压缩天然气储气钢瓶

压缩天然气储气钢瓶

录入：admin 来源：张智时间：2007-07-26 【字体：大中小】〖双击滚屏〗

一、分类与特点

在压缩天然气加气站技术发展的不同阶段，曾使用过许多种形式的站用储气器，有代表性的有如下几种：

（1）并联小气瓶储气库

所谓并联小气瓶储气库就是将大约60~200个水容积在50~80L的小型高压气瓶并联在一起，以获得较大的容积，作为站用储气器，图3-53就是这类储气器的一个应用实例。这种气瓶按标准规定不设排污口，曾使用过的主要有两种：一种是按美国运输部DOT标准生产的运输用小型容器，安全系数2.48，这种容器的本来目的并不是作为地面存储之用，因为DOT没有制定地面储存应用标准的权限；一种是按我国GB5009—94钢制无缝气瓶标准（目前我国压缩天然气加气站用储气瓶标准）生产的小型气瓶，安全系数2.3，如氧气瓶等。并联小气瓶储气库因为气瓶较多，所以连接点很多，容易产生连接处泄漏。这种系统的管道较细，所以气体的流动阻力也比较大。众多的气瓶一般是水平放置，排列在一起的占地面积比较大，一般在50m2以上。气瓶没有排污口，日久天长，压缩机排气没有分离掉的水分和润滑油会逐渐沉积在气瓶内，占据气瓶有效容积，溶解于其中的硫化氢还对容器产生腐蚀。按标准规定，这种气瓶每三年必须拆开送检一次，逐一进行水压试验，然后还要逐个清洗、吹扫、重新安装，运行维护成本很高。气瓶数量太多，安装、配管工作量较大，施工工时长。气瓶的摆放除水平放置外，早期也有竖直放置的，但这种使用方式一般是在气瓶较少时，如24个，因为气瓶多时其占地面积实在太大，且这样的储气库多是与压缩机撬体组装成一个整体，以提高紧凑程度。

这种储气器的优点是气瓶易于购得，价格较低，但上述诸多缺点导致其在新建的加气站中已较少采用，只在早期建设的加气站可见到。

（2）无缝大容积储气瓶

为克服并联小气瓶储气库的众多缺陷，近年来出现了单瓶水容积约在1300~1500L的专门用于压缩天然气加气站地面储气的无缝压力容器。多数加气站只需设置3~6个即满足要求。这种容器多数是在厂家就直接三个一组固定在一个支架上的，现场安装极为方便、迅速，目前国内外均有生产。这种容器一般是按ASME第Ⅷ章第1节压缩气体地面存储设计标准设计的，安全系数为3，容器壁厚比同等DOT瓶壁厚高出39%，专门作为地面存储之用。容器上有排污口，便于排污。运行过程中，只需定期进行外观检查和测厚检查，不需拆除连接件进行其他检测，运行维护费用低。占用场地小，一般约为5~7 m2，可露天放置。整体结构坚固、刚性好，能更好的承受冲击载荷及地震波动。容器数量少，接头少，管线尺寸大，流动阻力较小。图3-54是一个这种储气器现场使用实例，最常见的是将气瓶叠放，置天地面上卧式安装，也有将气瓶置于地面上立式安装的，还有的挖一个地坑将瓶组垂直安装放在地坑内，维修人员可通过设置在地坑侧壁上的梯子进出地坑进行瓶组维修，地坑边缘设护栏，顶部设防雨棚。

（3）地下储气井

地下储气井的思想来源于对天然气开采工艺过程的逆向思维，这种储气器是采用石油部门的钻井技术，在地面上钻一个深度约为100~200m的井，然后将十几根石油钻井工业中常用的18cm套管通过管端的扁梯形螺纹和管箍接头连接在一起，两头再各安装一个封头，形成一个细长的容器，放至井中，然后在套管外围与井壁之间灌入水泥砂浆，将长筒形容器固定起来，便形成了一个地下储气井。根据加气站的容积需要，可以灵活决定储气井的深度和数量，每口井的间距大约1~1.5m。同地面瓶组相比，这种储气方式有很多优点：

1）节省土地面积。如三口井实际占地只需要1~2 m2，而且按GB50156—2002规定，其所需的防火间距只有地面储气瓶组的50%~70%，所以其实际所需的平面防火禁区面积只有地面储气瓶组的1/3左右。

这一方面有利于站面布置，也有利于站址选择和减少总投资。

2）安全性较好。套筒材料按API制造，本身直径又很小，同时外壁有油井专用水泥固封，所以承压能力很强，套管爆破压力达86Mpa。此外，即使储气井发生爆破，其高压气体也是通过撕裂的地层缓慢泄压，爆破能量被相对而言无限大的底层迅速吸收，地面只有轻微振动。同时这种装置还不易受到人为、撞击、火灾等外界其他因素的破坏。

3）节省了安全辅助装置设施，按照GB50156—2002和GJJ—2000的规定，储气瓶罐必须进行防腐，必须设置可燃气体检测器，以及夏季的喷淋冷却和冬季防冻装置，而储气井深埋于地下，冬暖夏凉，无需这此设施。同时，防火墙的高度和长度也大为减少，建设费用只需瓶式储气方式的一半。

4）使用寿命长。储气井埋地于地下，不易受到风吹雨淋及外界的物理损坏，同时套筒外部裹了一层高强度水泥，使其与土壤中的腐蚀介质隔绝，不易被损坏。根据SY-T6535—2002《高压气地下储气井》的规定，储气井的使用寿命为25年，而按我国《压力容器监察规程》，作为金属压力容器的储气瓶的使用寿命为15年。

5）运行维护费用低。储气井的检测周期是6年，而储气瓶一般为2~3年。

6）夏天可多储气。储气井位于地下，温度较低，压缩机排气在其中还可进一步冷却，所以相比于地面瓶组可储存更多的气体。

但储气井也有缺点，如耐压试验无法检验强度和密封性，制造缺陷也不能及时发现，排污不彻底，容易对套管造成应力腐蚀等。

图3-55为一个储气井的结构示意图，根据井深决定井筒和管箍接头的数量，下封头置于井底，上封头上开有排污口和进排气口，排污口下部吊了一根排污管通至井底，有些储气井为了结构简化还将进排气口合二为一。储气井上部大约高出地面30~50cm，每根套管的长度为10m。套管与管箍接头的连接螺纹处采用能承受70Mpa的耐高压的专用密封脂进行密封。储气井有几项比较关键的技术必须加以注意，早期的储气井在使用中曾出现过这些方面的问题。近年来经过国内一些厂家的努力，有些已得到了一定程度的解决。

1）井口上封头进排气接管和排污接管处容易发生漏气，这通过改用球面密封得到了解决，另外有些厂家将进排气口合二为一，也减少了泄漏点。

2）以往进气口水平布置高压气流对井壁和排污管根部造成冲蚀，常将排污管吹断。现在的储气井将进气口竖直设置在上封头上则杜绝了这种现象。

3）储气井有一小部分伸出地面，暴露于空气中，因为空气与大地化学成分不一致，所以在井筒靠近地面处容易产生锈蚀。一个解决办法是在地面以上及以下各约15cm处的筒体上各套一个由镁合金等活泼金属制成的金属环，并用导电材料将两金属环连接，则可避免钢制套筒的腐蚀，取而代之的是金属环的腐蚀，腐蚀后的金属环只需定期更换，可有效保护井体。

4）储气井还容易出现的一个问题是长时间运行及气体受到冷却后，井底容易出现积水，天然气中或多或少含有一些硫化氢，容于积水后对井底金属形成腐蚀，虽然有排污但不可能实施排污，只能定期排污，同时排污也无法做到彻底。国内某厂家用一个巧妙的办法解决了这一问题，在储气井底部灌入一些润滑油或液压油，当有积水存在时，油会浮在水湎上，将水和天然气隔开，有效避免硫化氯溶解于水而产生腐蚀性。排污时，水排完见到油后则停止排污，对于排出损失的少量油，2~3年补充一次即可。

5）此外，套筒和井壁之间水泥砂浆是通过一个管状物灌入的，有时容易发生灌浆管底部堵塞而灌浆不致密的问题，国内某公司在灌浆管侧壁上开了许多孔，形成了一个多出口的灌浆管，有效解决了这一问题。

二、储气器的容积匹配

站用储气器在使用中有一个重要的衡量指标称为容积利用率，所谓容积利用率就是将所有地面瓶组的压力充至规定值（如25MPa）后开始给车辆加气，所有被充气车辆要求充至规定压力（如20MPa），当因为储气器自身压力降低而最后一辆车刚好被充满，再多一辆就无法再充满时，储气器内被消耗掉的气体标准体积与其初始压力状态所对应的气体标准体积之比。相同的储气器总容积，若将其分为容积相等或不等的几组，由各组依次为车辆加气，与不分组相比，容积利用率会有很大差别既使是相同的分组情况，加气车

辆的初始压力不同，容积利用率也不一样。

比如，储气器不分组，将其充至25Mpa后开始给车辆充气，当其压力降至20Mpa以后便无法继续给车辆充气，因为此时已无法加满20Mpa，若忽略充气过程中的温度变化，则储气器的容积利用率只有20%。实际上加气是靠储气器与车辆气瓶这间的压差进行的，当储气器内的压力还没有降到20Mpa的时候，加气机流量计已经因为压差太小导致质量流量低于设定值而自动关闭，这是加气机的基本功能之一，如22Mpa，那么此时的容积利用率只有12%。

再如，将储气器的总容积按20%、30%、50%分为三组，依次称为高压组、中压组、低压组，开始时其内压力均为25Mpa，有车辆加气时，先由低压组为其充气，直至压力平衡或加气机流量计因为流量太小而自动关闭；再由中压组为其充气，直至压力再次平衡或加气机流量计因为流量太小而自动关闭；随后是高压组为其充气直至规定的20Mpa。充气过程各组气瓶及车辆气瓶的压力变化如3-2所示，可见高压组气瓶压力降至仍可保证充气速度的22.1Mpa时，储气器的总容积利用率约为32%。

表3-2 三级计气系统加气过程

美国CPI公司进行过一次实测，根据加气时手工记录的每组储气瓶的压力变化来换算储气器的容积利用率。储气压力25Mpa，总储气量1163.7Nm3，储气器划分成容积相等的三组。车辆充气压力20Mpa，开始为空瓶，储气量28.3Nm3，充气车辆钢瓶总数17个，充气按由低到高的顺序依次使用各组地面气瓶，每组气瓶每次充气时都充至车辆气瓶压力平衡。每次各组储气瓶的容积利用率分别为高压组12.5%、中压组38.4%、低压组73.4%，平均值为41.4%。如果将分组配比结构改为高、中、低压比为1：2：3，则理论上讲储气器平均容积利用率超过60%。

加拿大IMW公司对由20只水容积为94L/个的气瓶组成的总储气量为470 Nm3的站用储气器进行了容积利用率的研究，气瓶和汽车的充气压力仍分别为25Mpa和20Mpa。当所有气瓶不分组时，容积利用率为9%；当气瓶分为2组，高压组8个，低压组12个，容积利用率为27%；当气瓶分为3组。高压组4个，中压组6个，低压组20个，容积利用率就是表3-2中的32%。

当然，实际运行中的储气器容积利用率还受到许多其他因素的影响，总的来看，储气器的容积按1：2：3划分成三级加气系统比较合理，能获得较高的容积利用率，实践也证明了这一点。综上所述，尽管影响储气瓶组中气体利用率的因素较多，但从实用的角度看，在不过多增加加气站成本的前提下，通过以下途径，适当提高储气瓶组的气体利用率是比较可行的：

1）将储气瓶适当分组，尽可能选取1：2：3的配比结构，或者适当增加低压瓶组的比例；

2）具有自动顺序控制储气瓶组充气功能的加气站，应将高压瓶组的压力作为控制压缩机再启动的变量，这在保证高压瓶组最低压力不低于20Mpa（保证汽车加满的必要条件）的情况下，可使低压瓶组的压力降得尽可能低；

3）具有顺序控制功能的自动售气机，在保证加气速度不会受到较大影响的前提下，适当减小顺序控制加气流量的截止参数值；

4）采用手动顺序控制的售气机，可以根据加气车辆气瓶的容量，人为调控低、中、高压充气阀打开时间，以便尽可能多得利用储气瓶组中的气体，尤其在加气车辆不十分繁忙的情况下，对减少压缩机的启动次数还是很有用的。

三、储气器的容量选择

储气器的储气量是继容积利用率之后的储气瓶组的又一个重要技术指标，选取不当可能增加加气站的投资或运行成本，或者影响加气站的供气能力而降低工作效率。储气器容量对加气站供气能力的影响主要体现在以下几个方面：

1）相对于一定规格的压缩机。储气瓶组的容量过小，可向汽车提供的气量过少，必然会增加压缩机的启动次数，增大能耗，降低了经济效益和设备的工作寿命，当压缩机的排气量较小时更为严重。

2）储气瓶组容量过小会出现汽车加不满的现象，尤其是公交等大车更为显著。如果加气站采用自动售气机，当多枪同时加气且每辆车的加气量又比较大时，无论是瓶组还是压缩机直接供气，每个加气枪的流量仍达不到截止流量就会自动关闭，从而导致车辆加不满20Mpa。

3）瓶组结构设置不合理，会造成气体利用率低，设备浪费。对于采用小气瓶组的储气器，如果低压瓶组数量较少，而中高压瓶组数量又相对偏多，会因为中高压瓶组压力不能降得太低而导致总的容积利用率下降；另外，采用大气瓶组、大储气罐及储气井时，限于条件，气瓶只能1：1：1匹配，因此相对而言低压瓶组的容积较小，中高压瓶组的容量必将浪费30%~60%以上，使储气器的整体容积利用率降低，也就相当于使储气瓶组的成本提高了20%~50%。

4）如果瓶组设置不合理，为提高容积利用率而将自动售气机的截止流量调低，必然导致加气速度的降低和加气时间的延长，日售气量减少，经济效益下降。

实际的运行经验表明，除了主要供应大型车队晚上加气的慢加气站和直接加气方式，以及家用小型加气站外，其他各种加气站都应该配置储气瓶组，储气瓶组的容量选取要考虑如下一些因素：1）压缩机排气量的大小。压缩机的排气量较大时，储气瓶组的储气量就可小一些，反之则应大些。

2）加气站的规模和加气车辆数。加气的车辆多，每大加气量大时，储气瓶组的容量应大些，以作为压缩机的有效补充，否则可相对小些。

3）加气站的类型。母站的储气容量要大，因为压缩机的排量较大，避免压缩机刚开启就迅速停机，而子站因压缩机排量小，故可相对较小。常规站则要考虑车流量、管网压力等其他一些因素。

4）加气车辆类型。以公交车为主时，储气瓶组容量一定要大，尤其要考虑加气高峰时，大的储气容量才可保证每辆车都能加满气。若以出租车为主，小的储气量就可保证车辆加满。

5）同时加气的售气机台数和加气枪个数。一台售气机，1~2个枪加气，小储气量也可满足要求。若两台售气机4个枪同时加气，储气瓶组的储气量必须大，否则也会出现加不满而加气枪自动关闭的情况。

6）按有关标准规定不同等级的加气站总储气量不能超过一定数值，加气站的建设必须遵照这一规定。

3.3.2运输用储气器

对于子母站的建设方式，需要将天然气从母站用车辆转运到子站，这种转运车辆通称为槽车。槽车运输气体所使用的容器有两种形式：一种办法是将若干个（如144个）直径较小（目前为270mm）、长度也较小的小气瓶集装成撬，再将撬体置于拖车上，用于母站和子站之间的气体运输；另外一种办法是将7~15个直径较大（目前有406 mm、559 mm、610 mm几种规格）、长度也较大（约6~12 m）的气瓶直接组装在拖挂拖车上，用于母站和子站之间的气体运输，并由专门的牵引车拖动。两种运输设备的对比如表3-3所示，长管容器的制造一般按美国联邦规定49FER（3AA和3AAX无缝瓶式容器规范）或美国运输部DOT E8009特许规范制造，目前天然气的运输用储气器基本都是使用长管半挂车，小气瓶集装撬已基本不用。

表3-3 两种天然气运输设备比较

图3-56为一个长管半挂转运槽车的实物图片，图中左边具有车轮为后部，右边为两支撑。运输过程中右边成为前部挂在牵引车上，两支撑可以转过90度水平放置。图3-57为一个小气瓶集装撬置于拖车上所实物图片。

3.3.3 车载储气器

车载储气器的功能相当于油箱，是为燃气车辆的发动机盛装天然气燃料的，小型车辆一般单瓶使用，目前新设计的单一天然气燃料汽车开始使用双瓶，大型车辆可多瓶并用。额定工作压力都为20Mpa。

一、车载储气器的种类

燃气车辆上使用较多的车载储气器从制造材料上可划分成两类：一类是钢气瓶，也是最早使用的车载气瓶；一类是复合材料气瓶，是近年新发展起来的一种气瓶。根据材料和制造工艺的不同，复合材料气瓶又分为三种。对于车载天然气气瓶，美国于1992年制定了ANSI/AGA AGV2-1992CNG气瓶标准，第一次将车载气瓶定义为表3-4所示的NGV2-1、NGV2-2、NGV2-3、NGV2-4四种类型，并规定了压缩天然气气瓶的使用条件和相应的性能要求。国际标准化组织于2000年9月正式颁布了ISO11439《车用压缩天然气高压气瓶》标准，将车载气瓶同样定义为表3-4的CNG-1、CNG-2、CNG-3、CNG-4四种类型，基本与美国标准及定义方法是一致的，但标准内容吸收了世界范围内20余年车用压缩天然气气瓶的使用经验。我国目前使用这一ISO标准，尤其是我国的复合材料气瓶生产技术水平位于世界前列。

钢质气瓶的安全系数很高，生产和检验的要求也很高，按照GB17258《汽车用压缩天然气钢瓶》要求，瓶体材料一般选用优质铬钼钢，每件产品均需进行规定的水压试验、气密性试验及内外表面缺陷检验。每批产品要抽样进行材料的应力、冲击韧性、挤压韧性、硬度检测、金相组织检测、水压爆破等试验，合格后才能出厂。压缩天然气钢瓶的安全试验主要包括静水压力爆破试验、压力循环试验、火烧试验、坠落试验、枪击试验等。此外，气瓶瓶口闪上还装有安全阀，其内装有100℃易熔合金和26 Mpa的爆破片，当气瓶内气体压力、温度上升超过上述数值时就自动泄压放气。我国目前生产的车用储气钢瓶的主要规格见表3-5。

表3-4 车用压缩天然气储气装置分类和比较

表3-5 国产钢质车用储气瓶主要规格

复合材料气瓶的关键在于缠绕的纤维材料和缠绕的方法，目前使用的缠绕纤维有玻璃纤维、芳纶纤维、碳纤维等。玻璃纤维应用较多，碳纤维价格稍高，在内胆缠绕纤维的过程中需要浸渍树脂。对使用钢质内胆的气瓶，既使加强缠绕层破坏，内胆本身也能承受20Mpa压力。抽样试验主要有水压爆破试验、常温疲劳试验、坠落试验、损伤容限试验、火烧试验、枪击试验、加速应力开裂试验、极限温度疲劳试验、高温蠕变试验、渗漏试验、天然气静压试验、复合材料含胶量与树胶基本固化度测定等。国内生产的复合材料气瓶主要规格见表3-6，这些气瓶均使用玻璃纤维浸渍环氧树脂缠绕，爆破压力超过73 Mpa，使用寿命10年，工作温度-40~-60℃，充装次数大于7500次，每小时渗气量不超过0.25mL。

表3-6 国产复合材料车用储气瓶主要规格

除上述缠绕的复合材料气瓶外，美国IMPCO公司还开发出了一种新的碳纤维/环氧树脂复合材料气瓶，如图3-58（a）所示，它不是绕制的，但器壁仍有两层，内部是碳/环氧树脂结构层，外部是纤维树脂硬壳。这种容器的设计工作压力是24.8Mpa，爆破压力超过75.8Mpa，充气疲劳寿命超过45000次，使用温度更宽-51~88℃，而容重比只有0.32。此外，霍普津斯大学与Lincoln复合材料公司共同研制出了一种天然气集成储气系统，如图3-58（b）所示，它由储气瓶组、复合材料包覆层、泡沫防撞夹心层与外保护罩组成。整个系统只有一个接口，其外形决定了这种储气装置便于安装且可有效利用车体空间增大天然气储存量，日本Thiokol公司推出了一种整合储气瓶，如图3-58（c）所示，其外形更接近于普通油箱，安装方便可靠，对车体空间利用充分。

二、车载储气器的衡量指标

对于车载气瓶而言，有两个技术指标是使用者所关心的，一是气瓶的质量，一是气瓶的体积。因为气瓶的重量大则车辆势必要因此增加更多的燃料消耗，而体积大则安装布置困难，尤其是在小型车辆中。美国气体研究学会将这两个指标分别量化成“每单位储存容积的重量（kg/L）”和“可用存储容积与整个外部容积的比值”，用以定量评价和对比不同气瓶在这两方面的差别，前者有时简称为“容重比”，后者则简称为“容积效率”。表3-7是各类气瓶的这两个指标大致数据。

表3-7 各种车载储气器技术指标

三、车载储气器的经济性

根据美国气体研究学会提出的概念，车载气瓶的生产成本按照“单位体积成本”进行衡量，将气瓶的“单位体积成本”于材料费用、制造费用、分摊费用三个方面，后者是指销售、管理等成本分摊。图3-59是各类气瓶的单位体积成本系数比较情况，由图可见，相比于钢质气瓶，复合材料气瓶的成本高主要是因为原材料价格高以及分摊费用比较高，而分摊费用高是因为典型复合材料气瓶生产企业的年产能力一般在

1.5~3万支，而钢瓶生产企业的年产能力则在10~20万支。

⑥压缩天然气：压缩天然气(CompressedNaturalGas,简称CNG)是将天然气压缩增压至200kg/cm2时，天然气体积缩小200倍，并储入容器中，便于汽车运输，经济运输半径以150-200公里为妥。压缩天然气可用于民用及作为汽车清洁燃料； CNG可作为车辆燃料利用。这种以CNG为燃料的车辆叫做NGV （NaturalGasVehicle）。

⑦液化天然气：当天然气在大气压下，冷却至约-162℃时，天然气由气态转变成液态，称为液化天然气（LiquefiedNaturalGas，缩写为LNG）。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，LNG的重量仅为同体积水的45%左右。液化天然气用液化甲烷船及专用汽车运输。