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2020年天然气汽车保有量将达到1100万辆加气站系统工作原理及实例介绍

雷洪钧

2017年3月国务院李克强总理在《政府工作报告》中“要强化机动车尾气治理”一段文字是“基本淘汰黄标车，加快淘汰老旧机动车，对高排放机动车进行专项整治，鼓励使用清洁能源汽车。在重点区域加快推广使用国六标准燃油。”由于天然气汽车是公认、技术成熟的清洁能源汽车。总理在《政府工作报告》要求”鼓励使用清洁能源汽车“，有专家预测，2020年天然气汽车保有量将达到1100万辆。下面对加气站系统工作原理及实例介绍，供大家参考。

一、专家预测到2020年，中国天然气汽车发展规模

1）我国天然气汽车的保有量将达到1050万—1100万辆，其中LNG汽车的保有量将达到40-50万辆，占当年全国汽车保有量的5%以上；

2)“两用燃料”出租车保有量的占比在2020年将达到85%-90%，天然气公交车和教练车的保有量占比将达到50%以上，LNG重卡保有量将增至30%以上；

3)CNG汽车加气站保有量将达（9000-10000）座，LNG汽车加注站将达（4500-5000）座。

二、液压压缩机匹配与CNG加气站工作模式

目前中国天然气汽车主要是商业车。天然气汽车层面的技术已经相当成熟。上海、广西玉柴公交车专业发动机普遍得到全国公交公司的认可。要推广天然气汽车目前关键技术是加气站的液压压缩机技术的进步和发展。下面对CNG加气站分类及工作模式进行介绍。

CNG加气站分为三类，母站、子站和常规站。压缩机是CNG加气站的主要装备，其作用是对管道天然气实施增压，供给压缩天然气汽车使用。给天然气汽车（CNGV）充气基本上是两种：一是母站从天然气主管道取气，压缩后经运气车送至子站，再经子站压缩机增压、给CNGV充气；二是常规站则从城市管道取气后，直接给天然气汽车（CNGV）充气。其中母站、子站都要配备压缩机增压，但是其工作模式是不相同的。

三、CNG加气站压缩机匹配介绍

1）CNG母加气站的大功率压缩机匹配

CNG加气母站一般设立在天然气主管道附近。加气母站匹配多少压缩机数量，只取决于待加气的运气车数量。一台压缩机满负荷地、不间断的工作可以满足3~5辆运气车。其加气工作原理：

①要求气源压力恒定，运气车气瓶充气工况恒定，只配液压压缩机，不配备储气瓶组；

②压缩机的最高压力只需22.5MPa，高于运气车的压力限值为20MPa即可；

③运气车气瓶从3MPa充至20MPa，即从压力较低、气压稳定的天然气主管道中，源源不断地抽取低压天然气，加压至25~27.5MPa，直接充装到加气的运气车气瓶之中。

④对运气车气瓶的充气效率、也随着运气车气瓶内的压力增高而逐渐降低。接近充满20MPa时，加气效率很低，加气时间延长。在压力较高时充气，气瓶内气体的温度会很快增高。

2）CNG子加气站中小功率的压缩机匹配

子加气站系统由一台中小功率的压缩机、三组储气瓶、PLC控制系统和三线售气机组成。子站内储气瓶组的总数量要根据充气车辆数决定，其高、中、低压气瓶组的数量比例按1:2:3设置较宜。子站压缩机要适应运气车气瓶（最高压力限值为20MPa）内的压力从20MPa降低到3MPa的变化；满足自动“快速充气”的要求。压缩机和各储气瓶组的最高压力值、均应超过20Mpa。一般高压（25MPa）、中压（18MPa）、低压（13MPa）储气瓶组的气压下限值设置成有一定的差值，始终保持对正在充气的车用气瓶有5MPa以上的压力差。

（1）车辆加气工作原理：

①当被充气车辆的气瓶开始充气时，低压瓶组自动供气；

②当低压气瓶组压力与被充气车辆的气瓶内压力基本平衡时，低压充气阀自动关闭，中压气瓶组自动供气；

③当中压气瓶组压力与被充气车辆的气瓶内压力基本平衡时，高压气瓶组自动供气；

④直至车用气瓶压力达到20MPa时，充气系统便自动关闭。

（2）压缩机工作原理：

①当车辆源源不断加气时，储气瓶组的气压达不到其最高限值，压缩机就不停地运转（按车用气瓶、高压、中压、低压瓶组的顺序充气）；

②当充气车辆数量减少时，压缩机把储气瓶组充满后，就会自动关机。

四、CNG加气子站系统实例介绍

子站通常只配备一台压缩机，（排量约1500标方/小时）。CNG增压设备分为机械式和液压式两类， ①机械式压缩机：电机带动曲轴连杆机构作刚性运动的活塞式机械压缩机；②液压式增压装置又分平推式液压压缩机和液压活塞式压缩机。

1）机械式活塞压缩机介绍

机械式活塞压缩机有近200年历史。由电机经曲柄连杆机构、驱动气缸活塞作往复运动，压缩燃气。原理如图1、结构如图2所示：

其优点：其结构可靠，技术成熟，是各类加气站的典型设备。

其缺点：曲柄连杆机构摩擦件过多，在高速运转的情况下，（可达1000转/分钟）导致能耗大、磨损快、震动大、噪声高、维修周期很短，效率低。

2）液压平推式装置介绍

①液压平推式装置原理如图3所示：

它是用高压液体置换运气车气瓶中燃气的一套装置，安装在专用的运气槽车上，无需配备子站储气瓶组，如图4。

②加气过程：

a）电机驱动旋转柱塞泵、排出25MPa的高压油液，经换向阀门、通入运气车中一只长管气瓶的下端，置换出气瓶中的燃气，经售气机直接对CNGV车用气瓶充气。

b）运气车上该气瓶内的95%燃气被置换后，换向阀门控制换向，压力油返回油箱。其时，高压油又通过第二个阀门进入第二个长管气瓶的下部、置换出其中的燃气，继续为NGV充气。

c）如此重复，直到运气车上所有的气瓶均完成置换，（小于3MPa）运气车便停止工作、返回母站。

（注意：每只长管气瓶均需有阀门控制其进油和排油；运气车在子站工作时、长管气瓶组需形成倾斜状，才能实现液压油从下部进入气瓶、平推置换其中的燃气）

其优点：与结构简单。

其缺点：液气混合，造成油液互相污染，液压油会很快变质，寿命很短；燃气会在推动油液返回油箱过程中、冲入油箱，形成控制间内燃气泄漏；控制气瓶的换向阀门既要密封油液、又要密封燃气，很难同时适应，寿命很低；一旦阀门失效，就会造成油液冲入正在充气的车用气瓶之中，造成损坏车辆发动机的事故；也会形成燃气大量冲回油箱、造成加气站燃气大量泄漏的事故。

3）液压活塞式压缩机介绍

他是一种利用液压油推动活塞、在气缸内对燃气进行压缩的装置。适合用于加气子站，受到了普遍欢迎，市场占比不断上升，很可能成为子站压缩机的主流装备。立置双联活塞式液压压缩机的原理图，如图5。

①基本工作原理：

该设备的主体是两个上下串接在一起的气液缸，中间设有隔板。双联活塞置于两缸中，活塞之间为液腔，活塞两端外为气腔。双联活塞把两个油气缸分割成四个空腔：A、B、C、D。立置气缸及双联活塞结构如图6所示：

图中A,D为气腔，B,C为液腔。双联活塞406在上、下气缸内往复运动，拉紧螺栓407将上下两个气缸连成整体。当B腔通入高压油时，活塞上行，D腔进气，C腔排油。A腔内的燃气受压缩、并增压。其输出的压力值、受进气口D腔的气压值及B腔的油压值叠加作用，可以输出高于B腔的压力，有放大的作用。B,C腔交替通入高压油，双联活塞便能作上下行的往复运动，实现了使气体连续增压的效果。

②主要优点：

a）结构比较简单，运转平稳、振动噪声很小、无需减压启动、允许经常停机；

b）无需回收废气，液气之间互相隔离，没有燃气逸出，彼此没有污染；

c）故障少、耗能低、维修比较方便。

五、液压压缩机代各种机械式压缩机，会得到广泛的应用

目前立式、双联活塞液压压缩机的主要易损件，油气密封圈的寿命已从国产化初期的180多小时，提高到目前的一万多小时，达到了国际先进水平。使压缩机能在国内获得成功推广，其基本发展趋势：

1）我国天然气汽车在国务院“要鼓励使用清洁能汽车”号召，会在一次得到快步发展，对加气站液压压缩机技术的提升提出新的要求。