成过滤器阻塞或者滤网破坏，并且，某些售气机的三连电磁阀也频繁损坏，使用寿命较短，这些都使得售气机存在安全隐患。
    解决措施：对加气人员及司机进行培训教育，使其熟悉加气工作流程；还要对售气机的加工、制作、组装进行详尽严格的参数要求。
    5.车载储、供气系统安全性分析及解决措施
    车载储、供气系统包括储气瓶（按其材质和工艺可分为钢瓶、铝合金瓶和全复合材料气瓶）、加气口、输送管道、控制装置和存量显示装置，车载储、供气系统的工作压力有两种（20Mpa和25Mpa），我国采用20Mpa为车载储、供气系统的工作压力，储气瓶是其存在安全隐患之处，对钢瓶和铝合金瓶而言有明确的质检指标，安全可靠，而对于全复合材料气瓶而言，从理论上讲，采用玻璃纤维、有机纤维还是碳纤维等都是完全可以的。ISO11439对于采用不同的纤维要求设计时采用不同的安全系数也是合理的。但是采用不同纤维的气瓶对于用户的要求是完全不同的，因为对玻璃纤维气瓶而言，在安装或使用过程当中造成一定的损伤，不至于造成灾难性的事故，而对碳纤维的气瓶而言，一个小小的缺陷或损伤就可能会产生非常严重的后果，甚至是灾难性的。
    解决措施：暂停使用全复合材料气瓶，整顿双燃料汽车改装市场。
    6.高压管道安全性分析及解决措施
    压缩天然气高压管道最高工作压力达25Mpa，多以卡套连接（卡套多为进口），卡套的材质与管道的材质不一样，会产生金相腐蚀，同时压力波动频繁、波动幅度大、应力分布不均的工作条件下，容易使接头冲脱造成严重漏气，在成都市加气站已发生多起。
    解决措施：管道尽量减少卡套连接，或者使用与管道同种材料的卡套；若必须使用卡套连接处，应在卡套缝隙部分进行渗透焊处理，有效防止冲脱；并且，在管路设计过程中进行管道应力计算，尽量消除应力。
    三、事故防范与处置
    ⒈保证建筑消防措施（排气通风、电器防爆、消防水系统等）的正常运行；
    ⒉保证电器消防装置（电器设备、自动报警装置、防静电、防雷装置）的正确选择和正常运行；
    ⒊在工艺技术上严格把关，严格净化过程，从源头上控制和减少设备遭受腐蚀和事故的损害；
    ⒋落实安全消防责任制，制定应急事故预案；
    ⒌一旦发生火灾、爆炸或者非火灾爆炸的泄漏事故，一定要正确处置：①发生火灾、爆炸事故，要明确各自的分工职责，即由专人负责指令下达、截断气源、切断电源、灭火、报警、警卫等任务；②发生非火灾爆炸的泄漏事故，不可堵漏，应以雾状水稀释泄散的甲烷，尽量防止形成爆炸混合物；控制火源；控制周边安全警戒范围。
    四、结语
    综上所述，对车用CNG技术的安全性分析，是为了更科学、更安全、更合理、更规范的驾驭CNG汽车加气站这一特殊易燃易爆场所的操作和管理，从专业技术的角度，在设计、施工过程中着眼于新技术、新设备的同时，也结合我国车用CNG技术的现状，本着安全用气的原则，发展车用燃气事业。