重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 饒映明 羅賢成

蘇州港華燃?xì)庥邢薰?胡正新

0 引言

清潔能源天然氣越來(lái)越被國(guó)人認(rèn)識(shí)，同時(shí)在我國(guó)加速發(fā)展天然氣管網(wǎng)建設(shè)的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)掀起了建設(shè)CNG汽車加氣站的高潮。雖然CNG汽車加氣站供氣系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，在有管網(wǎng)的情況下，獲得CNG的價(jià)格可能比LNG低很多，但是目前國(guó)內(nèi)CNG有著以下的缺點(diǎn)，限制了天然氣汽車的更廣闊應(yīng)用：(1)必須有連接加氣站的管線；(2)必須建立一套復(fù)雜的壓縮機(jī)組和冷卻裝置；(3)必須建立除塵、脫水、脫硫等配套裝置。2004年以后，LNG加氣機(jī)技術(shù)在國(guó)內(nèi)日趨成熟，并已形成了相關(guān)產(chǎn)業(yè)。目前，成都華氣厚普機(jī)電科技有限責(zé)任公司、重慶四聯(lián)油氣設(shè)備制造有限公司等企業(yè)生產(chǎn)的LNG加氣機(jī)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占據(jù)大量的份額。據(jù)統(tǒng)計(jì)到2010年，LNG客車有2 830輛，LNG重卡達(dá)2 952輛。LNG汽車是節(jié)能減排而又安全的環(huán)保型汽車，而且LNG汽車行駛里程長(zhǎng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。L-CNG加氣站是一種電力消耗小、單位儲(chǔ)存密度高、無(wú)需敷設(shè)城市管線和靈活的加氣模式，它可以作為目前階段天然氣汽車發(fā)展的一個(gè)過(guò)渡階段而被大力發(fā)展。

1 L-CNG加氣站概況

1.1 L-CNG加氣站具有以下特點(diǎn)

CNG加氣站流程比較簡(jiǎn)單，但只能為CNG汽車進(jìn)行加氣，加氣站的地點(diǎn)選擇也依賴于現(xiàn)有天然氣管道；盡管設(shè)施建設(shè)成本相對(duì)較低，但安全性能低。LNG加氣站流程相對(duì)復(fù)雜，而且只能為L(zhǎng)NG汽車加氣，由于需要配備LNG貯存罐等設(shè)備建設(shè)成本也較高，但是安全性能較高。L-CNG加氣站可同時(shí)為CNG和LNG兩種汽車加氣，但是L-CNG加氣站設(shè)備多，建設(shè)成本高。另外加氣站只要采取防泄漏措施安全性良好。

(1)無(wú)須在城市敷設(shè)管線，只需要購(gòu)買液化天然氣槽車來(lái)裝卸液化天然氣。目前，這種專用車輛國(guó)內(nèi)已開始生產(chǎn)。

(2)使用費(fèi)用低廉，運(yùn)行成本低，傳統(tǒng)CNG加氣站使用壓縮機(jī)做功，使用冷卻裝置和脫水裝置，電力消耗是站內(nèi)主要經(jīng)濟(jì)支出，按電價(jià)0.65元/kW·h算，每壓縮1 m3的CNG，僅電費(fèi)支出就在0.16元左右。而L-CNG汽車加氣站耗能僅為0.12元/m3。

(3)加氣量大，由于采用液體直接氣化，速度快，可同時(shí)給 10輛以上的汽車加氣，考慮到壓縮機(jī)冷卻問(wèn)題，這個(gè)加氣速度是常規(guī)站不可比擬的。這樣就可以給這種站多帶幾座子站，以增加加氣的服務(wù)范圍，增加經(jīng)濟(jì)效益。另外，由于這種方法生成的CNG溫度低，車輛的充氣率比較高，車輛一次充氣行程也長(zhǎng)些。

L-CNG加氣站可以作為CNG向LNG加氣站過(guò)渡的一種加氣站，可以在原有的CNG加氣站上進(jìn)行改造，也可以建新的L-CNG加氣站，方式更加靈活。

1.2 L-CNG加氣站工藝流程

L-CNG加氣站工藝流程見圖1，可分為四個(gè)部分：卸車流程、調(diào)壓流程、加氣流程、卸壓流程。

圖1 L-CNG加氣站工藝流程示意

1.3 工作原理

(1)卸車流程。將LNG槽車內(nèi)LNG轉(zhuǎn)移至加氣站LNG儲(chǔ)罐內(nèi)，有二種方式：一是自增壓卸載,即將在增壓器中氣化的LNG返回槽車貯槽增加壓力卸載LNG。這種方法簡(jiǎn)單，僅需少量管路和閥門。二是采用安裝在槽車上的低溫泵來(lái)卸載，盡管存在造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，但因其卸載時(shí)間短、效率高而受到廣泛應(yīng)用。

(2)調(diào)壓流程。卸車完畢后，須對(duì)儲(chǔ)罐中的LNG進(jìn)行升壓方可給兩種汽車加氣。升壓方式有二種：一是通過(guò)儲(chǔ)罐調(diào)壓氣化器升壓，這種方式優(yōu)點(diǎn)是工藝、設(shè)備簡(jiǎn)單且不耗能，缺點(diǎn)是升壓時(shí)間長(zhǎng)。二是通過(guò)泵低速循環(huán)進(jìn)行升壓。儲(chǔ)罐升壓采用二者結(jié)合的方式較為合理，雖然增加了造價(jià)、能耗，但大大縮短了調(diào)壓時(shí)間，從而確保加氣時(shí)間。

(3)加氣流程。LNG液相高壓泵從LNG儲(chǔ)罐內(nèi)抽出LNG，加壓至約22 MPa，進(jìn)入高壓氣化器氣化后，進(jìn)入CNG儲(chǔ)氣裝置。當(dāng)CNG儲(chǔ)氣裝置壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，LNG液相高壓泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)CNG儲(chǔ)氣裝置壓力低于某一設(shè)定值時(shí)，LNG高壓泵自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。CNG儲(chǔ)氣裝置的天然氣通過(guò)CNG售氣機(jī)向CNG汽車加氣。對(duì)LNG汽車加氣則是通過(guò)LNG液相泵和售氣機(jī)予以實(shí)現(xiàn)。加氣站設(shè)有車載瓶到儲(chǔ)罐氣相的回流管，可對(duì)車載瓶中余氣進(jìn)行回收和計(jì)量。

(4)卸壓流程。儲(chǔ)罐在使用過(guò)程中，罐內(nèi)壓力會(huì)升高。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力大于設(shè)定值時(shí)，相關(guān)閥門打開，釋放儲(chǔ)罐中的氣體，降低壓力，確保儲(chǔ)罐安全。該部分氣體回收調(diào)壓后可送入附近燃?xì)夤芫W(wǎng)。

另外，LNG經(jīng)高壓液體泵加壓氣化后也可以向CNG汽車加氣以及用作工業(yè)或民用燃?xì)?。在?chǔ)罐上鋪設(shè)另外一條管線增加一個(gè)高壓液體泵和CNG儲(chǔ)罐即可實(shí)現(xiàn)。再在其末端增設(shè)1個(gè)減壓閥，經(jīng)過(guò)減壓閥后氣體壓力控制在0.01 MPa以下，然后輸入低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)，供用戶使用。

2 LNG和CNG加氣站優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 LNG加氣站

LNG加氣站是專門對(duì) LNG汽車加氣的加氣站。主要設(shè)備包括LNG儲(chǔ)罐、自增壓器、LNG加氣機(jī)等，其工藝流程如下：

圖2 LNG加氣站工藝流程示意

LNG汽車和LNG加氣站有以下特點(diǎn)：

(1)單位能量密度大。同樣容積的LNG車用儲(chǔ)罐裝載的天然氣是CNG儲(chǔ)氣瓶的2.5倍。目前國(guó)外大型LNG貨車一次加氣可連續(xù)行駛1 000~1 300 km，非常適合長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

(2)運(yùn)輸方便。在陸上通常用20~50 m3(可儲(chǔ)存1.2萬(wàn)~3.0萬(wàn) m3天然氣)的汽車槽車，將LNG運(yùn)到LNG汽車加氣站，也可根據(jù)運(yùn)輸距離和運(yùn)輸量用火車槽車運(yùn)輸。在海上通常用12萬(wàn)~13萬(wàn) m3的LNG輪船運(yùn)輸。

(3)排放物污染小。LNG汽車的排放效果要優(yōu)于CNG汽車。與燃油汽車相比，LNC汽車污染物的排放量大大降低。

(4)安全性能好。LNG的燃點(diǎn)為650 ℃，比汽油、柴油和LPG的燃點(diǎn)高；點(diǎn)火能也高于汽油、柴油和LPG，所以比汽油、柴油和LPG更難點(diǎn)燃。LNG的爆炸極限為 5%~15%，氣化后的密度小于空氣；而LPG的爆炸極限為2.4%~9.5%，氣化后密度大于空氣；汽油爆炸極限為1.0%~7.6%；柴油爆炸極限為0.5%~4.1%?？梢姡琇NG汽車比LPG、汽油、柴油汽車更安全。

(5)經(jīng)濟(jì)效益顯著。由于LNG的市場(chǎng)價(jià)格比汽油和柴油低，且LNG燃燒完全，不產(chǎn)生積碳，不稀釋潤(rùn)滑油，能有效減輕零件磨損，延長(zhǎng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，所以LNG的經(jīng)濟(jì)效益顯著。

綜上，國(guó)內(nèi)發(fā)展LNG汽車和加氣站前景很樂(lè)觀。有業(yè)內(nèi)人士給出預(yù)算，LNG燃料成本可比汽油車降低20%以上，比CNG車節(jié)氣3%~8%。

2.2 CNG加氣站

CNG加氣站是為汽車和城市居民生活小區(qū)提供用氣一種較好的送氣方式，具有投資少、見效快、方式靈活、便于管理、運(yùn)行安全和建設(shè)速度快等特點(diǎn)。其工藝流程如圖3：

圖3 CNG加氣站工藝流程示意

根據(jù)國(guó)際天然氣汽車協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至 2008年底，中國(guó)已在近30個(gè)省、市、自治區(qū)的80多個(gè)城市推廣了天然氣汽車，擁有CNG汽車約40萬(wàn)輛，加氣站 1 000余座。其中四川和重慶地區(qū)共發(fā)展CNG汽車17萬(wàn)輛，建成CNG加氣站560座。但目前受天然氣氣源緊張及管網(wǎng)的影響，中國(guó) CNG汽車和加氣站主要集中在氣源地附近，例如四川、重慶、烏魯木齊、西安和蘭州等。天然氣供應(yīng)方便、相同熱值下的 93號(hào)汽油的價(jià)格約為天然氣價(jià)格的1.97倍，是中國(guó)CNG汽車快速發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。

國(guó)內(nèi)建成的CNG汽車加氣站大多數(shù)采用開放式結(jié)構(gòu)，必需現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，工程復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)工作量大、周期長(zhǎng)，而且占地面積大、可靠性和自動(dòng)化程度低、噪聲大，不適合在城市推廣。

3 L-CNG應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)

L-CNG加氣站是LNG與CNG兩種加氣方式的有機(jī)組合，是一種正在興起、具有良好推廣應(yīng)用前景的加氣站類型。它以液相、低溫的天然氣進(jìn)站，通過(guò)液相泵加壓、氣化后實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車加氣，無(wú)需高耗電量和噪音大的氣體壓縮機(jī)，站內(nèi)用能較少，因而加壓效高、運(yùn)行費(fèi)用低。

新建的 L-CNG站不使用壓縮機(jī)，對(duì)由已建的CNG加氣站改裝成的L- CNG站，設(shè)備中包括壓縮機(jī)，主要是將原有CNG站的壓縮機(jī)作為L(zhǎng)NG泵不能工作時(shí)的備用手段。通過(guò)對(duì)CNG常規(guī)站、子母站，LNG站及L-CNG站等天然氣汽車加氣站的特點(diǎn)進(jìn)行比較，分析了各類加氣站技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)范圍，著重對(duì)L-CNG加氣站進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。結(jié)果表明，L-CNG加氣站在投資和運(yùn)行費(fèi)方面都低于CNG常規(guī)站和子母站，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。在具備LNG氣源條件并推廣應(yīng)用CNG汽車的地區(qū)應(yīng)積極建設(shè) L-CNG加氣站。有助于城市加氣網(wǎng)點(diǎn)的合理布局，提高資源綜合利用效率，節(jié)約能源，推進(jìn)天然氣汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)擁有適宜發(fā)展LNG汽車條件的省區(qū)如新疆、內(nèi)蒙古、海南、福建、貴州都已經(jīng)進(jìn)行了LNG汽車的規(guī)?；茝V應(yīng)用。同時(shí)，浙江杭州、山東青島、遼林大連、云南昆明、湖北武漢、天津?yàn)I海、江蘇張家港等城市也都建成投產(chǎn)了1~2座LNG加氣站，擁有30~80輛規(guī)模的LNG汽車，具備了進(jìn)一步發(fā)展的潛力。

隨著人們對(duì)環(huán)境要求越來(lái)越高，天然氣汽車在將來(lái)能夠得到迅速的發(fā)展，在發(fā)展常規(guī)CNG加氣站的同時(shí)，可以在某些適當(dāng)?shù)牡胤浇ㄔO(shè)L-CNG加氣站，特別是在天然氣管線沒(méi)有覆蓋的地方，有著特別的意義。我國(guó)地域遼闊，天然氣資源極不均勻，雖然“陜京管線”、“西氣東輸”等一批工程改善了一些情況，但對(duì)于我國(guó)華南地區(qū)，利用國(guó)外 LNG資源不失為一個(gè)好的選擇，同時(shí)也為 L-CNG加氣站建設(shè)提供良好的條件。可以預(yù)測(cè)，在今后幾年L-CNG加氣站一定有著廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)論

目前我國(guó)的天然氣加氣站主要為CNG加氣站，這種加氣站要求有現(xiàn)成的天然氣管路，但是由于我國(guó)天然氣產(chǎn)業(yè)尚在發(fā)展初期，在輸氣管網(wǎng)和加氣站建設(shè)不夠完善，因此CNG汽車的發(fā)展目前僅限于公交車、出租車和環(huán)衛(wèi)車等主要在市區(qū)行駛的車輛，并且以公交車為主。另外，京津等地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于離氣源或主干線較遠(yuǎn)(100~150 km)并且用氣規(guī)模在2~3萬(wàn)戶的城鎮(zhèn)，可通過(guò)L-CNG子母站方式既供應(yīng)天然氣，又供應(yīng)液化天然氣，同時(shí)還可用作調(diào)峰的一種手段，這種方式也非常適合在全國(guó)推廣，用于天然氣汽車的加氣站建設(shè)。我國(guó)建成的CNG加氣站大多數(shù)采用開放式結(jié)構(gòu)，必需現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，工程復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)工作量大、周期長(zhǎng)，而且占地面積大、可靠性和自動(dòng)化程度低、噪聲大，不適合在城市推廣，因此我國(guó)應(yīng)大力推進(jìn) L-CNG加氣站的建設(shè)。

L-CNG加氣站可以脫離天然氣管網(wǎng)建設(shè)，為無(wú)管網(wǎng)地區(qū)發(fā)展天然氣汽車創(chuàng)造了條件；L-CNG加氣站不使用高壓壓縮機(jī)，代之以低溫泵,運(yùn)行費(fèi)用大大降低，投資成本和占地面積也明顯減小；LNG汽車是天然氣汽車的發(fā)展趨勢(shì)。L-CNG加氣站以其高度靈活性，可以從目前為CNG汽車加氣，逐步向?yàn)長(zhǎng)NG汽車加氣過(guò)渡，也可同時(shí)向老的CNG汽車和新的LNG汽車加氣。

L-CNG加氣站也可作為現(xiàn)有CNG加氣站的備用氣源，平時(shí)儲(chǔ)備LNG，在CNG加氣站氣源中斷或供氣不足時(shí)發(fā)揮作用以確保供氣的連續(xù)性。

可以相信，L-CNG加氣站將會(huì)隨著各種相關(guān)技術(shù)的成熟而不斷出現(xiàn)。