压缩天然气流量计在加气机及其应用现状

  随着现代经济的迅猛发展, 汽车工业发展迅速, 汽车已成为生产和生活的必需品。传统的汽车是以柴油、汽油等作为能源, 大气污染严重。随着科技的进步, 天然气以其低的排放量逐渐成为一种新的汽车能源[1-4]。使用天然气燃料可以降低大气污染物的排放, 同时减少对石油的依赖。与传统燃料汽车相比, 天然气汽车费用成本较低, 其出现促进了汽车工业的发展[5-6]。

天然气汽车的快速发展, 带动了天然气加气站的发展。加气站可分为“标准站”和“母子站”两种类型, 天然气形式分为压缩天然气 (CNG) 和液化天然气 (LNG) 两种[7-9]。本文着重介绍压缩天然气加气机的原理、结构、性能等。

CNG加气机是加气站必需的加气计量装置, 需要能够在高压、震动工况下稳定可靠地工作, 这就需要满足计量和控制的稳定。计量是对加气量检测, 控制是实现对气压的控制, 以保证加气机的加气效率和使用安全性。CNG加气机主要由加气枪、电控系统、压力传感器、流量计、防爆控制、电磁阀等部件组成, 图1为CNG加气机结构图[10]。

天然气通过天然气管网进入加气站, 在压缩机的作用下变成压缩天然气, 一般是将压强为20MPa、15MPa和10MPa的天然气分别储存在高、中和低三个储气瓶中[11]。储气瓶中的气体通过不同的管线输送到加气机中, 在加气机中先通过过滤系统过滤后, 再由电控系统自动控制低、中和高压电磁阀的开关。天然气通过质量流量计进行计量, ***后将计量过的天然气装入天然气汽车储气瓶中。整个过程的显示、储存都是电控系统通过处理压力达到设定值质量流量计的计量信号所得。其大致过程为:首先加气机读入预设加气金额或加气量, 接着压力传感器读取天然气汽车储气瓶中的气压值, 之后打开低压电磁阀开始压入气体, 在汽车储气瓶中的压力接近低压储气瓶中的压力, 无法继续压入气体时系统自动切换打开气压更高的电磁阀, 直至加气量达到预设加气金额或加气量, 若未设置则一直加满为止。

压缩天然气加气机的主要性能指标有以下几个方面[12]:

(1) 压力范围:压力范围主要指加气机的设计工作压力、额定工作压力和***大工作压力的上限。其中, 设计工作压力应大于等于27.5MPa, 额定工作压力应大于等于20MPa, ***大工作压力不小于25MPa。

(2) 计量性能要求:加气机需在误差允许的范围内进行加气, 其计量准确性不低于1.0级, 即***大允许误差为±1.0%。此外还要求显示器显示的金额与计算的付费金额之差的值, 不能超过加气机的***小付费变量。

(3) 流量范围:加气机根据流量不同可分为小流量加气机、中流量加气机和大流量加气机。小流量加气机的***大流量应不大于30kg/min, 大流量加气机的***大流量应大于70kg/min, 中流量加气机的***大流量介于两者之间。

(4) 气密性和安全性:加气机在20MPa压力下, 保压10min, 加气机气路系统及其附件不允许出现泄漏现象。在35MPa的额定静态压力下, 保持1min, 无变形和破裂现象。加气机的安全防爆性能必须满足整机安全防爆要求, 确保使用过程中无安全隐患。在汽车储气瓶中的压力达到19~20MPa时, 加气机能够自动停止加气。

加气机的管理控制系统主要功能是加气流程的控制、对计量数据的存储和处理, 此外还需要满足扩展功能。控制系统的功能主要实现以下几个部分:

(1) 电磁阀的控制:对电磁阀进行控制是加气机的核心, 加气机控制系统不仅需要能够精准地控制电磁阀的开关, 而且还需要能够控制开关的顺序。

(2) 压力信号采集:控制系统能够控制流量计的开关, 通过A\D传感器完成流量计量从压力信号到电信号的转换, 实现准确记录和处理, 获得的流量计量信息。

(3) 输入和输出:加气机需要显示天然气单价和金额, 通过不同的LCD模块来实现输入和输出。

(4) 数据存储和网络扩展:控制系统需要实现由于不同加气站、不同加气机、不同操作员所得到的复杂数据的存储和管理, 并能实现数据的打印和查询。充分考虑加气机未来嵌入产品的网络需求, 保证提供适当的网络接口。

国外工业起步早, 经济发展较快, 环境问题也早早得到人们的重视, 例如美国、英国、荷兰、德国、日本等。这些的政府采取了大量的资金和税收等支持政策, 推广CNG加气机和加气站建设。本世纪初, 美国在大力推广天然气燃料汽车的同时, 还制定了一系列强制性法规政策, 鼓励使用CNG等清洁燃料车辆。这些措施不仅推广了天然气汽车, 也极大地促进了CNG加气机和加气站的发展。源于天然气燃料汽车的发展, 欧洲CNG加气机和加气站发展较早, 发达的天然气供应网, 使得意大利等欧洲相继发展了天然气汽车。

国内天然气汽车起步较晚, 2000年在淄博成功研发台国产加气机, 随后进行产业化生产。随着更多的公司投入到加气机行业的研发和生产, 政府制定了相应的支持政策。目前国内已建成数千座天然气加气站[13], 不仅利于环境保护, 实现能源的多元化利用, 同时对整个汽车工业的发展也有十分巨大的推动作用。虽然国内CNG加气机的发展已经十分显著, 推动了天然气汽车的普及, 但是与国外先进的技术相比, 还存在着一定的差距。

传统能源面临着资源减少、尾气排放、环境污染等诸多问题, 严重威胁着生态环境, 寻找替代传统能源的清洁能源是发展的当务之急。在此背景下, 研究和开发更加便利、更加高效、更加安全实用的CNG加气机, 并向市场进行投放和推广, 可以促进天然气汽车的发展, 同时有利于缓解和改善资源短缺、大气污染等现实问题。CNG加气机具有极大的推广意义, 是现阶段推广环保动力能源的重要趋势。

通过近百年的发展, CNG加气机的市场应用已经十分广泛, 促进了天然气汽车的发展, 为社会带来了巨大的经济效益和环境效益。CNG加气机的研发和生产也已经趋于成熟, 其使用更加安全可靠。未来CNG加气机将向着多样化、智能化、系统更加稳定、功能更加健全的方向发展。