液壓式CNG汽車加氣裝置

摘 要

摘要：論述了液壓式CNG汽車加氣加氣裝置的設備組成、增壓原理、工作流程、壓力控制、注液量控制。在液壓介質溫度控制、排氣流程、降低起動電流等方面進行了改進。與壓縮機加
摘要：論述了液壓式CNG汽車加氣加氣裝置的設備組成、增壓原理、工作流程、壓力控制、注液量控制。在液壓介質溫度控制、排氣流程、降低起動電流等方面進行了改進。與壓縮機加氣裝置相比，液壓式CNG汽車加氣裝置能耗低，取氣率高，加氣速度穩(wěn)定，排氣溫升小，設備結構簡單，便于安裝，發(fā)展前景廣闊。
關鍵詞：液壓式；CNG汽車；CNG加氣裝置；CNG加氣子站
CNG Vehicle Hydraulic Filling Device
WANG Xiao-qiang
Abstract：The composition，pressurization principle，workflow，pressure control and liquid injection control of CNG vehicle hydraulic filling device are discussed. Its hydraulic medium temperature control，gas exhaust flow，starting current control and so on are improved. Compared with compressor gas filling device，CNG vehicle hydraulic filling device has advantages of low energy consumption，high gas
intake rate-stable gas filling speed，small gas exhaust temperature rise，simple structure and easy installation，with wide development prospect.
Key words：hydraulic type；CNG vehicle；CNG filling equipment；CNG filling substation
    我國由于汽車保有量迅速增加，汽車尾氣帶來的環(huán)境污染日趨嚴重。而以壓縮天然氣(CNG)為燃料的CNG汽車在尾氣排放方面具有明顯的優(yōu)越性，顆粒物排放幾乎為零，NOx、CO和HC的排放也顯著降低，因此，越來越多的城市開始發(fā)展CNG汽車[1]，對CNG汽車加氣站的需求也日益旺盛。液壓式CNG汽車加氣裝置以其節(jié)能、取氣率高、結構簡單、低噪聲等優(yōu)勢在眾多加氣裝置中脫穎而出。
1 液壓式CNG汽車加氣裝置簡介
    液壓式CNG汽車加氣裝置適用于CNG加氣子站的建設，在沒有管輸天然氣的情況下，用CNG氣瓶車運輸、儲存CNG，通過增壓裝置壓縮CNG，為CNG汽車加氣[1]。圖1是用該裝置建設的CNG加氣子站工作示意圖。
 
1.1 液壓式CNG汽車加氣裝置的設備構成
    構成液壓式CNG汽車加氣裝置的主要設備有CNG氣瓶車、液壓式增壓裝置、控制柜、空氣壓縮機。
    本文中的CNG氣瓶車是在普通CNG氣瓶車基礎上改裝而成的，其結構見圖2。每輛CNG氣瓶車都有8個儲氣瓶，為了簡化圖形，圖中只畫出2個儲氣瓶。儲氣瓶兩端的注液閥、回液閥和排氣閥都是常閉型氣動球閥，向氣動球閥的氣缸充壓縮空氣則氣動球閥開啟；氣缸泄氣則氣動球閥關閉。
 
    液壓式增壓裝置的結構見圖1中虛線框內部分，主要設備有液壓介質儲罐、柱塞泵、電動機，圖1中省略了驅動柱塞泵的電動機。這些設備集成在一個橇塊上，一端通過注液管、回液管和排氣管上的快裝接頭和CNG氣瓶車連接，另一端和加氣機連接。
    控制柜是本裝置中的控制設備，以可編程邏輯控制器(PLC)和觸摸屏為核心，PLC通過中間繼電器和電磁閥控制CNG氣瓶車上的氣動球閥和液壓式增壓裝置。觸摸屏起監(jiān)控作用，用戶可以在觸摸屏上查看系統壓力、液壓介質溫度等參數，修改系統壓力上限、下限等參數。
    空氣壓縮機的作用是生產壓縮空氣以驅動氣動球閥，使得控制柜可以遠程控制CNG氣瓶車上的氣動球閥。
1.2 液壓式CNG汽車加氣裝置的原理及流程
   ① 增壓原理
   液壓式CNG汽車加氣裝置的增壓原理見圖1。利用柱塞泵將液壓介質經注液管注入CNG氣瓶車上的儲氣瓶，壓縮儲氣瓶中的CNG，并將CNG置換出來，經排氣管給CNG汽車加氣，柱塞泵的流量決定了液壓式CNG汽車加氣裝置加氣的速度，這一過程稱為注液。當注入儲氣瓶的液壓介質的體積達到儲氣瓶容積的95%左右時就停止注液，然后利用儲氣瓶中剩余CNG的壓力將液壓介質經回液管推回到液壓介質儲罐中，這一過程稱為回液?；匾核俣却笥谧⒁核俣?，因此可以在前一個儲氣瓶回液的同時就向下一個儲氣瓶注液。
② 工作流程
    液壓式CNG汽車加氣裝置的工作流程是：先向第一個儲氣瓶注液，第一個儲氣瓶注液結束后回液，在第一個儲氣瓶回液的同時就向第二個儲氣瓶注液，第二儲氣瓶注液結束后回液，并在回液的同時向第三個儲氣瓶注液，以此類推直到最后一個儲氣瓶回液結束，工作流程結束，然后就可以斷開液壓式增壓裝置和CNG氣瓶車。連接下一輛CNG氣瓶車又可以開始新的工作流程，這種情況下中斷加氣的最短時間是最后一個儲氣瓶回液的時間加上更換CNG氣瓶車的時間。加氣量大時還可以在前一輛CNG氣瓶車最后一個儲氣瓶回液的同時就向下一輛CNG氣瓶車第一個儲氣瓶注液，待前一輛CNG氣瓶車最后一個儲氣瓶回液結束后再將回液管移到下一輛CNG氣瓶車，使因更換CNG氣瓶車而中斷加氣的時間只是在向第二輛CNG氣瓶車第一個儲氣瓶注液前將注液管和排氣管從第一輛CNG氣瓶車移到第二輛CNG氣瓶車所需要的時間，操作熟練的人員只需要3～5min，這一過程稱作換車。
   ③ 壓力控制
   壓力控制是通過控制柱塞泵的工作狀態(tài)和工作時間，使儲氣瓶中CNG的壓力穩(wěn)定在上限和下限之間，圖3是壓力控制流程。
 
    本裝置沒有直接測量儲氣瓶中CNG的壓力，而是用注液管道的壓力代替儲氣瓶中CNG的壓力作為被控制的系統壓力，管件和閥門造成的壓力損失只是使系統壓力略高于儲氣瓶中CNG的壓力。設備開始工作后，如果系統壓力低于上限就讓柱塞泵進入加壓狀態(tài)，向儲氣瓶注液，給儲氣瓶加壓，直至系統壓力高于上限。系統壓力高于上限后就讓柱塞泵進入空載狀態(tài)，停止注液，儲氣瓶停止加壓。柱塞泵進入空載狀態(tài)后延時至少6s，如果在這段時間內系統壓力沒有低于下限就停止柱塞泵。在延時期間或停止柱塞泵后系統壓力低于下限就讓柱塞泵進入加壓狀態(tài)，給儲氣瓶加壓，直至系統壓力超過上限，再次讓柱塞泵進入空載狀態(tài)，如此反復。
    柱塞泵工作時有空載和加壓兩種狀態(tài)，柱塞泵處于空載狀態(tài)時液壓介質通過旁通管直接回到液壓介質儲罐，對儲氣瓶中的CNG沒有加壓作用，電動機功率只有額定功率的1/3左右；柱塞泵處于加壓狀態(tài)時把液壓介質注入儲氣瓶，對液壓介質做功，對儲氣瓶中的CNG有加壓作用。
   ④ 注液量控制
   現階段受技術條件限制還不能直接測量CNG氣瓶車上儲氣瓶內的液位，而測量液壓介質儲罐內的液位則非常容易。假設每次回液都能使注入儲氣瓶的液壓介質全部回到液壓介質儲罐，那么只要開始回液時液壓介質儲罐內的液位保持不變就可以保證每次注入儲氣瓶的液壓介質都一樣多。因此，可以通過控制開始回液時也就是注液結束時液壓介質儲罐內的液位來間接控制注入儲氣瓶的液壓介質的量(注液量)，選擇合適的液壓介質儲罐內的液位就可以使注液量約等于儲氣瓶容積的95%，而且這時回液最充分。
2 液壓式增壓裝置和壓縮機比較
2.1 設備能耗
液壓式CNG汽車加氣裝置中主要做功的設備是柱塞泵，絕大多數能量都是柱塞泵消耗的。柱塞泵的輸出功率可按下式計算[3]：
 
式中P1——柱塞泵的輸出功率，kW
    qV——柱塞泵的排液量，L/min
    p——柱塞泵輸出壓力，MPa
    忽略柱塞泵的能量損失，柱塞泵的輸出功率等于它的輸入功率(即軸功率)。本裝置的加氣能力為1000m3/h，輸出壓力是20MPa時，要求柱塞泵排液量約83.3L/min，柱塞泵的軸功率約27.8kW；輸出壓力是22MPa時，柱塞泵的軸功率約30.5kW，而相同加氣能力的壓縮機加氣裝置需要的軸功率卻在120kW左右。
2.2 取氣率高，加氣速度穩(wěn)定，溫升小
    在較理想的狀態(tài)下，液壓式CNG汽車加氣裝置的取氣率在95%左右，儲氣瓶殘余壓力小于1MPa。柱塞泵的流量決定液壓式CNG汽車加氣裝置的最大加氣速度，而柱塞泵的流量在工作壓力范圍之內是恒定的，因此，不論儲氣瓶中剩多少CNG，本裝置的加氣速度都保持不變。CNG在高壓狀態(tài)下被壓縮，壓縮比小且恒定，因此，增壓過程中CNG溫升較小，到達加氣機的CNG溫度已經等于環(huán)境溫度。
    壓縮機式加氣裝置中CNG氣瓶車只是CNG的儲存設備，作為壓縮機的進氣氣源，儲氣瓶內CNG的壓力就是壓縮機的進氣壓力，加氣過程中壓縮機進氣壓力不斷降低，壓縮比不斷增大，隨著壓縮比增大，增壓速度越來越低，當進氣壓力降到6MPa左右時壓縮機的增壓速度明顯小于加氣速度，繼續(xù)加氣就得不償失了。因此，壓縮機式加氣裝置的取氣率為70%～80%，會有20%～30%的CNG留在儲氣瓶里，隨著CNG氣瓶車在公路上運輸。而且隨著壓縮比增大，壓縮機需要的軸功率和排氣溫度迅速升高，排氣溫度能達到140℃。
2.3 設備結構簡單，便于安裝
    液壓式CNG汽車加氣裝置的結構見圖1，非常簡單，沒有冷卻系統，沒有專門的緩沖瓶組，而且柱塞泵工作時振動小，對設備基礎沒有特殊要求。和本裝置配套的加氣機是單線加氣機，從液壓式增壓裝置到加氣機只需要一條管道，即使接多臺加氣機，管道也非常簡單。
    壓縮機式加氣裝置不但要有緩沖瓶組，而且壓縮機本身的結構也很復雜，不但有壓縮系統，還有冷卻系統、潤滑系統，而且壓縮機工作時由于活塞做往復運動而有強烈的振動，因此，對設備基礎有嚴格要求。與壓縮機配套的加氣機都是三線加氣機，即從緩沖瓶組到加氣機有3條管道，當接多臺加氣機時管道會比較復雜。管道越復雜，可能的漏點就越多。
3 改進
3.1 液壓介質溫度控制
    我國幅員遼闊，南北氣候差異極大，北方冬季最低氣溫遠低于0℃。液壓介質溫度過低時柱塞泵會因為工作介質黏度過大而加劇磨損，縮短使用壽命。液壓介質溫度過高時柱塞泵又會因工作介質黏度太小而泄漏量變大，增加能耗[3]，而且液壓系統出現故障時往往都伴隨出現工作介質溫度急劇升高的現象。根據設備使用環(huán)境有選擇地安裝加熱器、散熱器和溫度傳感器，將溫度控制在合理范圍之內，并在溫度過高或過低時報警，以提示操作人員檢查設備。
3.2 排氣流程改進
    本裝置原有設計是只有正在注液的儲氣瓶的排氣閥是打開的，這種情況下，即使加氣量不是很大，系統壓力變化也比較頻繁，使柱塞泵和管道頻繁受到沖擊。經過計算，改為多個儲氣瓶同時排氣，即當某個儲氣瓶注液時，打開它和它后面還沒有注液的儲氣瓶的排氣閥，多個儲氣瓶同時排氣。如果容器的排氣通道有效截面積保持不變，那么容器排氣時壓力變化的速度是隨著容器的容積增大而減小，容積越大，壓力變化也就越慢[3]。排氣流程改進后排氣氣源的容積成倍增加，而排氣通道也就是排氣管沒有變化，因此，壓力變化的速度大幅度降低。試驗測得7個儲氣瓶同時排氣時，壓力從22MPa降到20MPa需要2min左右的時間。實際加氣時這個時間會更長，遠大于單個儲氣瓶排氣時6～12s的排氣時間，這就使柱塞泵和管道受沖擊的次數大幅度減少。
3.3 變頻調速大幅度降低起動電流
    有些加氣站是在已建成的加油站基礎上合建的，原有變壓器容量有限，就要求電動機起動電流盡可能小。使用變頻器可以很好地解決上述難題，還可以節(jié)能。
    柱塞泵是恒轉矩負載，因此，變頻器采用線性V/f控制，即變頻器輸出電壓和輸出頻率成線性關系，這樣電動機的輸出轉矩不隨轉速變化而變化。忽略電動機到柱塞泵的能量損失，則電動機的軸功率等于柱塞泵的軸功率。電動機軸功率和轉矩、機械角速度有以下關系[4]：
    P2=Tω    (2)
式中P2——電動機的軸功率，W
    T——電動機的轉矩，N·m
ω——電動機的機械角速度，rad/s
 
式中n——電動機的轉速，min-1
由式(2)、(3)得到：
 
由式(4)可知，只要降低電動機的轉速就可以降低電動機的功率。
 
式中f——電動機電源頻率，Hz
    p——電動機的極對數
由式(4)、(5)得到：
 
    由式(6)可知，降低電動機供電頻率就可以降低電動機的功率。
    P3=UI    (7)
式中P3——變頻器輸入功率，W
    U——變頻器輸入電壓，V
    I——變頻器輸入電流，A
    忽略能量損失，變頻器輸入功率等于電動機軸功率，既P2=P3。根據式(6)、(7)得到：
 
    由式(8)可知，降低電動機供電頻率就可以降低變頻器輸入電流，電動機起動時變頻器輸入電流也相應降低，甚至小于電動機的額定電流，與此同時，電動機輸出轉矩不受影響，這樣就避免了電動機起動電流對電網的沖擊。由式(6)可知，柱塞泵空載時降頻工作可以進一步減小空載時的能耗。
參考文獻：
[1] 李秋利.發(fā)展濱海新區(qū)天然氣汽車的構思[J].煤氣與熱力，2008，28(2)：B23-B25.
[2] 吳國光，李連成，楊俊杰.CNG液壓加氣子站與常規(guī)加氣子站方案比選[J].煤氣與熱力，2008，28(1)：R29-R32.
[3] 姜繼海.液壓與氣壓傳動[M].北京：高等教育出版社.2002.
[4] 電氣工程師手冊第二版編輯委員會.電氣工程師手冊(第2版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.
 
(本文作者：王曉強 安瑞科(廊坊)能源裝備集成有限公司 河北廊坊 065001)