CNG加氣母站運營技術(shù)經(jīng)濟(jì)特點分析

摘 要

摘要：通過研究壓縮天然氣(CNG)加氣母站的設(shè)備和工藝流程，針對3種加氣模式——全部為CNG氣瓶車加氣、為CNG氣瓶車和CNG汽車加氣、全部為CNG汽車加氣，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個
摘要：通過研究壓縮天然氣(CNG)加氣母站的設(shè)備和工藝流程，針對3種加氣模式——全部為CNG氣瓶車加氣、為CNG氣瓶車和CNG汽車加氣、全部為CNG汽車加氣，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個方面考察其特點，尋找CNG氣瓶車和CNG汽車加氣數(shù)量的平衡點，力求經(jīng)濟(jì)效益的最大化。
關(guān)鍵詞：壓縮天然氣；壓縮天然氣加氣站；加氣母站；壓縮天然氣氣瓶車；壓縮天然氣汽車；加氣模式；技術(shù)經(jīng)濟(jì)
Analysis on Technical and Economic Characteristics in Operation of CNG Primary Filling Station
HAN Jin-li，Wu Guo-chuan，TAN Xu-hui
Abstract：Through studying the equipment and process flow of CNG primary filling station，the technical and economic characteristics of three gas filling modes including only filling CNG cylinder vehicle，filling CNG cylinder vehicle and CNG vehicle and only filling CNG vehicle are investigated. The balance point between the number of CNG cylinder vehicle and CNG vehicle is found to achieve the maximum economic benefit.
Key words：compressed natural gas(CNG)；CNG filling station；primary gas filling station：CNG cylinder vehicle；CNG vehicle；gas filling mode：technology and economy
    隨著天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展和城市環(huán)境保護(hù)的加強(qiáng)，推廣天然氣汽車是解決城市大氣污染特別是汽車尾氣污染問題的有效方式。以天然氣代替汽油和柴油作為汽車燃料可有效減少汽車尾氣污染。作為城區(qū)CNG汽車的燃料供應(yīng)站，CNG加氣站成為人們關(guān)注的焦點。由于CNG加氣站的造價比較高，因此科學(xué)合理地安排加氣運行，對于提高加氣站的經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。本文通過對CNG加氣母站的設(shè)備特點和加氣模式的對比，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益的分析比較。
1 技術(shù)分析
1.1 加氣站基本分類
   根據(jù)CNG加氣站設(shè)備容量及氣源供給方式，CNG加氣站一般可分為3種類型：標(biāo)準(zhǔn)站、加氣母站、加氣子站。
    標(biāo)準(zhǔn)站是指通過市政天然氣管道直接取氣，經(jīng)過脫硫、脫水等工藝后進(jìn)行壓縮，直接為天然氣汽車加氣的壓縮天然氣加氣站。通常標(biāo)準(zhǔn)站加氣量為600～1000m3/h。
    加氣母站通過市政天然氣管道直接取氣，經(jīng)過脫硫、脫水等工藝后進(jìn)行壓縮，為壓縮天然氣氣瓶車加氣，再運至壓縮天然氣子站為天然氣汽車加氣，或運至壓縮天然氣瓶組供應(yīng)站為城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)供氣。母站也兼具備通過加氣機(jī)給天然氣汽車加氣的功能。母站的加氣量為2500～4000m3/h。
    加氣子站通過壓縮天然氣氣瓶車從母站運來壓縮天然氣為天然氣汽車加氣，一般均配有小型壓縮機(jī)和儲氣瓶組[1]。
1.2 加氣工作原理
    CNG加氣站的加氣方式一般分為慢加氣和快加氣兩種。
    慢加氣是指利用壓縮機(jī)加壓，通過加氣柱直接對天然氣氣瓶車或天然氣汽車加氣，加氣站中不設(shè)置儲存系統(tǒng)。
    快加氣是指在加氣站中設(shè)置儲存系統(tǒng)，壓縮機(jī)先向儲存系統(tǒng)充氣，然后通過加氣機(jī)從儲存系統(tǒng)中取氣為天然氣汽車加氣。一次加氣時間約為3～6min[2]。
1.3 主要設(shè)備
    CNG加氣母站主要設(shè)備包括脫水裝置、壓縮機(jī)、優(yōu)先控制盤、儲氣瓶組、加氣柱、加氣機(jī)，其他設(shè)備還包括進(jìn)站調(diào)壓計量裝置、空壓機(jī)等，有的加氣站還自備發(fā)電設(shè)備[3]。
    進(jìn)站計量和脫水裝置設(shè)在壓縮機(jī)前，起到計量和凈化作用。天然氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓后進(jìn)入儲氣瓶組或者通過加氣柱、加氣機(jī)為車輛加氣。優(yōu)先控制盤則對整個加氣站及加氣過程進(jìn)行控制?？諌簷C(jī)為站內(nèi)氣動閥提供壓縮空氣。
1.4 加氣母站工藝流程
    CNG加氣母站工藝流程見圖1。
 
    ① 根據(jù)優(yōu)先控制盤的控制，天然氣經(jīng)過調(diào)壓計量和脫水凈化后進(jìn)人壓縮機(jī)壓縮，并儲存于儲氣瓶組中，過程是由高壓儲氣瓶向低壓儲氣瓶逐組進(jìn)行；當(dāng)儲氣瓶組中的氣量達(dá)到停機(jī)設(shè)定值時，壓縮機(jī)停止工作。
    ② 當(dāng)有天然氣汽車通過加氣機(jī)加氣時，優(yōu)先控制盤控制加氣機(jī)從儲氣瓶組取氣，過程是由低壓儲氣瓶對其加氣，當(dāng)?shù)蛪簝馄坎荒艹錆M汽車時，則切換到中壓儲氣瓶對其充氣，如果中壓儲氣瓶還不能充滿汽車時，則切換到高壓儲氣瓶對其充氣，由高壓儲氣瓶充滿汽車。
    ③ 當(dāng)有CNG氣瓶車通過加氣柱加氣時，優(yōu)先控制盤啟動壓縮機(jī)，直接為CNG氣瓶車充氣，而不使用儲氣瓶組。
    ④ 當(dāng)儲氣瓶組壓力降到設(shè)定的最低壓力時，優(yōu)先控制盤啟動壓縮機(jī)向儲氣瓶組加氣，如果同時有天然氣汽車加氣，壓縮機(jī)可直接經(jīng)加氣機(jī)向天然氣汽車加氣；而如果有CNG氣瓶車通過加氣柱加氣，則必須等到儲氣瓶組的高壓儲氣瓶達(dá)到設(shè)定壓力，轉(zhuǎn)向中壓儲氣瓶加氣時，壓縮機(jī)才能同時為CNG氣瓶車加氣。
1.5 設(shè)備運行分析
    本文以綠源達(dá)公司運行的6座加氣母站為例進(jìn)行對比分析，其成套站內(nèi)設(shè)備分別由美國ANGI公司和加拿大KRAUS公司提供，每座站均配有2臺壓縮機(jī)。3種加氣設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)見表1。
表1 3種加氣設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)對比
項目
美國ANGI公司
加拿大KRAUS公司
壓縮機(jī)型號
ARIEL
JGA/4
ARIEL
JG/4/4-342
E-116-ER
ARIEL
JG/4/4-339
E-87-ER
進(jìn)口壓力/MPa
0.8～1.0
0.8～1.0
0.6～0.8
公稱排氣壓力/MPa
24.8
26.6
26.6
最高允許工作壓力/MPa
36.4
28.9
28.9
額定排氣量/(m3·h-1)
2177
1904
1726
壓縮級數(shù)
4級
4級
4級
構(gòu)造型式
水平對置、油預(yù)潤滑、往復(fù)式壓縮機(jī)
驅(qū)動方式
電機(jī)驅(qū)動
電機(jī)功率/kW
328.5
255.5
255.5
冷卻方式
風(fēng)冷
風(fēng)冷
風(fēng)冷
加氣方式
加氣機(jī)三級儲氣裝置順序取氣方式和加氣柱加氣方式
儲氣裝置
儲氣瓶4臺(高壓瓶1臺、中壓瓶1臺、低壓瓶2臺)
儲氣瓶6臺(高壓瓶1臺、中壓瓶2臺、低壓瓶3臺)
    經(jīng)過實際測算，ANGI公司提供的加氣設(shè)備在只為CNG氣瓶車充裝的工作模式下，1臺壓縮機(jī)為1輛CNG氣瓶車充裝需要80min，2臺壓縮機(jī)同時為1輛CNG氣瓶車充裝需要45min。因此，ANGI公司提供的加氣設(shè)備，2臺壓縮機(jī)同時充裝2輛CNG氣瓶車比依次充裝要節(jié)省10min。
    但是KRAUS公司提供的加氣設(shè)備，2臺壓縮機(jī)為2輛CNG氣瓶車同時充裝的時間長于2輛車依次充裝的時間，因此適合雙機(jī)組同時為1輛CNG氣瓶車充裝。這主要是由于設(shè)備不同和控制系統(tǒng)差異造成的。
2 經(jīng)濟(jì)分析
   加氣母站具備為CNG氣瓶車和天然氣汽車加氣的功能，為CNG氣瓶車加氣銷售量大但價格低廉，為天然氣汽車加氣售價高但銷售量偏小，并且在天然氣汽車加氣的同時會影響到CNG氣瓶車加氣。如何合理安排加氣，既可以提高銷售收入，又可以維持較高的銷售量，實現(xiàn)利潤最大化，一直是加氣母站在加氣運行方面值得探討的課題。
   通過以下3種不同的加氣組合模式，對加氣量和耗電量進(jìn)行對比研究，分析加氣母站加氣組合模式對經(jīng)濟(jì)收益的影響，尋找加氣組合模式和最大經(jīng)濟(jì)效益的平衡點。對比數(shù)據(jù)采集于2007年綠源達(dá)公司運行的6座CNG加氣母站；CNG氣瓶車為8瓶組大型拖車，有效荷載(折合為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)天然氣)為3700m3/輛；天然氣汽車為CNG公交車，有效荷載為100m3/輛。
3種加氣組合模式為：第1種是全部充裝CNG氣瓶車模式，見表2；第2種是CNG氣瓶車和天然氣汽車混合加氣達(dá)到最大加氣量模式，見表3；第3種是全部為天然氣汽車加氣模式，見表4。
加氣母站生產(chǎn)班制為每日連續(xù)工作16h，CNG氣瓶車加氣單價為1.90元/m3，天然氣汽車加氣單價為2.45元/m3。
表2 全GNG氣瓶車加氣模式每日收支情況
母站序號
母站設(shè)備公司
每日耗電量/(kW·h·d-1)
每日平均電價/[元·(kW·h)]
 
每日耗電費用/(元·d-1)
CNG氣瓶車數(shù)量/輛
每日加氣量/(m3·d-1)
每日售氣收人/(元·d-1)
每日售氣收入與電費支出之差/(元·d-1)
1
KRAUS
8000
0.749
5995
16
59200
112480
106485
2
0.567
4533
107947
3
0.844
6755
105725
4
ANGI
9450
0.678
6406
21
77700
147630
141224
5
0.684
6462
141168
6
0.788
7451
140179
表3 GNG氣瓶車和天然氣汽車混合最大加氣量加氣模式每日收支情況
母站序號
母站設(shè)備公司
每日耗電量
/(kW·h·d-1)
每日平均電價/[元·(kW·h)-1]
每日耗電費用/(元·d-1)
CNG氣瓶車數(shù)量/輛
天然氣汽車數(shù)量/輛
每日加氣里/(m3·d-1)
每日售氣收入/(元·d-1)
每日售氣收入與電費支出之差/(元·d-1)
1
KRAUS
9100
0.749
6819
14
60
57800
113120
106301
2
0.567
5156
107964
3
0.844
7684
105436
4
ANGI
9000
0.678
6101
19
57
76000
147535
141434
5
0.684
6154
141381
6
0.788
7096
140439
表4 全天然氣汽車加氣模式每日收支情況
母站序號
母站設(shè)備公司
每日耗電量/(kW·h·d-1)
每日平均電價/[元·(kW·h)-1]
每日耗電費用/(元·d-1)
天然氣汽車數(shù)量/輛
每日加氣量/(m3·d-1)
每日售氣收人/(元·d-1)
每日售氣收入與電費支出之差/(元·d-1)
1
KRAUS
800
0.749
599
80
8000
19600
19001
2
0.567
453
19147
3
0.844
675
18925
4
ANGI
1100
0.678
746
86
8600
21070
20324
5
0.684
752
20318
6
0.788
867
20203
    從表2～4可以看出：
    ① 全部為CNG氣瓶車加氣方式加氣量最大，全部為天然氣汽車加氣方式加氣量最小；其中加氣量最大的是ANGI站的全CNG氣瓶車加氣方式。
    ② KRAUS站CNG氣瓶車和天然氣汽車混合加氣方式的耗電量大于全部為CNG氣瓶車加氣方式的耗電量；而ANGI站則相反。因此，加氣收益最高的是ANGI站的CNG氣瓶車、天然氣汽車混合加氣方式。
    ③ KRAUS站中的2號站的每日平均電價最低，KRAUS站中的3號站每日平均電價最高，再結(jié)合各站加氣能力，最終加氣收益最低的是KRAUS站中的3號站，加氣收益最高的是ANGI站中的4號站。
    ④ 全天然氣汽車的加氣模式經(jīng)濟(jì)效益最低。
3 結(jié)論
    ① 根據(jù)不同的壓縮機(jī)型號，加氣母站的加氣效率不同，要根據(jù)實際情況選擇適合的加氣方式。主要是指在全CNG氣瓶車加氣的情況下，壓縮機(jī)功率和排氣量是影響加氣母站加氣效率和經(jīng)濟(jì)效益的直接因素。
    ② 加氣母站儲氣系統(tǒng)宜采用三級儲氣裝置，一方面可以快速地為天然氣汽車加氣，另一方面也減少壓縮機(jī)啟動次數(shù)和對CNG氣瓶車加氣的影響，提高設(shè)備的利用率。
    ③ 選擇CNG氣瓶車和天然氣汽車加氣數(shù)量的平衡點，是實現(xiàn)加氣母站經(jīng)濟(jì)效益最大化的有效途徑。雖然全CNG氣瓶車加氣是加氣效率最高的模式，但是盲目追求加氣量的最大化并不一定能得到經(jīng)濟(jì)效益的最大化。
    ④ 加氣母站很高的造價和強(qiáng)大的加氣能力，使得采用全天然氣汽車加氣模式是巨大的浪費，也是加氣效率和經(jīng)濟(jì)收益的最低點。
參考文獻(xiàn)：
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(本文作者：韓金麗 吳國川 談旭惠 北京綠源達(dá)清潔燃料汽車技術(shù)發(fā)展有限公司 北京 100102)