一种用于CNG汽车加气子站的增压系统

摘要

本实用新型公开了一种用于CNG汽车加气子站的增压系统，包括增压瓶组、液压直充增压式装置，增压瓶组设有气体输入管线、气体输出管线及增压管线，气体输入管线向增压瓶组中输入CNG气体，增压瓶组的CNG气体增压后由气体输出管线输出，增压管线连通增压瓶组及液压直充增压式装置，液压直充增压式装置对增压瓶组中的CNG气体增压；所述的液压直充式增压装置包括液压油箱、吸油过滤器、液压泵、供油压力调节模块、油路换向气动阀组、增压瓶组、防爆型回油电磁阀、主液位计、副液位计。本技术方案采用独立的增压瓶组，安全性大幅提高，避免了系统喷油、误将液压油注入CNG车辆中等安全事故的发生。

说明书

技术领域

本实用新型涉及加气子站，确切地说是一种用于CNG汽车加气子站的增压系统。

背景技术

作为一种清洁、高效的能源，天然气在世界能源消费中的地位日益提高，逐步成为重要的“战略能源”。天然气汽车以气体发动机为动力源，其主要排放产物是二氧化碳和水，不含有害污染物，并且具有抗爆性好、燃烧完全、不产生积碳等优点，是目前世界上公认最清洁、无污染的能源汽车。因此，作为汽车燃料，天然气具有成本低、效益高、无污染、使用安全等特点，并且随着技术水平的不断提高，正日益显示出强大的发展潜力。可见，天然气作为化石能源向非化石能源过渡的桥梁作用将日益突出，大力发展天然气汽车有助于大幅度缓解城市的温室效应和环境污染，从根本上改善城市快速发展（特别是特大型城市）引发的环境问题，是实现“双碳”目标和“美丽中国”的重要力量。“十四五”正值我国能源结构调整的关键期，特别是随着新型城镇化进程不断提速和油气体制改革有力推进，加快推动能源生产和消费革命，合理开发和利用天然气可以有效的缓解石油能源和环境污染双重压力，因此天然气行业发展面临良好的历史机遇。

为方便天然气的储存和运输，通常把天然气压缩至10～25MPa，这种形式的天然气通常称为压缩天然气（CompressedNaturalGas，英文简称CNG）。压缩天然气具有价格低廉、安全环保、便于储运等优点，且压缩天然气汽车技术已基本成熟，压缩天然气汽车已成为城市公共交通的主力军。随着我国在天然气发动机电控单元、减压器、混合器、高压储气瓶等CNG汽车核心技术上的突破，以及在国家能源环保政策的引导下，我国CNG汽车的保有量已跃居世界第一，“十三五”末我国CNG汽车的保有量已达到632万辆。我国CNG汽车虽然发展迅猛，但与之对应的相关配套设施和设备，特别是支撑CNG汽车发展的基础设施—CNG汽车加气站的发展却并不与之相匹配。截至2020年底，国内建成并实现运营的CNG加气站有9900余座，平均单站服务车辆1100辆左右，CNG汽车加气站的服务能力严重不足。

目前CNG汽车加气站主要有两种基本形式。一种是CNG标准站（也称常规站）另一种为CNG母子站。CNG标准站建立在城市高中压天然气管网区域上，通过天然气管道接收原料天然气，经过脱水和脱硫等工艺，对原料气进行净化和干燥处理，再利用压缩机对天然气进行压缩，然后进入储气瓶组或储气井等储气设施进行缓冲、稳压和储存，最后通过CNG加气机给CNG汽车进行加气。可见，建设CNG标准站要受到天然气管网布局及管网压力的限制，而且加气场站的CNG压缩机往往是大功率、高能耗的设备，并且在许多地区，由于城市燃气管网的容量有限，在用气高峰时段还会面临着“短气限流”甚至是“断气”的窘境，对CNG汽车标准加气站的运营和服务带来较大的影响。CNG母子站是针对管网、征地、安全等条件限制而发展起来的一种无管网输配技术。母站一般建设在城市燃气管网接收门站、调压站或天然气主干网附近，子站建在输配管网尚未敷设的区域，远离主城区或城区中心。CNG转运车（CNG长管运输拖车）从加气母站取气，通过公路运输至各加气子站，然后再给CNG汽车进行加气。CNG汽车加气子站不需要脱硫和脱水的装置，也不要配置大功率的压缩机，所以CNG汽车加气子站的工艺流程简单、所需设备较少、占地面积比较小，特别适合于土地紧张、周围无天然气地下管网的城镇地区。子站辐射母站周围约200km的范围，通过CNG转运车将从母站运来的干燥脱硫的压缩天然气给CNG汽车加气，可以很快形成供气网络，迅速缓解加气站供气能力与天然气需求量之间的矛盾，实现城市建成区无管网“天然气化”的主要途径。特别是未来很大一部分CNG加气站将建设成为加油加气合建站，CNG汽车加气站的母子站模式具有更强的适应性和更大的发展趋势。

目前CNG汽车加气子站主要有两种类型，即，机械压缩机式CNG汽车加气子站和液压平推式CNG汽车加气子站。

机械压缩机式CNG汽车加气子站由于采用机械压缩机增压技术，加气工艺比较简单，但是系统的工艺设备较多，能耗较高，在运行过程中不但加气压力不稳定，而且加气速度较慢，取气率较低（仅为85%）。

液压平推式CNG汽车加气子站是最近十年来CNG汽车加气子站领域迅速发展起来的一项新型技术，其特点是采用液压增压系统取代天然气压缩机，无需压缩机增压和储气瓶组储气，具有加气速度快、取气率高（可达95%），占地面积小，建站投资少，且适合在城建区或已经建成的加油站进行加油加气站合建等优点。然而受制于诸多技术瓶颈的制约，目前液压平推式CNG汽车加气子站存在的主要问题有：由于液压增压装置直接向CNG长管运输拖车的储气钢瓶中充入液压油，因此需配置专用CNG长管运输拖车，该形式的运输拖车制造复杂、车体笨重，运输量小，运输成本高且与普通的CNGCNG长管运输拖车无互换性，增加了建站的投资成本；液压平推式CNG汽车加气子站需要配备大量的液压油，废油污染问题严重；液压加气子站的系统设计均比较简单、低端，功能单调，缺少有效且必要的连锁、自锁和互锁等安全防护，以及缺少运行数据的记录、存储等功能，人工干预较多，时常发生系统超压、喷油，甚至将液压油误注入CNG燃料汽车内等事故。

可见，现阶段无论采取何种CNG汽车加气子站的建站形式，投资和运行成本都很高，严重制约和阻碍了CNG加气站产业的发展。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于CNG汽车加气子站的增压系统，该系统用于组建液压直充增压式CNG汽车加气子站，通过设置的增压瓶组、液压直充式增压装置实现气体的增压输送，其采用独立的增压瓶组，安全性大幅提高，避免了系统喷油、误将液压油注入CNG车辆中等安全事故的发生，能够有效的推动CNG加气子站的建设和普及。

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术手段：

一种用于CNG汽车加气子站的增压系统，包括增压瓶组、液压直充增压式装置，所述的增压瓶组设有气体输入管线、气体输出管线及增压管线，气体输入管线向增压瓶组中输入CNG气体，增压瓶组的CNG气体增压后由气体输出管线输出，增压管线连通增压瓶组及液压直充增压式装置，液压直充增压式装置对增压瓶组中的CNG气体增压；所述的液压直充式增压装置包括液压油箱、吸油过滤器、液压泵、供油压力调节模块、油路换向气动阀组、防爆型回油电磁阀；液压油箱供油一端与增压瓶组连通的增压管线上设有吸油过滤器、液压泵、供油压力调节模块、油路换向气动阀组；液压油箱回油一端通过连接管线、防爆型回油电磁阀、油路换向气动阀组与增压瓶组连通。

本技术方案通过设置的增压瓶组、液压直充式增压装置实现气体的增压输送，其采用独立的增压瓶组，安全性大幅提高，避免了系统喷油、误将液压油注入CNG车辆中等安全事故的发生。

进一步的优选技术方案如下：

所述的增压瓶组设有个增压瓶，分别是一号增压瓶、二号增压瓶。

通过设置个增压瓶，个增压瓶便于独立控制，提高工作过程中输气处理的输气容量及控制的便捷性。

所述的增压瓶组通过油路换向气动阀组与液压油箱连通，油路换向气动阀组设有OB阀、OC阀、OA阀、OD阀；液压油箱供油一端通过连接管线、OB阀与一号增压瓶连通；液压油箱供油一端通过连接管线、OA阀与二号增压瓶连通；液压油箱回油一端通过连接管线、OC阀与一号增压瓶连通；液压油箱回油一端通过连接管线、OD阀与二号增压瓶连通。

其可以交替工作，一个进气过程中，另一个增压对外输送，使设备持续工作。

所述的气体输入管线上设有安全阀，所述的气体输出管线上设有高压油气分离过滤器。

通过设置安全阀、高压油气分离过滤器，可以提高其工作的安全性。

所述的液压泵由隔爆变频异步三相电机通过联轴器连接驱动。

通过上述设置，利用隔爆变频异步三相电机驱动液压泵。

所述的液压油箱设有防爆型油温加热器。

通过设置防爆型油温加热器，可以以低温时为液压油箱内的液压油加热，便于保证其良好的流动性。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型组装成的一液压直充增压式CNG汽车加气子站系统图。

附图标记说明：1-液压油箱、2-吸油过滤器、3-液压泵、4-联轴器、5-隔爆变频异步三相电机、6-供油压力调节模块、7-油路换向气动阀组、01-OB阀、702-OC阀、703-OA阀、704-OD阀、8-气路换向气动阀组、801-GD阀、802-GA阀、803-GC阀、804-GB阀、9-增压瓶组（9）、901-一号增压瓶、902-二号增压瓶；10-快装街头、11-防爆型回油电磁阀、12-高压油气分离过滤器、13-安全阀、14-主液位计、15-副液位计、16-防爆型油温加热器、17-滤油装置。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本实用新型。

参见图1可知，本实用新型的一种用于CNG汽车加气子站的增压系统，由增压瓶组9、液压直充增压式装置组成；增压瓶组9设有气体输入管线、气体输出管线及增压管线，气体输入管线向增压瓶组9中输入CNG气体，增压瓶组9的CNG气体增压后由气体输出管线输出，增压管线连通增压瓶组9及液压直充增压式装置，液压直充增压式装置对增压瓶组9中的CNG气体增压；液压直充式增压装置包括液压油箱1、吸油过滤器2、液压泵3、供油压力调节模块6、油路换向气动阀组7气路换向气动阀组8、防爆型回油电磁阀11、主液位计14、副液位计15；液压油箱1供油一端与增压瓶组9连通的增压管线上设有吸油过滤器2、液压泵3、供油压力调节模块6、油路换向气动阀组7；液压油箱1回油一端通过连接管线、防爆型回油电磁阀11、油路换向气动阀组7与增压瓶组9连通。增压瓶组9设有2个增压瓶，分别是一号增压瓶901、二号增压瓶902；增压瓶组9通过油路换向气动阀组7与液压油箱1连通，油路换向气动阀组7设有OB阀701、OC阀702、OA阀703、OD阀704；液压油箱1供油一端通过连接管线、OB阀701与一号增压瓶901连通；液压油箱1供油一端通过连接管线、OA阀703与二号增压瓶902连通；液压油箱1回油一端通过连接管线、OC阀702与一号增压瓶901连通；液压油箱1回油一端通过连接管线、OD阀704与二号增压瓶902连通；气体输入管线上设有安全阀13，气体输出管线上设有高压油气分离过滤器12；液压泵3由隔爆变频异步三相电机5通过联轴器4连接驱动；液压油箱1设有防爆型油温加热器16；通过设置防爆型油温加热器16，可以以低温时为液压油箱1内的液压油加热，便于保证其良好的流动性。

参见图2，本实用新型组装的一种液压直充增压式CNG汽车加气子站系统，由CNG长管运输拖车、液压直充增压式装置、站用固定式CNG高压储气瓶组、CNG加气机和电气控制系统组成，CNG长管运输拖车为加气子站输运提供CNG；CNG长管运输拖车中的CNG利用自身的压力势能输入至增压瓶组9中，液压直充增压式装置利用液压直充增压技术，将增压瓶组9中的CNG增压并输送到站用固定式CNG高压储气瓶组中；站用固定式CNG高压储气瓶组用于储存增压后的CNG，向CNG加气机提供CNG，CNG加气机为CNG燃料汽车计量和充装天然气；电气控制系统主要通过PLC控制程序控制整个液压直充式CNG加气子站系统的自动运行和自动监控。

液压直充式增压装置由液压油箱1、吸油过滤器2、液压泵3、联轴器4、隔爆变频异步三相电机5、供油压力调节模块6、油路换向气动阀组7、气路换向气动阀组8、防爆型回油电磁阀11、主液位计14、副液位计15、防爆型油温加热器16、滤油装置17、防爆型压力传感器PT1-PT5、防爆型压差开关PE1、防爆型压差开关PE2组成。

CNG长管运输拖车中的CNG低压或中压连接管线上设有GL阀、高压油气分离过滤器12，GL阀用于控制输送、高压油气分离过滤器12用于过滤输送的CNG；CNG长管运输拖车中的CNG还通过连接管线、气路换向气动阀组8与增压瓶组9连通。CNG长管运输拖车通过气路换向气动阀组8输入到增压瓶组9进行液压直充增压，增压后增压瓶组9的CNG通过气路换向气动阀组8输入到站用固定式CNG高压储气瓶组中。

气路换向气动阀组8 设有GD阀801、GA阀802、GC阀803、GB阀804；气路换向气动阀组8中的GD阀801输入端通过管线连通CNG长管运输拖车，GD阀801输出端通过管线连通一号增压瓶901；气路换向气动阀组8中的GC阀803输入端通过管线连通CNG长管运输拖车，GC阀803输出端连接二号增压瓶902；一号增压瓶901 通过连接管线、GA阀802与站用固定式CNG高压储气瓶组输入端连通；二号增压瓶902通过连接管线、GB阀804与站用固定式CNG高压储气瓶组输入端连通；一号增压瓶901及二号增压瓶902内的CNG通过液压直充增压后CNG输送至站用固定式CNG高压储气瓶组中。

液压油箱1供油一端通过连接管线、液压泵3、供油压力调节模块6、油路换向气动阀组7与增压瓶组9连通；液压泵3由隔爆变频异步三相电机5通过联轴器4连接驱动；液压油箱1与增压瓶组9连通的连接管线上设有吸油过滤器2；液压油箱1回油一端通过连接管线、防爆型回油电磁阀11、油路换向气动阀组7与增压瓶组9连通。

供油压力调节模块6对供油压力进行调节。该模块主要由先导式溢流阀和二位四通气动滑阀组成，两者集成于一个阀块上，其主要作用是压力调节、超压保护和溢流。

油路换向气动阀组7设有OB阀701、OC阀702、OA阀703、OD阀704；液压油箱1供油一端通过连接管线、OB阀701与一号增压瓶901连通；液压油箱1供油一端通过连接管线、OA阀703与二号增压瓶902连通；液压油箱1回油一端通过连接管线、OC阀702与一号增压瓶901连通；液压油箱1回油一端通过连接管线、OD阀704与二号增压瓶902连通。

增压瓶组9的公称压力等级为25MPa。

为节省占地面积液压直充增压装置II可设计成集成橇体，内设有燃气报警传感器，与电气控制系统IV内的燃气报警控制装置互联，如果发生燃气泄漏，燃气报警传感器立即向燃气报警控制装置发出信号，控制加气子站内的配电系统切断设备的电源，并发出声光报警信号，提醒操作人员作相应处理。

本实施例的液压直充增压式CNG汽车加气子站系统加气方法，包括以下步骤：

（1）CNG长管运输拖车与液压直充式增压装置通过快装街头10连接后，CNG分为两路，一路通过低压（或中压）管线直接连接CNG加气机，具备CNG直供功能；另一路通过液压直充式增压装置的气动换向阀组8后充入增压瓶组9，经增压瓶组9增压后充入站用固定式CNG高压储气瓶组；

（2）气路气动换向阀组8中的GD阀801开启，CNG进入一号增压瓶901，当第二防爆型压力传感器压力检测值PT2等于第一防爆型压力传感器检测值PT1时，关闭GD阀801，液压直充增压装置II的隔爆变频异步三相电机5启动、控制系统向供油压力调节模块6中的二位四通气动滑阀输送压缩空气开启该阀，控制先导式溢流阀进行增压作用，油路气动换向阀组7中的OB阀701开启为一号增压瓶901注油增压，当第二防爆型压力传感器压力检测值PT2等于第四防爆型压力传感器PT4时，开启GA阀802，将增压后的CNG储存在站用固定式CNG高压储气瓶组中；

（3）系统预先根据增压瓶组9的单个增压瓶容积设置液压油箱1的主液位计14和副液位计15的液位下限，本实施例中设置为单个增压瓶容积的95%；当主液位计14或副液位计15检测到液位的下限信号后，一号增压瓶901的CNG已推出至站用固定式CNG高压储气瓶组中，此时关闭OB阀701和GA阀802，开启一号增压瓶901的回油程序；系统注油时，液位计检测到下限信号，就认定增压钢瓶中的CNG输出完毕；

（4）回油时，防爆型回油电磁阀11开启、油路气动换向阀组7中的OC阀702开启，一号增压瓶901内的液压油会在余压的作用下返回液压油箱1，直至液压油箱1上的防爆型压差开关PE1或PE2检测到气压信号后，一号增压瓶901的回油完成，然后关闭防爆型回油电磁阀11和OC阀702；回油过程中，开始进入液压油箱1中的液压油造成液压油箱1内的压力比较稳定。当回油结束时，增压瓶内的气体会进液压油箱1，使其内部压力迅速增加，防爆型压差开关PE1或PE2检测到压力迅速增加的信号后就提供信号使防爆型回油电磁阀11关闭；

（5）在一号增压瓶901的液压直充增压过程中，气路气动换向阀组8中的GC阀803开启，CNG长管运输拖车中的CNG进入增压瓶组9的二号增压瓶902，当第三防爆型压力传感器的检测值PT3等于第一防爆型压力传感器的检测值PT1时，关闭GC阀803；当一号增压瓶901回油时，注油系统重新启动，油路气动换向阀组7中的OA阀703开启，液压油箱1内的液压油进入二号增压瓶902，液压增压系统开始为二号增压瓶902内的CNG增压，当第三防爆型压力传感器的检测值PT3等于第四防爆型压力传感器的检测值PT4时，开启气路气动换向阀组8中的GB阀804，增压后的CNG进入站用固定式CNG高压储气瓶组；

（6）当主液位计14或副液位计15检测到液位下限信号后，二号增压瓶902的CNG已推出至站用高压储气瓶组III中，此时关闭OA阀703和GB阀804，并开启二号增压瓶902的回油程序；

（7）二号增压瓶902回油时，防爆型回油电磁阀11开启、OD阀704开启，二号增压瓶902内的液压油会在余压的作用下返回液压油箱1，直至液压油箱1上的压差开关PE1或PE2检测到气压信号后，二号增压瓶902回油过程完成，关闭防爆型回油电磁阀11和OD阀704；

（8）重复1~6步骤，直至CNG长管运输拖车中的CNG压力降至1~2MPa左右，CNG卸车结束，更换下一辆CNG长管运输拖车继续为CNG加气站提供CNG气源。

注油及回油过程中，一号增压瓶901注油结束后，间隔一个时间T1，一号增压瓶901回油程序启动；再间隔一个时间T2，二号增压瓶902注油程序再启动，即系统此时处于边回油边注油的状态；一般情况下系统回油速度大于系统的注油速度，但由于系统的不确定性，如在使用过程中可能回油管线中某些阀门开启程度会不足，造成回油管线堵塞，使回油速度低于注油速度，系统在边回油边注油的过程中将会出现增压瓶中的CNG还未完全排出，油箱内的液位就已到达下限，系统便认定二号增压瓶902注油结束，然后开启二号增压瓶902回油程序即为系统故障；为防止上述故障产生，所以系统在边回油边注油阶段，程序设计上有注油时间阈值T的约束，电气控制系统设置两个约束条件，一是液位计下限，为单个增压瓶容积的95%，二是注油时间阈值，注油时间阈值根据液压泵的排量和增压瓶的容积确定，T=V/nq，其中，V表示的是单个增压瓶的容积(L)，n表示的是液压泵的转速(RPM)，q表示的是液压泵每转的排量(L/Rev)。如果注油时间小于T，即使液位计出现下限信号，系统也不认为是注油结束，而是会发出故障报警信号，提示注油时间过短，回油系统有故障。

以上所述仅为本实用新型较佳可行的实施例而已，并非因此局限本实用新型的权利范围，凡运用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本实用新型的权利范围之内。