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| 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 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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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/d~15000m3/d[1]。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17:30-21:30。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。
3．1 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-20m/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35CrMo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=0.51~0.62(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，以防止气库在突发事故时减小事故的危害半径。
3． 3 大罐储气
3．3．1 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ＣＮＧ充装站储气装置技术、经济比较
表2 压缩机生产CNG气体与储气装置储气成本表
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