CNG加气站研究现状及展望.doc

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1、文献综述:CNG加气站研究现状及展望1引言在各种汽车替代燃料中,天然气是汽车理想的清洁燃料,它拥有在资源、环保、经济和安全上的优势。压缩天然气作为汽车燃料具有安全、环保、经济等优越性,大力发展压缩天然气是城市环保和可持续发展的需要,特别是天然气资源丰富的西部地区,天然气更是一种优质环保的能源替代品。在这些地区几乎所有的出租汽车、公交汽车和部分政府公用车都在使用压缩天然气。由于压缩天然气的大量使用,大力的促进了当地经济和社会公用事业的发展。因此,近年来CNG加气站建设在全国的大中小城市特别是西部地区发展迅速,仅仅在四川地区几乎每个县以上的城市都建有加气站。随着国际能源供应的紧张和中国经济的不断发

2、展,以及西气东输工程的建成,压缩天然气的应用范围还将进一步扩大。加气站的布点建设速度还将加快。所以,如何保证加气站建设的设计质量,是环保、安全和可持续发展的重要环节。2 CNG汽车采用压缩天然气作燃料的优点2.1 环保效益 目前，在城市空气污染中，燃油汽车排出的尾气占各种污染源总量的60% 70% 使用天然气汽车对环境造成的污染比使用汽油小得多：其中CO下降90%,HC下降70%，NO下降40%，CO下降70%以上，且无铅污染。2.2 经济效益汽车烧用CNG的燃料费用比用汽油要节省。以一辆大客车为例，每100 km耗油26 L，耗气23 m3 (1 m3天然气约等于113 L汽油当量)，而汽油

3、价为280元/L，天然气价为1.5元/ m3 ，则每百公里节约38.8元，节约燃料费用约53 %。一辆大客车的改造费用约为10 000元，以客车每天行驶200km计，约130d(4个多月)即可收回改造投资。此外，天然气汽车还有延长发动机使用寿命，减少机油费用等优点。2.3 安全可行 天然气的燃点为650，比汽油高约260，爆炸极限下限比汽油约高47倍，且天然气比空气轻，如有泄露会很快扩散，不易积聚。因此，天然气比汽油不易发生燃烧、爆炸。压缩天然气储气瓶的实验压力高出工作压力50%以上，并安装有防爆设施，不会因汽车碰撞、翻覆造成失火或爆炸。在汽车上用天然气，只须在所选用的定型汽车上加装天然气储气

4、系统、天然气供给系统和油气转换系统，司机通过转换装置方便地选择天然气或燃油，这样车辆在无加气站的地区也可使用燃油。3 国内外CNG汽车和加气站的发展现状 为保护环境，减少污染，许多国家政府颁布了一些法律法规或出台一系列鼓励性政策，促进燃气汽车的发展，如制定更严格的汽车尾气排放法，在天然气供应、汽车购置税费、设备供给、加气站建设等方面给予资金、税收优惠政策。美国 联邦能源政策法规定，从1993年6月30日起，购买或改装代用燃料汽车的，将减免20005000美元的联邦所得税，加气站建设可以减免100000美元的联邦所得税。同时，联邦政府还规定了CNG为0.2美元/L，并免征天然气公司燃料销售税。意

5、大利 为了鼓励天然气汽车的使用，意大利政府制定了天然气进口的优惠政策，规定对进口的天然气不征收关税，增值税的征收也控制在4%以内，国内CNG价格大大降低，对CNG加气站的建设政府仍提供25%的基础设施投资补助。加拿大 政府为每一辆改装汽车提供折合人民币3000元的补贴；购车90天内改装双燃料汽车可减免相当于8000元人民币的销售税，并对部分省区免收道路税。日本 1990年代开始，日本在有关方面制定了一系列措施，鼓励发展CNGV。首先，完善基础设施，增建天然气加气站，政府为新建天然气加气站提供部分建设费和经营管理费。其次，企业和个人在购买天然气汽车时，国家和地方自治体补贴部分购车费用并提供优惠贷

6、款。这些扶持措施的实施，不仅刺激了消费者购买燃气汽车，还促进了汽车制造商对产品的研发，推动了加气站的建设。据美国企业市场调查组织预测，从2001年起，全球的CNG 汽车将以每年16%的速度增长。1995 年颁布的美国天然气汽车工业战略计划指出，至2010 年美国将建成9000 座CNG 加气站，发展200 万辆CNG 汽车。日本政府也规划至2010 年其CNG 汽车的使用量将达到100 万辆。四川省是我国CNG 加气站和CNG 汽车发展最好的省份，到2001 年底，已建CNG 站120座，已有CNG 汽车34 300 辆。截止2003 年4月，我国共建CNG 加气站约270座，已改CNG 汽车

7、近70000辆。目前我国CNG 产业发展较快的地区主要集中在天然气气田周边省份，如川渝地区、河南和新疆；或是天然气管道经过的城市，如北京、天津等，全国已有CNG 汽车共计约69300 辆。4 CNG加气站的设计要点加气站的设计主要集中体现在安全、经济和与城市环境配套设计方面。在以往的加气站设计中更多的关注是安全和与城市环境的配套。目前的工艺设计大部分都基本沿用了初期的设计方式,由于技术的局限性对有些设计中的细微问题没有做更好的处理。因此,在加气站实际运行中存在一些问题隐患,比如压缩机的零部件和管道接头等损坏率较高;高压管道内的天然气长期处于不合理的输送速度状态;还有,由于对脱硫、压缩机与其他装

8、置的配套设计,没有进行合理计算选择设计,导致天然气储存和压缩机以及其他装置运行效率不高等等一系列问题。如何合理解决这些问题是目前设计中要优先考虑的。只有在设计初期合理对安全、环境、经济效率与当地的社会发展和实际情况进行优化配置和比较。才可能更好的提高加气站的施工图设计质量,保证安全高效装置设计质量。41 CNG加气站的工艺流程CNG加气站的工艺流程一般为：从天然气管线取气，经过脱硫、脱水等预处理工艺，进入压缩机压缩，然后进入储气瓶组储存或通过售气机给车辆加气。工艺流程见图1。图1 天然气加气站工艺流程42 CNG加气站系统关键技术压缩天然气加气站一般由：天然气净化和干燥系统、天然气压缩系统、天

9、然气存储系统、天然气控制系统、天然气售气系统等组成。4.2.1 脱硫技术 CNG加气站的原料气中含硫，如果不经脱硫处理，含硫量达到一定数值，在一定条件下将可能在高压容器内发生硫化氢应力腐蚀开裂，从而引起爆炸。按国家天然气GB17820 的标准进站天然气硫含量超过20mg/ m3 ,就要求设置脱硫装置。出站天然气要求符合车用压缩天然气GB18047的规定。因此在要求设置脱硫装置的加气站,对脱硫塔的设计必须符合国家和当地气质的不同要求，才能达到高效、节省投资的目的。根据现在的脱硫技术,天然气的脱硫方式有多种选择,但无论哪种脱硫方式在设计时都必须考虑脱硫塔的设计是否符合当地的气质脱硫要求;同时,对操

10、作方便的考虑、脱硫剂的方便更换、与环境占地面积的合理配置等要求要进行合理的配置分析计算和研究。加气站深夜不加气，装置在运行方式上属于间隙性质，故加气站一般选用的脱硫方法是操作简单、净化度高及可随时停车的固体脱硫剂法。其原理流程图见图2。 图2 固体脱硫剂法原理流程图4.2.2 脱水技术根据汽车用压缩天然气 (SY/T7546-1996)的规定,CNG在贮存和向汽车充气过程中,在最高贮存压力下气体水露点应低于当地最低环境温度5以下,如果达不到该要求,CNG可能会析出液态水,液态水的存在会严重危害CNG汽车及加气站的安全。同时影响CNG加气站及CNG汽车正常工作,严重时CNG汽车会在路上熄火,加气

11、站将无法运行。目前，最常见的脱水设备有两种，一是低压脱水装置，该装置在压缩机前对低压天然气进行脱水处理；另一种是高压脱水装置，该装置在压缩机后对高压天然气进行脱水处理。低压脱水的优点是保护压缩机不受腐蚀,压缩机组中无需设置冷凝水导出系统。由于操作压力较低,对容器制造工艺要求低。一般采用硅胶- 分子筛两级脱水装置,4 个塔。缺点是脱水设备体积较大,且脱水量大,所需再生能耗较大。高压脱水的优点是设备体积小,再生气量少,干燥后的气体露点低等。由于天然气通过压缩机所形成的冷凝水排出量约占总脱水量的70 %80 % ,故采用压缩机后脱水所需用的设备小,脱水剂少,再生能耗低。脱水方式为分子筛一级脱水,双塔

12、。缺点是由于压力高达25 MPa ,对容器制造工艺要求高,需设置可靠的冷凝水导出系统,增加了系统的复杂性。另外,进入压缩机的天然气未经干燥,对压缩机的汽缸等部位产生一定腐蚀,影响压缩机的使用寿命。可见高、低压脱水各有其优缺点，一定要根据制作CNG的原料天然气含水量的具体情况来选择脱水方法。当选用的压缩机在运行中,其机体限制冷凝水的生成量,且天然气的进站压力能克服脱水系统的阻力时,应采用低压脱水。一般进口压缩机在运行中不许有冷凝水产生。当选用的压缩机在运行中,其机体不限制冷凝水的生成量,并附有可靠的导出措施时,可采用高压脱水。一般来说，在使用进口压缩机且来气质量较稳定时，采用低压脱水方式；在使用

13、国产压缩机时，或来气质量不太稳定时采用高压脱水方式。4.2.3 压缩系统压缩工艺是CNG生产技术的核心，压缩机与关联装备之选型就显得非常重要。压缩机主机是压缩机系统的心脏，也是整个加气站的心脏，直接影响到整个加气站运行的可靠性和经济性。CNG压缩机机组的选择需要注意技术和经济性两方面的问题。技术方面应重点分析选择有油润滑还是无油润滑，选择何种冷却方式，压缩机排气量选择等建站者关心的三大问题。经济性方面主要结合加气站整站建设涉及到的投资进行分析，说明不同型式的压缩机组在综合的经济性分析中对建站投资的影响。技术方面注意要点：（1）选择有油润滑还是无油润滑 毋需置疑，无油润滑压缩机对气体的油污染是最

14、小的，有油润滑的油可能被带入压缩介质，则需设液气分离器除掉CNG中的油。但即使选择了无油机，由于建站标准和规范的要求，仍然需要在加气站中配置相应的干燥、分离设备， 无法节省投资；相反会由于无油压缩机本身成本更高、运行费用和维修费用均高于有油润滑压缩机，而增加建站成本，甚至出现关键体填料、活塞环过早破损的情况。（2）选择水冷、风冷还是混冷压缩机 这方面的选择，不同地区的厂家和企业最为关注，也是争论最为激烈的。因为CNG压缩机的排气压力高，给冷却器的设计、制造带来了一定的难度，风冷方式一直被多数人认为具有一定的技术难度。有的企业认为，水冷机组的冷却效果要好于风冷机组。国外CNG压缩机冷却方式变迁的

15、客观事实是：由水冷、风冷并存但以水冷为主导，发展为风冷占压倒性优势。正常的风冷式CNG压缩机，其排气温度可有效地控制在许可范围内，安全性有保障，并不亚于水冷机。水冷机需实施水的二次换热， 不仅总换热效率低于一次换热的风冷式，还要配齐相关的动、静设备，其购置费、运行费不少于风冷机，占地面积更大于风冷机。 （3）压缩机排气量是否越大越好 加气站压缩机的排气量应该与所建CNG站需求的加气量基本匹配，不宜过大也不宜过小。片面追求加气站排气量将会带来投资的巨大浪费，业主们在投资建站之前一定要仔细分析站的容量，大排量压缩机在运行成本上无疑会超出小排量机组，导致浪费。在电力增容、电费、易损易耗件等方面的成本

16、也会大大增加。经济方面注意要点：投资分析如下：（数据的采集依据的是一定时期的样本数据，仅供参考）（1） 进口压缩机工程费用498. 58 万元(其中设备费412. 85 万元,土建配套费43. 10 万元) ,其他费用194. 17 万元其中征地费75. 08 万元) ,总投资692. 75 万元。（2） 进口压缩机工程费用451. 62 万元(其中设备费336. 10 万元,土建费78. 62 万元) ,其他费用209. 67 万元(其中征地费93. 69 万元) ,总投资661. 29 万元。以上投资情况说明,两种压缩机选型、总建站投资存在明显差异。单从设备费比较,用进口比国产高23 %左

17、右。但从总投资比较,仅高出5 %左右。因此选用进口压缩机还是国产机,要综合评价整个投资情况,做到全面和准确,这样才能选择一个最优方案。4.2.4 储存系统 国内CNG加气站常用的储气方式主要有气瓶组储气、大容积钢瓶储气、地下储气井储气3 种方式。在加气站建设发展初期,许多地方的加气站多以气瓶组为主要的储气方式,因为气瓶组造价低。通过几年的运行，气瓶组储气的方式，出现了许多问题。主如：接头漏气处理困难；钢瓶表面防腐维护困难；检测不便；检测过程耗时多；存在安全顾虑。大容积钢瓶可认为是瓶组的换代产品,接头大幅度减少,但仍存在定期检测工作量大的问题。随着加气站数量的增多,气瓶组和大容积钢瓶存在的不足引

18、起了建站各方的重视。地下储气井占地面积小、安全程度高的优势逐渐显露出来。高压地下储气井的优点有：1 安全可靠、事故隐患少。套管材质选用适当, 下APIN80的套管，耐压极限强度达70 MPa。储气井深埋地下。远离地面的建构筑物，不接触明火、不发生静电。即使井口稍有漏气，由于天然气比空气密度轻得多，很快就会飞散了，不易达到爆炸极限的范围。井内设有排液管。能及时排除CNG 中的积液，防止硫化氢、轻烃、污水对储气井的损伤，并提高了加气站供气质量。2 操作使用简单，维护管理方便。采用储气井，只有18只阀件，也没有其他配套设施，而采用储气瓶，则有阀件约200只，同时要建罩棚、钢瓶支架、网拦等，使得操作管

19、理工作量加大。3 占地面积很小，站址选择更容易。以储气量为3000 m 的一座CNG加气站为例，选用储气井，需要打6口，占地面积10 m ；选用储气瓶，需要200只，占地30 m ；储气井比储气库与站外建筑物的防火间距缩短30左右。4 使用寿命长，年均耗费少。目前的钢瓶一般能使用1O年左右，而采用同样的气质标准，APIN80纲级的储气井，参照低含硫气井的实际使用情况，和用计算机软件进行的疲劳计算，储气井可使用26年左右。 储气装置是加气站重要的设施,储气方式向大容积、高安全方向发展,采用小容积钢瓶组的储气方式将减少,储气井、大容积钢瓶是值得推荐的储气方式。考虑到CNG加气站多建设在主城区,土地

20、资源较为紧张,从安全、经济的角度出发,特别是随着储气井打井经验的不断积累和固井技术的进一步完善,储气井可能会处于主导地位。但仍需考虑到地下储气井投资较大，长期固定在井下，一般不能轻易搬迁，因此在选定CNG加气站址时，一定要符合城市交通规划要求，应考虑气源的长期稳定供应、附近加气车源可靠、交通运输来往道路位置、当时油气差价以及优惠政策实施情况等，以期得到更好的社会经济效益，促进CNG汽车产业健康有序地加速发展。4.2.5 售气系统售出的CNG在付款之前必须进行计量，由CNG售气系统由售气机和其气路系统组成。当向压缩天然气汽车(CNGV)上的气瓶充气时，来自加气站储气瓶组或压缩机的高压天然气流经售

21、气机的质量流量计， 流量计传感器产生的脉冲信号，经变送器(检测器)传送给电子装置(微电脑装置)。由电脑识别传送来的脉冲信号进行计量、计价和显示。售气机气路系统负责完成对售气过程的顺序控制和售气结束后自动关闭电磁阀。5 我国CNG汽车和加气站发展前景 CNG汽车和CNG加气站在中国发展前景广阔，表现在以下几个方面：1 汽车保有量飞速增长，环保呼声日益高涨。我国汽车几乎以每年120万辆的速度增长。高速增长的汽车需求必然伴随着汽车能源的大量消耗和大气污染加速，天然气的环保性能决定了发展天然气汽车成为解决上述问题的重要途径。2 各级政府逐渐重视CNG汽车的推广应用。成立了全国清洁汽车行动协调领导小组及

22、办公室，确立了CNG汽车示范城市，并提出了一些鼓励如减征消费税，提供优惠贷款、汽车改装费用补贴等。这些都将进一步促进天然气汽车的发展。3 我国天然气资源大规模开发及管道建设步伐加快使发展CNG汽车和加气站成为可能。“涩宁兰”、“西气东输”、“陕京二线”、“引进俄罗斯东西伯利亚”等一大批输气管线及沿海城市燃气管网将相继建成，届时，我国大规模利用天然气的基础设施将逐步完善，天然气加气站也将逐步形成网络。4 CNG汽车和加气站技术日趋成熟，国产化进程加快。国内多年推广应用CNG技术过程中，通过合资、合作、攻关等对引进技术设备进行消化、吸收和创新，在气瓶、减压阀调节器、站用压缩机、售气机等方面正在逐步

23、实现国产化，部分产品的技术和质量已达国际先进水平，并且CNG汽车改装技术培训方面也得到了长足发展。5 政府将出台燃油费改税政策。燃油费改税政策出台后，政府对天然气征收的燃料税约是汽（柴）油的一半，CNG将在价格上更有竞争力。6 CNG市场格局已见端倪。当前，包括中国石油、中国石化、地方燃气公司、公交公司、民营合资企业在内的很多商家都在纷纷投资建设CNG加气站，欲藉燃气管网大规模建设及燃油税费改革之机，抢占先机，形成新的增长点。6 结束语 CNG汽车作为一个产业，是一个庞大的系统工程，世界各国发展经验表明，政府的支持是CNG产业在初期得以推进的必要条件。在大城市、经济发达地区，应制定更为严格的汽车尾气排放法规。在加大宣传力度的同时，还要加强领导，实行统一的规划管理，遵循CNG汽车与加气站同步发展、加气站适当提前的原则。充分考虑当地的经济承受能力、燃气管网建设速度和汽车保有量，近期以公交车为主，出租车适度发展；同时，加气站建设可考虑多方面投资，与其气源商共同建设，使CNG项目一体化，实现双赢。