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摘要：在我国，压缩天然气（CNG）从二十世纪八十年代开始成为车用燃料，历经三十年的发展，CNG加气站遍布大江南北，CNG已经成为汽车用清洁燃料的重要组成部分。作为CNG加气站的计量终端设备，压缩天然气加气机安全、可靠地工作对加气站正常有序运营、操作人员的人身安全防护、防止计量纠纷产生等方面的作用至关重要。
压缩天然气加气机（以下简称“加气机”）是用于为以天然气为燃料的车辆充装压缩天然气的终端计量控制设备，安装在压缩天然气加气站内。加气机的主要功能是充装过程的顺序控制、压力监测、计量、显示、数据记录保存、远程传输。由于加气机处于易燃易爆的爆炸性气体环境，且管道压力高、气体流速快，对加气机自身结构、自动化控制及电气安全性的要求很高。以下就加气机的安全性设计作出探讨。
一、防爆设计
天然气属于易燃易爆的气体，在空气中的爆炸浓度极限为5%～15%。如天然气管道发生泄漏，浓度达到此极限范围，遇明火或条件满足的热源就可能发生爆炸，危及设备及人身安全。加气机必须按防爆标准要求进行设计，并通过具有资质的防爆检验机构检查，取得防爆合格证。按GB 50058、GB 50156标准中爆炸危险区域规定划分，加气机处于防爆Ⅰ区（经常有可能存在天然气的区域）；天然气的主要成分为甲烷，气体介质组别为ⅡA；电气部件表面允许的最高温度组别为T3。因此，加气机的防爆等级应不低于AT3，在设计中，参照GB 3836的要求，从提高设计的安全性考虑，一般选择更为严格的防爆参数，防爆等级为AT4；防护等级不低于Gb。加气机内电气部件通常采用本安、隔爆、浇封等防爆型式，具体表现为：显示器、键盘、主板等外露设备采用本安“i”设计，限制电路电压、电流、电容，使得电路本质安全；电源板、接线箱等采用隔爆“d”设计，方便电缆引入且兼顾安全；电磁阀等部件由于有线圈、绕组存在，多采用浇封“m”设计。
二、管道设计
加气机的最大工作压力达25MPa，设计压力为27.5MPa，对管道的材料、连接方式、密封结构等要求都很高；管道内介质的流速超过100m/s，对管道系统导静电性能有较高要求，以防止静电聚集发生危险。在设计中，考虑到抗腐蚀性、使用年限等问题，加气机内的管道通常选用材质为06Cr9Ni10（304）或1Cr8Ni9Ti（321）、制造标准符合GB/T 14976或GB 5310的不锈钢无缝钢管；管件、阀门材质一般选用304或316不锈钢，公称压力等级（PN）35MPa。为方便管道连接、拆卸，一般采用单卡套或双卡套的连接方式，不仅密封可靠，且兼具抗振防松动的优点。加气机与被充装车辆间采用高压软管连接，其外管为聚酯保护套、内管为聚四氟乙烯、中间为聚酯纤维缠绕层，保证管道的耐压强度，爆破压力高达140MPa，软管的导电电阻小于10Ω，可有效防止静电聚集。加气机内的管道上设计有安全阀，整定压力为最大工作压力的1.05倍（26.25MPa），当管道压力超过整定值，安全阀自动开启并卸压，确保管路安全。
三、充装监管设计
在我国，天然气汽车上储存压缩天然气的高压气瓶最大工作压力为20MPa，为确保气瓶的安全，JJG996规定，加气机的充装额定压力为20MPa，在汽车车瓶压力达到19MPa～20MPa时，加气机必须停止充装，称为“限压功能”。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于充装过程中天然气处于流动状态，伴随压力变化，其流量、压力、温度等参数均非固定不变，且气体具有较强的可压缩性，所以要达到限压要求，必须分析加气机的管路特征、预判被充装气瓶管路特性，实时采集充装过程中的流量、压力、温度等参数，利用电子计控器内预置的数学计算模型进行计算、分析、比较，方能满足限压功能要求。为确保充装过程可控，加气机可配备电子标签扫描系统，系统与质检部门的信息库联网，在对汽车气瓶进行充装前，必须扫描并获取车瓶信息，只有获取到合格车瓶的信息，才能对车瓶充装，杜绝非法改装车辆、过期气瓶带病充装，确保充装安全。
四、电气安全性设计
加气机可能受到供电的干扰、雷电袭击等不利因素影响，因此，加气机的电气耐压强度等级为1500V，需要历时60S，绝缘不被击穿；为确保操作者的人身安全，加气机的对地漏电流要求小于3.5mA；加气机的供电侧和信号端均设计有防浪涌保护器，在遭遇强电源干扰和信号冲击时，可有效保护加气机不受损坏；电子计控器的设计应充分考虑静电放电抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、浪涌(冲击)抗扰度、电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度等电磁兼容性要求，以确保加气机在规定的极限条件下保持性能正常，或功能和性能暂时降低或丧失，但能自行恢复；或功能和性能暂时降低或丧失，需操作者干预或系统复位；具有数据储存或带有标准接口、可进行数据传送的受试设备，在试验中和试验后不能丢失数据，储存的程序不能有任何变动，不允许改变状态，接口上各点的电平不允许有变动。
五、安全智能化设计
在加气机的程序设计过程中，需达到故障自诊断功能，在加气机出现常见的故障时，程序可自动判断，并给出错误代码提示，提醒、引导维护人员处理故障；同时，加气机应具备安全连锁功能，当加气机出现超压、失压、过流等现象时，程序应能控制加气机连锁停机；加气机的设计还有配备ESD急停按钮，可与加气站的紧急停车系统连锁，当任一事故点发出急停信号时，急停系统可控制所有设备紧急停车。
六、数据安全设计
加气机的加气数据记录应能在本地储存，方便操作者查阅、比对，在设计中采用铁电存储模块，可靠性很高；此外，加气机设计有远程传输接口，为标准RS485或Modbus协议，可将加气机本地数据传输至上位机或SCADA系统，方便加气机数据统计、分析、汇总；在加气机可对计量精度进行修改的终端设备或接口处，均设计有机械封印或电子封印，如质量流量计、主板、数据传输接口等处；为防止复制卡等作弊行为，加气机的IC卡采用CPU卡，在读卡终端设备、发卡终端设备上配备PSAM卡储存密码等校验信息，确保卡片的安全性。
七、非常规危险因素控制设计
为防止加气车辆在充装过程中意外启动，拖拽损坏加气机等充装设施，加气机软管设计有拉断保护阀，在受到牵引力为400N～600N时，拉断阀自动断开，且断开的两部分可自行密封，防止天然气泄漏；在加气机的进气管道上配备有事故紧急切断阀，当加气机意外遭受事故撞击，导致倾覆、位移时，紧急切断阀可自动关闭，切断加气机的天然气供应，防止更大的事故产生。
综上所述，加气机通过以上七方面的安全性设计，可以确保加气机在规定的正常使用条件下安全可靠工作，保障加气站设备的安全运行、操作人员、驾乘人员人身安全。
参考文献
[1]GB/T 19237-2003《汽车用压缩天然气加气机》.
[2]JJG 996-2012《压缩天然气加气机计量检定规程》.
[3]GB 50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》.
[4]GB 3836-2010《爆炸性环境》.
[5]GB 4943.1-2011《信息技术设备 安全 第1部分：通用要求》.
论文作者:胡术生
论文发表刊物:《防护工程》2017年第24期
论文发表时间:2018/1/12
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