2018浅析CNG加气站试运行中的一些热力学现象

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浅析CNG加气站试运行中的一些热力学现象
以西安市丈八东路CNG加气站作为案例，站内设一台压缩机、一台前置干燥器、一台顺序控制盘、三个储气瓶组、三台双枪加气机，高压不锈钢管为163、103、62，该站于2003年12月建成投入运营。
　　加气站建成后，一般先试运行一段时间，待各设备运行稳定后方可正式运营。首次向站内储气瓶组充气，压缩机工艺出口阀门至气瓶内均为零压，当四级排气压力到达20Mpa时，压缩机工艺出口阀门按设定程序自动打开；这时，20Mpa的天然气经过顺序控制盘，进入高压不锈钢管和高压组储气瓶；很快地，我们发现，从压缩机工艺出口至气瓶间的高压不锈钢管外壁开始结霜，个别气瓶阀门处结冰，用手摸高压组气瓶外壁，明显发冷；按照顺序控制盘设定，高压瓶组压力达到22Mpa时，中压瓶组顺序阀自动打开，开始给中压瓶组充气，我们发现，上面的现象在又在中压组管路及气瓶间发生；当中压气瓶组压力达到22Mpa时，低压瓶组顺序阀自动打开，开始给低压瓶组充气，我们再次发现，上面的现象在又在低压组管路及气瓶间发生；当低压气瓶组压力达到22Mpa时，所有气瓶压力均达到22Mpa，之后三组气瓶压力同时缓慢上升（至25Mpa时压缩机停机），这时我们突然发现，高压不锈钢管外壁上的结霜又相继融化，用手摸储气瓶外壁，感觉明显发热，但个别气瓶阀门处的结冰却并未融化；检验快速放散系统时，当打开放散阀门后，气体迅速通过管路放空，我们发现，放空管道外壁迅速结霜，而且结霜持续很长时间不融化。加气时，20Mpa以上的天然气进入加气机，需经过加气机内的过滤器，再经过流量计，然后到加气枪，通过枪头输入到车载气瓶；初期加气时，加气机内过滤器的滤芯经常发生冰堵，还有加气机的枪头也经常发生冰堵；
　　简要分析如下：
　　向储气瓶组充气时，由于管路和气瓶是零压，20Mpa的天然气通过工艺出口阀门后，压差非常大，流速也非常高，以管路和气瓶作为热力系统，天然气近似于绝热膨胀，其压力和温度均降低；由于绝热膨胀水平非常高，天然气降温也非常大，从工艺出口25℃左右降至远低于0℃，与此同时，管内天然气和管道之间发生强烈的热交换，使得管道从内壁到外壁温度迅速降至远低于0℃以下，管道外壁与周围的空气也随即发生高强度对流传热，使得临近管道外壁的空气温度迅速降至0℃以下，那么这些冷空气中的水蒸气便开始在管外壁凝结，空气湿度越大，结霜约明显；天然气进入气瓶情况类似，所以用手摸时，感觉明显发冷；随着气瓶内压力缓慢上升，先前进入到瓶内的气体又被压缩，这种压缩近似于绝热压缩，使得这部分气体的压力和温度均升高，所以同时存在后进入的气体降温和先进入的气体升温，对于整个热力系统来说是，绝热膨胀水平逐渐降低，而绝热压缩水平逐渐升高，通过高水平对流传热，表现为系统先急剧降温，后缓慢升温；随着管路内天然气温度上升，管道温度也随着升高，结霜逐渐开始融化，最终用手摸气瓶，会感觉明显发热；另外，给车载气瓶充气过程也类似，气瓶也会经历先变冷后变热的过程。
　　储气瓶内天然气快速放空，相当于气体对外做功，整个过程近似于绝热膨胀；气瓶内气体压力为25Mpa，放空到为零压，在气瓶和管道内，天然气压力和温度持续降低，但绝热膨胀水平也逐渐降低，即降温速度逐渐变缓，所以，管道外壁迅速结霜、结冰；这些结霜融化需要通过和周围空气发生热交换完成，所以融化时间会比较长。
　　个别气瓶阀门结冰，是由于绝热节流膨胀引起的；由于进入气瓶管道内径只有约2毫米，这些气瓶阀门可能没有完全开启，或者阀门处有杂物堵塞，都会导致典型的绝热节流膨胀，气体压力和温度急剧下降，由于气瓶阀门前后持续存在的超大压差，使得绝热节流时间拉长，阀门处持续结冰；通过观察气瓶阀门处的结霜变化，可以帮助我们判断哪些气瓶阀门没有完全开启，或者阀门损坏等。
　　由于站内的储气瓶、压力管道、其它压力容器、压缩机内的管路系统、冷却器、油气分离器等之前都进行过水压试验，在运行初期，进入加气机的高压天然气可能不很干净，里面会含有少量的游离水、炭颗粒、铁渣、油滴等，这些杂质使得过滤器的滤芯容易堵塞，气体流通面积缩小，导致在过滤器处形成绝热节流膨胀，天然气会急剧降温，天然气中夹带的游离水会在滤芯处结冰；这种情况经过多次清洗滤芯，待气质逐渐达标后，冰堵现象就会消除；加气机的枪头发生冰堵与过滤器滤芯冰堵原因类似，可以通过用温热开水浇注枪头，融化结冰，清除杂质，待气质逐渐达标后，冰堵现象就会消除。