刘玉红，郭淑芬(石家庄安瑞科气体机械有限公司，石家庄 051430)

·应用技术·

集成降温系统装置在CNG加气母站中的应用

刘玉红，郭淑芬
(石家庄安瑞科气体机械有限公司，石家庄 051430)

当长管拖车的充装量达不到理论值要求时，为了提高充装率，采用在加气母站之后增加集成降温装置的措施，并且该装置也可达到节能效果。

降温装置；换热器；加气站；充装

1 技术研发背景

天然气燃料汽车以其环保性、安全性、经济性，得到了越来越快的发展，因此CNG加气母站发展迅速。一般加气母站建设在天然气主管道附近，将主管道内的气体压缩至20 MPa后储存在长管拖车内，然后再运到无气源的子站供气。加气母站的主要特点是靠近主管网，进气压力稳定而且压力较高[1]。

加气母站CNG经无油压缩机压缩后出口温度超过100℃，不能直接用于车辆的充装。一般CNG加气母站在无油压缩机后均配备CNG冷却装置，冷却一般采用水冷或风冷方式。水冷冷却效果好，但是只能在0℃以上使用，而且水质硬的区域要对水进行软化处理，不然冷却器内积垢会严重影响冷却效果[2]；而风冷需要大型冷却风扇，用电量不容小觑。这两种方式经过初步冷却后的CNG温度一般仍会高达45℃以上，夏季温度会更高一些。CNG长管拖车钢瓶按国家标准充装温度为20℃，理论装气量也是按20℃和20 MPa计算得到。加气站的加气机按压力控制充装量，压力达到20 MPa则停止加气，但是由于实际充气温度较高，故实际长管拖车的充装量达不到理论值，尤其是气体在钢瓶内由低压到高压的充装过程，是个绝热充气过程，造成气体温度更高。尤其是复合缠绕气瓶的非金属复合层具有一定保温作用，更难以降温，充装量受影响更大。如实际充装温度为45℃，充装压力为20 MPa时实际CNG充装量只达到理论充装量的92%左右，造成CNG长管拖车的运输效率较低，达不到用户满意。

2 技术研发过程

2.1 研发目的

该降温装置放置于CNG加气母站一次冷却装置后，根据需要对CNG气体温度进行调节，达到理想的气体温度，从而提高长管拖车的充装量，提高充装效率。

CNG经过降温装置后，既可以用于CNG钢瓶的充装，也可以用于CNG复合缠绕气瓶的充装。该装置安装于CNG加气母站无油压缩机出口的风冷或水冷装置之后，加气机之前的管路上，实现对CNG的二次降温。

降温装置结构适当调整和进行参数设置，就有可能部分替代目前的无油压缩机一次水冷或风冷装置，从而减少CNG加气站的设备及运行成本。

2.2 技术方案

CNG降温装置流程图见图1。

图1 降温装置流程图

降温装置原理如下：冷却介质液体通过蒸发器(此处换热器实现蒸发器的功能)时，冷却介质吸取CNG的热量，从液态变为气态，冷却介质蒸发吸热，从而将CNG进行降温，冷却介质气体被无油压缩机吸入，压缩成高压高温的气体后排入冷凝器，在冷凝器中被冷却放热冷凝为高压液体，经节流阀节流为低温低压的液体，再次进入蒸发器吸热气化，达到循环制冷的目的。

CNG通过该装置后，通过设计计算和调整设定参数，可使CNG气体温度降低到需要的温度，从而达到长管拖车及其它用气装置的理论充装量，提高长管拖车的运输效率。

3 降温装置的组成结构

降温装置主要结构由换热器、制冷机组、控制装置及连接管路等组成。

3.1 换热器

换热器是降温装置的核心设备，也是影响换热效果的重要因素。本装置从设计的诸多方面考虑并提高设备的换热效率，使之既达到理想换热效果，又非常经济实用。

换热器整体结构为新型螺旋管式换热器，结构紧凑，传热效果好[3]。因CNG压力为高压，所以换热器的管程是CNG；冷却介质选取市场上常用的制冷剂氟利昂R404A，因氟利昂运行为低压状态，故壳程为氟利昂介质。

不锈钢壳体及换热管结构，使氟利昂循环系统保持洁净无污染，延长了制冷剂无油压缩机的使用寿命。

换热管采用小直径薄壁管，提高了换热效率，且适合于CNG高压状态。换热管布置采用多根螺旋管缠绕结构，单位体积的换热面积大大增大，同等换热量下，体积较传统换热器小得多，使整体设备更轻型；螺旋缠绕管结构，消除了换热管与管板之间的连接拉脱力，提高了设备的使用寿命；螺旋管形式的换热管换热效率较直管换热管换热效率大大提高。

CNG流向与氟利昂流向设置为逆向，便于气体更好地进行热量交换。使用时流体产生湍流效果，杂质沉积几率小，结垢倾向低，延长了设备的使用寿命。

换热器形状为细长结构，有利于CNG与氟利昂充分进行热量交换，提高换热效率。

3.2 制冷机组

制冷机组主要由制冷剂无油压缩机、冷凝器、储液罐、节流阀等组成。天然气降温装置采用氟利昂R404A作为制冷剂。氟利昂无毒、非易燃易爆，且市场上常用，非常适合于作为制冷剂。氟利昂经过蒸发、压缩、冷凝和节流形成循环使用，不损耗，使用安全、方便。

制冷剂无油压缩机、储液罐、冷凝器、节流阀等集成于箱体中，占用面积较小。

通过计算所需冷量，可以得到制冷无油压缩机的最小所需流量，保证CNG得到有效降温。

3.3 控制装置

电控装置均为防爆设计，防爆等级需满足加气母站防爆的相关要求。控制装置可以预设定参数，使用方便，无需人工值守。制冷剂无油压缩机启动温度可根据客户需求情况预设。控制装置既可以与制冷机组集成在一起或单独安装固定于其它适合位置。

3.4 其他连接装置

换热器同无油压缩机出口可以采用高压软管进行连接，亦可以通过高压无缝钢管进行连接，根据需要确定。

3.5 保温层

制冷剂流通管道外表面及换热器壳体外表面应进行保温处理，以防热量流失，使进入换热器的制冷剂保持低温状态。保温材料可以采用市场上常用的泡沫或橡塑等保温层。

4 试验验证

4.1 设备连接

注：本试验仅为试验降温装置的降温效果，降温装置安装在加气机和长管拖车之间。

设备状态：

1. 换热器的制冷剂进出口已经与制冷机组的接口进行连接，并且进行了压力试验合格，制冷剂已经充装到制冷机组的储液罐内。

2. 换热器CNG进出口端均安装了阀门及快装阳接头，并且已经进行了气密性试验合格。

3. 根据CNG加气站的要求，将设备按指定地点就位。

4.2 试验过程

4.2.1 充装

1. 换热器进口通过高压软管与加气机连接；换热器出口通过高压软管与长管拖车连接。长管拖车的主控阀和瓶端根部阀均处于关闭状态。

2. 打开换热器前后的阀门。

3. 开启加气机几秒钟后关闭。

4. 打开降温装置上的排气阀将系统管道内空气排放几秒钟后，关闭。

5. 重复工序(3)～(4)2～3次后，关闭降温装置上的排气阀，打开长管拖车主控阀和根部阀。

6. 开启加气机进行充装。

7. 开启制冷机组无油压缩机，制冷机组根据实际环境气温及需要的降温情况进行设定开启和关闭温度。

8. 记录各时间段的换热器前后的温度及压力数据，按5 min记录一次；记录各个时间段的充气量，包括0.5，1，1.5，2 h及最终的充气量；记录制冷无油压缩机的启动频率情况；测试车辆钢瓶充装前后的瓶壁温度变化，并与未经过降温装置的瓶壁温度进行比较；记录充装时间并与未经过降温装置的车辆充装时间进行比较。

9. 加气机压力达到20 MPa时，加气站人员关闭加气机，充装结束。

10. 可打开加气机上的排气阀或打开降温装置上的排气阀进行排除管路中余气，再断开换热器两端高压软管的连接。

4.3 试验数据

试验数据见表1。

表1 试验数据

续表1

5 试验结果分析

1. 初始15 min内的测试数据不计入平均值，因为CNG刚充入空瓶时短时会出现降温现象，测试数据不太准确。

2. 制冷机组设定开停的温差建议在5～10℃，温差太小会造成制冷无油压缩机频繁启动；温差太大使降温装置的降温作用下降。

3. 试验期间，换热器进出口压力差约0.5 MPa，未对系统造成大的压力损失。

4. 试验后期的稳定阶段，换热器进出口温差平均20.6℃。

5. 经与加气站人员核实，经过降温装置后的充装时间与不加降温装置的充装时间没有变化，说明降温装置没有明显的阻力，未对充装时间造成影响。

6. 瓶壁初始温度19℃，充装结束后瓶壁温度33℃，瓶壁温度升高14℃。经实际测试其余未经过降温装置的瓶壁温度充装后比充装前增加25℃。经过降温装置的长管拖车比未经过降温装置的长管拖车最终的瓶壁温度低约11℃。

6 结 论

1. 加气站安装本降温装置后，不影响充气速率。

2. 经过多次实际充装测试，证明本降温装置安全可靠。

3. 经过降温装置后的CNG可降温约20℃左右，达到预期要求。

4. 如加气母站采用降温装置，对于市场上的31.02 m3缠绕瓶长管拖车，理论上可多充装约500 Nm3；对于市场上的18 m3钢质气瓶长管拖车，理论上可多充装约300 Nm3。

5. 该集成降温装置占地面积小，耗能低，操作维护方便，安全可靠且降温效果显著，是加气站值得推广的装置。

[1] 王少杰，王力勇，宋玉红．CNG加气母站建设期间应注意的问题与解决方法[J]. 城市燃气，2010,11(429):8-12．

[2] 虞琳，郁永章．CNG加气站无油压缩机运行中的若干问题[J]. 无油压缩机技术，2007(3): 25-27．

[3] 黄蕾，黄庆军．世界换热器产业发展现状综述[J]. 石油与化工设备，2011,14(3): 5-10．

Application of Integrated Cooling System Device in CNG Parent Filling Station

LIU Yuhong, GUO Shufen

(Shijiazhuang ENRIC Gas Equipment Co., Ltd., Shijiazhuang 051430, China)

When the filling capacity of tube trailer cannot reach the theory value, the integrated cooling system device will be set after the CNG parent filling station and it will not only improve the filling efficiency and also can save energy.

cooling device; heat exchanger; filling station; filling

2016-08-03

TE97

A

1007-7804(2016)06-0037-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.06.011

刘玉红(1973)，女，本科，高级工程师，主要从事压力容器的设计工作。