摘要：论述了四川省及重庆市发展压缩天然气汽车与加气站20年来的过程、成就、经验与有待改进之处，可为其他城市发展压缩天然气汽车项目提供参考。
关键词：压缩天然气加气站；压缩天然气汽车；天然气压缩机；压缩天然气储气瓶；加气机
Development Review of CNG Vehicles and Gas Filling Stations in Chongqing City and Sichuan Province
LIU Yong-zhi，PENG Xiao-qing
(Faculty of Urban Construction and Environmental Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China)
Abstract：The 20 years process，achievement，experience and matters to be improved in developing CNG vehicles and gas filling stations in Chongqing City and Sichuan Province are discussed，which can provide a reference for development of CNG vehicle project in other cities.
Key words：CNG filling station；CNG vehicle；NG compressor；CNG cylinder；gas dispenser
压缩天然气(CNG)汽车产业项目是节能和环保项目。1986年，《四川省人民政府批转省计经委关于我省汽车用压缩天然气代油规划意见的通知》(川府发[1986]225号)提出发展天然气汽车，以气代油，节约能源，缓解四川省燃油紧缺的状况，促进经济发展和环境的改善，作为本省战略性任务。到目前为止，已形成一套完整的国产化的压缩天然气汽车多种配套设备，可以自主设计、自行加工、自行制造和安装成套设备的全方位产业体系，已达到25座CNG加气站及逾7×104辆天然气汽车的规模。节约了大量能源，改善了城市大气环境。本文将20年来取得的成绩、经验和教训总结如下。
1 CNG加气站及汽车供气系统设备制造
压缩天然气汽车产业项目包括压缩天然气加气站、压缩天然气汽车及汽车改装厂[1～3]。从1986年起，经10年的努力，完成了加气站国产设备及汽车供气设备的研制和工艺配套，规范、规程的编制，并建成了少量的天然气加气站。主要CNG设备包括天然气压缩机、脱硫脱水设备、储气瓶、优先/顺序控制器、加气机、压缩天然气汽车供气装置。
① 天然气压缩机
天然气压缩机是CNG加气站的关键设备。最初由V型空气压缩机改制，原有空气压缩机可加压到35 MPa，只需将空气压缩机密封性能提高，不泄漏天然气，其他材料不因压缩机工质由空气改为天然气而受到影响。之后，又试制了Z型、W型、L型等机型。但是最终普遍认可、被用户接受的为L型天然气压缩机。成都市、重庆市和自贡市都可生产3级或4级L型天然气压缩机，出口压力为25 MPa，规格型号有多种[4]。
L型天然气压缩机的优点是转速低，排气量适中，对制造压缩机的材料要求不高。噪声低，适合于城市居民区等对噪声要求严的地方。
平衡对称式压缩机近来也研制成功，该机体积小、转速高、排气量大、节能。可作为橇装式加气站的压缩机。
② 脱水设备
天然气中含有水蒸气，冷凝后可与H2S及CO2等形成酸陛液体，对压缩机、储气瓶及汽车发动机部件等造成腐蚀，是引发安全事故的主要根源。天然气中水蒸气的含量愈少愈好。按《车用压缩天然气》(GB 18047—2006)规定，在汽车行驶的特定地理区域内，在最高操作压力下，水露点不应高于-13℃；当最低气温低于-8℃时，水露点比最低气温低5℃。按四川省地方标准《车用压缩天然气充装站建设技术规范》(DB 51/5013—1996)，常压下的水露点应低于或等于-54℃[1、2]。脱水方法采用分子筛双塔脱水，一塔工作，一塔再生。可设计成压缩机前置脱水和后置脱水、压缩机中级脱水以及前后置两次脱水等。脱水装置包括分子筛双塔、加热器、除油器、过滤器、精过滤器、粉尘过滤器等。脱水装置的阻力可影响进压缩机的天然气压力，进气压力低则压缩机排气量减小。城市中压、次高压、高压天然气管道的压力足以克服脱水装置的阻力[5、6]。
③ 储气瓶
天然气储气瓶有金属和非金属两种。金属储气瓶强度高，经过强度试验、变形试验等，还要进行火烧、爆炸、枪击、坠落等试验，合格的天然气钢质储气瓶(按钢瓶的国家标准)，站用瓶和车用瓶都很少发生安全事故。但钢瓶重量大，增加了车载负荷，减少了运距或运输量[7、8]。非金属储气瓶用树脂纤维材料，重量轻，但寿命不稳定，推广范围还不大。储气瓶规格、技术指标见表1、2。
单个站用瓶容积一般在80 L以下，使用小钢瓶数量一般在100个以上，这样的小钢瓶数量太多，连接点更多，容易泄漏天然气，发生安全事故，维护也繁琐、复杂口]。因此，近年来储气瓶有大型化的趋势，省内一些厂家已经生产2 m3、3 m3、4 m3卧式圆筒型储气罐，也有球形储气罐，最大容积为4 m3。储气瓶一般布置在室外，最初也有实例，将小瓶组布置在有实体墙且通风较好的室内。
表1 钢质储气瓶规格与技术指标
Tab.1 Specifications and technical indexes for steel gas storage cylinder
|
储气瓶型号 |
材料 |
工作压力/MPa |
水压试验压力/MPa |
容积/L |
公称直径/mm |
储气瓶总长度(包括阀、帽)/mm |
最大质量(不包括阀、帽)/kg |
|
CNP20 -40-50-229B |
30
CrMo |
20 |
33.4 |
40 |
229 |
1360 |
61.0 |
|
45 |
1495 |
66.0 |
|
50 |
1635 |
71.0 |
|
WGA232-40-50-25 |
25 |
37.5 |
40 |
232 |
1365 |
67.0 |
|
45 |
1500 |
75.0 |
|
50 |
l640 |
82.0 |
|
CNP20-40-90-273C |
35
CrMo |
20 |
33.4 |
40 |
273 |
1130 |
55.O |
|
45 |
1220 |
60.5 |
|
50 |
1319 |
66.5 |
|
60 |
l519 |
78.5 |
|
70 |
1718 |
89.0 |
|
80 |
1917 |
99.5 |
|
90 |
2116 |
110.5 |
表2 复合储气瓶(CRVC)规格技术指标
Tab.2 Specifications and technical indexes for composite gas cylinder
|
储气瓶型号 |
CRVC20-36 |
CRVC20-50 |
CRVC20-90 |
CRVC20-110 |
|
容积/L |
36 |
50 |
90 |
110 |
|
材料 |
玻纤、环氧 |
玻纤、环氧 |
玻纤、环氧 |
玻纤、环氧 |
|
外形尺寸/mm |
直径 |
334 |
350 |
350 |
350 |
|
长度 |
780 |
900 |
l600 |
1800 |
|
质量/kg |
26 |
35 |
60 |
80 |
|
工作压力/MPa |
20 |
20 |
20 |
20 |
|
爆破压力/MPa |
≥73 |
≥73 |
≥73 |
≥73 |
|
使用寿命(使用频率为750次/a)/a |
10 |
10 |
10 |
10 |
④ 优先/顺序控制器
最原始的加气站是由手动方式控制阀门，既不准确，又容易发生事故。优先/顺序控制器是实现由高压级、中压级、低压级3组储气瓶(包括3组管道)自动向汽车车用瓶加气并使压缩机的工况与之相适应的控制设备。优先顺序控制器的主要功能是指令和控制高于22 MPa(或23 MPa)的储气瓶组向加气机供气，哪一组压力最高，就先由哪一组供气；而压缩机则向低于或等于22 MPa的储气瓶组增压；充气至25 MPa，哪一组先降至22 MPa，就先为哪一组充气；当所有储气瓶组均低于或等于22 MPa时，压缩机直接并优先向加气机供气。当所有储气瓶组压力都达25 MPa而又无汽车加气时，压缩机自动停机。
优先/顺序控制器主要设备为优先阀、单向阀及截止阀等，以保证上述动作完成。
⑤ 加气机
加气机承担减压、限压、向汽车车用瓶充气和计量的任务。计量的结果是收费的依据，必须准确并符合国家计量标准。由于加气过程天然气温度和压力变化，不能采用容积式计量设备。目前，都采用质量流量计计量，再换算成体积显示在仪表上，较先进的加气机还附带打印机，可打印出加气时间、汽车车号、加气量、价格等。
加气机主要由减压限压器、加气枪、充气阀、电磁阀、计量仪表和控制系统等组成。加气机通过优先/顺序控制器与压缩机充气相反的顺序从储气瓶中取气，即按低、中、高压级的顺序取气，直至车用瓶气压达20 MPa时关闭。
⑥ 压缩天然气汽车供气装置
汽油车改装为CNG汽车，可不变动原有油系统，增加一套天然气供应系统。但油系统中，在双燃料汽车中增加一个汽油电磁阀与油气转换开关相联动，单燃料汽车则不要转换开关。汽车天然气供应系统由工作压力为20 MPa的储气瓶(组)、高压截止阀、过滤器、压力表、电磁阀、转换开关、减压阀及二级调压阀、传感器及压力显示仪表、混合器等组成[3]。储气瓶中20 MPa的天然气进入发动机前压力要求减至微正压(100～200 Pa)，靠汽车气缸工作抽吸经混合器将天然气与空气按燃烧最佳比例混合进入发动机气缸。天然气由20 MPa降至100 Pa，在减压阀中20 MPa天然气节流降压吸热，若无外界加热，就可能结露，甚至损坏设备。因此，用发动机冷却回水(或防冻剂)间接加热，同时可提高天然气温度，有利于发动机内燃烧。调压器或减压阀应维持出口天然气压力稳定[3]。
安装在汽车上的供气系统应按有关规程试压，并且牢固可靠，不因颠簸、撞击而损坏或漏气，即使汽车发生交通事故也不受任何影响。
⑦ 其他设备与材料
高强不锈钢管材、加气阀、加气软管及拉断阀、加气枪等都可配套生产，这些设备在多年的使用过程中不断得到改进完善。最早的加气站连加气机都没有，给汽车加气的气量按气体状方程计算或查表，也没有优先/顺序控制器，全靠人工开启三通阀。压缩机也经过多次改型。CNG加气站的储气瓶也由小钢瓶改为大钢瓶(储气罐)。近年来储气设备也由公认的储气瓶(储气罐)改为地下储气井。地下储气井的优点是比较安全，占地少。起初使用石油钻井中常用的ф177×8 mm无缝钢管，螺纹连接。目前一般使用ф159 mm高强无缝钢管，经钻井后，下入井内，固井，所有连接及底部封口全用焊接。例如，某加气站方案中，储气井深度为100 m(或200 m)，每口井储气容积为2 m3(或3 m3)，共6口井(或4口井)，井中心距为1.5 m，总容积为12 m3。
2 当前发展状况
截至2006年，四川省已建成CNG加气站190座，每座加气站加气量约(1.5～1.8)×104 m3/d。重庆市升为直辖市后，截至2006年，共建有加气站60座。二者合计为250座。四川省公交及出租车中天然气汽车为6.5×104辆，重庆市天然气汽车约0.5×104辆，合计约7.0 ×10辆。几年来四川省累计汽车天然气用量为7.23×108 m3，代油量为68×104 t，实现收入16.65×108元以上，创利税2.1×108元。
我国是少数以煤为主要能源的国家，煤烟污染相当严重。机动车的发展使大气污染由煤烟型污染转向煤烟、机动车尾气混合型污染。目前每年排放SO2气体约2000×104 t/a，酸雨面积占国土面积的30%，建设小康社会面临环境压力。使用CNG汽车后，很多城市环境大为改善[3、4]。成都市被评为我国人居环境最佳城市之一，目前正争取成为国家文明城市。重庆市已由酸雨城市改善成为空气清洁城市，大气环境比过去大为改善，环境指标由过去每年优良不到100 d，达到2005年优良指标为266 d。
天然气汽车的推广大大节约了居民交通费用。由于当前汽油价格不断攀升，各城市公共交通车及出租汽车相继加价，而我省并未涨价，维护了百姓的利益。2006年国家发改委调整天然气价格，调整后成都市CNG加气站售气价为2.07元/m3，重庆市CNG加气站售气价为1.98元/m3，进站原料气价为1.173元/m3，这种价格在全国也不算高(海口市调价前CNG汽车加气价为3.6元/m3，居全国最高)。2006年3月调价后，出租汽车完全可以自行消化且可赢利。建站资金一般不存在问题。形式也多样化，可以国家投资，也可以采取股份制由几家公司投资，甚至还可以个体投资。
3 CNG加气站及车辆有待完善与改进
① 设备
V型压缩机排气量小、噪声大，L型压缩机体积大、转速慢，有待进一步改善以节约能源[4]。国外进口压缩机一般为平衡对称式压缩机，高速运转稳定，机体体积小，电能得到有效利用。CNG加气站的成本主要决定于气价及电能消耗[7]，因此必须尽量减少压缩机的开停次数，尽可能节约电能，降低成本。
国外进口设备大都采用箱式(橇装)组合CNG加气站，甚至将储罐也放在箱体内，可以减少占地面积，节约土地，降低造价。目前，四川省内也建成了箱式组合CNG加气站。另外，还要尽可能提高自动化水平，减少操作人员。
目前汽车用储气瓶有一些改为非金属储气瓶或钢质内衬复合材料储气瓶，减小了汽车的自重，提高了承载能力。如CNP20-50钢瓶质量为71 kg，CNP20-50钢质内衬复合材料储气瓶质量为42 kg，CRVC-50复合材料储气瓶质量为35 kg。在容积均为50 L情况下，复合材料储气瓶比钢瓶自重减少50%，但使用中有不尽人意的安全问题，要慎重选用。非金属储气瓶的质量有待进一步改进。
② 净化工艺
现有CNG加气站都使用分子筛脱除天然气的水分，效果比较好，能满足CNG的要求，但有些设备自动化程度较差。在压缩机前或压缩机后脱水，也有压缩机前和机后都设脱水装置，使天然气脱水更完全，甚至天然气水露点可达-60℃以下。成都市规定所有CNG加气站都要设脱硫装置，净化后天然气中的H2S含量由技术监督局派人定期检查。到目前为止，各站还未全部按要求建成脱硫装置，已建的设计不合理，效果不好，有二次污染(由脱硫剂再生而引起)，有待改进。重庆市采用Fe203干法脱硫，设备高大，再生困难，没有定期检测监督。由于重庆市天然气中H2S含量时有超标，对设备腐蚀严重，使汽车发动机受腐蚀，维修问隔时间缩短了，同时也有安全隐患。应研究采用其他有效的干法脱硫工艺，以免设备过大及二次污染，避免安全事故发生。
③ 子母站与普通站的比较
天然气汽车子母加气站是在还未建设天然气输气管道或有管道但建设标准站困难的地区，建设生产、供应CNG的加气站。利用公路运输将CNG运送到给汽车加气的加气站，称为母站。母站一般规模较大，按规范只可建设在城市边沿有高等级压力的天然气管网附近。在远离管网但需要用天然气的地方，建设存放CNG储气设备并随时给天然气汽车加气的加气站，称为子站。母、子站之间，靠有CNG气瓶车运输。一般一个母站供多个子站用气，建设子母站是不得已而为之，其经济性取决于子站与母站的距离、规模及子站数量、母站所用原料气价、母站连接管道压力等因素。子站与母站间气瓶车运输较不方便，尤其在大城市，气瓶车长为11～12 m，必须定线并向交管部门申报获准。通过经济比较尽可能采用标准站。
4 管理有待加强
① 制订合理的价格政策
应仔细研究本地区汽车使用CNG后的利润分配及优惠政策。进入城市的天然气价由国家统一定价，是不变的，出租汽车和公交汽车运输价格是一定的，汽车单位耗气量也基本相同，其间的差价(即毛利润)由天然气公司(收管理费)、加气站和用气汽车主共同分配。燃气公司管理费很低，其他利润由CNG加气站及汽车主分摊。CNG加气站售气价高，投资回收快，汽车主利润少；CNG加气站售气价低，汽车主利润多，CNG加气站利润少，也不利于调动各方建站的积极性。因此，制定合理的CNG加气站售气价格有利于调动双方的积极性。
② CNG加气站应与CNG汽车相适应
建设初期在市内应形成一定量的CNG加气站，便于汽车加气。仅有单个CNG加气站的地区，车主也不会将燃油汽车改为CNG汽车，不然要形成改车后无处加气的被动局面。初期常常会加气站建成后，加气车少，亏本运行。
③ 加强安全生产管理工作
CNG加气站是高压危险的设施，又处于市区内，特别要加强安全生产管理。成都市为了使安全生产逐步走向制度化、规范化管理，编制了生产运行制度汇编，制订出安全培训、上岗、消防、交接班制度。巡回检查、交通管理、事故管理、危险品运输、车辆管理等方面都制订了相应制度，实行岗位责任制，严格执行岗位操作规程，在事故处理方面也编制了事故应急救援预案。这使安全生产建立在可靠的制度上，开创了一个良好的开端。
