我国天然气汽车产业的发展和加气站技术

1我国天然气汽车产业的发展和加气站技术刘锡麟原发表于《航天四院民品开发与管理论文集（2001-2002）》新浪博客《秋林红似火》摘要：本文简要回顾了我国天然气汽车产业的发展历程和发展前景，重点阐述了天然气汽车产业中的关键环节，加气站的技术特点和设备配置，并通过对美国ANGI公司设备的简介，分析了国外先进技术的发展趋势，提出了国产加气站技术和设备的发展方向。关键词：天然气汽车产业加气站技术一、我国天然气汽车的发展历程天然气汽车的发展历程大致可分三个阶段：第一阶段：天然气汽车开始于第一次世界大战期间，那时是用低压胶囊装载天然气作为汽车燃料，解决战时汽车油料短缺问题。我国大约在五六十年代开始应用这种低压天然气汽车，1988年以前在四川的自贡、泸州以及重庆等地可以看见。这种大气包装的天然气量少，汽车行驶里程短。第二阶段：为压缩天然气起步阶段。最早使用压缩天然气作为汽车燃料始于30年代的意大利。我国在80年代末才引进这项技术。1988年，四川石油管理局从新西兰引进了一套加气站设备，在南充建立了我国第一座CNG加气站。1994年华油天然气股份有限公司成立，在各油气田推广应用天然气汽车。同时重庆气体压缩机厂和自贡高压容器厂分别研制成功的天然气压缩机，为我国天然气汽车产业的进一步发展创造了条件。第三阶段：为压缩天然气发展阶段。1996年12月，李鹏总理在“96北京国际电动汽车及代用燃料汽车技术交流、研讨及展览会”上参观国内改装的代用燃料汽车时指出：“压缩天然气汽车很有前途。今后要加大开发代用燃料汽车的力度。”1997年国家科委（97）373号“关于加快发展我国天然气汽车的报告”经国务院副总理邹家华、吴邦国批示转发全国。并确定在四川、西安、海南、哈尔滨、北京等省市建立示范区，取得经验后在全国推广。在此基础上，1998年开始在全国掀起了推广应用天然气汽车的新高潮。截至2001年底，全国共计建成CNG加气站52座，其中四川和重庆地区34座，其余18座分布在全国8个省市。二、天然气汽车的发展前景⒈为什么要发展天然气汽车⑴天然气作为汽车燃料可显著减小大气污染，改善环境在所有的清洁燃料中，天然气以其技术成熟、安全可靠、经济可行,而被世界许多国家和专家视为目前最适宜的汽车替代燃料。2汽车使用天然气作为动力燃料，与汽油相比，其尾气排放中不含铅和基本不含硫化物，一氧化碳减少97%，碳氢化合物减少72%，氮氧化物减少30%，二氧化硫减少90%，苯、铅粉尘减少100%，噪音降低40%。因此，推广使用天然气燃料，对减少大气污染、改善环境将会起到积极的作用。⑵天然气汽车产业对国家能源结构的调整起到巨大的支持作用发展天然气汽车产业既是保护环境的需要，也是调整我国能源结构、缓解石油成品不足的重要战略措施。今后我国石油产量虽会增长，但是远远满足不了国民经济的需求。然而我国在天然气的勘探和开采方面却取得了引人注目的进展。陆上现已基本形成四川、陕甘宁、青海和新疆四个大气田。以陕甘宁气田为例，已探明储量达2300亿立方米，还有5000亿立方米以上的储量有待勘探查明。这些都为天然气汽车的发展提供了充足的资源保证。因此大力推广和使用天然气汽车将对我国未来的燃料结构产生重大影响。⑶汽车使用天然气作为燃料可显著提高经济效益①节约大量燃油：一辆中型车如果改烧天然气，一年可以节约汽油8-10吨，如果有10万辆汽车改用天然气做燃料，一年就可节约汽油80-100万吨。②节省燃料费用：天然气作为汽车燃料，每立方米天然气约相当于1.1升汽油，而1立方米天然气的价格只有一升汽油的1/3-2/3。③降低维修费用：使用天然气可延长发动机各部件的寿命，减少维修保养次数，年平均降低维修成本50%以上。⒉我国将实现天然气全国联网随着“西气东输”工程的开工，声势浩大的天然气管道的全国联网工程已全面展开。其中包括，新疆塔里木气田的天然气经河西走廊到陕北靖边和陕京输气管道汇合，并经山西、河北、河南、安徽、江苏等地到达上海；青海柴达木气田的天然气经格尔木、西宁、兰州到宝鸡，和靖西管线相接；四川气田的天然气经重庆到武汉，再向华东和华南输送。到2003年底将形成由西向东，陆海相通的天然气运输管网。如何利用好便宜、洁净、安全的天然气资源，在输气管网沿线和经过城市大力发展天然气汽车产业，对这些省市的环境具有重大的战略意义。⒊全国空气净化工程和清洁汽车行动起动1999年4月6日，全国清洁汽车协调领导小组召开“空气净化工程—清洁汽车行动”会议，并确定了北京、上海、天津、西安、乌鲁木齐、哈尔滨、重庆、绵阳、深圳、海南、长春、广州等12个示范城市。“清洁汽车行动”将以降低汽车排放污染、净化空气为目标，以高新技术的开发、应用、推广为依托，采取各种综合治理措施，尽快遏制汽车排放污染日益加剧的势头，力争在3-5年内使我国主要城市的空气质量有明显改善。实现空气净化工程的总体目标。大力推广和发展天然气汽车则是清洁汽车行动的重要内容之一。随着“西气东输”规划的实施，天然气输送管沿线和天然气所到城市必将在天然气汽车的应用推广方面掀起一个新的高潮。3三、天然气汽车的概念⒈什么是天然气天然气是产生于油气田的一种可燃气体。其主要组分是甲烷，大约占80～99%，其次还含有乙烷、丙烷、总丁烷、总戊烷、以及二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、总硫和水分等。由于天然气的组成绝大部分为甲烷，因而其特性可用甲烷特性来表示。相对分子质量16.063，是无色无臭的可燃气体。在101.325kPa绝压下沸点－161.52℃，标准状态下，气体甲烷（理想气体）对干空气的相对密度为0.5539，密度0.6785kg/m3。⒉天然气汽车燃料⑴CNG甲烷的临界温度（TC）为－82.5℃，因而在高于－82.5℃的温度条件下，无论加多大的压力，甲烷都不会液化。为了在大气温度条件下多储气或减少储气容器的尺寸，只能进行压缩，这就是压缩天然气，即CNG。当前，国际上通行的车用储气瓶的压力都是20Mpa。⑵LPGLPG是丙烷和丁烷，或者丙烷、丙烯、和丁烷、丁烯为主的烃类混合物。在标准状态下，可在低于1.6Mpa的压力下液化，因而，储装容器的压力等级低、重量轻、便于各种方式的储运。使用时降压便可气化，十分方便。油气田天然气处理工厂生产的不含烯烃的LPG，即工业用液化气，燃烧性能介于甲烷和汽、柴油之间，仍属比较好的；而石油炼制厂生产的含烯烃LPG，燃烧性能相应差些。因此，烯烃（尤其是丁二烯）含量高的LPG并不是理想的车用燃料。⑶LNGLNG是液体甲烷。由于甲烷临界温度为－82.5℃，其储存和分散系统也就处于低温条件下，容器和管路只能用不锈钢、铜、或铝合金等低温材料制作。呈液态的天然气储存在专用的容器中作为燃料，其密度是标准状态下天然气密度的625倍，绝热容器的承压为0.05～0.5Mpa。LNG的分子量和H/C均与CNG相同，只是LNG通过深冷前的预处理，几乎除尽了天然气中的全部杂质，使LNG成为天然气汽车燃料中质量最好的燃料。⒊汽车用天然气的质量要求为了保证天然气压缩系统的生产安全，提高汽车发动机中天然气的燃烧性能，必须对天然气进行净化，尽可能的除去其中的有害杂质，所以各国都对汽车用天然气的质量提出了严格要求。根据我国行业标准SY/T7546-1996《汽车用天然气》可知⑴硫化氢含量：≤20mg/m3⑵总硫含量：≤270mg/m3⑶二氧化碳含量：≤3%⑷水含量：用露点表示，必须低于最高操作压力下最低环境温度5℃4⒋天然气汽车的概念⑴广义的天然气汽车，包括分别以CNG、LPG、LNG为燃料的汽车；⑵两用燃料汽车，是指既可烧气油也可烧天然气的汽车，也就是说，这种汽车有两个燃料系统，有天然气的时候用天然气作燃料，没有天然气时仍可烧汽油；⑶双燃料汽车，是指两种燃料同时燃烧的汽车。目前特指柴油车改为天然气汽车时，发动机工作时必须用柴油引燃天然气，即先将柴油压缩到点火温度时，再喷入天然气燃烧做工，其中柴油大约占燃料的15～20%；⑷单燃料天然气汽车，即该汽车只有一套燃料系统，其发动机只能用天然气或LPG作燃料，不能再烧汽油或柴油。⒌CNG汽车和汽油车的比较优势⑴可降低空气污染，使有害气体大幅度减少。CO排放量是汽油的1/5，HC排放量是汽油的1/5，而且无铅排放，没有苯和芳香烃等致癌物质，改善了司乘人员的工作环境。经权威机构测试，新车改装CO降低了63～72%，HC降低了14～18%，NO降低了23%；旧车改装，CO降低了98%，NO降低了25%,在汽车满负荷情况下，效果更明显。⑵天然气净化处理标准高，预防了汽车许多故障。净化处理主要进行“三脱”，即脱去天然气中的水分，使水分含量≤15～8mg/m3，以防止CNG在减压膨胀降温过程中，使供气系统造成冰堵；脱去天然气中的重烃，使乙烷及重烃含量达到≤3%，以防止发动机点火燃烧不正常；脱去天然气中的硫化氢等酸性气体，使其分压≤0.35Mpa（或≤20mg/m3），以防止对设备管线的腐蚀，同时要求CNG中的甲烷含量达到90%以上，以利于提高汽车燃烧效率。⑶天然气汽车比汽油车更安全。与汽油相比，压缩天然气本身就是比较安全的燃料，这表现在：①燃点高，天然气燃点在650℃以上，比汽油燃点427℃高出223℃，所以与汽油相比不易点燃。②密度低，与空气的相对密度为0.58～0.62，泄漏气体很快在空气中散发，很难形成遇火燃烧的浓度。③爆炸极限范围宽，仅为5～15%，在自然环境中形成这一条件十分困难，比汽油的爆炸极限1～6%高出1.7～5倍，即在同样条件下天然气比汽油更不易爆炸。④释放过程是一个强吸热过程，当压缩天然气从容器或管路中泄漏时，泄孔周围会迅速形成一个低温区，甚至结冰，使天然气燃烧困难。⑤天然气在压缩、储存、输送、减压、燃烧时都在严格密闭的状况下进行，所有关键零件的生产、安装、调试等都严格地遵守国家颁布的技术标准。⑷天然气辛烷值高，抗爆性能好，使发动机热效率高，噪音小。减小了机件的冲击力和磨损速度，延长了汽车和引擎的工作寿命。由于天然气易于和空气混合，因而发动机容易启动，夏天油路系统不易产生气阻，高温行驶不易发生油路故障。所以CNG是一种优质汽车燃料。⑸天然气价格低，既可降低燃油成本，又可调整能源结构，缓解燃油供需矛盾，四、天然气汽车加气站天然气汽车加气站是发展天然气汽车的必备条件，是天然气汽车产业的最重要组成部分。加气站技术及设备的发展必将对天然气汽车产业的发展起到举足轻重的作用。5⒈加气站的基本类型及其特点纵观国内外CNG加气站，基本上分两大类。一类是开放式结构，一类是橇装式结构。所谓开放式结构，是指将加气站所有设备分别安装在厂房内，并按工艺流程用高、低压管道和各种阀门将这些设备联系起来，形成一个开环工艺系统。用国产设备建成的加气站，基本都是这种形式。它的设备空间较大，便于维修保养，但自动化程度低，基本上是手动操作或半自动运行。由于投资较低，所以能在国内得到广泛应用。所谓橇装式结构，是指将加气站主要设备，如净化、压缩、冷却、控制、储气等都尽可能的集成在一个称为橇体的底座上，形成一个可闭环控制的整体设备，可在工厂内完成全部制造调试工作，便于运输和露天安装，大大减少了现场安装调试工作量，只要通上电，接通气路就可工作。进口加气站基本都是这种结构形式。如表1所示，这两种加气站都各有优缺点，可根据用户的条件择优选择。表1各种加气站特点比较项目进口橇装式国产开放式总体技术水平高低结构形式集成式开放式设备集成度高低自动化程度高低安全可靠性高低运行操作简单复杂运输方便不方便需要建机房不需要，可露天安装需要工作人员少多占地面积小很大设备安装简单、费用低复杂、费用高维护费用低高设备总费用高低基建费用低高工程总投资较高较低⒉加气站的系统组成和设备配置⑴普通CNG加气站CNG加气站一般由六个子系统组成：①调压计量系统；②天然气净化干燥系统；③天然气压缩系统；④压缩天然气的储存系统；⑤控制系统；⑥压缩天然气的售气系统；6这六个子系统，对于不同地区，不同环境条件的用户来说，其设备配置可能大不一样，有少，有多，有简单，也有比较复杂的，但作为一个完整的加气站却是缺一不可的。·调压计量系