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摘要：目前国内CNG加气站的工艺流程方面存在着较多的安全隐患，地下储气井松动和天然气窜井等事故时有发生，本文在对目前国内常规CNG加气站工艺流程的现状和问题进行分析的基础上，提出了相应的再造优化设计方案。重点是对地下储气井的结构和功能进行改造，通过串联改并联、增设独立的进气出气管线和增加套管等方式，使地下储气井不仅可以为加气操作提供足够的压力，而且还具备了高温天然气冷却容器的功能，满足了CNG加气站的实际需要，同时提出的优化设计方案具有较好的经济性、可行性。
关键词：加气站；优化设计；工艺流程
CNG即压缩天然气（CompressedNaturalGas，简称CNG），其作为汽车燃料具有环保、安全、经济等多方面优势，符合经济社会可持续发展和城市环保发展的趋势和取向，因此CNG加气站近年来在全国各地得到了很快发展。不过目前CNG加气站的设计和建设方面还存在不少问题，特别是在工艺流程方面还存在着诸多的安全隐患，时常有地下储气井松动和天然气窜井的情况或事故发生，甚至导致气井窜出地面、井内天然气严重泄漏，使站内发生火灾、爆炸的风险大大升高。因此，为了更好地确保CNG加气站的安全运行，基于科学可行的理论基础，有必要对其工艺流程进行重新设计再造和优化。
1常规CNG加气站工艺流程的现状及其优化方案
1.1现状及问题
目前常规的CNG加气站其工艺流程一般如下：城镇天然气管网中的天然气通过专门的输气管线进入加气站，经过天然气缓冲罐、前置脱水装置、调压计量装置处理，然后进入压缩机进行增压作业，经过压缩机多级压缩后，天然气变为可供汽车燃料使用的压缩天然气（20.0MPa），压缩后的天然气进入顺序控制盘中，调序后直接作为汽车燃料给汽车加气或者进入站内储气装置（储气瓶组或地下储气井）中进行临时性存储。
一般作为临时性储气装置的地下储气井多以串联的形式在进气或出气时共用一条输气管线，这样有利于节约钢材和降低工艺设计的复杂性和建设成本，但其存在的缺点也是显而易见的，如果地下储气井中的一个发生了泄露，其井内压力降低，在压力差的作用下另外一个储气井中的天然气会流向发生泄露的储气井内，导致天然气窜井事故发生。高压天然气泄露中会产生较大的上冲力，导致地下储气井的井管发生松动，甚至发生断裂，乃至发生爆炸等严重事故。
如果加气站需要加气的汽车过多，当压缩机无法提供足够的压力时，由地下储气井代为补充压力从而满足加气压力的需求。如果压力足够就以直充的方式进行，一般来讲经过加压处理后的高压天然气温度一般在70摄氏度以上，将这种高温加压的天然气直接给汽车加气会造成较大的计量误差，同时还会使汽车的CNG钢瓶热应力增加，影响其使用的安全性和寿命。
1.2优化设计理论依据
从解决上述针对CNG站内存在的安全隐患出发，通过以下理论依据制定优化设计方案。
关于气井可能发生井窜问题，如能通过改变串联安装方式，打破气井局部发生泄漏时高压气体泄漏对气井罐体反作用力的连续性，理论上可有效降低气井发生井窜的可能性，同时降低偶发泄漏事故可能导致的天然气泄漏量，降低站内发生火灾和爆炸的风险，达到提高安全性的目的。
关于天然气在经过多级压缩后伴随高温输出的情况，如能在不耗费额外成本的情况下，通过优化结构流程起到降温作用则为优选方案。近年来，国内能源行业对相对具有恒温特性的地源热这一清洁能源越来越重视，考虑到站内气井埋在地下，而罐体材料一般具有良好的热传导性，故具备与浅地表土壤直接进行热交换的可行性，理论上可以作为罐内高温气体降温的长效措施。
1.3优化设计方案
针对以上关于常规CNG加气站工艺流程中存在的问题和理论分析，从以下几个方面对其工艺流程进行再造和优化设计。
地下储气井由串联改为并联，多个储气井之间使用独立的输气管道对外连接，并为每根输气管道配备独立的压力表和控制阀门，压力表及阀门状态通过传感技术将信息汇集到总控系统内，多根输气管道在末端汇合，给站内加气机供气。
改变站内生产加气流程，取消压缩机输出的高温天然气直接向加气机供气的功能，将压缩机产气与地下储气井串联，利用地下储气井与地源热（恒温冷量）进行热交换的物理结构，让高温加压的天然气在经过地下储气井后得以降温冷却。
改造后的CNG加气站工艺流程如下：天然气经过外接输气管道进入加气站后，进入缓冲罐，继而进行干燥脱水、过滤、调压、计量，处理过的天然气经由压缩机继续加压增压，经过控制盘调序后进入地下储气井，冷却后通过加气机直接给汽车加气。
2地下储气井热交换能力进一步优化方案
2.1地下储气井的结构现状
地下储气井是CNG加气站的关键性装置，其可靠性直接影响着加气站的安全性。地下储气井一般深埋于地下用于存储CNG气体。埋藏深度一般为80-200米，这样的埋藏深度使其基本上避免了明火接触和地面隐患，同时还具有抗静电、占地面积小等多方面优点，这也是国内CNG加气站的首选储气系统解决方案。目前国内大多数CNG加气站的地下储气井的进出气都是使用一条输气管道集中存储，对进入储气井的高温天然气冷却效果有限，难以达到彻底冷却的目的，考虑到冷却至常温的天然气对计量和车用储气瓶安全性的影响，有必要对提升储气井冷却高温天然气的能力进行进一步探讨。
2.2优化方案
为了使地下储气井能够提升冷却高温天然气的能力，可以通过延长天然气在储气井中滞留时间和加大输气管道、井壁与浅地表土壤接触面积两种方式。第一种方式，参考站内设计日加气能力，适当加大储气井容积，使高温天然气在进气管线和储气井中有更长的停留缓冲时间，以便通过罐体和外界恒温土壤进行热交换，达到充分降温的目的。第二种方式，在地下储气井总储气能力不增加的情况下，减小储气单元的容积，进一步增大储气井与浅地表土壤的接触面积（即：热交换面积），使进入储气井的高温天燃气能够在更短的时间内实现降温，达到充分降温的目的。实际操作中，以实现目标的成本核算为参考，可以通过同时采用上述两种方式来优化冷却效果，这样改造后的地下储气井不仅可以为加气提供足够压力及备用气源，而且还具有冷却高温天然气的作用，避免了CNG计量出现较大的误差以及高温气体对汽车CNG存储钢瓶可能造成的危害，能够达到优化计量结果、提高站内运营安全性的目标，具备现实可行的研究意义。
3结语
本文对国内CNG加气站的工艺流程现状及其存在的问题进行了阐述，并提出了相应的优化设计方案。将原来直接加气的方式改为经过地下储气井冷却后再进行加气操作，这样使得加气时的天然气温度符合计量和安全性要求，同时将地下储气井连接方式由串联改为并联，通过对地下储气井的改造和计量装置、单向阀门的安装，有效避免了储气井泄露引起的天然气窜井现象。通过采取提高天然气在储气井内滞留时间和加大储气井与土壤热交换面积两种方式，提高了天然气的冷却效果，实现了对高温天然气的冷却功能。
参考文献：
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