CNG
CNG
رشد روزافزون مصرف گاز طبیعی و جایگزینی آن به جای دیگر منابع انرژی در کشور، تفاوت چشمگیر میزان مصرف در فصل های مختلف سال، آسیب پذیر بودن سیستم گازرسانی، احتمال بروز مشکلاتی در عملیات تولید و بهره برداری و … از مهمترین عواملی به شمار می روند که طراحی و اجرای طرح ذخیره سازی گاز طبیعی را ضروری می سازند. نویسنده در این مقاله با توجه به مطالعات و بررسی هایی که تاکنون در این زمینه صورت پذیرفته و ضرورت اجرای طرح های ذخیره سازی را آشکار کرده است، از توجیه اجرای طرح ذخیره سازی گاز طبیعی خودداری می کند و با نگاهی به روش های مختلف ذخیره سازی گاز طبیعی، به معرفی و پیشنهاد طرحی جامع برای ایمن سازی شبکه گسترده و رو به رشد گاز طبیعی کشور می پردازد
سهم گاز طبیعی در سبد انرژی کشور
در سال 1386 آمار مصرف نشان می دهد که گاز طبیعی در این سال در بخش های مختلف خانگی، صنعتی، نیروگاهی، حمل و نقل و تجاری جمعاً 56 درصد از حامل های انرژی هیدروکربوری نفتی را تشکیل داده است. پیش بینی می شود تا سال 1393 این رقم به 67 درصدافزایش یابد. مصرف گاز طبیعی در سال 1386 حدود 81 میلیارد مترمکعب بوده و انتظار می رود تا سال 1393 بر اساس برنامه های تولید و مصرف، به بیش از 180 میلیارد مترمکعب برسد.
مقایسه مصرف گاز طبیعی در ماههای گرم و سرد سال
میانگین مصرف روزانه در چهار ماه نسبتاً سرد سال 25 درصد بیش از میانگین مصرف در هشت ماه گرم و معتدل سال است و این تفاوت در روزهای سخت زمستان به 40 درصد نیز می رسد. همچنین برآوردها نشان می دهد در برخی ساعات روز در زمستان های بسیار سرد، میزان مصرف حتی به بیش از 5/1 برابر میانگین ماههای گرم و معتدل می رسد. این اختلاف چشمگیر بین مصارف تابستانی و زمستانی با توجه به دوری مبادی تولید تا نواحی عمده مصرف در زمستان، ایجاب می کند که شرکت ملی گاز ایران تنها به سیستم تولید و انتقال و تامین گاز به صورت مستقیم اتکا نکند و ایجاد ذخایر نزدیک به مراکز عمده مصرف را در برنامه اجرای طرح های مهم خود قرار دهد. مبادی اصلی تولید گاز طبیعی کشور عبارتند از: پارس جنوبی، سایر میدان های گازی در خلیج فارس، میدان های گازی درون ساحلی در جنوب کشور، میدان های گازی شمال شرق، گازهای همراه نفت خام در جنوب غربی و در آینده سایر میدان هایی که احتمالاً اکتشاف خواهند شد. این مبادی عموماً با فواصل طولانی نسبت به مراکز مصرف که در سطح کشور گسترده اند، قرار گرفته اند.
عوامل تهدید امنیت سیستم گازرسانی کشور
عوامل تهدید و ایجاد اختلال در سیستم گازرسانی را می توان به شرح زیر خلاصه کرد:
مشکلات متعارف در عملیات تولید از مخازن گاز اصلی
مشکلات متعارف در عملیات بهره برداری از پالایشگاه های گاز
نارسایی و مشکلات بهره برداری در سیستم انتقال (خطوط لوله و ایستگاههای تقویت فشار)
حوادث و نوسانات غیر قابل پیش بینی که می تواند بسیار متنوع باشد.
این عوامل از هر دو بعد کمی و کیفی در عرضه گاز به مصرف کنندگان تاثیر مستقیم دارند و می توانند روند گازرسانی به ویژه در فصل سرما را که سیستم گازرسانی در حداکثر ظرفیت خود عمل می کند به شدت آسیب پذیر کنند.
طرح ایجاد امنیت در سیستم گازرسانی کشور
این طرح ترکیبی از چند فرایند ذخیره سازی گاز طبیعی است که هر یک به اقتضای شرایط روند مصرف و با دو هدف عمده نقش موثر و کارآمدی دارند. این هدف ها عبارت است از: اوج زدایی مصرف زمستان و مقابله با بحران در شرایط اضطرار.
– فرایند 1: ذخیره سازی در مخازن زیرزمینی(Underground Gas Storage-UGS)
– فرایند 2: تولید و ذخیره LNG در مقیاس های کوچک در نقاط مناسب
– فرایند 3: احداث مخازن CNG در مجاورت نقاط پرمصرف
– فرایند 4: احداث خطوط لوله انتقال با فشار طراحی بالا و ایجاد Line Pack6
فرایند اول (UGS)
فرایند اول یا ذخیره سازی در ساختمان های مناسب زیرزمینی مناسب ترین نوع، به لحاظ حجم گاز قابل ذخیره برای اوج زدایی فصلی (Winter Peak Shaving) است. در عین حال نقش بسیار مهم و استراتژیکی نیز در مقابله با نوسان و اختلال در سیستم انتقال و توزیع گاز کشور دارد.
فرایند دوم (LNG)
احداث واحدهای کوچک تولید LNG و مخازن مربوط به آن در مجاورت نواحی پرمصرف، فرایند دوم را تشکیل می دهد. این فرآیند برای اوج زدایی مصرف روزانه در زمستان(Daily Peak Shaving) مناسب است. در این مجتمع های کوچک، در طول ماههای گرم سال می توان گاز را به مایع تبدیل و به هنگام ضرورت در روزهای سرد زمستان تبخیر و به شبکه گازرسانی تزریق کرد. البته این واحدها می توانند حتی در مواقعی از فصل زمستان، که میزان مصرف نسبت به تولید و عرضه از مبادی اصلی کاهش نسبی می یابد، مازاد گاز را از خطوط لوله دریافت و به مایع تبدیل و ذخیره کنند و بدین ترتیب ذخیره مخازن LNG حتی المقدور بازسازی و حفظ می شود.
فرایند سوم(CNG)
در این فرایند گاز مازاد بر مصرف در ساعاتی از روز حتی در فصل زمستان به وسیله کمپرسورهای با ظرفیت نسبتاً پایین در مخازن کروی فشرده شده و بالعکس در ساعات حداکثر مصرف روز مورد استفاده قرار می گیرد(Hourly Peak Shaving) .در شهرها به طور کلی ساعات حداکثر مصرف گاز از بامداد تا قبل از ظهر (معمولاً از ساعت 6 الی 10 صبح) و از غروب تا پاسی از شب (معمولاً بین ساعات 17 تا 22) در فصل زمستان است.
فرایند چهارم(Line Pack)
چنانچه طول خطوط لوله انتقال گاز فعلی کشور را 20 هزار کیلومتر با قطر متوسط 140 اینچ فرض کنیم، حجم گاز ذخیره شده و قابل استفاده در محدوده فشار عملیاتی خطوط لوله (حداقل 34 و حداکثر 70 بار) حدود 580 میلیون مترمکعب استاندارد برآورد می شود. با افزایش فشار طراحی خطوط لوله اصلی در طرح های جدید خطوط لوله انتقال می توان حجم Line Pack را افزود و در مواقع ضرورت در فصل زمستان از گاز فشرده شده در این خطوط برای اوج زدایی مصارف ساعتی در روزهای سرد زمستان بهره برداری کرد.در ساعات حداقل مصرف روزانه، گاز مازاد را می توان به وسیله کمپرسورهای کوچک، فشرده و در این خطوط لوله ذخیره سازی کرد.طبیعی است که به هنگام ضرورت می توان از یک یا چند مورد از فرایندهای ذخیره سازی بالا به صورت همزمان استفاده کرد.
اولویت اجرایی فرایندهای مختلف
ذخیره سازی در ساختمان های زیرزمینی مناسب(UGS)به دلیل حجم قابل توجه این گونه مخازن از ارجحیت واولویت قابل ملاحظه ای نسبت به سایر فرایندها برخوردار است. نکته قابل توجه در مورد این نوع مخازن این است که اجرا و ایجاد آنها مرهون وجود ساختمان ها و لایه های عمیق زیرزمینی مانند طاقدیس ها یا سفره های آبدار(Aquifer) ، توده های نمکی با ابعاد و عمق لازم ویا مخازن نفت و گاز تخلیه شده با ظرفیت و ابعاد مناسب است. بنابراین بنا به ضرورت، انجام مراحل شناسایی و احراز تناسب ساختمان های زیرزمینی در نقاط مختلف کشور، اجرای متقن فرایند اول از ابتدا روشن نبوده و از طرفی نیاز به زمان طولانی تری نسبت به سایر فرایندهای ذخیره سازی دارد؛ اما به دلیل امتیازات و ویژگی های این فرایند در هر حال ضروری است اجرای آن با جدیت دنبال شود. گر چه ظرفیت ذخیره سازی در فرایندهای دوم تا چهارم(LNG ) یا( CNG) نسبت به فرایند اول بسیار پایین است، امکان اجرای آنها از ابتدا همانند سایر تاسیسات فراورش گاز طبیعی در روی زمین از نظر فنی قطعی بوده و منوط به دستیابی به شرایط دیگری نیست. از این رو می توان پس از مطالعات اولیه وتنظیم مبانی طراحی، اجرای آن ها را آغاز کرد و اطمینان داشت که نتیجه مورد نظر حاصل خواهد شد. هزینه سرمایه گذاری فرایندهای دوم و چهارم برای مقدار معینی از حجم گاز ذخیره شده، نسبت به فرایند اول به طور محسوسی بالاتر است. با توجه به آنچه از نظر گذشت و با نگاهی به رشد سریع مصرف گاز طبیعی در کشور، برای ایمن سازی سیستم گازرسانی کشور نمی توان اولویتی برای هر یک از فرایندهای بالا نسبت به یکدیگر تصور کرد و ضروری است به موازات، طبق یک برنامه مدون و بهینه، همه به اجرا گذارده شوند.
مقایسه انواع مخازن
مخازن دارای فشار کاری bar200 در دمای C 15 برای گاز طبیعی می باشند که بیشینه فشار پرکردن bar 260 است. حداقل فشار آزمون به کار رفته در ساخت مخزن bar 300 (5/1 برابر فشار کاری) می باشد. حداقل فشار انفجار در مخازن نوع اول نباید ازbar 450 کمتر باشد، برای مخازن کامپوزیتی نوع دوم، سوم و چهارم که دارای الیاف کربنی هستند، پوسته کامپوزیتی می بایست دارای حداقل فشار انفجار bar470 باشد. برای مخازن نوع اول، همچنین برای آسترهای مخازن نوع دوم و سوم می بایست از فولاد یا آلومینیوم استفاده کرد. کامپوزیت نیز شامل الیاف شیشه، آرامید یا کربن است که با رزین های ترموست (اپوکسی، پلی استر، ونیل استر و غیره) یا رزین های پلی آمید، پلی اتیلن و غیره آغشته شده اند.
محدودیت های طراحی
محدودیت هایی که در طراحی مخازن اغلب خودروها مشترکند عبارتند از: وزن ، قیمت و ایمنی. پارامتر وزن یکی از پارامترهای مهم است که در مورد ذخیره گاز در ایستگاه سوخت رسانی سیار نیز حائز اهمیت است. همچنین مساله ایمنی یکی از مسائلی است که همواره در کنار دو مساله دیگر باید مورد توجه قرار گیرد.
اصول حاکم برای طراحی مخازن CNG
در طراحی مخازن نوع اول، از استانداردهای مختلفی استفاده می شود. ضخامت مخزن از رابطه مخازن جدار نازک به دست می آید. انتهای عدسی شکل مخزن به صورت نیمکره در نظر گرفته می شود. بدین لحاظ ضخامت وسط عدسی می بایست برابر یا بزرگتر از ضخامت پوسته استوانه ای باشد. برای رسیدن به روابطی جهت به دست آوردن ضخامت لایه های کامپوزیتی، بعضی فرضیات منطقی در مورد طراحی لحاظ شده اند. این فرضیات عبارتند از:
1. تمامی الیاف در مخزن تحت کشش می باشند.
2. هنگامی که مخزن، تحت فشار قرار می گیرد هیچ گشتاور خمشی به وجود نمی آید.
3. کل مقاومت سازه را مقاومت کششی در طول الیاف تشکیل می دهد.
4. مخزن متقارن است و شامل یک قسمت استوانه ای شکل با دو انتهای نیمکره ای، می باشد.
5. ضخامت مخزن در مقایسه با قطر آن ناچیز است، بنابراین می توان فرض کرد که قطر مخزن در لایه خارجی و داخلی یکی است (مخازن جدار نازک هستند).
6. الیاف آزاد هستند تا در هنگام تولید، خود را تنظیم کنند بنابراین هیچ گونه نا همسانی در کشش آن ها وجود ندارد
7. هیچ تنش برشی بین دو لایه مجاور وجود ندارد.
8. الیاف پیچی به شیوه های محیطی یا ضربدری مطابق با تکنیک های عملی انجام می شود.
9. الیاف پیچی محیطی در دو انتها عملی نمی باشد.
10. الیاف پیچی مارپیچی در سرتاسر طول مخزن پیوسته است.
11. فشار در داخل مخزن هیدرواستاتیکی است.
مراحل انجام طراحی
برای انجام طراحی باید مراحل زیر را طی کرد:
1. مشخص کردن مقدار گازی که باید ذخیره شود (از قانون گازهای کامل می توان برای محاسبه مورد نظر استفاده کرد).
2. مشخص کردن حجم گاز فشرده شده که همان حجم داخلی مخزن CNG است.
3. قطرهای داخلی و خارجی مخزن براساس فرمول حداکثر تنش تعیین می شوند. قطر و ضخامت دیواره مخزنCNG به وسیله حداکثر تنش در سطح داخلی مخزن به دست می آید. حداکثر تنش معمولاً به وسیله حداکثر تنش مجاز براساس جنس ماده محدود می شود (با در نظر گرفتن یک ضریب اطمینان).
4. طول را می توان با توجه به حجم مورد نظر تعیین کرد.
مراحل محاسبه قیمت مخزن
برای محاسبه قیمت مخزن باید دو بخش کلی را درنظر گرفت:
1. هزینه ثابت مربوط به رگولاتورها، شلنگ ها، شیرها و هزینه کارکرد و غیره (Cost1)
2. قیمت مخزن به صورت تابعی از وزن (Cost2) Cost = Cost1+ Cost2
مخازن CNG به چهار دسته کلی تقسیم می شوند
1- مخازن CNG-I
2- مخازن CNG-II
3- مخازن CNG-III
4- مخازن CNG-IV
1- مخازن Ι-CNG
این مخازن بدون درز و از جنس فولاد یا آلومینیوم می باشند. گر چه نوع آلیاژ مورد استفاده و همچنین تنش های طراحی این گونه مخازن در استاندارد مشخص نگردیده است ولیکن این گونه مخازن فولادی یا آلومینیومی باید آزمون های کارایی را بگذرانند. آزمون ها به دلیل اطمینان از چقرمگی و مقاومت در برابر تنش، خوردگی و ترک در جنس به کار رفته، صورت می گیرند. همچنین آزمون های سختی و فشار هیدرواستاتیک جهت اطمینان از استحکام مخزن نیز انجام می گیرند.
2- مخازن CNG-II
این نوع مخازن دارای یک لایه آستری از جنس فولاد یا آلومینیوم بدون درز است و قسمت استوانه ای این آستری، توسط الیاف شیشه، آرامید، کربن یا مخلوطی از آن ها که آغشته به رزین است به صورت محیطی پیچیده شده است. ساختار کامپوزیتی این مخازن، این امکان را به وجود می آورد که بتوان از ضخامت قسمت فلزی کاست و درنتیجه مخزن سبک تری به دست آورد. این مخازن در جهت شعاعی (به جز دو قسمت ابتدایی و انتهایی) تقویت شده اند.
مبنای طراحی این نوع مخازن بر توانایی آستر فولادی یا آلومینیومی در تحمل فشار بالا می باشد. در مورد این نوع مخازن CNG این نکته شایان توجه است که فشار اضافی و دمای بالاتر باعث از بین رفتن کیفیت پوشش کامپوزیت نخواهد شد. این نوع مخازن از الیاف پیچی پیوسته ساخته می شوند که برای ساخت آن ها از آسترهای فولادی یا آلومینیومی استفاده می گردد و به آن ها مخازن پیچش محیطی گفته می شود. این مخازن از سال 1980 میلادی ساخته می شوند و مبنای طراحی آن ها توانایی آسترهای فولادی در تحمل بیشینه فشار پرشدن مخزن می باشد. این امر به طراحان اجازه استفاده از آسترهایی با تحمل تنش بیشتر از حد معمول را می دهد.
3- مخازن CNG-III
این مخازن دارای یک لایه آستری از جنس فولاد یا آلومینیوم بدون درز بوده و تمام این لایه داخلی توسط الیاف شیشه، آرامید، کربن یا مخلوطی از آن ها که آغشته به رزین است در راستای محیطی و محوری پیچیده شده و این ساختار کامپوزیتی که به مخزن داده می شود، این امکان را به وجود می آورد که بتوان از ضخامت قسمت فلزی کاست و درنتیجه مخزن سبک تری را نسبت به مخازن نوع اول و دوم به دست آورد. این مخازن با الیاف کامپوزیت در جهت محیطی و محوری تقویت شده اند. این گونه مخازن از اواسط دهه70 میلادی برای ذخیره گاز اکسیژن در مصارف پزشکی استفاده می شوند. تقویت این مخازن با الیاف کامپوزیت در دو جهت، قابلیت تحمل فشار را نسبت به مخازن نوع دوم، افزایش می دهد.
4- مخازن CNG-IV
این نوع مخازن دارای یک آستری از جنس پلیمر بدون درز هستند و تمام این لایه داخلی توسط الیاف شیشه، آرامید، کربن یا مخلوطی از آن ها که آغشته به رزین است پیچیده شده و این ساختار تمام کامپوزیت از سبک ترین انواع مخازن CNG می باشد. این مخازن با الیاف کامپوزیت در جهات شعاعی و محوری تقویت شده اند. این گونه مخازن قابلیت تولید در ابعاد بزرگتر و با قطر بیشتر را دارند. مخازن نوع 4 دارای کمترین وزن می باشند که حتی با سیستم سوخت بنزینی قابل مقایسه هستند. اشکال عمده این مخازن ایجاد نشتی به مرور زمان در محل اتصال نافی فلزی و آستر پلیمری می باشد. همچنین به علت عدم انتقال حرارت مناسب آستری پلاستیکی، حین سوخت گیری سریع در این مخازن افزایش دمای نسبتاً بیشتری ایجاد می شود. از جمله مزایای این نوع مخازن احتمال کم ترکیدگی مخزن در حوادث می باشد.
این مخازن بسیار شبیه مخازن نوع سوم هستند و تنها از لحاظ نوع و جنس آسترها تفاوت دارند. این نوع از مخازن برای کاربرد در خودروهای گازسوز بسیار مناسب هستند و پتانسیل طراحی و ساخت برای عمرهای طولانی را دارا می باشند. آزمون های خستگی انجام شده روی تعداد زیادی از این مخازن، عمر این مخازن را بیش از 100000 سیکل سوخت گیری نشان داده اند که در مقایسه با سایر مخازن بالاتر است.
مخازن CNG در ایران
اولین کارخانه سازنده مخازن CNG تمام فولاد با سرمایه 8/7 میلیارد ریال از سوی سازمان بهینه سازی مصرف سوخت کشور با حضور نمایندگان مجلس ومسوولان وزارت نفت و صنایع افتتاح شد.
مخازن تولید شده قابلیت کار در بدترین شرایط را نیز دارند و از لحاظ ایمنی خودرو نیز حین تصادف یا آتش سوزی احتمالی در خودرو، این مخازن از ایمنی بالاتری نسبت به خودروهای بنزینی برخوردارند و هرگز دچار انفجار نمی شوند.
در خصوص تامین شیر دستی مخازن CNG نیز شرکت امیگا در سال 1385 جهت داخلی
سازی شیر مخزن CNG همکاری خود را با شرکت البرزیدک آغاز نمود که حاصل آن تولید
شیر دستی "امیگا البرز" می باشد. در حال حاضر نیز شیر مدل امیگا نوع 300 و 310
برای مخازن با رزوه استوانه ای و مخروطی در دست تولید می باشد که بزودی در بازار
موجود مورد استفاده قرار می گیرد.
همچنین در این راستا شرکت امیگا برای مجموعه سازی شیرو مخزن اقدام به احداث کارگاهی در حومه تهران نموده است که روزانه با توجه به نیاز، حداکثر تعداد 1000 مجموعه تحویل شرکتهای خودروساز از جمله شرکتهای ایران خودرو و ساپکو می نماید و تعدادی نیز جهت نصب آزاد سیستم دوگانه سوز برروی خودروهای After market مورد استفاده قرار می گیرد.
مخازن گاز طبیعی فشرده بدون هیچ گونه فرآیند جوشکاری از لوله های بدون درز و با روش های پیشرفته صنعتی ساخته می شوند. این مخازن دارای استانداردهای سختگیرانه ای بوده و آزمون های متعددی نظیر آزمون آتش، آزمون گلوله، پرتاب از ارتفاع، خستگی و… را می گذرانند و برای استفاده در دوره عمر مخزن که معمولا ۲۰ سال است، ایمنی کامل را دارا می باشند. مخازن در طول عمر خود بنا به توصیه های استانداردی و رویه های موجود به طور مرتب و در دوره های منظم مورد بازرسی و کنترل قرار می گیرند تا درصورت وجود هرگونه آسیب احتمالی راهکار مناسب جهت رفع عیب یا تعویض آنها اتخاذ گردد. تجربه استفاده از گاز طبیعی فشرده در خودروها در دنیا که نزدیک به ۸۰ سال می رسد، شاهد این مدعاست که استفاده صحیح و رعایت الزامات استانداردی در نصب و نگهداری این سیستم ها، موجب عدم بروز هر حادثه ای می گردد. موارد ایجاد حادثه انفجار و آتش سوزی در این خودروها گزارش نشده است مگر در موارد معدودی که با دستکاری سیستم از سوی مالکان این گونه خودروها همراه بوده است. این موضوع به نوبه خود حاکی از ایمنی بالاتر خودروهای گازسوز نسبت به خودروهای بنزین سوز و LPG سوز می باشد. تعبیه شیرهای مجهز به سیستم ایمنی دمایی و فشاری روی مخازن CNG این امکان را فراهم می آورد تا حتی درصورت قرار گیری مخزن در آتش و ایجاد فشارهای غیرمعمول داخل مخزن، موجب تخلیه گاز و جلوگیری از هرگونه انفجاری گردد. قطعات کیت CNG نیز استانداردهای بسیار سختگیرانه ای را گذرانده و گواهی ایمنی دریافت می کنند.
ایستگاه CNG
گاز مورد نیاز خود را از شبکه گاز شهری دریافت می کند. نخست گاز وارد اتاقک(metering) و میزان گاز ورودی اندازه گیری و فیلتر می شود، سپس گاز فیلتر شده وارد دستگاه هایی به نام خشک کن(Dryer) می شود. این دستگاه را می توان در انتهای مسیر نیز قرار داد، اما حالت بهینه استفاده از آن در ابتدای خط است. کار دستگاه خشک این است که رطوبت موجود در شبکه گاز شهری را جذب کند و گاز خشک شده ای را به درون کمپرسور می فرستد. دلیل این امر این است که آب بزرگ ترین دشمن تجهیزات CNG است. آب می تواند سبب خوردگی اتصالات و جدار داخلی سیلندرها شود. آب موجود در گاز فشرده در فشار 200 بار در 15 درجه سانتی گراد یخ می زند و تشکیل بلورهای یخ می تواند موجب انسداد اریفیس های کوچک و یا خطوط انتقال گاز طبیعی فشرده شود. خشک کن های مورد استفاده در جایگاه های CNG معمولاً از نوع جذبی هستند و درون برج های دو قلوی آنها معمولاً مواد جذب کننده رطوبت مانند گلیکول یا سیلیکازل قرار داده می شود که با یک سیستم کنترلی به طور متناوب، عمل جذب رطوبت گاز ورودی را انجام می دهند.
پس از این مرحله، کمپرسور گاز خشک را می مکد و در 3 تا 4 مرحله گاز را از فشار حدود 250-220(psi) به 3000 تا 3600(psi) می رساند. کمپرسورهای مورد استفاده در ایستگاه های سوخت رسانی CNG معمولاً از نوع رفت و برگشتی هستند که دارای مزیت های سهولت تعمیرات به دلیل اشتراک سازکار کار آنها با بسیاری از کمپرسورهای رفت و برگشتی در صنایع دیگر، امکان ساخت به صورت یک یا چند مرحله ای در یک پوسته واحد، کارآیی قابل قبول این کمپرسورها در حد بالا و دبی های نسبتاً پایین و امکان استفاده از موتورهای گازسوز یا موتورهای الکتریکی به عنوان نیروی محرک است.
از معایب آنها بزرگی ابعاد و ارتعاش های زیاد آنها است که می باید به عنوان عوامل اساسی به هنگام محاسبه شاسی ، قاب و خود پوسته کمپرسور لحاظ شوند. گاز در هر مرحله فشرده سازی به دلیل اصطکاک مولکول های گاز با یکدیگر و با جدار سیلندرها به شدت گرم می شود؛ در نتیجه می باید در میان مسیر عبور آن خنک کن میانی یا intercooler قرار داد. این کولرها می باید توان جذب 85 تا 90 درصد گرمای حاصل از عمل فشرده سازی در هر مرحله را داشته باشند. کولرها به صورت هوا خنک (با کمک فن و فین های خنک ساز)یا آب خنک (با استفاده از رادیاتور) انتخاب می شوند. یاتاقان ها و رینگ های پیستون ها می باید پیوسته روغن کاری شوند که انواع روغن کاری به دو دسته روغن کاری تحت فشار و روغن کاری پاششی تقسیم می شود. روغن کاری تحت فشار، روش بهتری شمرده می شود. دوره کارکرد رینگ های کمپرسورها با روغن کاری تقریباً 8000 ساعت است. برای جداسازی روغن موجود در گاز فیلترهای روغن و جداسازهای دقیق تر به کارمی روند. کمپرسورهای مورد استفاده در ایستگاه های CNG معمولاً 200-2 مترمکعب در ساعت، ظرفیت تولیدگاز فشرده دارند.
نیروی محرک کمپرسورهای CNG بیشتر موتور الکتریکی است. این موتورها با برق سه فاز کار می کنند و نیروی تولیدی توسط آنها معمولاً با استفاده از تسمه ها و قرقره ها، چرخ دنده ها و چرخ زنجیر به کمپرسور انتقال داده می شوند. انتقال نیرو با کوپلینگ ها، روش بهتری برای انتقال نیرو به شمار می آید، زیرا ارتعاش کمتری دارد و هم محوری را دقیق تر و طولانی تر نگاه می دارد. حداکثر توان مورد مصرف برای الکتروموتورهای کمپرسورها 250 اسب بخار است که با توجه به توان مورد نیاز کمپرسور انتخاب می شوند.
مخازن بازیافت
برای این که پس از خاموش شدن کمپرسور به هر دلیلی گاز فشرده شده در پشت سیلندرها باقی نماند، لوله کشی جداگانه به مخزن بازیافت انجام می پذیرد. گاز تخلیه شده در این مخزن دوباره به وسیله رگولاتوری به جریان ورودی بازگردانده می شود.
مخازن
در مرحله پایانی تراکم گاز با فشاری در حدود (psi)3600 یا 250 بار کمپرسور را ترک می کند. خودروها با فشاری حدود 200 بار سوخت گیری می کنند. نصب یک مخزن فشار بالا در ایستگاه زمان سوخت گیری به میزان عمده ای از کاهش و خاموش و روشن شدن های پی در پی کمپرسور پیشگیری می کند و در نتیجه عمر کاری کمپرسور افزایش می یابد. مخازن ذخیره سازی CNG در ایستگاه را معمولاً به سه دسته تقسیم می کنند. این سه دسته عبارتند از: سیلندرهای فشار بالا (High pressure)، سیلندرهای فشار متوسط (Medium Pressure) و سیلندرهای فشار پایین (Low Pressure). با این آرایه مخازن ذخیره در جایگاه های سوخت گیری، گازرسانی به مخزن سوخت خودروها در زمان کمتری انجام می شود و بسته به فشار و مقدار گاز موجود در مخزن خودرو به صورت آبشاری (Cascade) ابتدا از سیلندرهای ذخیره فشار پایین، سپس از سیلندرهای فشار متوسط و در پایان از سیلندرهای ذخیره فشار بالا سوخت گیری انجام می شود. سامانه اولویت بندی سوخت گیری، وظیفه کنترل و هدایت گاز فشرده شده از مخازن به توزیع کننده ها(dispensers) را بر عهده دارد و مخازن خالی شده را به ترتیب نیاز، پر می کند.
توزیع کننده(Dispenser)
گاز فشرده شده از طریق نازل های توزیع کننده ها وارد خودرو می شود. سیستم های کنترلی پیشرفته ای روی Dispenser ها نصب شده اند که می توان به کمک آنها میزان سوخت تزریقی را اندازه گیری کرد. حس گرهای توزیع کننده این قابلیت را دارند که زمان پرشدن مخزن CNG خودرو را حس و تزریق سوخت را متوقف کنند تا از سرریز سوخت پیشگیری شود. معمولاً فشار گاز psig 3600 در کمپرسورها تولید می شود و فشار سوخت گیری psig 3000 حدود (200 بار) است. ظرفیت مخازن معمول در خودروها در دمای F ْ 70، psig 3600، 3000 و 2400 است. برای حجم ثابتی از گاز، فشار و دمای آن به طور مستقیم به هم وابسته اند، یعنی با افزایش دما فشار نیز افزایش خواهد یافت. این نکته اهمیت به سزایی دارد و می باید در طراحی مخازن در نظر گرفته شود. دمای گاز درون مخزن به دلیل اصطکاک میان خود مولکول های گاز و مولکول های گاز و جدار سیلندر به هنگام سوخت گیری افزایش خواهد یافت، در نتیجه پس از کاهش دما، امکان افت فشار خواهیم داشت. در توزیع کننده های پیشرفته تر سعی بر این است که این افت فشار کاهش یابد، اما هنوز تحقیقات کاربردی در این زمینه ادامه دارد. توزیع کننده ها دارای بخش های متفاوتی هستند که در اینجا برخی از آنها را شرح می دهیم:
جریان سنجی(flowmeter):
مقدار گاز وارد شده به خودرو را محاسبه می کند. تئوری عملکرد این حس گرها شتاب کوریولیس است. حس گرهای دیگری نیز وجود دارند که سرعت صوتی گاز در یک گلوگاه ونتورتی را اندازه می گیرند و به این وسیله میزان جرم گاز را تعیین می کنند. سنجش با استفاده از میزان کیلوگرم گاز مصرفی، بسیار دقیق و مناسب تر خواهد بود و برخلاف تصورعمومی که قیمت گاز از قیمت سوخت مایع معادل بالاتر است، زیرا یک کیلوگرم گاز 50 درصد بیشتر از یک لیتر گازوییل انرژی دارد، گاز طبیعی به لحاظ صرفه اقتصادی بسیار مناسب است. محل نصب توزیع کننده می باید تاحد امکان نزدیک به خودرو باشد تا از دقت این وسیله کاسته نشود.
حس گرهای فشار
روی شیلنگ های توزیع کننده نصب می شوند تا فشار درون مخازن خودروها را اندازه بگیرند. معمولاً به دلیل سرعت بالای گاز در داخل لوله های توزیع کننده، حس گرها نمی توانند فشار دقیق مخازن خودروها را ثبت کنند.
صفحه نمایش
میزان گاز انتقال یافته به مخزن خودرو را به اپراتور نشان می دهد و بسته به نوع بورد الکترونیک، قیمت کل و قیمت هر واحد سوخت را نیز می تواند نمایش دهد. میزان گاز تزریقی می تواند بر حسب جرم(پوند یا کیلوگرم) حجم (scf) ظرفیت گرمایی و یا میزان گالن گازوییل یا بنزین معادل محاسبه شود.
اتصال های قطع کننده
هنگام بروز خطر یا دورشدن ناگهانی خودرو در حالی که شیلنگ به خودرو متصل است، بی درنگ جدا می شود و جریان قطع می شود.
شیلنگ شیلنگ های ایستگاه های CNG معمولاً از فولاد ضد زنگ و مواد مصنوعی به همراه پلاستیک فلوئوری ساخته می شوند. جنس مواد شیلنگ هادی الکتریسیته ساکن است و 5/1 برابر فشار پیشنهادی سازنده تست می شود.
نازل سوخت رسانی نازل ها معمولاً از مواد مقاوم در برابر خوردگی ساخته می شوند و به وسیله برنج و آهن ضدزنگ سخت کاری می شوند. فیلتری برای جلوگیری از ورود ذرات خروجی نیز در نازل ها تعبیه می شود.
نتیجه گیری
با اجرای طرح های توسعه میدان های گازی غنی کشور و احداث پالایشگاهها و سیستم انتقال گاز و رشد فزاینده جایگزینی سایر سوخت های نفتی و فسیلی با گاز طبیعی در جهت تامین انرژی مورد نیاز کشور و حفظ سلامت محیط زیست، ضروری است در گستره وسیع نفت و گاز طبیعی در کشور پهناور ایران، آن هم با شرایط اقلیمی خاص و تفاوت چشمگیر دمای هوا در تابستان و زمستان که بر میزان مصرف گاز تاثیر مستقیم دارند، برای ارتقای ضریب اطمینان و مصون کردن سیستم گازرسانی به موازات چاره اندیشی کرد.ذخیره سازی گاز طبیعی در قالب یک طرح جامع در برگیرنده انواع روش های ذخیره سازی برای تکاپوی افزایش مصارف در زمستان، اوج زدایی مصرف در روزهای سرد این فصل و همچنین به منظور مقابله با شرایط بروز اختلال و نوسان در تولید و انتقال می تواند پاسخگوی این نیاز باشد.
پیشنهادها
اجرای طرح جامع ذخیره سازی گاز طبیعی به عنوان یک طرح ملی پیشنهاد می شود. این طرح شامل انواع چهارگانه ذخیره سازی است:
– در مخازن زیرزمینی(UGS)
– به صورت گاز طبیعی مایع ( (LNG
– به صورت گاز طبیعی فشرده((CNG – به صورت Line Pack با طراحی و اجرای لوله جدید در فشار بالا
اجرای طرح ذخیره سازی در مخازن زیرزمینی قبلاً گام های اولیه خود را طی کرده و چند مورد آن در نقاط مختلف توسط شرکت ملی گاز ایران اجرا شده است.اجرای موارد دیگر از این نوع ذخیره سازی در دست پیگیری است و چنانچه ظرفیت سازی معادل 10 درصد مصرف سالانه گاز کشور در مخازن زیرزمینی در نظر گرفته شود، حداقل حدود 15 میلیارد مترمکعب مجموع ظرفیت این مخازن خواهد بود.پیشنهاد می شود مطالعات همه جانبه فنی و اقتصادی با نگاهی به ضرورت عملیاتی گازرسانی در سطح کشور درباره ایمن سازی شبکه انتقال و توزیع، به موازات ذخیره سازی در مخازن زیرزمینی ذخیره سازی در اشکال دیگر (فرآیندهای 3، 2 و 4) به دلایلی که در این مقاله از نظر گذشت، در مجموعه پروژه های ذخیره سازی گاز طبیعی کشور اجرا شود. مطالعات و بررسی های مقدماتی، تصویر پیشنهادی ابتدایی زیر را به دست می دهد:
– با منظور کردن 10 درصد مصرف سالانه کشور در سال 1393 به عنوان ظرفیت ذخیره سازی در مخازن زیرزمینی، حجم 18 میلیارد مترمکعب به عنوان ظرفیت این مخازن هدف گذاری و طرح های لازم اجرا شود.
– برای یک ماه فصل زمستان در سردترین روزهای سال که مصرف معادل 13 درصدنسبت به مصرف متوسط روزانه سایر روزهای زمستان افزایش می یابد، از ذخیره LNG استفاده شود، ظرفیت ذخیره LNG برای پاسخگویی به سردترین روزها برابر 2400 میلیون متر مکعب محاسبه می شود. چنانچه این مقدار LNG در مدت شش ماه از ماههای نسبتاً گرم سال تولید شود. ظرفیت واحدهای LNG جمعاً معادل حدود 13 میلیون مترمکعب در روز (10 هزار و 400 تن در روز) خواهد بود. واحدهای تولید و ذخیره سازی LNG با مجموع ظرفیت 2400 میلیون مترمکعب می تواند در تعداد مناسب در مجاورت نقاط عمده مصرف و با توجه به شرایط مناسب جغرافیایی احداث شود.
– برای شش ساعت اوج مصارف ساعت شبانه روز در فصل زمستان که میزان آن حدود هشت درصد بیش از مصرف در بقیه ساعات است، ظرفیت مخازن CNG و حجم Line Pack در خطوط لوله معادل 15 میلیون متر مکعب در نظر گرفته شود. این مقدار گاز در بقیه ساعات شبانه روز با میزان متوسط 833 هزار متر مکعب در ساعت، قابل انباشته شدن در مخازن CNG و خطوط لوله خواهد بود.