摘 要

結(jié)合珠三角地區(qū)各城市燃氣汽車和加氣站的現(xiàn)狀，考慮安全、環(huán)保及經(jīng)濟要素，采用層次分析法和模糊綜合評價法，構(gòu)建燃氣汽車加氣站類型優(yōu)化模型并分析計算，得出LNG 加氣站綜合性能最好。

 摘　要：結(jié)合珠三角地區(qū)各城市燃氣汽車和加氣站的現(xiàn)狀，考慮安全、環(huán)保及經(jīng)濟要素，采用層次分析法和模糊綜合評價法，構(gòu)建燃氣汽車加氣站類型優(yōu)化模型并分析計算，得出LNG加氣站綜合性能最好。

關(guān)鍵詞：燃氣汽車；  加氣站類型；  層次分析法；  模糊綜合評價法

Optimization Analysis of Types of Gas Vehicle Refueling Stations in Pearl River Delta Region

Abstract：Combined with the current situation of gas vehicles and refueling stations in various cities in the Pearl River Delta region，the optimization model for types of gas vehicle refueling stations is constructed by considering the safety，environmental protection and economic factors and using AHP and fuzzy comprehensive evaluation method．After the analysis and calculation，it is concluded that LNG refueling station has the best comprehensive performance．

Keywords：gas vehicle；type of refueling station；AHP；fuzzy comprehensive evaluation method

 

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，珠江三角洲地區(qū)(以下簡稱珠三角)的汽車保有量迅速增長，汽車尾氣排放是城市大氣環(huán)境污染的主要原因之一。采用LNG、LPG、CNG作為汽車燃料，可不同程度改善汽車發(fā)動機的排放性能，從而達到從根本上治理大氣污染的目的。由于燃氣具有易燃易爆危險性，并且大多數(shù)燃氣加氣站建在城市建成區(qū)，一旦發(fā)生安全事故，將造成人員傷亡、經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響，因此選擇滿足安全性、環(huán)保性及經(jīng)濟性的綜合性能好的燃氣加氣站類型非常重要。為保證珠三角燃氣汽車加氣站的安全性以及減少建設(shè)項目的資源浪費，有必要對加氣站類型進行優(yōu)化研究。

1　珠三角城市燃氣汽車和加氣站類型分析

從2013年起，廣東省政府規(guī)定省內(nèi)新增的公交車全部為節(jié)能與新能源汽車，省內(nèi)大部分城市已開始推廣和使用天然氣汽車，珠三角各城市燃氣汽車保有量見表1。

 

廣州作為目前國內(nèi)“清潔能源替代”獲得成功的城市，市區(qū)內(nèi)80％的公交車和l00％的出租車都使用上了清潔環(huán)保的LPG；佛山市目前是廣東省內(nèi)發(fā)展LNG公交車最多的城市，LNG公交車、CNG與燃油雙燃料出租車保有量分別占佛山市公交車、出租車總量的45％和90％；東莞市是珠三角發(fā)展天然氣汽車較早的城市之一，CNG出租車保有量占東莞市出租車總量的80％以上；珠海市計劃至2015年，將公交車、出租車全部替換為LNG公交車、CNG出租車[1]。隨著珠三角大規(guī)模、區(qū)域化地推廣清潔能源替代燃料汽車，不僅能夠有效地降低汽車對傳統(tǒng)的汽、柴油燃料的依賴度，還能進一步減少尾氣污染，實現(xiàn)能源和交通運輸?shù)目沙掷m(xù)發(fā)展。

1.2　珠三角燃氣汽車加氣站類型

目前珠三角主要的燃氣汽車加氣站類型為LPG加氣站、LNG加氣站、CNG常規(guī)加氣站、LNG／L-CNG合建站、CNG加氣子站和CNG加氣母站、油氣合建站[2]。珠三角燃氣汽車加氣站類型分布見表2，其中廣州市的加氣站主要為LPG加氣站，擁有LPG加氣站40座；深圳市擁有燃氣汽車加氣站21座，其中LNG加氣站12座，CNG加氣站9座；佛山市擁有燃氣汽車加氣站18座，其中CNG加氣子站3座，LNG／L-CNG合建站10座，油氣合建站5座；東莞市擁有29座燃氣汽車加氣站，其中16座CNG常規(guī)加氣站，13座LNG加氣站和LNG／L-CNG合建站。

 

本文對珠三角最常見的四種加氣站類型(LPG加氣站、LNG加氣站、CNG常規(guī)加氣站和LNG／L-CNG合建站)進行優(yōu)化，分析目前珠三角建設(shè)何種類型燃氣汽車加氣站最符合加氣站運營公司、運輸公司和政府的需要。

2　燃氣汽車加氣站類型優(yōu)化方法

燃氣汽車加氣站類型優(yōu)化是一項系統(tǒng)工程，涉及到安全、經(jīng)濟、環(huán)保等多個方面[3-4]，為了系統(tǒng)地解決這一復(fù)雜的多目標(biāo)決策問題層，本文基于層次分析法，利用層級結(jié)構(gòu)將影響因素之間的復(fù)雜關(guān)系系統(tǒng)地鏈接起來，采用模糊綜合評價法[5]建立加氣站類型優(yōu)化模型。該優(yōu)化模型以評價指標(biāo)體系為核心，通過分析加氣站評價因素，設(shè)置經(jīng)濟、安全和環(huán)保三個方面核心指標(biāo)，構(gòu)建模糊綜合評價模塊對不同加氣站類型進行綜合評價并進行優(yōu)先級排序，得到可優(yōu)先選擇和發(fā)展的加氣站類型。

2.1　指標(biāo)界定及分析

基于對珠三角燃氣汽車加氣站調(diào)研資料分析，結(jié)合前期各種類型加氣站建站特點及運營條件，選取安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟性作為優(yōu)化分析的一級指標(biāo)。

①加氣站安全性

天然氣的主要組分甲烷為甲類火災(zāi)危險物質(zhì)，危險性的產(chǎn)生主要來源于燃氣泄漏，比如：儲罐儲存過程存在危險性及本身形體破壞造成燃氣泄漏；在運輸和卸車過程中人員操作不當(dāng)造成氣體泄漏；潛液泵可能因密封問題失效而發(fā)生泄漏；加氣機因接口脫落或軟管爆裂造成漏氣。一旦泄漏的燃氣在空氣中含量達到爆炸極限時，遇明火著火爆炸，釀成事故。管道氣體流動可能產(chǎn)生靜電、員工不按規(guī)范操作、設(shè)備維修操作不當(dāng)?shù)裙に囘^程都可能成為加氣站火災(zāi)爆炸的安全隱患。

加氣站安全性二級指標(biāo)主要包括：儲氣裝置、泵、壓縮機、加氣機、槽車、員工操作、維修保養(yǎng)和管道八個指標(biāo)。

②加氣站環(huán)保性

加氣站施工及運營階段各種設(shè)備產(chǎn)生的噪聲、加氣車輛的汽車尾氣以及交通噪聲、生活污水、垃圾等對環(huán)境都產(chǎn)生很大的影響。機動車尾氣是城市大氣污染的主要來源之一，CO2是導(dǎo)致全球氣候變暖的主要原因，故機動車尾氣污染是建站所必須考慮的重要因素之一[6]。

加氣站環(huán)保性二級指標(biāo)主要包括：加氣車輛尾氣、加氣站運營設(shè)備噪聲、生活污水和垃圾以及儲罐氣體排放四個指標(biāo)。

③加氣站經(jīng)濟性

各類型的加氣站設(shè)備不同導(dǎo)致建站成本相差很大，氣源價格變化導(dǎo)致燃料購置成本不同，不同燃料類型的加氣站的燃料售價相差很大。故加氣站的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在建站成本、燃料購置成本和經(jīng)營成本等多個方面，同時也須考慮運輸企業(yè)在使用清潔燃料時產(chǎn)生的經(jīng)濟效益[7]。

加氣站經(jīng)濟性二級指標(biāo)主要包括：建站成本、購買氣價、銷售氣價、營運成本和加氣車輛燃料成本五個指標(biāo)。

2.2　指標(biāo)賦值及權(quán)重的確定

2．2．1評語賦值

將專家評語分為“差、較差、一般、較好、好”五個等級，并將這五個等級評語進行量化。將分值區(qū)間[0，100]相應(yīng)地分為五個等級區(qū)間，即[0，60)、[60，70)、[70，80)、[80，90)、[90，100]，F為5個等級區(qū)間的平均值組成的矩陣，即：

 

2．2．2評價指標(biāo)權(quán)重的確定

①構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)加氣站的優(yōu)化評價體系中建立的遞階層次結(jié)構(gòu)，在元素兩兩對比時，以S表示目標(biāo)，所支配的下一層元素為X1，X2，…，Xn，采用1-9標(biāo)度法可得到加氣站各級指標(biāo)的判斷矩陣：

A=(apq) n×n         (1)

式中A——加氣站各級指標(biāo)的判斷矩陣

apq——元素Xp與Xq相對于目標(biāo)的重要性的比例標(biāo)度(p≤n，q≤n)，apq越大，表示Xp比Xq的重要程度越高

②判斷矩陣A的特征向量(權(quán)重集)

采用幾何平均法求解特征向量，計算公式為：

 

式中wp——矩陣A的特征向量的第p個元素

③判斷矩陣A的最大特征值lmax

 

式中Pp——向量P的第p個元素

 

④一致性檢驗

在用層次分析法確定權(quán)重時，為了度量矩陣A中各元素apq的一致性，需計算一致性比率。引入一致性指標(biāo)C：

C=(lmax-n)/(n-1)      (5)

n階矩陣隨機指標(biāo)T見表3，根據(jù)表3查出隨機指標(biāo)T，計算一致性比率CR：

CR=C/T                (6)

如果CR<0.1，則矩陣A滿足一致性要求，否則應(yīng)修正apq值，直到滿足CR<0.1為止。

 

2.3　模糊綜合評價方法

本文采用單指標(biāo)量化—多指標(biāo)集成的評價方法對4種加氣站類型進行綜合評價[7-8]。

①單指標(biāo)量化

將一級指標(biāo)數(shù)量記為k，一級指標(biāo)的第i個二級指標(biāo)數(shù)量記為mi。一級指標(biāo)模糊綜合評判矩陣計算公式：

Bi=wiRi 　      　　   (7)

式中Bi——第i個一級指標(biāo)的模糊綜合評判矩陣(為1×15矩陣)

wi——第i個一級指標(biāo)的二級指標(biāo)的權(quán)重集(為1×mi矩陣)

Ri——第i個一級指標(biāo)的模糊綜合關(guān)系矩陣(為mi×5矩陣)

針對加氣站建站優(yōu)化的方案分析，邀請燃氣行業(yè)10位專家分別對這4種加氣站類型進行評價，將專家評語分為五個等級，即差、較差、一般、較好、好，統(tǒng)計各二級指標(biāo)各評語等級出現(xiàn)的比例，作為各一級指標(biāo)的模糊綜合關(guān)系矩陣Ri。Ri中元素Ruv表示第u個二級指標(biāo)獲得第v等級評語(”等于1～5分別對應(yīng)差、較差、一般、較好、好)的比例。

②多指標(biāo)集成

應(yīng)用線性加權(quán)法將一級指標(biāo)模糊綜合評判矩陣耦合為加氣站建站類型模糊綜合判斷矩陣。

 

式中B——加氣站建站類型的模糊綜合判斷矩陣(為1×5矩陣)

w——一級指數(shù)權(quán)重集(為1×k矩陣)

R——模糊綜合關(guān)系矩陣(為k×5矩陣)

③模糊綜合評價結(jié)果

加氣站建站類型優(yōu)化得分計算公式為：

Y=BF　　　　　　(10)

式中Y——加氣站建站類型優(yōu)化得分(為1×1矩陣)

第i個一級指標(biāo)的得分計算公式為：

Yi=BiF　　　　　    (11)

式中Yi——第i個一級指標(biāo)的得分(為1×1矩陣)

3　模糊綜合評價實例

本文以LNG加氣站的經(jīng)濟性評價實例說明加氣站類型模糊綜合評價的實現(xiàn)過程。

3.1　構(gòu)造判斷矩陣及權(quán)重賦值

通過對LNG加氣站設(shè)備和工藝流程的了解，在現(xiàn)場調(diào)查分析和咨詢有關(guān)專家的基礎(chǔ)上，根據(jù)專家打分結(jié)果構(gòu)造一級指標(biāo)判斷矩陣：

 

結(jié)合公式(2)，計算出矩陣A的特征向量(權(quán)重集)為w=(0.634，0.192，0.174)。根據(jù)公式(3)得最大特征值并進行一致性檢驗，一致性檢驗結(jié)果為：lmax=3.081，CR=0.07<0.10，通過一致性檢驗。

同理，根據(jù)1—9標(biāo)度法得到經(jīng)濟性二級指標(biāo)判斷矩陣A3：

 

根據(jù)公式(2)可得LNG加氣站的一級指標(biāo)經(jīng)濟性的二級指標(biāo)的權(quán)重集w3=(0.194，0.331，0.187，0.186，0.102)。同理可計算出安全性和環(huán)保性的二級指標(biāo)的權(quán)重集，計算結(jié)果見表4。

 

 

3.2　模糊綜合評價的計算

首先建立LNG加氣站一級指標(biāo)經(jīng)濟性的模糊綜合關(guān)系矩陣R3：

 

根據(jù)公式(7)可以得到其對應(yīng)的一級指標(biāo)經(jīng)濟性模糊綜合判斷矩陣B3=(0，0，0.0388，0.4322，0.5290)。同理，可分別求得其余兩個一級指標(biāo)模糊綜合評判矩陣B1和B2。根據(jù)公式(9)得到模糊綜合關(guān)系矩陣R：

 

綜合一級指標(biāo)權(quán)重集，根據(jù)公式(8)得LNG加氣站的模糊綜合判斷矩陣BLNG：

BLNG=(0，0.0111，0.0518，0.3524，0.5847)

同理可得LPG加氣站、CNG常規(guī)加氣站、LNG／L-CNG合建站的模糊綜合判斷矩陣BLPG、BCNG、BLNG/L-CNG：

BLPG=(0.1400，0.0156，0.0709，0.2877，0.4859)

BCNG=(0.0646，0.2817，0.1757，0.1773，0.3007)

BLNG/L-CNG=(0.0646，0.0540，0.0892，0.3534，0.4388)。

3.3　模糊綜合評價結(jié)果

根據(jù)公式(11)計算得到LNG加氣站的安全性指標(biāo)得分為91.35，環(huán)保性指標(biāo)得分為86.15，經(jīng)濟性指標(biāo)得分為89.9。根據(jù)公式(10)計算得到LNG加氣站建站類型優(yōu)化得分為89.18。同理可計算出其余3種加氣站各項一級指標(biāo)得分及建站類型優(yōu)化得分，見表5。

 

由表5可知，在安全性方面：LPG加氣站>LNG加氣站>LNG／L-CNG合建站>CNG常規(guī)加氣站；環(huán)保性方面：LNG加氣站>LNG／L-CNG合建站>CNG常規(guī)加氣站>LPG加氣站；經(jīng)濟性方面：LNG加氣站>CNG常規(guī)加氣站>LNG／L-CNG合建站>LPG加氣站。根據(jù)建站類型優(yōu)化得分，得出珠三角燃氣汽車加氣站建站類型模糊綜合評價結(jié)果為：LNG加氣站最好，LNG／L-CNG合建站次之，LPG加氣站較好，CNG常規(guī)加氣站最差。

4　結(jié)論與建議

①CNG常規(guī)加氣站因受城市天然氣管網(wǎng)的影響較大，且不能給LNG汽車加氣，因此無法完全滿足加氣車輛的需求；LPG加氣站在提高城市空氣質(zhì)量、加氣車輛燃料節(jié)約成本等方面達不到交通運輸公司和政府的要求。因此綜合考慮安全、環(huán)保及經(jīng)濟幾個要素，得出LNG加氣站綜合性能最好。

②由于LNG／L-CNG合建站的造價高，對資金需求量較大，又鑒于珠江三角洲地區(qū)CNG汽車保有量比較大的實際情況，可以先建設(shè)LNG加氣站，當(dāng)城市CNG汽車數(shù)量增加時，在原有的LNG加氣站內(nèi)加裝相關(guān)設(shè)備以實現(xiàn)給CNG汽車加氣。

 

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本文作者：陳茂梅　方江敏　吳俊航

作者單位：華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院