一種便捷的CNG汽車全自動加氣設備

摘 要

摘要：介紹了一種便捷的壓縮天然氣汽車全自動加氣設備，簡述了設備的組成、主要特點、技術參數、工作原理、加氣過程、安全性能、安裝與使用情況。關鍵詞：CNG汽車；加氣設備；全自動C
摘要：介紹了一種便捷的壓縮天然氣汽車全自動加氣設備，簡述了設備的組成、主要特點、技術參數、工作原理、加氣過程、安全性能、安裝與使用情況。
關鍵詞：CNG汽車；加氣設備；全自動
Convenient Full Automatic Filling Equipment for CNG Vehicles
ZHANG Xiu-qin，LUO Dong-xiao
Abstract：A convenient fully automatic filling equipment for CNG vehicles is introduced. The equipment components，main characteristics，technical parameters，working principle，gas filling process，safety performance，installation and use are described.
Key words：CNG vehicle；gas filling equipment；full automaticity
隨著天然氣工業和汽車工業的飛速發展，近年來，壓縮天然氣(CNG)汽車產業在國內外獲得長足的進步，CNG加氣新技術、新工藝、新設備不斷涌現。國外某公司最近推出了一款為天然氣汽車或CNG瓶組加氣的設備——全自動CNG加氣設備，它作為常規加氣站的一種有效補充，安裝在鄰近用戶的單位大院、公共道路、家庭院落等位置，無須專人值守，能夠為用戶提供高效、低成本、便捷、安全的加氣服務，是一種很有前景的壓縮天然氣加氣新技術。
1 設備組成與特點
   ① 設備組成與類別
   該加氣設備一般由壓縮模塊、電子模塊、控制模塊、干燥模塊組成。按照服務對象及安裝場所不同，其分為企事業單位內部加氣設備、工廠車間內加氣設備(用于叉車等)、公共加氣設備(停車場、社區)、家庭加氣設備等多種類型。其中，應用比較普遍的家庭加氣設備的外形見圖1，其設備體積小于0.1m3，質量只有40kg左右。
 

    a. 壓縮模塊：包括1臺電驅動空冷式壓縮機、1臺單速電動機。電源為220V交流電，壓縮機為4級無油潤滑壓縮機。電動機的啟停由控制模塊控制。
    b. 電子模塊：包括燃氣檢測、溫度與壓力檢測、溫壓補償、與電動機控制相關的電子控制線路與部件。
    c. 控制模塊：控制各個參數的組件。
    d. 干燥模塊：采用半導體制冷方式將天然氣中的水蒸氣冷凝，然后通過半透膜蒸發到空氣中。干燥模塊具有再生功能，可長期循環使用。
   ② 主要特點
   全自動CNG加氣設備最顯著的特點是就地加氣，能夠實現一站式加氣功能，為用戶提供便捷的“上門”服務，周到且安全。它利用車輛停運的閑暇時間，即在夜間或車輛閑置時，見縫插針地及時對車輛就地加氣，省去了用戶在加氣站排隊等候的過程，既方便了用戶，又可節省來往加氣站路途上的燃料消耗，產生多重經濟效益。
    根據用戶性質及不同需要，這種加氣設備有快速和慢速加氣模式供用戶自主選擇。此外，還設置了定時加氣功能。可靈活采用定時加氣、快速加氣、慢速加氣、定時快慢組合等多種加氣方式。其主要特點如下：
    a. 加氣設備全自動運行，無須派人值守。
    b. 采用模塊化設計，無須用戶維護，可靠性高。
    c. 屬于家用燃氣用具類產品，能夠安裝在公共停車場、車庫、室內、屋頂、社區等位置，也可以安裝在對噪聲敏感的區域。
    d. 采取自動保護措施，安全性能良好。
    e. 方便、靈活，占地面積小，運行噪聲低。
    f. 設備入口采用低壓天然氣，可就近接入低壓燃氣管道，選擇余地較大。
    g. 是大型CNG加氣站的補充，可實現優勢互補。
   h. 設備緊湊，工藝流程簡捷優化。
   ③ 主要技術參數
   全自動CNG加氣裝置的主要技術參數見表1。
表1 全自動CNG加氣裝置的主要技術參數
燃氣額定流量/(m3·h-1)
最大加氣壓力/MPa
進氣壓力/kPa
電源
質量/kg
環境溫度/℃
平均電力消耗/(kW·h·m-1)
1.5～15.0
20.7
1.7～8.6
220V，50Hz
40～280
40～45
0.3～0.5
    以一款家用型產品為例，其燃氣額定流量為1.5m3/h，滿負荷時電流為4.0A，電力消耗功率為760W，設備外形尺寸為762mm×356mm×330mm.質量為43.2kg。用其對普通的家用CNG轎車加氣，快充模式下需8～9h將車輛氣瓶充滿，可供車輛連續行駛160km。如果用其他額定流量較大的加氣設備，則加氣時間可以相應縮短。
2 工作原理與加氣過程
   ① 工作原理
   全自動CNG加氣裝置工作原理見圖2。
 
    當加氣裝置各項參數的檢測值均處于正常范圍時，進氣控制閥門打開，低壓天然氣經過過濾器，進入裝置內的一個容器中。此時，壓縮機啟動，容器內的低壓天然氣經過4級無油潤滑壓縮機加壓，壓力升至20.7MPa后進入干燥裝置進行干燥處理，除去高壓天然氣中的水分，確保高壓天然氣含水量符合要求。經過干燥裝置處理后質量合格的壓縮天然氣通過加氣槍給汽車的車載儲氣瓶或CNG瓶組加氣。
    當汽車車載儲氣瓶或CNG瓶組內的天然氣被加滿后，壓縮機斷電停運，加氣軟管內的高壓天然氣釋放回流至容器內，使軟管內壓力降低至0.4MPa以下。之后，相應的閥門自動關閉。
    若容器內天然氣壓力高于某個設定值時，系統設置的安全閥會自動打開泄壓。此外，加氣裝置還安裝有一個隨時處于運行狀態的小型風扇，用于設備的通風，能夠及時將外泄的天然氣驅散。
    該設備工作過程中，如出現天然氣進氣壓力過高或過低、出氣壓力過高、天然氣泄漏、設備過載、溫度高等異常情況，加氣設備的自動保護系統都會動作，確保設備處于安全狀態。
   ② 加氣過程
   全自動CNG加氣裝置的加氣過程如下：
   a. 預備過程：10s，用于對設備進行自檢查。
   b. 試加氣過程：20s，設備開始試運行。
   c. 第1次泄漏檢查：10s，停止加氣，設備自動檢查加氣軟管系統有無泄漏。若無泄漏，則進行下一個步驟。
    d. 正式加氣：2h，壓縮機、干燥器等持續運行，進行CNG加氣。
   e. 第2次泄漏檢查：10s，暫停加氣，自動對加氣軟管系統進行第2次檢查，若無泄漏，則繼續進行下一個步驟。并且每加氣2 h后，必須對加氣軟管再進行1次泄漏檢查。
    f. 循環4次，也就是累計加氣8h后，則干燥器模塊的干燥劑須進行1次耗時30min的再生過程，確保干燥劑具有良好的吸附性能。接著，再繼續上述步驟，直到CNG車載儲氣瓶內壓力達到20.0MPa時，再一次對加氣軟管系統進行泄漏檢查。10s后繼續加氣，CNG車載儲氣瓶內壓力達到20.7MPa時，壓縮機停止運行。
   g. 加氣過程結束。
3 設備的安全性能
    該全自動CNG加氣裝置現已通過了多個國家的權威機構比如歐盟的CE和加拿大標準協會CSA(Canadian Standards Association)的認證。
    該加氣裝置的另一項重要的安全技術是加氣軟管防泄漏和防拉斷事故措施——自動分離裝置，一旦加氣過程中加氣軟管出現泄漏和拉斷事故，加氣設備將會自動關閉，避免天然氣外泄。
    美國國家可更新能源實驗室的檢測數據顯示，該設備可靠性極高，非違規操作條件下出現危險的概率只有1.43×10-8；被雷電擊中的可能性幾乎沒有。
4 設備的安裝與使用
    該設備被國外相關權威機構歸為家用燃氣用具類產品。因此，可以依照規定安裝在室內或室外相應的區域。比如，家用型加氣設備可以安裝在車庫內，也可以安裝在雜物間，見圖3、4。

    國外使用這種全自動CNG加氣裝置的用戶較多，以歐美國家、日本等發達國家較為常見。比如，本田汽車公司、多倫多水力發電廠、洛杉磯港口等就使用了多套用于企事業單位內部的全自動CNG加氣裝置。在中國，香港中華煤氣有限公司也很早就使用了這種CNG加氣裝置。此外，這種裝置還很受大型工廠和物流公司的歡迎，被用于對其內部車輛(如叉車、配送車隊等)加氣。
    出于保護環境的需要，有些國家還出臺了推廣這種加氣裝置的激勵政策，極大地促進了當地天然氣汽車產業的發展。
 
(本文作者：張秀琴1 羅東曉2、3 1.中國市政工程華北設計研究總院 天津 300074；2.新奧燃氣控股有限公司 河北廊坊 065001；3.中山大學 廣東廣州 520275)