陳夢(mèng)溪

(四川省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限公司，四川成都，610048)

2021年7月2日，國(guó)家住建部發(fā)布了新版的GB50156《加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(下稱(chēng)《標(biāo)準(zhǔn)》)，并將于2021年10月1日正式實(shí)施，原GB50156-2012《加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》同時(shí)廢止。《標(biāo)準(zhǔn)》新增了汽車(chē)加氫站、充電站與加油加氣站的合建規(guī)定，將CNG加氣站壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣裝置最高工作壓力從原規(guī)范的25MPa提高到40MPa；加氣機(jī)額定工作壓力從原規(guī)范的“不應(yīng)大于20MPa”，提高到“不應(yīng)大于35MPa”。筆者及其所在單位長(zhǎng)期從事各類(lèi)汽車(chē)加氣站、加油站設(shè)計(jì)和施工，承攬了1000多座CNG加氣站的設(shè)計(jì)和建設(shè)，對(duì)CNG加氣站和CNG汽車(chē)的壓力提升問(wèn)題，做了一些研究和思考，現(xiàn)就此與業(yè)內(nèi)同行共同分享與探討。

1 CNG行業(yè)當(dāng)前發(fā)展態(tài)勢(shì)

我國(guó)四川省早在上世紀(jì)六十年代就開(kāi)始用車(chē)頂安裝橡膠氣囊的方式，將天然氣作為汽車(chē)燃料使用；上世紀(jì)七十年代意大利有了鋼瓶充裝壓縮天然氣作為汽車(chē)燃料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。截至2020年底，在全球范圍內(nèi)，有2800余萬(wàn)輛壓縮天然氣汽車(chē)(CNGV)在運(yùn)行，我國(guó)的CNGV達(dá)632萬(wàn)輛，而含液化天然氣汽車(chē)(LNGV)在內(nèi)的天然氣汽車(chē)(NGV)總數(shù)達(dá)700余萬(wàn)輛。

國(guó)際能源署(International Energy Agency)將包括各類(lèi)燃?xì)馄?chē)和新能源汽車(chē)在內(nèi)的新型燃料汽車(chē)均定義的先進(jìn)燃料汽車(chē)(Advanced Auto-Fuel)。就行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)來(lái)看，目前天然氣汽車(chē)(NGV)的發(fā)展受到電動(dòng)汽車(chē)(EV)或新能源汽車(chē)(NEV)的強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)。電動(dòng)汽車(chē)以其無(wú)尾氣排放、充電樁建設(shè)簡(jiǎn)便和高額的政策補(bǔ)貼，迅速占領(lǐng)大片市場(chǎng)。在天然氣汽車(chē)(NGV)隊(duì)伍中，液化天然氣汽車(chē)(LNGV)又以其高能量密度在重載長(zhǎng)途車(chē)市場(chǎng)獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。CNGV雖然運(yùn)行和改裝成本較低，但其續(xù)駛里程短，單次加氣只能行駛200km左右，進(jìn)而在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。由于幾種先進(jìn)燃料汽車(chē)在環(huán)保領(lǐng)域相互存在較大爭(zhēng)議，本文暫不對(duì)它們的環(huán)保性能做評(píng)論，僅討論技術(shù)和市場(chǎng)問(wèn)題。因此，要增加CNGV的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，提高續(xù)駛里程就成為一個(gè)重要的選項(xiàng)。而要提高續(xù)駛里程，主要有增加車(chē)載氣瓶容積和提高儲(chǔ)氣壓力兩種方式。

現(xiàn)在普遍使用的CNG-3型氣瓶，在普通小客車(chē)的后備箱能安裝的最大容積一般只有90L，在最高充裝壓力20MPa工況、不考慮溫度和壓縮系數(shù)的情況下，理論上可充裝18Nm3天然氣，單次加氣續(xù)駛里程最多220 km—230km。而當(dāng)充裝壓力提高到35MPa時(shí)，則可以充裝31.5Nm3天然氣，增量75%，測(cè)算續(xù)駛里程可以達(dá)到430km以上。這將大大減少充氣時(shí)間，提高運(yùn)營(yíng)效率。下面具體闡述了這樣做在技術(shù)上的依據(jù)以及在經(jīng)濟(jì)上的可行性。

2 提高CNGV工作壓力和加氣站充裝壓力的技術(shù)依據(jù)

技術(shù)依據(jù)主要包括兩方面：一是天然氣的壓縮特性，二是車(chē)載氣瓶和加氣站工藝是否具有可操作性。

2.1 天然氣的壓縮特性

(1)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：GB18047-2017《車(chē)用壓縮天然氣》 ；GB/T33215-2016《氣瓶安全泄壓裝置》“附錄A 高壓氣體的壓縮系數(shù)計(jì)算方法”。

(2)采用方法：一是采用《天然氣工程手冊(cè)》(2012年修訂版，下稱(chēng)《手冊(cè)》)中的氣態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算；二是利用美國(guó)氣體協(xié)會(huì)(American Gas Association)公布的有關(guān)天然氣壓力(P)、溫度(T)、體積(V)關(guān)系的研究成果進(jìn)行分析。

(3)對(duì)天然氣在壓縮過(guò)程中的溫升，將另行專(zhuān)題研究，并采取有效冷卻措施加以應(yīng)對(duì)，本文不作討論。

2.1.1 利用氣態(tài)方程分析CNG的壓力和密度

利用氣態(tài)方程來(lái)分析氣體的壓力、體積和溫度的變化規(guī)律，將氣體分為理想氣體和真實(shí)氣體兩種狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算；兩種氣體的關(guān)系用氣體“壓縮系數(shù)Z”(也稱(chēng)偏差系數(shù)、壓縮因子或Z因子)來(lái)描述?！妒謨?cè)》中描述這一比例關(guān)系的氣體狀態(tài)方程為：

理想氣體狀態(tài)方程：PV=nRT

(1)

真實(shí)氣體狀態(tài)方程：PV=ZnRT

(2)

式中：P——?dú)怏w壓力，atm；V——?dú)怏w的體積，L；n——?dú)怏w的摩爾數(shù)，mol；R——?dú)怏w常數(shù)，0.08206，atm·L；T——絕對(duì)溫度，K；Z——壓縮系數(shù)。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，在此采用純甲烷進(jìn)行測(cè)算。根據(jù)甲烷的臨界參數(shù)及沸點(diǎn)(其壓力修正系數(shù)θ=0.005393929)計(jì)算出甲烷在20℃、壓力從20MPa提升至40MPa時(shí)(間隔2.5MPa)，其壓力、密度、壓升效率的變化與對(duì)比關(guān)系，詳見(jiàn)圖1。

圖1 壓力從20MPa升至40MPa甲烷密度和壓升效率的變化(基準(zhǔn)溫度20℃)

其中，壓力提升效率(Y，簡(jiǎn)稱(chēng)壓升效率)是在本項(xiàng)研究中，為更直觀(guān)顯示CNG壓力與密度變化規(guī)律引入的一個(gè)新參數(shù)。其數(shù)值為天然氣在特定溫度下的壓力，從某一基數(shù)(P1)提升至更高壓力(P2)時(shí)，其密度提高比例(M)除以壓力提高比例(N)的商數(shù)；其計(jì)算公式為：Y=M/N。壓升效率(Y)反映了在特定溫度下，壓力提升后密度增加的效率；其數(shù)值與基數(shù)P1密切相關(guān)，在同一壓力下，壓力提升效率隨基數(shù)的選擇而變化，但其反映的規(guī)律性相同。

2.1.2 利用美國(guó)氣體協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)分析CNG的壓力和密度

美國(guó)氣體協(xié)會(huì)(American Gas Association)推出的《常見(jiàn)壓縮氣體的溫升壓力和密度》數(shù)據(jù)表，比較詳細(xì)地描述了包括天然氣在內(nèi)的多種氣體壓力與密度的變化規(guī)律。選擇其中四種組分、具有代表性的天然氣數(shù)據(jù)，用以分析天然氣的壓縮特性。為敘述方便，將四種氣體編號(hào)為1#氣、2#氣、3#氣、4#氣，其基本物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 四組天然氣的組分及其摩爾百分?jǐn)?shù)

從圖2可知，天然氣在20℃、從5MPa升至50MPa的過(guò)程中，密度及壓力遞增的數(shù)據(jù)，可以看出天然氣在壓縮過(guò)程中呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

圖2 四種組分的天然氣在環(huán)境溫度20℃、壓力從5MPa提高至50MPa時(shí)的密度變化

(1)天然氣的密度與組分密切相關(guān)。天然氣的密度隨甲烷的比例增加而下降，純甲烷的密度最低。例如，1#氣和2#氣、3#氣和4#氣的甲烷密度相近，兩組氣體的壓力-密度曲線(xiàn)幾乎重疊；1#氣甲烷含量比4#氣高近8%，但在5MPa—50MPa區(qū)間，其密度比4#氣低12%—10%。

(2)天然氣的密度隨壓力升高呈非線(xiàn)性增加。四種組分的天然氣壓縮過(guò)程都呈現(xiàn)這一特點(diǎn)。例如1#氣和4#氣，密度隨壓力提高逐步增加，但增加的幅度逐步下降：在壓力達(dá)到50MPa時(shí)，壓力提高了9倍，密度僅分別提高了5.69倍和6.52倍。壓力以20MPa為基數(shù)，提高至25、30、35、40MPa時(shí)，密度隨壓力的變化呈現(xiàn)相同的規(guī)律：壓力分別增長(zhǎng)了25%、50%、75%、100%，密度分別提高了18.8%、34.4%、44.5%、44.7%，但壓升效率卻從25MPa的75.2%逐步下降到68.9%、59.4%、44.7%。

由此，我們可以認(rèn)為：車(chē)載氣瓶壓力從20MPa限值提升至35MPa時(shí)，天然氣密度增加了44.5%，此后的40MPa，已經(jīng)幾乎沒(méi)有增加。選擇35MPa作為車(chē)載氣瓶壓力限值是比較恰當(dāng)?shù)摹?/p>

2.2 加氣站工藝的可操作性

2.2.1 現(xiàn)有25MPa排氣壓力的加氣站

現(xiàn)有加氣站工藝流程可以保持不變，只需增加1組壓縮機(jī)橇，從現(xiàn)有儲(chǔ)氣設(shè)施的中、高壓組取氣，即可增壓至40MPa，如圖3所示。

圖3 25MPa加氣站改造成40MPa加氣站工藝流程示意圖

2.2.2 新建CNG加氣站

若要兼顧25MPa和40MPa兩個(gè)排氣壓力，則仍沿用圖3的流程。根據(jù)市場(chǎng)發(fā)展情況，若不需要兼顧現(xiàn)有20MPa工作壓力的CNGV，則直接將壓縮機(jī)設(shè)置為40MPa，排氣、儲(chǔ)氣裝置最大工作壓力設(shè)計(jì)為40MPa即可。

目前，國(guó)內(nèi)主要的CNG壓縮機(jī)制造企業(yè)都可生產(chǎn)45MPa以上排氣壓力的天然氣壓縮機(jī)，技術(shù)上已無(wú)障礙，但需各企業(yè)自行制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。儲(chǔ)氣井和儲(chǔ)氣瓶組已有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)上也無(wú)障礙；同時(shí)，加氣機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布，滿(mǎn)足額定工作壓力35MPa要求，且骨干企業(yè)已投產(chǎn)的氫氣壓縮機(jī)，其壓力已達(dá)70MPa和35MPa兩個(gè)等級(jí)。

3 對(duì)車(chē)輛和加氣站的技術(shù)經(jīng)濟(jì)影響

3.1 對(duì)車(chē)輛的影響

經(jīng)咨詢(xún)業(yè)內(nèi)骨干氣瓶生產(chǎn)廠(chǎng)家得知：現(xiàn)有20MPa的CNG-3型瓶，置換成35MPa時(shí)，初期預(yù)測(cè)成本將增加4倍，以85L的CNG-2型瓶現(xiàn)售價(jià)1400元/只進(jìn)行測(cè)算，改成35MPa工作壓力后，價(jià)格將為7000元/只左右，但后期批量化生產(chǎn)后，成本預(yù)計(jì)可降至6500元/只左右。目前小型乘用車(chē)改裝成本在6000—8000元/輛，增壓后約為1.3—1.5萬(wàn)元/輛，且很可能將全是OEM原廠(chǎng)改裝。續(xù)駛里程則可從當(dāng)前的200km左右增加至430km左右。對(duì)城市出租車(chē)而言，則每天還能減少2次加氣的時(shí)間和往返加氣站的路程。

公交大巴車(chē)主要使用的120L氣瓶，CNG-2型環(huán)繞瓶目前市場(chǎng)價(jià)格為1800元/只，改為35MPa后，預(yù)測(cè)CNG-3型全繞瓶?jī)r(jià)格為9000元/只，假設(shè)每輛車(chē)安裝6只氣瓶，則成本增加43200元，整車(chē)改裝費(fèi)用偏大，與LNGV相比，不具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但仍比新能源大巴便宜很多。在新能源汽車(chē)政策強(qiáng)勢(shì)推動(dòng)之下，目前全國(guó)范圍內(nèi)僅有10%左右的公交大巴車(chē)仍在使用CNG燃料。

3.2 對(duì)加氣站的影響

現(xiàn)有25MPa排氣壓力的CNG加氣站，通過(guò)再增加一組37kW小型壓縮機(jī)橇，進(jìn)氣壓力15 MPa—22MPa，則排氣可達(dá)40MPa，500Nm3/h。壓縮機(jī)橇體可自帶1m3儲(chǔ)氣罐。加氣站增加設(shè)備費(fèi)用預(yù)計(jì)在150萬(wàn)元左右，占地8—10m2。主要壓縮機(jī)廠(chǎng)家可以在1—2個(gè)月內(nèi)供貨。經(jīng)筆者對(duì)成都市幾座加氣站的調(diào)研來(lái)看，加氣站普遍有較高積極性。

4 結(jié)論和建議

在全球氣候急劇變暖的大背景下，我國(guó)提出2030年左右二氧化碳排放量達(dá)到峰值，2060年左右實(shí)現(xiàn)碳中和。交通領(lǐng)域碳排放在全球范圍內(nèi)占總排放量(510億噸)的30%以上。雖然天然氣還是化石能源，但它是一次能源中的低碳清潔能源。由此，筆者建議如下：

(1)雖然天然氣汽車(chē)的尾氣排放指標(biāo)不能與二次能源驅(qū)動(dòng)的新能源汽車(chē)相比，但就全生命周期的清潔化來(lái)看，它仍然比煤電(占我國(guó)發(fā)電量的56.4%)驅(qū)動(dòng)的新能源汽車(chē)更清潔，在最終實(shí)現(xiàn)碳中和之前，它是一個(gè)較好的替代燃料(Alternative Fuel)。我國(guó)的天然氣汽車(chē)數(shù)量居全球之首，具有顯著的技術(shù)和發(fā)展經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)。緊隨其后的伊朗(450萬(wàn)輛)、印度(330萬(wàn)輛)、巴基斯坦(300萬(wàn)輛)、巴西(186萬(wàn)輛)等國(guó)，對(duì)產(chǎn)自我國(guó)的設(shè)備擁有較大的興趣。我們應(yīng)積極穩(wěn)妥發(fā)展天然氣汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，依靠技術(shù)進(jìn)步，以國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)和全生命周期的碳排放量作為考核指標(biāo)，將天然氣汽車(chē)與燃油汽車(chē)、新能源汽車(chē)和各類(lèi)先進(jìn)燃料汽車(chē)放在同一市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)下競(jìng)技，促進(jìn)清潔汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的健康高質(zhì)量發(fā)展。

(2)提高CNG汽車(chē)額定工作壓力，是提高CNG汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程、增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的有益嘗試。在氫燃料電池汽車(chē)已經(jīng)成功推出70MPa和35MPa車(chē)載儲(chǔ)氫氣瓶的技術(shù)背景下，提高CNG儲(chǔ)氣瓶工作壓力到35MPa，在技術(shù)上已不存在障礙。建議有關(guān)政府部門(mén)，在政策上進(jìn)一步加大對(duì)相關(guān)行業(yè)協(xié)會(huì)和CNG業(yè)內(nèi)企業(yè)的支持，促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。