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1、压缩天然气储气钢瓶一、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60200个水容积在5080L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 一94钢制无缝气瓶标准（目前我国压缩天然气加气站用储气瓶
2、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
3、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13001500L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36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第伽章第1节压缩气体地面存储设计标
4、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57 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。（
5、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100200m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，每口井的间距大约广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12 m2，而且按GB501562002规定，其所需的防火
6、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GB501562002和GJJ2000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
7、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-T65352002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23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
8、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3050cm，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
9、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
10、。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，23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
11、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
12、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
13、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过程汽车气瓶压力/MPa低压装置压力/MPa中压装置压力/MPa高压装置压力/MPa开始加气024.824.824.8低压转中压8.310.324.824.8中压转高压15.910.317.924.8加气结束20.710.317.922.1用气的容积14.56.92.8利用率58%28%11%平均利用
14、率32%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/
15、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
16、 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
