北京市發(fā)展天然氣汽車的探討

摘 要

摘要：介紹了國內(nèi)外天然氣汽車發(fā)展概況，從經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性、技術(shù)性等方面對北京市發(fā)展天然氣汽車進行了分析，指出了影響該行業(yè)發(fā)展的主要問題，提出了解決思路。關(guān)鍵詞：壓縮
摘要：介紹了國內(nèi)外天然氣汽車發(fā)展概況，從經(jīng)濟性、安全性、環(huán)保性、技術(shù)性等方面對北京市發(fā)展天然氣汽車進行了分析，指出了影響該行業(yè)發(fā)展的主要問題，提出了解決思路。
關(guān)鍵詞：壓縮天然氣；公交車；天然氣汽車；加氣站
Discussion on Development of Natural Gas Vehicles in Beijing City
HAN Jinli，YANG Yonghui，ZHANG Yue
Abstract：The general development situation of natural gas vehicles at home and abroad is introduced.The development of natural gas vehicles in Beijing City is analyzed in terms of economic efficiency，safety，environmental protection，technology and so on.The main problems influencing the develpment of this sector are pointed out，and the sol utions are proposed.
Key words：compressed natural gas；bus；natural gas vehicle；gas filling station
1 概述
   2009年哥本哈根氣候會議的召開，將人們對氣候問題的關(guān)注度推向史無前例的高度，低碳發(fā)展成為各國經(jīng)濟發(fā)展的主旋律。中國政府宣布，到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放量要比2005年下降40%～45%，并作為約束性指標納入國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中長期規(guī)劃。
    為了應對氣候問題，各國都在大力倡導3個技術(shù)：清潔能源技術(shù)、農(nóng)業(yè)技術(shù)、新能源技術(shù)。從目前來看，新能源要在較短的時期內(nèi)替代化石能源還有一定的困難。當今世界化石能源在一次能源消費結(jié)構(gòu)中的比例占87%，其中，煤炭占27%，石油占37%，天然氣占23%，而中國目前能源結(jié)構(gòu)是煤炭占70%左右，石油占19%，天然氣占3%，天然氣的比例遠低于世界平均水平。2001—2008年，中國經(jīng)濟年均增長率為10.2%，但根據(jù)世界銀行數(shù)據(jù)庫估計，2000—2008年中國的二氧化碳(C02)排放量年均增長率為12.28%，總量從27×108t/a增長到70×108t/a，其累計排放量為415×108t。天然氣作為清潔能源，有其獨特優(yōu)勢。煤、石油、天然氣這三大主要燃料中，天然氣含氫比例最高，屬高熱值能源，利用天然氣作燃料可有效減少C02、二氧化硫(S02)氣體排放量[1～5]。加大發(fā)展天然氣的應用力度是從化石能源向新能源過渡的必然選擇。
2 中國天然氣工業(yè)發(fā)展狀況
    中國天然氣利用已有相當悠久的歷史，但天然氣工業(yè)起步較晚，1953年天然氣消費量僅占全國能源消費總量的0.02%，此后相當長時間內(nèi)發(fā)展極為緩慢。改革開放以來，中國天然氣開發(fā)和利用有了很大發(fā)展，尤其在東北、西北、四川和沿海地區(qū)。1996年產(chǎn)量首次突破200×108m3/a大關(guān)，開始進入產(chǎn)量快速增長期。21世紀以來，中國天然氣市場進入高速發(fā)展階段。2008年中國天然氣消費量為807×108m3/a，是2000年的3倍多。2008年國內(nèi)天然氣產(chǎn)量為760.82×108m3/a，比2007年增長12.3%。石化工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示，2009年中國天然氣表觀消費量為874.5×108m3/a，比2008年增長11.5%。
    低碳經(jīng)濟是未來的新趨勢，天然氣是中國發(fā)展低碳經(jīng)濟的現(xiàn)實選擇，這將推動中國天然氣產(chǎn)業(yè)進入快速發(fā)展的新階段。截至2009年底，中國已建成天然氣輸氣管道3.6×104km，總輸氣能力超1000×108m3/a。同美國等發(fā)達國家相比，還有一定差距。十二五期間將是中國天然氣輸氣管道建設的又一個高峰時期，在未來的10～12年內(nèi)，中國天然氣輸氣管道長度將達到近35×104km。
    在未來20年，中國的經(jīng)濟發(fā)展仍將保持快速增長，國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)年均增長率仍然可達7.0%～8.0%，能源消費彈性系數(shù)為0.40～0.50，煤炭消費彈性系數(shù)約為0.3，石油約為0.5，天然氣為1.4～1.5，一次電力為0.5～0.6。在未來20年中國能源消費構(gòu)成中，天然氣的消費增長速度最快，預計平均每年增長速度可達9%～10%，水電等一次能源增長率為3.7%～4%，石油的消費增長率為4%～5%，煤炭的消費增長速度仍然高于發(fā)達國家的平均水平而低于發(fā)展中國家的平均水平，相當于全球平均增長速度，約為1.6%[6]。由于工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整力度進一步加大和國家對環(huán)保要求的提高，天然氣在整個能源消費結(jié)構(gòu)中所占比例明顯提高。
    中國天然氣資源豐富且潛力巨大，天然氣勘探仍處于初期階段，天然氣工業(yè)發(fā)展?jié)摿艽?。?jīng)過近年來勘探和評價，綜合各方面提供的資料數(shù)據(jù)，天然氣總資源量可能達到53×1012m3，可采資源量有8.83×1012m3?；拘纬闪艘运拇?、鄂爾多斯、塔里木、柴達木、鶯瓊、東海為主的六大氣層氣資源區(qū)和渤海灣、松遼、準噶爾三大氣層氣與溶解氣共存資源區(qū)的格局，中國天然氣工業(yè)具備快速發(fā)展的資源基礎。
    此外，中國周邊國家俄羅斯、烏茲別克斯坦、土庫曼斯坦、哈薩克斯坦天然氣資源豐富，占世界天然氣總資源量的32.7%，剩余可采儲量為54.51×1012m3，這些國家每年尚有(400～600)×108m3/a產(chǎn)能的天然氣需尋找新市場。中國已與上述各國進行了多年的有關(guān)向中國輸送天然氣的可行性研究工作。
    中國天然氣資源豐富，且與世界上的重要產(chǎn)氣區(qū)相毗鄰，天然氣自給和進口的條件得天獨厚，天然氣管網(wǎng)也具有一定的規(guī)模，因此中國完全具備快速發(fā)展天然氣工業(yè)的物質(zhì)條件。
    由中國石油天然氣集團公司了解到，該公司目前已構(gòu)筑了8大氣源保障北京供氣，形成陜京一線、陜京二線和大港儲氣庫群三管齊下向北京輸送天然氣的格局，為北京天然氣穩(wěn)定供應提供保障。
    這8大氣源包括長慶油田的蘇里格氣田、子洲-米脂氣田、榆林氣田、靖邊氣田、長慶油田和殼牌公司合作開發(fā)的長北氣田、新疆塔里木油田的克拉2氣田(通過西氣東輸管道與陜京管道連通)、青海油田的澀北氣田(通過蘭銀線、長寧線匯入陜京管道)、中國石化的大牛地氣田(通過榆林壓氣站向陜京管道供氣)[7～9]。
3 中國石油資源供應狀況
    結(jié)合中國“富煤、少油、有氣”的能源結(jié)構(gòu)，發(fā)揮中國“有氣”的優(yōu)勢，減少對原油的需求，很大程度上將依賴于天然氣等替代能源的發(fā)展，以解決中國原油短缺問題，從而保障中國能源安全。1990—2006年中國成品油(汽、煤、柴油)表觀消費量從4900×104t/a增長到17021×104t/a，年均增長率為8.1%。中國成品油消費中，柴油約占69.2%，2007年表觀消費量為12466×104t，而且柴油消費增長很快，2010年國內(nèi)柴油消費量達到15600×104t/a，比2009年增長12%。
    社會科學文獻《中國能源發(fā)展報告(二○○九)》預測，到2020年.中國的石油對外依存度將上升至64.5%。目前，中國的石油對外依存度在50%左右。2010年和2015年中國原油產(chǎn)量將分別達到1.77×108～1.98×108t/a和1.82×108～2.00×108t/a，呈緩慢上升趨勢。2020年，中國原油產(chǎn)量預計為1.81×108～2.01×108t/a，然后將呈逐年下降的趨勢。當前國際油價的大幅波動并不一定代表全球石油供需緊張趨勢發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，未來油價仍存在上漲空間。
    由此可見，加快天然氣的開發(fā)利用，不僅是實現(xiàn)能源供應多元化的需要，減少對石油的依存度，提高國家能源供應安全的戰(zhàn)略需要，也是適應世界能源發(fā)展趨勢，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的需要。
4 國外天然氣汽車發(fā)展狀況
    目前天然氣汽車在74個國家得到了推廣應用。全球已有近70個大型汽車制造公司研發(fā)及生產(chǎn)CNG汽車，如寶馬、通用、本田、沃爾沃等，包括輕型轎車及重型車。跟據(jù)國際天然氣汽車協(xié)會(IANGV)2009年的資料，阿根廷、巴基斯坦、巴西在其國內(nèi)的天然氣汽車保有量都已超過150×104輛，加氣站數(shù)量均已達到1500個，全世界CNG汽車數(shù)量已經(jīng)超過900×104輛。
   在巴西舉行的第11屆世界天然氣汽車大會顯示，在未來幾年內(nèi)，國際市場上天然氣的供應量將大幅增加，從而將促使汽車公司轉(zhuǎn)而生產(chǎn)以天然氣作為燃料的汽車，取代目前以汽油作為燃料的汽車。
5 中國天然氣汽車的發(fā)展歷程
    我國應用CNG的歷史可追溯到20世紀80年代中期。當時，我國引進了部分設備，在四川建立了我國第一個CNG加氣站。1993年，中國石油天然氣總公司引進國外技術(shù)并于1996年將加氣站裝置和汽車改裝部件引進技術(shù)國產(chǎn)化，同時使相關(guān)技術(shù)標準規(guī)范化。
    1999年，“全國清潔汽車行動協(xié)調(diào)領導小組”成立，對CNG及其他相關(guān)代用清潔燃料的技術(shù)、產(chǎn)品、政策、標準和市場推廣給予全面支持。同時，該小組正式啟動北京、天津、上海、西安、深圳等12個試點城市(或地區(qū))的清潔能源推廣應用工作，在CNG汽車的推廣應用和加氣站建設方面取得了顯著成效。
    經(jīng)過多年發(fā)展，我國正式確定的清潔汽車重點推廣應用城市(或地區(qū))已由1999年的12個城市(或地區(qū))增加到2004年的19個城市(或地區(qū))。CNG汽車保有量也從1999年的不足1×104輛增長到2004年的20×104輛以上，居世界前列。1999年，CNG汽車占燃氣汽車比例僅為9.3%，而到2004年時這一比例高達47%，幾乎占到整個燃氣汽車數(shù)量的一半。
    截至2009年底，全國已有80多個城市推廣天然氣汽車。其中19個重點推廣城市(或地區(qū))共發(fā)展天然氣汽車45×104輛，建成天然氣加氣站1000座。我國天然氣汽車和加氣站主要集中在氣源地附近，如四川、重慶、烏魯木齊、西安和蘭州等，天然氣供應方便、價格低是CNG汽車快速發(fā)展的主要驅(qū)動力。
    在2007年8月31日國家發(fā)展和改革委員會頒布的《天然氣利用政策》中，明確規(guī)定天然氣汽車屬于“優(yōu)先類”用氣項目，國家清潔汽車行動已將CNG列為首選的汽車替代燃料。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，國家對環(huán)保工作日益重視，天然氣汽車以其良好的社會、經(jīng)濟效益正在成為天然氣利用的一個重要方向。
    據(jù)有關(guān)機構(gòu)預測，2012年全國汽車保有量將達到1×108輛，2020年有望超過2×108輛。巨大的汽車保有市場，為CNG汽車的發(fā)展提供了巨大的空間。CNG汽車發(fā)展的首要目標是公交車和出租車。
    2005年，全國公交車保有量達30.8×104輛，十五期間年均增加6.8%；全國出租汽車保有量達到93.7×104輛，十五期間年均增加2.6%。如果按照歷年增長水平進行簡單測算，2015年全國公交車的總量將達到62.3×104輛，出租車總量將達到121.2×104輛。如果2015年有40%的公交車及出租車改用CNG，按出租車、公交車用氣量的一定比例考慮其他社會車輛用氣，則2015年汽車用氣量可增至110×108m3/a，車用天然氣市場潛力相當大。
6 北京天然氣汽車的發(fā)展歷程
    為了有效地控制汽車尾氣排放、治理大氣污染，推廣CNG用于車用燃料，北京市科委、市政管委及相關(guān)主管部門組織當時的北京市天然氣公司和公交總公司等單位，于1989—1994年認真深入地進行了CNG用于汽車的技術(shù)可行性的示范工作；1999年將CNG汽車應用列入市環(huán)保項目，開始在公交車上推廣應用。第一批單一CNG汽車使用美國、意大利進口的CNC發(fā)動機，在國內(nèi)的汽車制造廠裝配成整車。根據(jù)北京市公交集團提供的資料，截至2008年底，北京市公交集團公交車保有量約為2.1×104輛，其中天然氣公交車達4204輛，占公交車總量的20%，是世界上擁有CNG公交車最多的城市。采用的發(fā)動機基本為國內(nèi)生產(chǎn)的CNG發(fā)動機。
    圖1為北京市公交車保有量構(gòu)成及發(fā)展狀況，它顯示了1995—2008年北京市公交車總量以及其中汽油車、柴油車、CNG車和電動車這4種不同燃料類型汽車的發(fā)展趨勢?？梢钥闯觯?999—2008年這10年間，北京市天然氣公交車保有量的年均(3年滑動平均)增長率達到了21%，遠高于同期北京市公交車總保有量7%的增長率，天然氣公交車同時也是各類公交車型中增長速度最快的車型。
    1998年9月，中國石油天然氣有限公司在北京市建設投產(chǎn)了第一座加氣站——衙門口加氣站，1999年北京市給北京市燃氣集團有限公司(以下簡稱燃氣集團)下達了3座加氣母站的建設任務，并從中央專項和環(huán)保專項資金中給予了大力的支持。在北京市的資金和政策支持下，燃氣集團利用亞洲銀行貸款陸續(xù)招標購置了6套母站設備，9座站全部建成投運后可充分滿足5000～6000輛環(huán)保型公交車的用氣需求。北京市政府免除了CNG建站用進口設備的全部關(guān)稅和增值稅，極大地降低了建站費用，從而降低了加氣站的運行成本。
    1999年10月，燃氣集團小屯加氣站正式投產(chǎn)運行，當年銷售量為68.568×104m3/a。
    目前，燃氣集團已經(jīng)建設完成6座加氣母站，分別為小屯加氣母站、南湖渠加氣母站、北郊加氣母站、王四營加氣母站、姚家園加氣母站、杏石口加氣母站，在建1座門頭溝加氣母站。截至2008年底，北京市公交公司已建設了28座加氣子站(其中25座已投入運行)。
    天然氣公交車在北京市大規(guī)模推廣應用，大量替代了公交車柴油的消耗。圖2為北京市CNG公交車歷年柴油替代量。在1999—2007年，北京市CNG公交車累計替代柴油消耗量34×104t。特別是最近幾年，北京市CNG公交車的大規(guī)模使用對緩解北京市柴油需求激增具有積極的意義。目前，天然氣公交車每年可以替代北京市全市柴油總消耗量的3%左右。
    隨著液化天然氣(LNG)技術(shù)的推廣和應用，LNG逐漸應用于汽車燃料，目前，全球很多國家都已經(jīng)發(fā)展LNG汽車。例如美國有3000輛LNG汽車，包括公交車、運輸車，有60多座LNG汽車加氣站；墨西哥有500輛LNG公交車。我國北京、長沙、貴陽、烏魯木齊等城市建設了LNG汽車加氣示范站，目前，有近400輛LNG公交車。2002年北京在315路公交車雙泉堡站建設了國內(nèi)首座LNG汽車
    圖2北京市CNG公交車歷年柴油替代量加氣站，有50輛LNG公交車運營。2010年北京燃氣集團與北京環(huán)衛(wèi)集團簽署了《在北京市推廣使用LNG環(huán)衛(wèi)作業(yè)車輛示范項目合作協(xié)議》，開展LNG汽車示范項目。
7 天然氣汽車經(jīng)濟性分析
    ① 價格比
    天然氣汽車的經(jīng)濟優(yōu)勢可以體現(xiàn)在燃料價格的油氣差價上。天然氣是一次能源，《中國天然氣發(fā)電政策研究綜合報告》中的研究結(jié)論是：“盡管天然氣價格也受國際能源供需形勢的影響，但影響沒有石油大，按等熱量計算，天然氣(包括LNG)在價格上比石油有優(yōu)勢”。分析可知，天然氣比原油或作為二次能源的汽油、液化石油氣均有一定的價格競爭優(yōu)勢，而且原油價格越高，天然氣的價格優(yōu)勢越明顯。
    對于CNG汽車的經(jīng)濟性，可以直接用每100km耗用燃料的費用來比較[10]。國家發(fā)展和改革委員會規(guī)定，車用天然氣價格按照每1m3天然氣對每1L的90號汽油(0.6：1)～(0.75：1)的比價關(guān)系確定。在當前的價格水平下，對于出租車來說，若每100km耗汽油為8L，用CNG的耗氣量約為8m3，則用氣比用油要節(jié)省燃料費49%～64%。如果每天行駛里程按250km計算，1年可節(jié)省燃料費2.45×104～3.16×104元左右。出租車的改裝費用約為4000～6000元/臺，2～3個月就可以收回成本。較好的經(jīng)濟效益是當前CNG汽車在一些地區(qū)快速發(fā)展的最直接的驅(qū)動力。
    ② CNG加氣站的效益
    CNG加氣站的效益主要取決于進氣與銷氣的差價、加氣站土地獲取成本、設備采購源自國產(chǎn)還是進口。參考加油站項目的土地費用，母站取600元/m2，子站取120元/m2；加氣站建設投資水平綜合設備廠家交鑰匙工程報價和已有加氣站的實際投資情況，母站取2000×104元、子站取600×104元。在保證10%收益的情況下對所需進銷價差進行測算，5年可以收回成本。事實上，社會上個別已建成的加氣站，因為選址好、土地成本低，建成不到1年就有盈利，2～3年就收回了全部投資。
    各地加氣站的購銷價差基本都在1.0元/m3以上，并且很多地方建設加氣站還享受土地劃撥、稅收減免等優(yōu)惠政策，因此加氣站經(jīng)營企業(yè)基本都處于盈利狀態(tài)，經(jīng)濟效益較好。
   ③ 北京公交車的經(jīng)濟性分析
   目前中國天然氣價格和汽油、柴油價格相比處于明顯的優(yōu)勢地位，以北京地區(qū)舉例，93號汽油價格在7.45元/L左右，車用天然氣的價格一般為4.73元/m3。
    據(jù)北京公交公司統(tǒng)計，柴油公交車每100km油耗為38L左右，CNG公交車每100km耗氣量為35m3，日均行駛約170km，按每月30天計算，汽車平均壽命為10年，目前北京市0號柴油價格為7.44元/L左右，天然氣價格為4.73元/m3。經(jīng)計算，柴油車每100km的燃料費要比CNG汽車多出100余元，月均花費的燃料費，柴油車比CNG汽車多出約6000元/月，年均超過7×104元/年。
   北京市1999年共有300輛CNG公交車運行，2008年北京CNG公交車數(shù)量達到4 200余輛，并且CNG公交車增長速度基本保持穩(wěn)定。這10年間，若按照年平均2500輛CNG投入運行計算，按上面設定參數(shù)計算，每年公交公司運營成本可降低約1×108元，累計10年可節(jié)約燃料費10×108元。北京公交系統(tǒng)采取低價格政策，政府每年對公交公司進行財政補貼，如果公交公司能降低運營成本，政府可以極大地減輕財政補貼的負擔。
8 天然氣汽車發(fā)展的技術(shù)水平
    由于國外對汽油發(fā)動機進行了技術(shù)改進，排放污染也大大減少，天然氣汽車優(yōu)勢不明顯，從而促進了天然氣汽車產(chǎn)業(yè)對天然氣發(fā)動機進行改造。經(jīng)過多年的發(fā)展，天然氣汽車已經(jīng)開發(fā)出更先進的電子控制系統(tǒng)、單點與多點電噴、直噴的天然氣燃料供給系統(tǒng)，可用于閉環(huán)電控單點及多點噴射汽車，整機和整車的性能得到了優(yōu)化和提高。特別是1995年以后，在天然氣汽車發(fā)動機技術(shù)改進上，采用了理論空燃比反饋控制、稀燃等技術(shù)，使天然氣汽車發(fā)動機的效率、經(jīng)濟性、排放性和動力性都有極大提高，天然氣汽車技術(shù)發(fā)生了革命性變化。
    天然氣汽車的種類，已由汽油/天然氣汽車發(fā)展到柴油/天然氣汽車，由雙燃料發(fā)展到單燃料天然氣汽車，由天然氣汽車發(fā)展到天然氣/電(或燃料電池)混合動力汽車。各國根據(jù)燃料特性綜合優(yōu)化進行原裝天然氣汽車的開發(fā)，天然氣汽車的動力性、可操作性、舒適性已相當于原車水平，排放可達到歐V標準。
    在國內(nèi)，天然氣汽車技術(shù)也基本實現(xiàn)國產(chǎn)化。國內(nèi)汽油/CNG雙燃料汽車改裝已完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，但也有部分采用進口配件，改車費用根據(jù)配件是否需進口而有所不同。汽油/CNG、柴油/CNG雙燃料和CNG單燃料原產(chǎn)車也已實現(xiàn)國產(chǎn)化。上海柴油機股份有限公司、東風汽車股份有限公司、上海汽車工業(yè)總公司等開發(fā)的天然氣電噴發(fā)動機(均在柴油機基礎上開發(fā))已成功地在內(nèi)蒙古鄂爾多斯運煤專線、城市客車上應用，運行車輛超過1000輛。東風愛麗舍、一汽捷達、奇瑞、夏利等雙燃料CNG轎車已在很多城市行駛。2007年，我國天然氣汽車(含底盤)產(chǎn)量達到5.7×104輛；國內(nèi)有58家企業(yè)生產(chǎn)天然氣汽車，累計有347個天然氣汽車車型(包括底盤)進入國家機動車新產(chǎn)品公告；有18家企業(yè)生產(chǎn)天然氣發(fā)動機，共有98款天然氣發(fā)動機產(chǎn)品在市場中銷售，發(fā)動機功率范圍為64～250kW；已形成全系列天然氣儲氣瓶的設計與生產(chǎn)制造技術(shù)，產(chǎn)業(yè)化能力超過80×104只/a；自主開發(fā)的減壓器、電控單元(ECU)、燃氣噴嘴等燃氣汽車專用裝置，已開始批量投放市場。
    從尾氣排放來看，原產(chǎn)雙燃料、CNG單燃料轎車、公交車及重型貨運車發(fā)動機尾氣排放已達歐Ⅲ標準；作為科技部863攻關(guān)課題，我國正在研發(fā)符合歐Ⅳ排放標準的天然氣汽車。
    總體來看，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國已初步建立了完整的天然氣汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，CNG加氣站設備、發(fā)動機和汽車配套零部件的國產(chǎn)化，大幅度降低了天然氣汽車發(fā)展的投入，為規(guī)模化發(fā)展提供了很好的支撐。
9 天然氣車的安全性
    ① 爆炸下限高。天然氣的爆炸極限為5%～15%，而汽油爆炸極限為1.0%～7.6%，下限比天然氣低。因此與汽油相比，天然氣泄漏后不易爆炸。
    ② 自燃溫度高。天然氣的自燃溫度為680℃左右，汽油為350℃，天然氣比汽油自燃溫度高330℃。因此，即使意外泄漏，天然氣更不容易自燃。
    ③ 密度低。天然氣的密度一般約為0.80kg/m3，而汽油蒸氣密度為5.09kg/m3?？梢?，天然氣密度遠比汽油蒸氣小，而且低于空氣密度，泄漏的天然氣很快會在空氣中散發(fā)，相對汽油而言不容易形成爆炸氣體。
    ④ 車用壓縮天然氣儲氣瓶屬于高壓容器，其材質(zhì)、制造及檢驗均有嚴格的規(guī)程控制，儲氣瓶可以承受的最高壓力(實驗壓力)為30MPa，以20MPa的壓力充氣，可充氣15000次。當瓶中壓力達到30MPa時，瓶口閥門的泄氣保護裝置會自動開啟，并安裝有防爆設施，不會因汽車碰撞或顛覆造成失火或爆炸。而柴油或汽油的油箱不屬于壓力容器，受外力易破裂，引起著火爆炸。
    ⑤ 根據(jù)美國對8331輛公用事業(yè)、學校、市政和商業(yè)車隊車輛的調(diào)查，其行駛2.8528×104km，天然氣汽車車隊的車輛損傷率比汽油車車隊低37%。相比汽油車的每100×104km有0.8人死亡的死亡率，天然氣汽車沒有發(fā)生一起致命事故，汽車碰撞事故也比汽油車低31%，這8331輛車共發(fā)生7起著火事故，只有1起是由天然氣供應系統(tǒng)直接導致的。自第二次世界大戰(zhàn)后意大利首次商業(yè)化使用天然氣汽車以來，現(xiàn)在世界各地使用累計超過1126×104輛。20世紀80年代初天然氣汽車在美國推廣，至今已超過9×104輛，其中只發(fā)生過1人死亡的事故。
    ⑥ 在中國，天然氣汽車的事故主要是燃氣供應管路易發(fā)泄漏或電路短路，引起自燃或爆燃。2010年5月30日下午1時10分許，安徽省六安市皖西路同來電腦學校門口發(fā)生一起交通事故，一輛公交車與一輛燃氣出租車追尾，導致出租車車用燃氣泄漏嚴重。接警趕到的六安特警二大隊民警發(fā)現(xiàn)，被撞出租車停放在路邊，儲氣罐破裂，燃氣泄漏嚴重，并乘風向大街上飄散，對沿途車輛及過往行人構(gòu)成很大的威脅。所幸事故處理得當、及時，沒有發(fā)生人員傷亡。
    天然氣汽車大多屬于改裝車輛，而天然氣汽車對于管路以及改裝技術(shù)要求特別高，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會引發(fā)車輛的自燃或爆燃。
10 天然氣汽車環(huán)保性分析
    北京市汽車總量已達到400×104輛，汽車尾氣日益加劇了對環(huán)境的污染，人們正在尋求更為清潔的汽車燃料。汽車排放的尾氣已成為中國各城市的主要污染源，各種主業(yè)運營車輛(公交、環(huán)衛(wèi)、郵政、出租車等)分擔率達到36%[11]。汽車在怠速行駛中的排放遠高于正常行駛時的排放水平，北京市區(qū)的汽車平均行駛速度低于10km/h，其尾氣的排放污染水平比正常情況大大地提高了。天然氣是目前被人們認定的最佳的汽車燃料，天然氣在燃燒過程中污染極小，排放的廢氣中不含鉛，基本不含硫化物，與汽油車相比，一氧化碳(CO)減少97%，碳氫化合物(HC)減少72%，氮氧化物(N0x)減少39%，因此，環(huán)保效益十分顯著。

    目前北京的CNG公交車的主流是達到國3和國4環(huán)境友好汽車(Enhanced Environmentally Friendly Vehicle，EEV)排放標準的兩種車型。圖3、4為目前北京市CNG公交車擁有量最大的國3 CNG公交車的排放因子與國3柴油公交車的比較?？梢钥闯觯?/span>
    ① 與國3柴油公交車相比，國3 CNG公交車可削減顆粒物(PM)97%，非甲烷總烴(NMHC)92%，N0x 30%，C0 76%。
    ② 與國3柴油公交車相比，國3 CNG公交車甲烷(CH4)排放增加明顯(增加10倍左右)，由此導致總碳氫化合物(THC)排放增加81%。
    圖5、6為目前北京市排放控制水平最高的CNG EEV車型與國4柴油車排放的對比?？梢钥闯觯?/span>
    ①與國4柴油公交車相比，CNG EEV公交車可削減PM 91%，NMHC 20%，N0x 59%。可見，無論是哪種控制技術(shù)的CNG公交車，其與柴油車相比，PM減排潛力均十分顯著。
    ② 與國4柴油公交車相比，CNG EEV公交車C0排放增加4倍左右，CH4排放增加接近200倍，從而導致THC排放增加30倍左右。
    根據(jù)對2007年北京市現(xiàn)有公交車排放清單的分析，可以獲得各燃料類型公交車的排放分擔率，見圖7。雖然CNG公交車在北京市公交車車隊中占有20%的比例，但是不論是哪種污染物，其排放分擔率都顯著低于20%，尤其對于北京市大氣環(huán)境最為重要的控制污染物PM而言，其1%的低分擔率意義非同小可。對于公交車最引人關(guān)注的NOx和PM兩種污染物，柴油公交車都是最主要的排放源，其分擔率都超過了80%，使用CNG公交車替代柴油公交車可以有效地降低公交車NOx和PM總排放量。
11 進一步探討的幾個問題
    ① 替代燃料的影響因素
    作為汽車的替代燃料，有幾個重要因素必須考慮：
    a. 汽車性能：一次加油或加氣的續(xù)航距離，輸出功率等。
    b. 經(jīng)濟性：汽車價格、燃料價格、燃料供給的基礎設施的造價。
    c. 大氣環(huán)境性能(尾氣排放)。
    d. 綜合效率和C02排放量：WTW能源效率(Well To Wheel，從油井到車輪，即從能源的開采到終端消費)、C02排放量。
    e. 能源安全供給性：能源安全供給資源量、多樣性、燃料自身的安全性(毒性、火災危險性等)。
   ② CNG發(fā)動機的熱力分析
   從文獻[12]中得到，CNG的低熱值為50.07MJ/kg，理論空燃比為17.25：1，辛烷值為130；汽油的低熱值為43.85MJ/kg[13]，理論空燃比14.6：1，辛烷值為92。因此在使用CNG為燃料后，發(fā)動機在理論上有提高壓縮比的空間。
對汽油機混合氣理論含有能量[12]：
 
式中Ep——單位體積汽油機混合氣理論含有能量，MJ/m3
    ρa——空氣的密度，kg/m3，取1.293kg/m3
    λp——汽油的理論空燃比，取14.6
    QL,p——汽油的低熱值，MJ/kg，取43.85MJ/kg
    對CNG發(fā)動機混合氣理論含有能量：
 
式中ECNG——單位體積CNG發(fā)動機混合氣理論含有能量，MJ/m3
    λCNG——CNG的理論空燃比，取17.25
    ρCNG——CNG的密度，取0.715kg/m3
    QL,CNG——cNG的低熱值，MJ/kg，取50.07MJ/kg
CNG發(fā)動機混合氣理論含有能量與汽油機混合氣理論含有能量之比為：
 
式中k——CNG發(fā)動機與汽油機單位體積混合氣理論含有能量之比[14]
    經(jīng)計算k為0.875，CNG混合氣的理論含有能量為3390MJ/m3，比汽油混合氣的理論含有能量3874MJ/m3低約12.5%?？梢钥闯觯捎贑NG的理論空燃比較大，相同排量的發(fā)動機所需的燃料較少，造成發(fā)動機改燃CNG后輸出功率有所下降；由于CNG是氣體燃料，其本身在混合氣中占有一定的體積，造成進入氣缸的混合氣量減少，充氣效率下降，導致發(fā)動機輸出功率下降。
    ③ CNG與汽、柴油的替代比例
    關(guān)于CNG與汽油的替代比例，文獻[15]以青海澀北天然氣的組成為依據(jù)，當天然氣的高熱值為36.20MJ/m3時，與高熱值為32.17MJ/L汽油相比較，從熱量來看，1m3天然氣相當于1.13L汽油。天然氣的組成不同，熱值也不同，這個比例是變化的。例如在文獻[16]中，天然氣低熱值是36.22MJ/m3，汽油低熱值是43.11MJ/L。對于每100km的燃料消耗指標為：天然氣9.1m3，汽油10.0L。
    文獻[16]指出：作為氣態(tài)燃料，天然氣有混合均勻、燃燒更完全等優(yōu)點，但畢竟其與空氣混合的可燃混合氣的熱值比汽油低10%，且充氣效率也比汽油低；實踐表明，在大多數(shù)情況下，1m3天然氣可替代1.0～1.1L汽油。在推廣應用CNG汽車中，為簡便和穩(wěn)妥起見，也可按1m3天然氣替代1L汽油來計算經(jīng)濟效益。
    天然氣、柴油雙燃料汽車實際代油率并不等于某一工況下的最大代油率[17]。雙燃料汽車的特點是大負荷和全負荷時天然氣代油率高，隨著負荷的下降而下降，當負荷小到一定程度和發(fā)動機處于怠速工況時，天然氣代油率將降為零，即轉(zhuǎn)為純?nèi)疾裼凸r。而公交車大多數(shù)運行狀態(tài)處于中小負荷工況，因此，實際天然氣代油率或加權(quán)平均天然氣代油率就很低。因此，公交車宜采用單一CNG燃料的發(fā)動機。
    文獻[18]按照GB 12545—1990《汽車燃料消耗量試驗方法》，進行了每100km柴油和油氣混燒的消耗量的測試，試驗結(jié)果是純柴油車每100km耗油20.7L；油氣混燒車CNG的消耗量為13.6m3，柴油消耗量12.8L。
   ④ 排放特性比較
   對于排放量的描述主要分為兩類：一類是理論值，常出現(xiàn)在關(guān)于天然氣汽車的市場推廣或各種汽車可替代燃料的分析對比等方面的文章中；另一類是試驗性質(zhì)的實測值，多見于對各種型號的發(fā)動機或車的怠速等狀況的試驗分析文章中?？疾斓慕嵌炔煌?，應用的數(shù)據(jù)也就不同。一般以文獻[19]中的數(shù)據(jù)為準：天然氣汽車比汽油車排放的C0減少98%、HC減少70%、N0x減少39%、C02減少24%、SO2減少90%，由于甲烷的辛烷值高達120以上，抗爆性能提高，并有效降低發(fā)動機噪聲。
    由于各地天然氣組成不同，以上排放指標是一個大致的范圍，不是一成不變的。例如文獻[20]指出，天然氣汽車與汽油車相比，尾氣中的C0排放量可降低90%～97%、NMHC可降低70%～80%、N0x可降低30%～50%、C02可降低19%～25%、S02可降低70%～90%、PM可降低40%左右。在文獻[21]中減排量稍有變化：C0減少97%、HC減少72%、N0x減少39%、C02減少24%、S02減少90%、苯鉛等粉塵減少100%、噪聲降低40%。后續(xù)文章以文獻[21]為依據(jù)的較多，如文獻[16]和文獻[22]等。
    綜合來看，涉及到這方面的引述比較常選擇比例法[23]，較少按每km排放量進行介獻比較典型的是文獻[24]。
   ⑤ 經(jīng)濟性比較
   進行單一燃料的經(jīng)濟性比較，只要確定3個參數(shù)就可以了：替代比例、燃料價格、單位燃料耗量。如前所述，CNG與汽柴油車的替代比例不是一個精確值，而且隨著燃氣熱值而變化；燃料的價格各地不同，油品等級不同價格也就不同；汽車行駛的單位燃料耗量與車型有關(guān)，不同車型的消耗量也就不同。因此，對以上3個參數(shù)都有明確的規(guī)定，才可以進行準確的比較。如果要進行改裝費和年總體費用的比較，計算出投資回收期，那么各種車型的改裝費和行駛里程也要加以明確才行，比如使用的儲氣瓶組材質(zhì)、數(shù)量等，這涉及一個不確定因素：鋼瓶的有效載氣量。CNG與汽、柴油的燃料替代比例，即相同條件下消耗天然氣的體積(單位為m3)和消耗汽、柴油體積(單位為L)之比，廣泛使用的是1：1.1或更高，如文獻[25-27]，但有趨勢采用1：1的比例，如文獻[28-29]，這樣易于計算，也比較貼近我國目前較多采用的雙燃料汽車的實際運行工況。
12 北京發(fā)展CNG汽車的能力分析
    ① 氣源供應：2010年北京市天然氣使用量已經(jīng)達到68×108m3/a，其中公交車的全年總用氣量為7686×104m3/a，占1.1%，氣源具備充足的供氣保障能力。
    ② 母站供應能力：目前燃氣集團已經(jīng)建設完成6座加氣母站，分別為王四營、姚家園、杏石口、北郊、南湖渠、小屯加氣母站。其中前3個規(guī)模相當，每站設2臺壓縮機，單機額定壓縮能力為2050m3/h，設計加氣能力為3500m3/h。按每日工作16h計算，每座加氣母站供氣能力為5.6×104m3/d；后3座加氣母站原建設規(guī)模與上述3座母站相同，2007—2009年，為了緩解供氣緊張局面，分別對這3座母站進行擴建改造，將每座加氣母站加氣能力提高到7000m3/h，日供氣能力達到11.2×104m3/d。
③ 維修：不論是加氣站工藝設備的維修還是天然氣汽車的維護保養(yǎng)，經(jīng)過多年的經(jīng)驗積累，已經(jīng)形成一支專業(yè)維護隊伍、穩(wěn)定的配件供應體系，駕駛員已經(jīng)對天然氣汽車的性能有了深入的認知度。
13 存在的問題
    ① 北京市天然氣的使用情況總體屬于峰谷結(jié)構(gòu)，冬季用氣量大，處于峰頂，夏季用氣量少，處于谷底，這就使得在冬季CNG天然氣的供應要受到一定的影響，不能完全保證CNG公交車的使用。
    ② CNG加氣站只有母子站的形式，母站、子站的分布不是很均勻，與運營的公交車數(shù)量不匹配，有的站內(nèi)需要排隊加氣，設備運行負荷高，而個別站區(qū)加氣車輛偏少，設備利用率低。目前，北京市母子站的運營模式中，存在著大量的運輸車輛往返于母子站之間，不但車輛運行成本較高，而且給交通系統(tǒng)帶來一定的負擔，嚴重時，在早晚高峰時段會造成供氣不及時的現(xiàn)象，影響CNG車輛的正常行駛，而且，CNG運輸屬于危險化學品運輸范疇，存在著一定的安全隱患。如果將部分子站改造成標準站，既可以增加CNG加氣站類型，又可以節(jié)省CNG站的運營成本，能夠更加合理地利用資源，緩解CNG運輸車隊給交通帶來的巨大壓力。
    ③ 加氣站建設滯后。目前車用天然氣日需求量達到30×104m3/d，遠郊居民用戶天然氣日最高需求量達到50×104m3/d，總需求量達到80×104m3/d，已經(jīng)接近現(xiàn)狀加氣母站的理論加氣能力。另外，從目前CNG汽車和CNG城鎮(zhèn)用戶增長情況看，CNG供氣缺口也在逐漸加大。因此當前北京加氣站建設相對滯后，如不抓緊進行規(guī)劃建設，勢必會制約CNG用戶發(fā)展。
    ④ 雖然北京現(xiàn)在擁有世界上規(guī)模最大的CNG公交車隊，但其后勤保養(yǎng)工作沒有很好地落實，車輛設備老化嚴重。而且CNG公交車使用種類較多，排放水平也不盡相同，還有待進一步標準化。
    ⑤ 要保持CNG公交車的長遠發(fā)展，還必須保持CNG價格的合理，只有油氣存在一定的差價，才能體現(xiàn)CNG汽車的燃料價格優(yōu)勢。發(fā)展CNG汽車要吸取發(fā)展液化石油氣(LPG)汽車的經(jīng)驗教訓，要盡可能地保證CNG汽車可觀的經(jīng)濟優(yōu)勢。
14 結(jié)論
    ① 發(fā)展清潔燃料汽車，既有利于減少大氣污染，又是一個新的經(jīng)濟增長點，可以帶動一大批相關(guān)企業(yè)的發(fā)展[11]。
    ② 應該大力發(fā)展CNG公交車，政府應該給予一定的政策優(yōu)惠，明確發(fā)展方向，例如可以減免車輛購置稅，享受與電動車輛同等的優(yōu)惠政策，并且要致力于建設一套完善的CNG汽車的發(fā)展規(guī)范，做到行業(yè)執(zhí)行標準的統(tǒng)一化。
    ③ 隨著低碳發(fā)展的提出，目前公交車組成結(jié)構(gòu)比較復雜，應該確定發(fā)展CNG汽車輛的比例。保持一定比例的天然氣公交車，也是多種能源結(jié)構(gòu)公交戰(zhàn)略安全的需要。
    ④ 加大北京天然氣管網(wǎng)建設，將現(xiàn)有子站改造成標準站形式，將標準站和母子站相結(jié)合，更加優(yōu)化、合理地規(guī)劃北京CNG加氣站的構(gòu)成。
    ⑤ 價格政策是一個經(jīng)濟杠桿，相對固定油氣差價比例，通過這個杠桿使各方利益得到保證和均衡，天然氣汽車用氣市場才能得以健康發(fā)展[8]。
    ⑥ 加強正面引導及宣傳，以科學的態(tài)度認識天然氣汽車的安全性，避免盲目夸大天然氣汽車的危險性而阻礙該產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展。
    ⑦ 我國應加強天然氣發(fā)動機的研制，提高壓縮比，縮小與發(fā)達國家的差距，使CNG汽車的動力性能達到與汽、柴油車相當?shù)乃健?/span>
    ⑧ 北京現(xiàn)有加氣站最長已運行時間為10年，壓縮機等主要設備的使用年限為15～18年，還有較長的使用期，應加大天然氣汽車的數(shù)量，提高加氣站的利用率，同時進行加氣站轉(zhuǎn)型的方案準備，進行子站至標準站的轉(zhuǎn)換。
參考文獻：
[1] 馮軍，劉燕，王會師.兩部制天然氣價的影響及應對措施[J].煤氣與熱力，2006，26(10)：35-38.
[2] 周淑慧，李廣，李偉.我國城市燃氣市場發(fā)展態(tài)勢[J].煤氣與熱力，2008，28(8)：B32-B36.
[3] 付壽剛，何貴龍，劉建海，等.高壓儲氣井在壓縮天然氣供氣站的應用[J].煤氣與熱力，2004，24(5)：251-253.
[4] 薛鵬濤，楊衛(wèi)東，許長泳.壓縮天然氣加氣站設備選型與運行管理[J].煤氣與熱力，2004，24(6)：348-349.
[5] 周新文，朱萬美.小城鎮(zhèn)燃氣發(fā)展途徑探討[J].煤氣與熱力，2003，23(2)：107-110.
[6] 戴金星.中國天然氣資源及前景分析[J].石油與天然氣地質(zhì)，2001(1)：23-25.
[7] 周志斌，周怡沛.中國天然氣產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)發(fā)展的基礎、前景與策略[J].天然氣工業(yè)，2009(2)：1-5.
[8] 盛楊懌.中國石油供給、需求現(xiàn)狀及戰(zhàn)略分析[J].經(jīng)濟前沿，2005，11(5)：8-11.
[9] 牛建英.戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源供應安全研究(博士學位論文)[D].北京：中國地質(zhì)大學，2007：58-63.
[10] 黃海波.壓縮天然氣汽車改裝與維修[M].成都：四川科學技術(shù)出版社，1999：106-113.
[11] 潘一玲.對北京發(fā)展清潔燃料汽車的一些想法[J].城市燃氣，1999(5)：8-10.
[12] 姚勇，邸敏艷，徐巖.LPG在電噴發(fā)動機上的研究[J].天然氣工業(yè)，2005(3)：160-162.
[13] 孫濟美.代用燃料汽車技術(shù)[J].汽車工藝與材料，2002(11)：1-5.
[15] 郭宗華，周儉明，吳祚平.壓縮天然氣汽車的特點[J].煤氣與熱力，2004，24(2)：108-110.
[16] 李永昌.關(guān)于CNG汽車若干問題的再認識[J].城市公共交通，2003(4)：46-47.
[17] 秦洪武，劉志強.兩用燃料CNG和柴油汽車應用分析[J].機械設計與制造，2002(3)：64-65.
[18] 朱利凱.天然氣處理與加工[M].北京：石油工業(yè)出版社，1997：89-92.
[19] 陳萬應，鄧杰，張浩.西部加大燃氣汽車推廣應用力度的戰(zhàn)略意義[J].汽車研究與開發(fā)，2002(6)：1-6.
[20] 熊云.積極使用天然氣作汽車燃料[J].能源技術(shù)，2003，24(2)：68-69.
[21] 董元虎，尹興林，馮豫川，等.公交汽車CNG/汽油兩用燃料發(fā)動機行車試驗研究[J].潤滑與密封，2006(9)：139-144.
[22] 郝吉明，傅立新.城市機動車排放污染控制[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2000：23-26.
[23] 崔心存.關(guān)于汽車選擇清潔代用燃料的思考(一)[J].汽車工藝與材料，2004(4)：1-10.
[24] 徐兆坤，蔣妙范，張玨成，等.不同氣體燃料理化特性對發(fā)動機性能的影響[J].上海工程技術(shù)大學學報，2006，20(1)：1-4.
[25] 何東勝.天然氣作為汽車替代燃料的分析[J].上海節(jié)能，2004(4)：10-13.
[26] 張燕平，詹淑慧.國內(nèi)天然氣汽車技術(shù)及發(fā)展方向探索[J].北京建筑工程學院學報，2009，25(3)：19-23.
[27] 熊建國.西寧地區(qū)發(fā)展壓縮天然氣(CNG)汽車的研究報告[J].青海師范大學學報：自然科學版，2005(4)：99-101.
[28] 朱玉輝.東營市CNG公交汽車改裝及加氣站經(jīng)濟性研究[J].石油庫與加油站，2007，16(4)：7-9.
[29] 趙曉云.加油和壓縮天然氣加氣合建站設計方案[J].江蘇化工，2008，36(6)：35-38.
 
(本文作者：韓金麗1 楊永慧2 張悅3 1.天津大學 天津 300072；2.北京市煤氣熱力工程設計院有限公司 北京 100032；3.北京綠源達壓縮天然氣有限公司 北京 100102)