1、车用 CNG 充装站储气规模与装置应用优化探讨李富国 刘永志1 序言 车用 CNG（Compressed Natrual Gas）技术，自 60 年低以来国外就深入研究、开发与广泛用应。对于 CNG 气体代替汽油作为汽车燃料的优点已被人们认识，1m3 相当于 1.14L汽油。用于驱动汽车，尾气排放中 CO、CH 和 Cox 等有害化合比汽油为燃产的汽车尾气分别减少 90%、70%和 30%以上。一个 15000m3/d 的标准 CNG 充装站全年生产量能减少上述 3 种有害气体 22.64 万 m3，能显著地减少城市大气环境汽染，环保效益十分显著；其次，CNG 气体价格比汽油便宜，用于驱动汽车
2、可以降低运输成本 45%50%；第三，CNG 的辛烷值相当于 130#汽油，使用起来发动机运行平稳、噪音低，不积碳，运动部位润油油破坏程度小，磨损减少，可降低汽车维修费用约法三章 50%；第四，一个标准CNG 站年生产量可以代替 4300t 汽油。这对于缓解能源品种不齐的地区对能源的需求的矛盾，促进该地区经济发展有着十分重要的意义。从使用安全来讲，天然气密度小，一旦泄漏，迅速逸散；且着火温度也比汽油高，相对汽油而言，使用起来比较完全。因此，CNG技术广汽应用于汽车工业和其他领导。 由于车用 CNG 技术具有良好的环保、节能效益，国家大力推广应用，各级政府已把推广应用 CNG 技术作为亲兴产业和
3、新的经济增长点来发展。目前该项产业在国内发展迅速，四川、重庆、北京等省市以及其他一些城市已基本形成车用 CNG 充装站网络。 车用 CNG 技术是车用 CNG 充装站和双燃料汽车技术组成。在 CNG 充装站技术上，为适应 CNG 市场的发展，根据生产工艺要求，按系统工程原理进行优化，得出最适宜经济规模为 13000m3/d15000m3/d1。然而，气站的经济规模是由 CNG 压缩机增压和储气系统决定的。因而，按照单一 CNG 储气量来确定气站规模是不恰当的。其原因在于：生产规模是通过大排气量压缩机和小规模储气量或是小排气量压缩机和大规模储气量来实现的。因此，气站储气规模的确定与优化是 CNG
4、 充装站必须解决的问题。 2 储气规模的提出 2.1 储气是充装站间隙式生产的需要 汽车充气是按交通运输自身营运规律来确定的，表现在时间与气量上时多时少或间隙充装，由此形成气站生产的基本规律。CNG 压缩机是连续性生产设备，为满足间隙式充装的需要，必须设置储气系统，以减少压缩机的频繁开机次数，从而减少设备的磨损，在生产工艺技术上为设备案全、可靠运行提供保证。 2.2 双燃料汽车充装与调峰 双燃料汽车充装气体的特殊性表现为“两高一次“ 的充气规律，即两个高峰和一个次高峰充装气体，时段分布为 06:00-08:30 为第一高峰区；次高峰则分在 11:00-14:30；第三高峰区在 17:30-21
5、:30。高峰充气集中了日生产量的确良 80%，而生产时间仅约占日生产时间的1/2。因此，解决高峰充气不但要压缩机满负荷生产，而且还要靠储气系统储存的 CNG 气体调峰。所以，搞好调峰生产是气站的一项重要任务，其储气系统的设置就显得十分重要。2.3 节能生产需要储气规模 充装站设备是能源生产的装置，要求自身节能。从 CNG 生产成本构成来看，除原料天然气以外，电力消耗是成本的主要构成。因此，节电是气站降低生产成本的主要途径。我国电力生产大部分地构是以水电为主，其高峰与低谷使用的电价相差较大，通常在 3.5 倍左右。所以晚间电力低谷生产储满气体，白天用电高峰期少开机也能调节好高峰充装，使气站生产处
6、于节能装态运行。这样，不但可以降低 CNG 生产成本，使气站在作为城市建设基础设施的同时，更适应市场经济的发展需要。在能源使用上也更趋于合理，使之有利于经济的协调发展。总之，节能生产需要合理的储气规模与先进的储气装置。 3 国内外储气装置现状 国内外储气的装置，可分为三种：地下钢管井、气瓶组和大罐储气。 31 地下钢管储气井 地下钢管储气井是利用石油钻井使用的进口的 N80 钢套在地下打井后，按其固井工艺将套管固定好而形成的储气装置。其套管的管口、管底采用特殊的结构形式封闭。常用的套管直径有 17.8cm、22.9cm 两种，材质为 30Mn4 或 28GrMo6，单井长度 L=80m/根-2
7、0m/ 根。比较成熟的工艺是用 17.8cm,L=100m/根，V 水容积=1.94m3/根。强度试验压力 P 强=1.25P 工作（按 CJJ84汽车用燃气加气站技术规模），计算疲劳强度次数为 19000 次。钢管储气井的优点是储气装置占地少且地下储气相对地面上储气案全，这对于城市市区内建设 CNG 站有着十分重要的意义。不足的是钢管连接存在薄弱处，需通过有效固井而得到加强。同时，因固井难度大，气井日常维护及检验还没有完整的方当，目前正处于度用和完善阶段。装置建设投资约是气瓶组储气的 1.5 倍。 3.2 气瓶组储气 气瓶组储气是用合格 CNG 站用钢瓶组成。国内常用的气瓶材质为 35CrM
8、o 钢，强度试验压力 P 强 1.5P 工作，并经过模拟爆炸、火烧、枪击、疲劳等多项试验合格。实验测定疲劳强度次数为 12000 次。常用水容积为 501、801 两种，并联成多组而形成储气库。按工艺的需要，分为高、中、低压小库组合成气站储气系统，以满足储气工艺的需要。储气库总容积 V 水=18m3 。该种储气装置安全可靠，使用起来弹性较大，建设时可统一规划分步实施，有利于降低气站建设成本，国内外气站普遍使用。不足的是气瓶组有较多接头而导致泄漏点多，系统阴力也较大。气库利用系数 c=0.510.62(其他储气装置的利用系数也在这一范围)。 气瓶组储气库需要建设牢固的建筑或设施，以防止气库在突发
9、事故时减小事故的危害半径。3 3 大罐储气 331 国外大罐储气装置 国外大罐储气装置比较好的是使用美国 CPI 公司按照 ASME 标准生产的大罐储气单元组成的储气系统。每个储气单元为圆柱型，经热加工收口收尾形成无缝容器。材质为 SA-372，其热处理（液体淬火与回火）质量高，强度试验压力 P 强=5/3P 工作，实验测定疲劳强度完全能满足 CNG 生产的工艺需要，使用寿命在 20 年左右，为国际上公认的免检的高压容器。每个储气单元水容积有 2m3、3m3 、4m3、6m3 几种。该储气装置的优点是使用起来安全可靠，储气系统泄漏点少，输供气时系统阴力小，容重比也比较合理，是 CNG站理想的储
10、气容器。但进口设备价格高，经是小瓶储气系统建设成本的 2 倍。 3.3.2 国内代用储气装置 国内大罐储气装置，目前也称为代用 CNG 站储气装置。该类容器国内是按照 BG150钢制压力容器标准生产的 3 类压力容器，村质为 19Mn6，强度试验压力 P 强=1.25P 工作，实测疲劳劳强度次数为 9000 次。常用的水容积有 2m3、3m3、4m3 几种。几何形状有球型和圆型。大罐储气的优点是接头少，储气系统泄漏点少，输供气时系统阻力小。不足的是耗钢材较多，集中反映在容器容重比较小，且疲劳强度也偏小，对 CNG 生产压力的交变特性的适应性有特于生产的检验，故称为代用储气装置。装置建设投资约是
11、小气瓶储气的1.6 倍。 几种国内储气装置的经较见表 1 从表 1 可以看出：地下钢管储气井装置下处试用阶段，有许多问题都需要在实践中去加以解决：气瓶组储气，工艺成熟可靠，但系统阴力较大，使用时应设法减小气瓶储气系统阻力；大摧储气，我国正在起步，应积极研究、开发，使用新材料和新工艺技术，在提高储罐的容重比的同时，提高储罐的疲劳强度，以满足气站的生产工艺技术要求。 表 1 国内车用充装站储气装置技术、经济比较 序号名称 所用规格及数量总投资（万元）技术性能 安全及经济性 备注1地下钢管储气井进口钻井用 N80 钢套管，材质30Mn4 或 28CrMo6；D=17.8cm(D内=15.71cm)，
12、L=100m/井，V 水1.94m 3/井，n=7 井98.5P 强度=1.25P 工作 =32Mpa；计算循环疲劳次数 19000 次；管内防腐后耐 H2S 腐蚀；材质不宜用于气站储气用的高压容器；输送气时管路较长；固井难度较大，固井质量需仪器检测管井薄弱处安全系数仅为 2.5，需加强；储气建设成本：218 元/m3参考价 14 万元/井；附属设施0.5 万元；占地10m2；日常检验、维护暂没有标准2钢瓶组储气站用储气钢瓶 ZNP25-80-267B(北京天海)材质35CrMo；D=26.7cm,L=181cm/只，=0.81cm，V 水=801 只，n=230 只62.2P 强度=1.5P
13、 工作=375Mpa；试验测定循环疲劳次数 12000 次；耐H2S 腐蚀一般；材质适宜用于 CNG 站气瓶高压储气；输送气时相对系统阻力较大生产实验验证安全可靠；储气建设成本 58 元/m3，年检验成本；125 万元/年参考 1400 元/只；安装材料12 万元；建筑占地 30m2 建设成本 10 万元；安装费 8 万元；检瓶费 167 万元/年3大罐储气球罐（东方锅炉厂）CNC/Q-3，材19Mn6，=198cm9cm244.5cm，V 水=3m3/只，W=985t/个，n=694.0P 强度=125P 工作=32Mpa；试验测定循环疲劳次数 9000；罐内防腐后耐 H2S 腐蚀；材质符合
14、 GB150 标准，其 CNG 使用性能待生产验验证；依据储气建设成代用储气装置；参考价 15 万元/个；占 60m2；附属设施 4 万不宜用于气站储气用的高压容器，输送气阻力小；本；209 元/m3，年检验成本C2=0.75 万元/年元；检瓶费 075万元/年说明： （1）各储气装备约按水容积 18m3 测算；（2 ）总投资中含设备、配套设备、材料及安装、试验费，但仅为测算值；（3）大罐储气若采用自贡高容厂参考价为 16.00 万元/个 4.2 储气规模的优化 4.1 储气规模的数学模型 车用 CNG 的生产规模应依据气站经济规模确定。因此，取经济规模的上限值 Q 生产=Q经济=15000m
15、3/d （此处及以下涉及的数学模型、图、表均指天燃气在标准状况下）。生产规模的实施是由下式确定： Q 生产=q 压缩机.t. +q 储气.C.n 1 式是：Q 经济-气站日实际生产能力，Q 生产=15000m3/d； q 压缩机-气站压缩机每小时总排气量，m3/h； t-气站压缩机生产实际开机时间， h/d； -压缩机排气总效率， =0.85-0.95； q 储气-储气装置在额定工作压力下的储气能力，m3； C-储气装置利用系数，C=0.51-0.62 ； n-储气装置使用系数，次 /d。 代入1式，经整理： q 储气=（Q 生产-q 压缩机.t.）/c.n=(15000-0.90q 压缩机.
16、t)/0.5 2 4.2 模型中的两个参数 4.2.1 压缩机生产实际开机时间 t 压缩机生产实际开机时间 t，是指气站压缩机总台数实际生产的开机时间（不含压缩机维修、试车开机时间）。当 q 压缩机=1100m3/d，=0.90 时， t=15.51h。显然，q 储气(15000-0.90 压缩机.t)=0，即气站生产能力 Q 生产=Q 压缩机=0.90q 压缩机.t。其意义是：气站生产能力表现为压缩机直供气和储气库存气为 CNG 车辆充装气体，而两部分气体都是由压缩机供给的，储气库起到了调节高峰充气和使压缩机生产连续运行。和使压缩机生产连续运行。 4.2.2 气装置使用系数 n 储气装置使用
17、系数 n 的意义表现为日生产中气库的使用次数。当 n=3 次时，表征每日 3 次高峰充装 CNG 气体时，储气库都到了调峰作用。随着高峰充装气体的日不均匀性，将会产生两种性形：一是储存气使用不完将减少压缩机的开机时间，或是调峰不够；当 n3 次时，表征储气库虽是起到了调峰充气，但压缩机生产的部分气体不停地向储气库送气，储气库规模偏大，压缩机较长时间给储气库较长时间给储气库送气。从以上分析，储气装置使用系数 n 的大小值，直接影响气站的生产规模。 43 压缩机生产 CNG 气体成本与储气成本 压缩机生产 CNG 气体成本与储气成本测算见表 2。 表 2 压缩机生产 CNG 气体与储气装置储气成本
18、表 设备名称总投资(万元)电力、油料水消耗（元/m3）维修费用（万元）折旧费用（万元/a）实际生产、储气规模m3/d成本 成本比价压缩机 1080.18（其中：电力0.16，占 88.9%） 2.0 9.0 15000 0.197 1.00储气装置 62.20.18（其中：电力0.16，占 88.9%） 1.25 5.2 8370 0.221 1.12说明： a 压缩机设置为国产设备 3 台，作业时间为 350d/a； b 储气装置为 80L/只钢瓶组成的储气库，V 水=18 m3，P 储气=25Mpa，储气装置平均利用系数 C=0。56；储气装置使用系数，n=3； c 电力按平均电价 050
19、 元/度计；折旧年限为 12 年； d 储气成本为压缩机生产与储气装置成本之和。 从表 2 可以看出，压缩机生产 CNG 成本中，电力的消耗费用占生产成本的 889%，节电对于降低生产成本有着十分重要的意义。一般地区高峰电价与低谷电价比为 3.5：1 左右。因此，利用晚间电力低谷期储气，在白天用电高峰时少开机也能调节好高峰充气是较好的节能生产方案，故要求储气装置规模较大。与此同时，储气装置与压缩机投资比为1：0.57，储气装置规模较大，务必导致投资增大；其次，储气成本包含着压缩机生产成本，比压缩机单一生产本高 12%，若储气装置规模过大，不但增加生产成本，而且还会使压缩机不停地向储气装置送气，
20、造成投资上的浪费。 4.4 储气规模优化的确定 4.4.1 气站充气高峰时压缩机与储气库系统运行 气站所需储气规模的大小，在高峰充装期压缩机与储气库系统运行图上比较直观可见，每个峰次充气与压缩机的排气量之差就是所需的储气量，详见气站压缩机与储气库系统运行图 1。 图 车用站压缩机与储气库系统运行图 5 问题与探讨 51 储气装置规模间题 按上面计算，气站达到经济规模的实际所需的储气规模在 3790m3-4508m3 之间，但储气装置的实际规模却靠近上限值。这是因为：储气装置压力不是按系统额定工作压力工作，而是按优化压力配置；储气装置配合生产与调峰也是按有序的节能法进行输供气。 52 峰不均匀系
21、数 f 高峰充装气体的不均匀系数 f 是按不同的气站和车辆运营规律，经数据统计和处理确定的。生产中则是按气站运行规律经数据统计和使用数学回归法计算得出。 5 3 气站压缩机与储气库系统运行问题 在气站压缩机与储气库系统的运行中，q 储气 3 是在用电高峰期实施的，比电力低谷时多用电费；P 电机.t.C 电价差=260*4*（0.64-0.18）=478.40 元/D。每年将多耗电费 16.74 万元，因此，储气规模应选择实际调峰时的储气规模的上限，或适当增大储气装置规模。或合理开机台数，使气站在第三调峰时因处于用电高峰而少开机或使压缩机系统处于低负荷运行，从而降低调峰成本。 54 充装车辆调度
22、与降峰 高峰充气问题不但涉及到气站建设成本增大，而且还会导致生产运行费用增高。因而。可用管理方法降峰：一是针对城市公交车辆晚上集中充气的特征，可实行分时按运营线路充装法降峰；二是调度好出租车避开峰期充气；三是对充装场地适当增大，以减少充装车辆回车时间，从而缩短峰期。 德阳市的德什 CNG 充装站（标准规模），在实际的运行管理中，经降峰后的小时充装量、压缩机与储气库系统运行情况见图 2。 从图 2 中可以看出：当日销售量气量为 14954m3 时，压缩机生产气量为 16060m3（生产排污、泄压放散 7.4%，经回收后生产实际消耗原料气为 2.9%）。3 次充气高峰经调峰后较为平缓。为配合调峰和
23、生产协调的需要，在 15：00-18：00 时段（用电低谷期），增开一台 V 压缩机生产，既可以增加储气库气量以备第 3 次调峰的需要，同时压缩机系统处于电力低峰期运行有效地降低了生产成本。 图 德阳市德什站小时充装量、压缩机与储气库系统运行图储气库在一天的运行中储气分别为：q 调峰 1=2821m3， q 调峰 2=1074m 3-104m3:q 调峰4=256m3，日储气总量： Q 调峰储=q 调峰 2+q 调峰 3+q 调峰 4=4255m3。 由于在 3 个高峰充装量段，经降峰后减少了 3。5h 的电力高峰用电，基本实现了调峰和减少高峰用电的目的，使气站处于较为经济工况运行。在压缩机开机方面，主机运行了21h，减少了生产主机开停机数，保证了压缩机连续运行。 6 小 结 （1） 优化选定的储气规模经生产实践，能有效地指导气站的建设和生产： （2） 气站的压缩机台数的设置和排气量的选定，在气站调峰生产和经济运行中将会起到十分重要的作用，从而验证了储气规模与压缩机的排气量十分有关； （3） 气站的调峰生产与经济运行是一个复杂的系统过程，加之每天的充气量都有不同的变化。因此，气站的设备和储气规模在优化组合后，整个系统的经济运行还需通过计算机网络管理来实现。 (end)
