CNG与LPG汽车加气站的技术与经济分析.docx

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CNG与LPG汽车加气站的技术与经济分析

CNG与LPG汽车加气站的技术与经济分析

燃气知识  2009-12-0816:

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大大中中小小

1前言

  随着经济和社会的快速发展，我国已成为能源消费大国，1993年起，我国已成为石油进口国，预计到2010年缺口8000万t以上。

而我国是天然气资源比较发达的国家，据评价我国天然气总资源量为38亿m3，已探明储量是1.53万亿m3，探明程度仅为4.02％，预计2010年天然气产量可达1000亿m3。

国外天然气（当量原油）和石油产量比为0.73∶1左右。

而我国目前仅为0.1∶1左右。

因此我国天然气产储量均有很大潜力，将为我国推广使用天然气汽车提供良好的资源条件。

我国计划2010年发展天然气汽车20～30万辆。

30万辆汽车年消耗天然气量为45亿m3，仅占当年天然气产量的4.5％，可替代汽油360万t。

  目前我同天然气和液化石油气汽车均在汽油车或柴油车上改装而成，采用混合气预混合式供气方式，整车匹配性能较差，未能充分发挥气体燃料特性的优势和低排放的效果，特别是动力性下降，动力损失严重，牦热率高，热效率低，尤其在低速中小负荷工况区，我国的天然气和液化石油气成分差异大，也是严重影响发动机的动力性、燃料经济性和排放性能的因素。

  下面就压缩天然气与液化石油气汽车加气站的技术与经济方面的一些问题加以分析。

2CNG加气站

  完整的CNG加气站是由低压调压站、天然气压缩机、CNG储气瓶组、CNG顺序程控盘、售气机等五部分组成。

下面是一个典型天然气压缩气站（图1）。

  调压站由进气控制阀、滤清器、调压阀、流量计和安全阀组成。

从天然气管道来的天然气通过进气控制阀、滤清器后进入调压阀，将天然气压力调至天然气压缩机需要的进气压力，然后进入压缩机增压。

  天然气压缩机是加气站的核心，一般由四级活塞式压缩机或液压缸式压缩机，具运行完全自动化，并装有安全保护停车装置。

从管道来的天然气经压缩达到25MPa。

在每一级压缩后，天然气流经水冷或空冷散热器冷却。

CNG储气瓶组由三组钢瓶组成，按充气先后次序分高、中和低压组三组。

储气瓶组的最高充气压力为25MPa。

充气顺序盘的作用在于实现高、中、低压储气瓶组顺序向下储气瓶充气。

当天然气压缩机启动后，在没有CNG汽车加气时，压缩机依次向高、中、低压储气瓶组进行充气；当气压达到22MPa时，压缩机向三个瓶组同时充气，压力达到25MPa，压缩机自动停止。

当气瓶组压力降到22MPa时，压缩降到22MPa时，压缩机自动启动，恢复充气。

  售气机由流量汁、计价器、顺序加气系统三大部分组成。

汽车充气时，储气瓶组成按低、中、高顺序利用压差供气。

当车上气压力与储气瓶压力一致但不足20MPa，此时启动的压缩机将直接向车卜气瓶供气直到最高压力20MPa。

当没有汽车充气时，压缩机继续向储气瓶组充气25MPa，整个汽车充气过程大约需要5～10min。

  加气站新技术的体现就在于各控制部分的微机管理。

  国内目前已能生产机械电气式天然气压缩气站，是在引进国外CNG加气站基础上消化吸收，结合我国国情和现场实际设计制定了CNG加气站国产化方案。

根据实际要求，研制中对工艺和设备进行了技术改进和完善。

  将国产压缩机的进、排气管线与引进机组并联联接，并且由国产压缩机的排气管引一条管线接至程盘后的储气系统，可使国产机组本身构成联机系统，双机共同工作。

  补充完善国外设计，国内设计的充气系统管线上增设检修放空阀，确保了检修的安全，增设了机组停机气体放空罐，将每次停机自动放空气体返至罐中。

  在引进的调压装置中增设了油气分离器和管路系统，为使用“干气和湿气”提供了可靠保证。

  将进口的60只储气瓶组改为门只储气瓶组，重新进行编组，使储气瓶数目增加了一倍，取气率达58％，可保证机组达到全负荷工作能力，提高了一次储气的加气车次。

减少机组频繁启动，起到节电降耗作用。

  国产化后的CNG加气站主要技术指标如下：

  生产CNG能力（双机8h工作）：

500m3/天

  可供CNG汽车（50m3/辆）台数：

100辆

  每辆天然气汽车加气时间（50m/辆）：

8～10min

  额定压力：

加气站储气压力为25MPa

       CNG汽车加气压力为20MPa

  售气机计量准确度：

±0.5％

  天然气含硫量：

不大于20mg/m3

  天然气净化水露点温度：

－40℃

  CNG气瓶、天然气高压气瓶主要有一般钢瓶、铝合金瓶、薄壁钢瓶和复合材料气瓶。

铝合金瓶和薄壁钢瓶采用玻璃纤维聚脂树脂加强，复合材料气瓶内部为热塑性材料衬里，外部为碳纤维或玻璃纤维增强复台而成。

  国内目前只能生产钢质气瓶，材料为30CrMo、35CrMo和40CrMo，而且大多数单位目前都未生产天然气汽车专用钢瓶，而是用高压氧气瓶替代。

  目前，天然气在汽车上的应用仍局限在原有汽油机或柴油机基础上经改装而成天然气或两用燃料发动机。

目前针对发动机本身如何更适合天然气燃料特点而进行的专门设计尚处于研究阶段。

例如将一台汽油车改装成一台天然气两用燃料汽车所需要额外增加的设备如下：

  储存CNG、耐压20MPa高压天然气气瓶。

高压气瓶主要有钢瓶、铝台金瓶和薄壁钢瓶三种。

铝会金瓶和薄壁钢瓶的特点是：

自重轻、强度高（用玻璃纤维和聚脂树脂加强）；压阀、电磁阀、计量阀及中央计算机控制设备。

CNG通过二级或三级减压，压力从15～20MPa降低至大气压，并利用汽车散热器里的热水循环防止降压所造成的冻结问题。

电磁控制两用燃料汽油/天然气的相互转速。

计量阀用做气量及气体压力的计算，中心计算机优化控制整个天然气汽车系统；一个天然气容量20m3（20MPa），80L容积铝台金瓶重约61kg，一个天然气容量为10m3，40L容积的薄壁钢瓶的质量约为43kg。

  从技术上看，美国和欧洲各国均开发了一系列的天然气汽车改装系统，都利用了他们在汽车电控技术上的优势。

以美国为例：

  美国从事天然气汽车两用燃料转换系统改装部件制造的公司有二、三十家。

美国Stewart＆Stevenson公司、IMPCOTechnologiesInc．、HatCh＆Kirklnc、EDO、ANGI公司是较为著名的公司。

这些公司为符台国家的汽车排放标准，将微处理机用于转换系统，使全系统达到天然气与空气最佳混台，完全燃烧。

3LPG加气站

  LPG加气站比CNG加气站简单，有固定式和活动式两种，见表1。

表1  LPG加气站技术数据

项    目型    号数    量LPG固定式加气站LPG储罐（个）每个容量25m34储罐压力（MPa）1.8旋涡泵（台）C5/140A1计算机（台）6LPG活动式加气站型号цлл3-12-885型号цлл3-33.9-528LPG储罐直径（mm）1600200容量（m3）1234.3工作压力（MPa）1.81.8工作温度（℃）-40～＋50-40～＋5038.3活动站总重量（t）15.838.3长（mm）1050016610宽（mm）24502630高（mm）31503750

  固定式LPG加气站每日最大可供600辆汽车加LPG。

活动式LPG加气站实际上类似LPG运输车。

  LPG汽车需要加装电磁阀、减压阀以及适应LPG组改变用的自动调节系统。

使用压力为1.6Mpa的钢瓶，容量15～250L，供不同类型汽车使用，这种汽车行驶距离为500km以上。

  LPG燃料系统的主要部件有：

LPG气瓶、蒸发调压器、滤清器、电磁断油阀和混合器等。

  蒸发调压器是整个燃料系统的关键部件。

LPG在蒸发器中蒸发气化，再经两次减压，受进气管真空度的控制，按照发动机不同负荷配给混合比。

通入发动机循环水的目的是为了确保LPG的气化。

  滤清器用以清除LPG中的杂质，其中除安装有滤芯外还装有永久磁铁，以滤掉夹在LPG中可能的金属粒子。

  电磁断油阀用于截断LPG的供应。

在外国的某些LPG燃料系统中还安装有惯性快速截断阀，当汽车撞车或紧急制动时，它能快速截断来自

LPG瓶的气体，防止火灾。

  进入气缸的液化石油气量，除可用真空度、机械方式控制外，更为精确的控制是借助单片微机控制。

由于控制精度高，发动机的性能佳。

  混台器具有与化油器相类似的喉管，空气与液化石油气在混合器中进行混台，进人气缸。

空气与石油气的混合比与汽油的混台更容易，使可燃混合气更均匀，有利于燃烧。

4天然气加气站的环保和经济效益

4.1天然气加气站的环保效益

  天然气是一种国际上公认的热值高、清洁、便于运输的优质燃料，作为城市气源有其无可比拟的优越性。

表2是天然气与其它燃料污染物排放量的分析。

表2  天然气与其它燃料污染物排放量分析

污染物

燃料

污染物排放量（g/km）CO碳氢化合物NOXSOX微粒总量CNG0.020.160.76000.94LPG10120.170.50001.79汽油5.180.341.190.440.057.20甲醇1.800.160.34002.30电力0.060.021.420.980.032.51注：

引自美国燃气协会资料

  从表2可以看出，天然气汽车的污染是最小的，其次是液化石油气汽车。

在美国的资料中，天然气同汽油相比，碳氢化台物减少52％，CO减少97％，NOX减少36％，SOX和微粒减少100％。

另外，天然气汽车噪声减少50％，苯、铅排放为0。

据分析使用天然气汽车后空气中的污染物将减少60％左右。

4.2天然气汽车投资效益分析

  天然气汽车改车投资回收期短，天然气汽车的改车费用主要包括：

全套改车专用装置配件、阀件、天然气贮气瓶、油气转换装置和改装

费。

在四川用国产件改装1辆CNG/汽油两用燃料汽车的投资经济效益分析见表3。

表3  两用燃料汽车的投资经济效益分析

车型改装费（元）气价（元/m3）油价（元/L）每天耗油（元）每天耗气（元）每天节约（元）每年节约（元）回收期（天）

货车85001.32.211056.553.519527158（7个月）

中巴67001.32.26633.932.111716208（8个月）

出租63001.32.252.827.125.79380245（10个月）

       注：

按目前改装车平均燃耗水平，1m3CNG＝1.15L汽油．

中型货车：

6只50L的钢瓶，日行200km，100km耗油＝25L，100km＝21.7m3；

中巴：

4只50L钢瓶，日行程200km，100km耗油＝15L，100km耗气＝13m3。

出租车：

1只50L台材料气瓶，日行程300km，100km耗油＝8L，100km耗气＝7m3。

        （以上数据摘自《压缩天然气汽车改装与维修》

5NG和LPG汽车技术发展趋势与前景

5.1天然气气瓶

  将来CNG气瓶会更轻，包括铝台金和复台材料气瓶，降低其成本；开发天然气吸附技术，提高气瓶储气能力；提高液化天然气瓶耐热保温技术水平，降低其成本，提高其实用性。

5.2天然气汽车加气站规划与发展

  现许多大中城市己有汽车加气站的专项规划，并且有些已实施了在北京、上海、重庆、四川和深圳等12个城市和地区已试点实施。

汽车加气站的专项规划应引起政府部门的重视，尤其经济发达的沿海城市更应先行一步。

  我国近日将北京、上海等113个城市确定为大气污染重点防治城市，要求这些城市通过调整能源结构、推行清洁生产、治理汽车尾气等措施，确保至u2005年大气环境质量达到国家标准。

  从国家环保总局获悉，国务院近日批准了“大气污染防治重点城市划定方案”，47个直辖市、省会城市、沿海开放城市和重点旅游城市，以及其他66个重点城市被列人大气污染重点防洛名单。

目前，这些城市中的39个已在大气二氧化硫、二氧化氮、总悬浮颗粒物和可吸人颗粒物浓度方面达到国家标准，其他74个城市尚未达标。

方案要求未达标的城市要在2005年前采取严格的防治措施，确保按期实现达标规划当然这些达标规划包括汽车加气站的规划。

  汽车加气站的规划和建设应符合《汽车用燃气加气站技术规范》（CJJ84－200；J22－2000）在城市建成区不应建一级加气站和一级会建站；在城市人员稠密区设置的加气站和合建站的规模宜为三级。

  在技术方面今后发展趋势在于优化加气站设计，在不影响其功能的情况下降低成本，或在不过多加大成本的情况下增加其功能，发展可靠和经济的家用小型压缩机加气泵，发展自动化程度高、修理周期短、利用率高的小型加气站，发展利用率高、可灵活使用的模块式加气站和移动式充气站，加速发展新型高压低排量压缩机，开发专门适用于气体燃料（CNG、LPG）专用发动机，包括电控喷气技术发动机。

5.3汽车改装技术

  汽车改装技术己越来越引起大家重视，它发展的速度直接影响加气站的发展进程，下面就汽车改装技术分两方面来谈。

（1）汽油机改装技术已日臻成熟，今后的发展趋势是研制电子化燃料管理和点火系统，从而恢复原汽油机改装后的发动机效率和动力性能，提高改装部件的集成度，降低改装成本简化改装车的操作，使汽车改装技术更加易被接受。

（2）柴油机电火花点火改装技术的发展趋势主要有如下几点。

  降低压缩比，这需要对活塞顶部形状进行适当的再加工；开发适会于天然气和液化石油气发动机排放物的催化净化器和氧传感器技术，以控制排放数量；采用微电脑控制的稀气燃烧方式，能显著提高改装后发动机的功率、热效率和降低排放指标；采用电子控制的点火正时并提高点火能量。

点火正时决定于气缸的最大燃烧压力、扭矩要求、热效率及排气温度，对于改装汽车为了适应其多变的工况，最佳选择是电子控制的点火正时；柴油机以柴油引燃天燃气双燃料复合燃烧方式工作。

LNG、L-CNG、CNG加气站的比较

1加气站设备和造价

①LNG加气站[1～4]

LNG加气站是专门对LNG汽车加气的加气站，其工艺流程见文献[1]，主要设备包括LNG储罐、自增压器、LNG加气机等。

LNG储罐是双层壁真空绝热容器，内容器由奥氏体不锈钢材料制成，外容器为碳钢，中间绝热层为膨胀珍珠岩并抽真空。

这种储罐绝热性能好，蒸发损失低，有不同型号及规格的定型产品。

加气站可以方便地增加储罐的数量以适应生产和需求的增长。

自增压器是加气站内输送LNG的关键设备，主要作用是保证LNG储罐内有足够的压力来给LNG加气机供应LNG。

LNG加气机是专门为LNG汽车制造的加气计量装置，可以直接计量、显示充入车辆中的LNG的数量。

其主要优点是加气速度快，一般可在3～5min内加气完毕。

LNG加气站设备少，布置紧凑，占地面积小。

表1列出了1×104m3/dLNG加气站的设备和造价。

②L-CNG加气站

L-CNG加气站是将LNG在站内气化后使之成为CNG，并对CNG汽车加气的加气站。

这种加气站需要的主要设备有LNG储罐、LNG泵、气化器、储气瓶组和CNG加气机、压缩机。

新建的L-CNG站不使用压缩机；对由已建的CNG加气站改装成的L-CNG站，设备中包括压缩机，主要是将原有CNG站的压缩机作为LNG泵不能工作时的备用手段。

本文主要对新建的L-CNG站进行分析。

其工艺流程为：

用高压LNG泵将LNG送人气化器气化后，通过顺序控制盘将其储存于高压CNG储气瓶组内，当需要时通过CNG加气机对CNG汽车进行计量加气。

其中LNG储罐的作用与LNG加气站中LNG储罐的作用相同。

LNG高压泵的主要作用是将LNG储罐内的LNG输送至高压气化器进行气化。

它可以保证足够的压力而不再用压缩机进行压缩。

高压气化器的作用是将LNG转化为CNG。

它的主要形式有3种：

开架式气化器、浸没式气化器和中间媒体式气化器，其中最为常用的是开架式气化器。

顺序控制盘的主要作用是对经过高压气化器气化后流人储气瓶组和加气时由储气瓶组流入加气机的气体进行分配，以使其效率达到最高。

根据经验，可以对加气站的高压储气装置采用编组的方法以提高加气效率。

具体方法是：

将储气瓶按1:

2:

3的容积比例分为高、中、低压3组，当高压气化器向储气瓶组充气时，应按高、中、低压的顺序进行；当储气瓶组向汽车加气时，则相反，应按低、中、高压的顺序进行[5]。

这些工作都是通过顺序控制盘来完成的。

由于L-CNG加气站比LNG加气站增加了高压LNG泵、气化器和储气瓶组等设备，其占地面积有所增加。

对于规模为1×104m3/d的加气站，其占地面积在1000m2左右，相应的土建费用也有一定程度的增加，见表1。

表11×104m3/d天然气加气站设备和造价

Tab.1Equipmentandconstructioncostofnaturalgasfillingstationwith1×104m3/d

加气站类型

项目

单价

数量

合计/元

LNG加气站

储罐

18.0×104元/台

2

36.0×104

加气机

12.0×104元/台

2

24.0×104

管道

6.0×104元/套

1

6.0×104

土建

—

—

50.0×104

其他

—

—

20.0×104

合计

—

—

136.0×104

L-CNG

加气站

储罐

18.0×104元/台

2

36.0×104

LNG高压泵

5.0×104元/台

2

10.0×104

加气机

6.5×104元/台

2

13.0×104

高压气化器

18.0×104元/台

1

18.0×104

顺序控制盘

5.0×104元/台

1

5.0×104

储气瓶组

20.6×104元/组

2

41.2×104

土建

—

—

70.0×104

其他

—

—

28.0×104

合计

—

—

221.2×104

CNG加气站

进气系统

3.5×104元/套

1

3.5×104

脱硫装置

24.0×104元/台

1

24.0×104

压缩机

40.0×104元/台

3

120.0×104

脱水装置

14.0×104元/台

1

14.0×104

储气系统

20.6×104元/套

3

61.8×104

顺序控制盘

5.0×104元/台

1

5.0×104

加气机

6.5×104元/台

3

19.5×104

冷却水系统

12.0×104元/套

1

12.0×104

高压管道

11.5×104元/套

1

11.5×104

土建

—

—

130.0×104

其他

—

—

60.0×104

合计

—

—

461.3×104

如果想在L-CNG加气站内对LNG用户供气，则只需要增加1台LNG加气机和1套LNG管道即可，其增加的造价有限（不到20×104元）。

因此在LNG和CNG用户均存在的情况下可以建立LNG和L-CNG联合加气站。

③CNG加气站[6～8]

CNG加气站主要由6个系统组成：

天然气调压计量系统、天然气净化系统、天然气压缩系统、天然气储存系统、CNG加气系统、控制系统。

其工艺流程见文献[1]，输送至加气站的天然气经过稳压计量后，进入净化处理装置进行净化处理，用压缩机加压，再经高压脱水后经顺序控制盘送人储气系统，最后由加气机对外计量加气。

脱硫装置用于对进站天然气进行脱硫净化处理，将硫含量降低到符合加气站所需的气质要求，然后送至压缩机。

压缩机是系统中的关键设备，它的造价直接影响工程的经济性，其性能好坏直接影响全站的运行。

经过预处理的低压原料气由压缩机分级压缩至25MPa，然后进入高压脱水装置。

脱水装置主要为干燥器，根据工艺流程的不同，可以将干燥器布置在压缩机前（低压脱水）和压缩机后（高压脱水）。

使用高压脱水所需的设备少，脱水剂量小，再生能耗低。

顺序控制盘的作用与L-CNG加气站顺序控制盘的作用相同。

储气系统用于储存压力为25MPa的天然气，以便在需要时向加气机供气。

CNG加气站所需设备较多，占地面积也较大，规模为1×104m3/d的加气站占地面积达2000m2。

表1列出了其设备和造价。

在建站规模相同的情况下（均为1×104m3/d），3种加气站的造价差别很大。

LNG加气站造价最低，仅为CNG加气站的30％左右。

L-CNG加气站的造价也仅为CNG加气站的48%左右。

2运行费用

①LNG加气站

LNG加气站的设备少，工艺流程简单，动力设备少且几乎没有高压管道，因而维修量很小。

加气规模为1×104m3/d的LNG加气站的年运行成本概算（原料气除外）见表2。

表21×104m3/d天然气加气站年运行成本概算（原料气除外）

Tab.2Annualoperationcostofnaturalgasfillingstationwith1×104m3/d（exceptrawmaterialgas）

加气站类型

项目

单价

数量

合计/（元·a-1）

LNG加气站

水

3.3元/t

112t

370

电

0.62元/（kW·h）

1.6×104kW·h

9920

维修

—

—

1.5×104

管理

—

—

2.0×104

折旧

—

—

10.8×104

工资及福利

1.4×104元/（人·a）

5人

7.0×104

合计

—

—

22.3×104

L-CNG加气站

水

3.3元/t

2880t

1.0×104

电

0.62元/（kW·h）

5.8×104kW·h

3.6×104

维修

—

—

4.0×104

管理

—

—

3.0×104

折旧

—

—

19.8×104

工资及福利

1.4×104元/（人·a）

7人

9.8×104

合计

—

—

41.2×104

CNG加气站

水

3.3元/t

3690t

1.2×104

0.62元/（kW·h）

7.2×104kW·h

4.5×104

维修

—

—

8.5×104

管理

—

—

6.0×104

折旧

—

—

38.0×104

工资及福利

1.4×104元/（人·a）

10人

14.0×104

合计

—

—

72.2×104

注：

加气站按年运行330d计算。

②L-CNG加气站

由于L—CNG加气站比LNG加气站增加了部分设备，从而使其工艺流程较为复杂，增加了动力设备及高压管道，因而增加了管理和维修量，各方面的运行费用也随之增加。

它的年运行成本概算（原料气除外）见表2。

③CNG加气站

CNG加气站的设备最多，工艺流程最复杂，且动力设备多，高压管道转多，从而使其管理和维护都比较困难，其运行成本将有很大增加。

其年运行成本概算（原料气除外）见表2。

④天然气进站价格对运行费用的影响

由于原料气的费用一般要占到其运行总费用的80%～90%，故原料气的进站价格将对加气站的年运行费用产生很大影响。

在同一地域，加气站对外供气价格应该近似等同。

由于加气站所处地域及距不同气源的距离不同，不同类型的加气站的天然气进站价格将有很大变化。

在其他费用变化不大的情况下，讨论天然气进站价格对加气站总的运行费用的影响将具有很