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 浅谈LNG汽车加与示范站设计
前言：2003年5月28日，国家科技部就“十五”国家科技攻关计划“清洁汽车关键技术研究开发及示范应用”项目进行了批复。批文中明确了要实施“单燃料 LNG公交车示范工程”2个，分别由新疆广汇实业股份有限公司和长沙市液化石油气总公司组织实施。我公司受委托，承担了该2个LNG公交车加气示范站的全 套设计。目前，2个LNG加气示范站均投产运行，各项科研指标正在进行测试，现就LNG加气站的设计作一下探讨。
一、LNG加气站工艺流程设计
LNG加气站的工艺流程分四个步骤：卸车流程、调压流程、加气流程、卸压流程
1)卸车流程：
把集装箱或汽车槽车内的LNG转移至LNG加气站储罐内。此过程可以通过三种方式实现。(1)通过卸车增压器卸车(2)通过浸没式加气泵卸车(3)通过增压器和泵联合卸车。本加气示范站采用第三种方式。选用设备规格为：卸车增压器200Nm3/h，
浸没式泵流量40～200l/min，压力0.2～1.2Mpa。实际工作时卸一台标准集装箱的时间约为1.8小时。该方式优点是缩短了卸车时间，缺点是 耗能、在卸液快完时如不注意泵容易遭损害、工艺流程相对复杂。笔者认为：三种卸车方式中应首选第一种，采用储罐上、下进液同时进行的方式。该方式优点是： 简单、不耗能。缺点是卸车时间长，卸一台标准集装箱时间约为2.5～3.0小时。建议在加气站场地许可的情况下，加大卸车增压器。如选用300NmVh的 卸车增压器，则卸一台标准集装箱的时间约为2.0小时。第二种卸车方式不建议采用。
2)调压流程：
由于目前汽车上的车载瓶本身不带增压器，因此车载瓶中的液体必须是饱和液体。为此在给汽车加液之前首先对储罐中的LNG进行调压，使之成为饱和 液体方可给汽车加气。调压方式也有三种。(1)通过储罐压力调节器调压(2)通过泵低速循环进行调压(3)通过储罐压力调节器与泵低速循环联合使用进行调 压。第一种方式优点是工艺、设备简单、不耗能。缺点是调压时间长。LNG加气站储罐调压与LNG气化站储罐调压原理不同，LNG气化站储罐调压采用气相调 压，目的是只要得到所需压力的LNG即可。而LNG加气站储罐调压是要得到一定压力的饱和液体，只能进行液相调压。故采用同规格的压力调节器对同样的储罐 调节同样的压力需要的时间却大不一样。实际工作时测得：采用200Nm讥的压力调节器对50m3的储罐调节饱和液体压力，达到0.5Mpa时所需时间为 8～10小时，依外界气候的温度不同而异。这对汽车加气带来很大不便。储罐调压应采用第三种方式较为合理，并且压力调节器应有备用，可能的话还应增大其规 格。这样，虽然增加了投资、能耗，但大大缩短了调压时间，理论上计算可在3.0～4.0小时实现，从而确保加气时间。如单采用第二种方式其调压时间仍为偏 长。
3)加气流程：
储罐中的饱和液体LNG通过泵加压后由加气枪给汽车加气，加气压力为1.6Mpa。在给车载瓶加气前首先应给车载瓶卸压，通过回气口回收车载瓶中余气。目 前，该部分气进行放空处理。建议在以后的加气站中，增设车载瓶到储罐气相的回流管，同时设计量装置，便于对车载瓶中余气进行回收和计量。
4)卸压流程：在给储罐调压过程中，储罐中的液体同时在不断的蒸发和气化，这部分气化了的气体如不及时排出，储罐压力会 越来越大，当储罐压力大于设定值时，相关阀门打开，释放储罐中的气体，降低压力，保证储罐安全。目前，该部分气体进行放空处理。建议在以后的加气站中，该 部分气体通过调压后送人附近市政管网系统。
二、LNG加气站设计依据规范
目前，国内还未出台LNG的相关设计、施工和验收规范，在LNG气化站设计中，行业普遍认可的是参照LPG相关规范。其理论依据是基于LNG和LPG的特性参数。LNG的主要成分为CH4，LPG的主要成分为C3H6、C4Hs，二者的特性参数比较见下表：
由此可见，同样条件下，LPG要比LNG危险性
密度(Kg／Nm3) 爆炸极限(％) 低热值(MJ) 着火点(℃) 点火能(KJ) 燃烧速度(m／s) 燃烧温度(℃)
CH4 0.7174 5～15 35.906 632 0.29 0.38 1980
C3H8 2.0102 2.1～9.5 93.240 450 0.27 0.42 2300
C4H10 2.7030 1.5～8.5 123.65 365 0.27 0.38 2080
大。同时LNG处于-162℃的深冷、常压储存状态，规范中参照执行的LPG是处于常温、压力储存状态，因此LNG与LPG比较，在理论上是较为安全的。
而在LNG汽车加气站设计中，如与LNG气化站一样，参照LPG的相关规范，这在寸土寸金的市区建设LNG加气站没有占地上的优势，而且，本站 作为示范站，其意义就是将来为制定LNG加气站设计规范提供理论和实践上的依据，如仍套用LPG的相关规范，则失去了其示范的意义。因此，本加气站设计在 保证工艺技术和设备技术安全可靠的前提下，吸取国外的设计理念，在征得有关消防部门的同意后，采用美国消防协会《液化天然气(LNG)生产、储存和装卸标 准》NFPA59A-2001和《汽车用液化天然气(LNG)供气系统标准》NFPA57-1999的标准。加气站储罐与建构筑的安全间距见下表：
项目 安全间距(m)
50Nm3储罐与建构筑物 7.60
储罐与站区围墙 3.0
储罐与卸车接头 0.46
根据上表的安全间距，一座满足50～100辆公交车日加气的LNG汽车加气站占地面积在800～1000m2之间(依据实际地形布置)。长沙和乌鲁木齐的二个加气站占地均约为800m2。
三、与CNG汽车、LPG汽车比较
CNG发展历史长，技术成熟，本身具有环保性能好、燃料经济、安全实用等优点，因此发展很快，但一些固有缺陷又严重制约着其规模发展。首先是车用钢瓶自身 重量大、燃料能量密度低，一次携带燃料不多，几乎每天都要加气；其次，CNG加气站占地多、投资大，一座满足100辆车加气的压缩站一般占地 2000～3000平方米，且与周围的安全间距要求大。同时CNG站投资300～500万元甚至更高，且加气站有机器噪声；再有压缩天然气加气站不能远离 天然气管网，也制约着CNG加气站的发展，虽然可以通过建设子母站的形式来部分解决市内车辆加气问题，但需要增加二次压缩和运输成本，在经济上不是很理 想。大型CNG转运拖车在市区的运行也受到限制。LPG排放效果较差，而且LPG价格相对天然气来讲要高，因此LNG是比较理想的天然气汽车燃料。
由LNG的性质，可以看出它作为车用燃料还有如下的特点和优势：
1)能量密度大
汽车续驶里程长，同样容积的 LNG车用储罐装载的天然气是CNG储气瓶的2.5倍。目前国外大型LNG货车一次加气可连续行驶1000～1300km，非常适合长途运输的需要。国内 410升钢瓶加气一次在市区可连续行驶约400km，在高速公路加气一次可连续行驶约700Km以上。
2)运输方便
由于是液态，LNG便于经济可靠地远距离运输，建设CNG汽车加气站不受天然气管网的制约。在陆上，通常用20～50m3(相当于12000～30000N m3天然气)的汽车槽车象运输汽油，柴油那样将LNG远送到LNG汽车加气站，也可根据需要用火车槽车。在海上，通常用大至12～13万m3的 LNG轮船，进行长途运输。
3)组分纯，排放性能好，有利于减少污染，保护环境
LNG由于脱除了硫和水分，其组成比CNG更纯净，因而LNG汽车的排放性能要优于CNG汽车。与燃油车相比，LNG汽车的有害排放降低约85%左右，被称为真正的环保汽车。
4)安全性能好
LNG的燃点为650℃，比汽柴油、 LPG的燃点高，点火能也高于汽柴油、LPG，所以比汽柴油、LPG更难点燃，LNG的爆炸极限为5～15%，且气化后密度很低，只有空气的一半左右，因 而稍有泄漏即挥发扩散，而LPG的爆炸极限为2.4～9.5%，燃点为466℃，且气化后密度大于空气，泄漏后不易挥发，汽油爆炸极限为 1.0～7.6%，燃点为427℃，柴油爆炸极限为0.5～4.1，燃点为260℃，由此可见， LNG汽车比LPG、汽油、柴油汽车更安全。
3、价格分析
1)LNG价格
根据用户与资源供应地的实际地理位置，LNG的陆上运输距离大体可分为近距离(200km以内)，中远距离(200-1000km)、远距离(1000～3000km)，与此相对应的LNG运输价格相应约为0.3元/Nm3，0.7元/N m3、0.9元/N m3。这是对公路运输而言，如采用铁路运输，则远距离运输价格可大大降低。
2)LNG汽车经济性
根据天然气燃烧特性和运行试验结果，1Nm3的天然气的行驶里程等效于1.2升燃油，目前汽柴油价格在3.45-4.0元／升之间，如天然气零售价按3.0元/N m3计算时，使用LNG作燃料比燃油便宜27.5%～34.2%。
每车按年运行60000～80000km计算时，中型车耗油约13200～17600升，大型车耗油20400～27200升，以当前油价计算，使用 LNG时分别可节约燃料费为14761～19682元和22813～30418元，汽车行驶路程越长，则越节约燃料费用。
LNG汽车改装件投资略高于CNG汽车，若采用国产储罐改装件，中型车投资约为2.5万元，重型车约为3.5万元，则改车投资回收期约为 1.4～2.0年。根据天然气汽车的特点，使用天然气时还可延长发动机寿命，降低发动机的维修费用50%以上，因此 LNG汽车的实际投资回收期比上述投资回收期短30%，一般在投用1.5年之内即可收回投资。
3)LNG加气站效益初步分析
LNG汽车加气站规模可大可小，投资额差异大，以一座日售气2.2 x104N m3LNG(年售气800×104N m3)加气站为例，如以采用国产设备为主，总投资约420万元(不含征地费、常规地质情况)，年耗动力约3万kW，人员为8人(与加油站合建时人可不增加)。则年总经营成本约为2081万元，当LNG进价与零售价价差保持0.40元/N m3时，年利润约为154(税后)万元，约2.7年可收回投资(税后)。
综上所述，LNG汽车具有经济、安全、环保、适用、方便、机动等优势，是天然气汽车的发展方向，同时也是城市规模化发展天然气汽车的理想途径。
四、问题和结论
1)由于国内规范的滞后性，目前，LNG汽车加气站执行《液化天然气(LNG)生产、储存和装卸标准》 NFPA59A-2001和《汽车用液化天然气(LNG)供气系统标准》NFPA57-1999的标准有很大难度，需做不少协调工作。
2)由于二个LNG加气站调试运行的时间还不长，故本文中的一些试验数据随着进一步的调试运行可能会有变化。
3)根据二个加气示范站的试验效果，国产LNG加气机的质量有待提高，同时需做进一步的研发工作。
4)根据二个加气示范站的试验效果，LNG汽车最适用于600Km范围内的城市区间车运行，其次适用于城市公交车运行。
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