天然氣汽車加氣站規(guī)劃方法研究

賈文磊，張?jiān)鰟?，田貫三，王國?/p>

(1.山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101;2.山東建筑大學(xué) 山東省建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101;3.山東建筑大學(xué)可再生能源建筑利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城鎮(zhèn)市政公用基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模逐步擴(kuò)大，城鎮(zhèn)燃?xì)馐聵I(yè)也隨之逐漸成熟。燃?xì)夤庠O(shè)施是城鎮(zhèn)重要的市政基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是城鎮(zhèn)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。城鎮(zhèn)燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃是城市建設(shè)規(guī)劃中的一個重要組成部分[1]，天然氣汽車加氣站規(guī)劃為城鎮(zhèn)燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃的主要內(nèi)容之一。天然氣汽車加氣站規(guī)劃不僅要符合城市總體規(guī)劃的要求，還要確保安全、保障汽車用氣供應(yīng)、滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展和改善大氣環(huán)境質(zhì)量。天然氣汽車加氣站規(guī)劃需要對天然氣汽車的燃?xì)庑枨罂偭窟M(jìn)行科學(xué)預(yù)測，因地制宜的確定適應(yīng)當(dāng)?shù)氐奶烊粴馄嚰託庹绢愋?需要根據(jù)汽車燃?xì)庑枨罅縼泶_定天然氣汽車加氣站的數(shù)量和規(guī)模;同時也需要統(tǒng)籌考慮資源、交通和服務(wù)利用等因素對天然氣加氣站的布局選址進(jìn)行合理規(guī)劃。筆者根據(jù)參與編制《山東省CNG、LNG專項(xiàng)規(guī)劃》以及東營市、濟(jì)寧市、高唐縣、寧陽縣等地的燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合以上幾個實(shí)例對城鎮(zhèn)燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃中天然氣汽車加氣站的規(guī)劃編制方法進(jìn)行了初步的分析研究。

1 天然氣汽車加氣站發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題

天然氣汽車是以天然氣作為燃料的汽車，按照天然氣的化學(xué)成分和形態(tài)，可分為壓縮天然氣(CNG)汽車和液化天然氣(LNG)汽車2種。天然氣汽車的優(yōu)勢體現(xiàn)在環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性上，天然氣汽車與燃油汽車相比，是一種理想的低污染車，它的尾氣排放中HC，CO，NOx等含量都大大下降，而且沒有鉛污染[2]。從經(jīng)濟(jì)性能上看，1m3的天然氣的熱能含量相當(dāng)于1.13L汽油的當(dāng)量，就其經(jīng)濟(jì)性而言，燃?xì)獗热加偷娜剂铣杀疽蚚3]。天然氣汽車與電動汽車相比，天然氣汽車的續(xù)駛里程更長。正是由于以上優(yōu)勢，近年來天然氣汽車在我國得到大力推廣，尤其是在城市公共交通和出租汽車上得到大規(guī)模的應(yīng)用。根據(jù)中國天然氣汽車市場發(fā)展報告，我國天然氣汽車重點(diǎn)推廣城市天然氣汽車保有量的近年增長數(shù)據(jù)見圖1，由圖可知2009年天然氣汽車保有量就達(dá)2005年數(shù)量的2倍還多。根據(jù)國際天然氣汽車協(xié)會統(tǒng)計，截至2009年底，我國已在近30個省、市、自治區(qū)的80多個城市推廣了天然氣汽車，擁有天然氣汽車約45萬輛，加氣站870余座。

圖1 我國天然氣汽車重點(diǎn)推廣城市天然氣汽車保有量增長趨勢

目前國內(nèi)天然氣汽車保有量和天然氣汽車加氣站數(shù)量迅速增加，天然氣汽車市場快速發(fā)展的同時存在諸多問題。首先是我國天然氣汽車加氣站網(wǎng)絡(luò)體系尚不完善，相對于天然氣汽車的改裝速度，加氣站建設(shè)速度明顯滯后。隨著油價的持續(xù)上漲，天然氣汽車的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢愈發(fā)明顯，特別是營利性的出租車基本全部改裝為加氣車，導(dǎo)致加氣站系統(tǒng)的緊缺。其次天然氣汽車加氣站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理，加氣站數(shù)量和規(guī)模之間不能協(xié)調(diào)。由國際天然氣汽車協(xié)會官方網(wǎng)站提供的表1可以看出，相對于其他天然氣汽車發(fā)展較為充分的國家，我國加氣站總體數(shù)量并不少，但是地區(qū)之間分布不均衡，加氣站規(guī)模的大小與分布密度之間不能協(xié)調(diào)，導(dǎo)致一些城市出現(xiàn)了出租車排隊(duì)加氣隊(duì)伍長達(dá)幾千米的現(xiàn)象。而同時中小城鎮(zhèn)的一些加氣站建設(shè)盲目求大求全，加氣站往往不能滿負(fù)荷運(yùn)行，無法發(fā)揮其最大的經(jīng)濟(jì)效益。

表1 我國與部分國家天然氣汽車及加氣站數(shù)量統(tǒng)計對比

再次一些城鎮(zhèn)的天然氣汽車加氣站規(guī)劃落后于加氣站建設(shè)，相關(guān)政府管理部門對加氣站選址審批無依據(jù)可循，導(dǎo)致現(xiàn)狀加氣站盲目選址，布局混亂，市場經(jīng)營效益不佳而且存在一定的安全隱患。另外，天然氣加氣站種類單一，我國現(xiàn)狀天然氣加氣站以CNG加氣站為主，LNG加氣站和L-CNG加氣站數(shù)量過少，無法滿足長距離運(yùn)輸?shù)闹匦推嚨募託庖?，沒有充分發(fā)揮LNG汽車的優(yōu)勢，限制了LNG汽車的發(fā)展。要解決以上諸多問題，最根本的就是要做到規(guī)劃先行，做好天然氣汽車加氣站規(guī)劃為天然氣汽車事業(yè)的發(fā)展提供科學(xué)合理的依據(jù)。

2 天然氣汽車加氣站規(guī)劃方法

天然氣汽車加氣站分為CNG加氣站、LNG加氣站和L-CNG加氣站[4]。其中根據(jù)站區(qū)現(xiàn)場或附近是否有管線天然氣，CNG加氣站一般又可分為常規(guī)站、母站和子站3種類型[5]。在城鎮(zhèn)燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃中，加氣站類型的選擇一般是建立在燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的基礎(chǔ)之上，根據(jù)城市總體規(guī)劃的要求，結(jié)合城市性質(zhì)、交通、地理位置等具體因素，綜合考慮各類加氣站的特點(diǎn)，選定最合適的加氣站類型。天然氣汽車加氣站數(shù)量和規(guī)模要根據(jù)汽車天然氣用氣負(fù)荷來確定。天然氣汽車用戶的用氣需求預(yù)測包括汽車用戶耗熱定額的確定和燃?xì)馄嚤Ｓ辛考皻饣暑A(yù)測。在加氣站類型、數(shù)量和規(guī)模都確定后，需要進(jìn)行選址布局，最終形成完善的加氣站網(wǎng)絡(luò)。天然氣汽車加氣站規(guī)劃的一般流程見圖2所示。

2.1 天然氣汽車加氣站類型的選擇

2.1.1 各種加氣站的特點(diǎn)及適用范圍

加氣母站在城市門站、儲配站或天然氣高壓主管道上取氣，氣源穩(wěn)定且壓力波動小，不受工業(yè)、民用天然氣用戶用氣的影響;加氣子站基本沒有土建工程，設(shè)備采用撬裝設(shè)備，搬遷容易，受土地資源約束小，占地少，容易在市區(qū)內(nèi)選址;加氣常規(guī)站購氣價格低有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，LNG加氣站則對重型長途運(yùn)輸車非常適用。各種加氣站的特點(diǎn)見表2所示[6]。

圖2 天然氣汽車加氣站規(guī)劃的一般流程

表2 各種加氣站特點(diǎn)比較

2.1.2 根據(jù)城市性質(zhì)選擇加氣站類型

城市加氣站類型的選擇需要根據(jù)城市的性質(zhì)，規(guī)模等實(shí)際情況確定。大中型城市一般要將這幾種類型加氣站統(tǒng)籌考慮，以充分發(fā)揮各類型加氣站的優(yōu)勢，達(dá)到整體的最優(yōu)化設(shè)計。如表3所示，濟(jì)南市等副省級城市和東營市、濟(jì)寧市等地級市以上的大中型城市，通常規(guī)劃覆蓋以上全部類型。

表3 幾個城市規(guī)劃的汽車加氣站類型

縣城及中小城鎮(zhèn)的加氣站類型選擇則需要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況及加氣站建設(shè)現(xiàn)狀，選擇適合當(dāng)?shù)氐募託庹绢愋?。如?所示，寧陽縣城選擇加氣子站，常規(guī)站和LNG加氣站結(jié)合的方式，具體分析如下:縣城南部將引入高壓管道天然氣，因此規(guī)劃在縣城南部建設(shè)CNG常規(guī)站一座;東部新城區(qū)為縣城規(guī)劃的行政、商業(yè)中心，地價較高，加氣子站受土地資源約束小，占地少，選擇加氣子站的經(jīng)營方式;縣城與外界聯(lián)系的主干道蒙館公路和濟(jì)微公路從縣城西部穿過，對外運(yùn)輸?shù)拇笮涂瓦\(yùn)貨運(yùn)車輛較多，因此在縣城西部選擇建設(shè)LNG加氣站。對本地區(qū)沒有考慮建設(shè)母站，母站壓縮天然氣生產(chǎn)能力比較大，其日設(shè)計加氣能力在10萬m3左右，寧陽縣遠(yuǎn)期汽車天然氣需求量僅為2232.35萬m3，建設(shè)一座加氣母站就可滿足整個縣城的需求量。這樣雖然滿足了用氣需求，但是不便于汽車加氣。高唐縣現(xiàn)狀存在母站一座，因此規(guī)劃主要考慮建設(shè)加氣子站，通過增加子站的數(shù)量來方便遠(yuǎn)期汽車加氣。

綜上所述，對于天然氣汽車加氣站類型的確定，在大中型城市中可以設(shè)置加氣母站保證用氣需求，然后分散建設(shè)加氣子站或者加氣常規(guī)站來方便加氣;縣城和中小城鎮(zhèn)則可選擇加氣子站或者加氣常規(guī)站的經(jīng)營模式。在天然氣加氣站中，L-CNG加氣站以其占地小、投資省、能耗低、噪音小、充裝速度快、不依賴管網(wǎng)等優(yōu)勢而成為一種備受歡迎、具備良好發(fā)展前景的加氣站類型[2]。鑒于我國海上LNG的引入，LNG有了可靠的氣源保障，LNG較CNG具有更好的理化特性，LNG汽車較CNG汽車具有更佳的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益，因此以后的城鎮(zhèn)天然氣汽車加氣站規(guī)劃應(yīng)側(cè)重考慮LNG加氣站和L-CNG加氣站[7]，以改變現(xiàn)在CNG加氣站為主的單一狀況，增加LNG在中長途客車和中、重型卡車上的應(yīng)用，充分發(fā)揮LNG汽車的優(yōu)勢。

2.2 天然氣汽車加氣站數(shù)量和規(guī)模的確定

2.2.1 天然氣汽車用戶耗熱定額

天然氣汽車主要供應(yīng)對象為公交汽車、出租車和部分社會車輛。各類車輛的耗熱定額與汽車車型、車況及行駛里程有關(guān)，主要通過實(shí)際調(diào)查和結(jié)合周邊城市的情況確定。根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)輸管理部門提供的資料和對當(dāng)?shù)剀囕v的實(shí)際運(yùn)營情況的調(diào)研樣本分析統(tǒng)計，確定各地汽車用戶的耗熱定額如表4所示?？梢钥闯?，各地天然氣汽車用戶耗熱定額差距較大，主要取決于當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展水平，汽車類別及交通運(yùn)行情況等多個因素。經(jīng)表4數(shù)據(jù)的分析以及《山東省CNG、LNG專項(xiàng)規(guī)劃》中山東省內(nèi)各地的實(shí)際調(diào)研數(shù)據(jù)，可得出相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值，山東省的地級市天然氣汽車的耗熱定額公交車平均每天消耗天然氣約60Nm3，出租車平均每天消耗天然氣約30Nm3，社會車輛平均每天耗氣量約為3.5m3;縣城天然氣汽車的耗熱定額公交車平均每天消耗天然氣約40Nm3，出租車平均每天消耗天然氣約20Nm3，社會車輛平均每天耗氣量約為3.5m3。

表4 山東省及幾個城市天然氣汽車耗熱定額統(tǒng)計

2.2.2 天然氣汽車保有量及氣化率預(yù)測

天然氣汽車的保有量及氣化率預(yù)測要在現(xiàn)有汽車數(shù)量的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展情況，參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來確定。一般根據(jù)城市人口規(guī)模、萬人公交車擁有水平、城市公交客運(yùn)總量、公交車服務(wù)水平等指標(biāo)用擁有率預(yù)測法和客流量預(yù)測法進(jìn)行公交車、出租車總體發(fā)展規(guī)模的預(yù)測。根據(jù)《城市道路交通規(guī)劃設(shè)計規(guī)范》，城市公共汽車和電車的規(guī)劃擁有量大城市應(yīng)每800～1000人一輛標(biāo)準(zhǔn)車，中、小城市應(yīng)每1200～1500人一輛標(biāo)準(zhǔn)車。城市出租汽車規(guī)劃擁有量大城市每千人不宜少于2輛，小城市每千人不宜少于0.5輛，中等城市可在其間取值。天然氣汽車保有量由城市汽車保有量和車輛氣化率得出，氣化率的確定應(yīng)在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上穩(wěn)步增加，根據(jù)國內(nèi)目前天然氣汽車改裝速度，遠(yuǎn)期2020年規(guī)劃氣化率都可確定為100%。

根據(jù)得出的汽車總的用氣負(fù)荷和選定的加氣站類型進(jìn)行加氣站規(guī)模和數(shù)量的確定。以東營市加氣站規(guī)劃為例，近期汽車燃?xì)饽晷枨罅繛?.23億m3，規(guī)劃新建加氣站24座，其中:加氣母站與LNG合建站1座，加氣常規(guī)站與LNG合建站1座，加氣常規(guī)站4座，加氣子站17座，LNG加氣站1座。遠(yuǎn)期汽車燃?xì)饽晷枨罅繛?.98億m3，新建加氣站13座，其中:CNG加氣母站1座，加氣常規(guī)站1座，加氣子站9座，LNG加氣站2座。每座子站設(shè)計日供氣能力15000m3，每座常規(guī)站設(shè)計日供氣能力20000m3，每座LNG加氣站設(shè)計日供氣能力20000m3。

規(guī)劃加氣站的總體設(shè)計供氣規(guī)模必須滿足天然氣汽車需求總量并有少許余量，一般以天然氣汽車需求總量占加氣站總設(shè)計規(guī)模的90%為宜。另外，規(guī)劃中要注重協(xié)調(diào)加氣站數(shù)量和規(guī)模之間的關(guān)系，宜設(shè)置規(guī)模適中，數(shù)量較多的加氣站以方便汽車加氣。對于現(xiàn)狀加氣站數(shù)量已經(jīng)較多，分布密度較大的城市則應(yīng)側(cè)重提高各個加氣站的供氣能力，控制加氣站數(shù)量的增加，避免同一地區(qū)內(nèi)經(jīng)營主體之間的惡性競爭。而對于現(xiàn)狀尚沒有加氣站的城市，應(yīng)按照近遠(yuǎn)期相結(jié)合，并側(cè)重近期的原則來確定，即近期適當(dāng)增多加氣站數(shù)量，完成近遠(yuǎn)期之間的平穩(wěn)過渡。

2.3 天然氣汽車加氣站的合理選址布局

2.3.1 初選站址

天然氣汽車加氣站選址一般要結(jié)合燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的配置進(jìn)行布局[8]，天然氣汽車加氣站的合理選址布局直接影響城市CNG和LNG汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、城市交通網(wǎng)絡(luò)的流暢、加氣站投資的經(jīng)濟(jì)性和城市用氣系統(tǒng)的安全性[9]。初選站址一般按照統(tǒng)籌規(guī)劃、均衡布點(diǎn)、建管并舉、協(xié)調(diào)發(fā)展的總要求，參照總體均衡分布，沿環(huán)線布局，附近有車源優(yōu)先的原則進(jìn)行。在符合城市總體規(guī)劃的前提下，統(tǒng)籌考慮消防、環(huán)保、交通等外部環(huán)境設(shè)置條件與周圍建筑物情況，并進(jìn)行加氣站需求性分析和服務(wù)半徑分析，保證各加氣站的服務(wù)區(qū)域不重復(fù)且對城區(qū)覆蓋完整。另外由于目前加油站的布局網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本形成，加氣站選址時可以充分利用現(xiàn)有加油站的布局，建設(shè)適當(dāng)數(shù)量的油氣合建站。由于城市出租車采用雙燃料動力而且自身有流動性大，加氣周期短，無固定休息時間和目的地的特點(diǎn)，出租車一般不會為加氣而空駛或放棄營運(yùn)[8]。因此，初步選址時可主要考慮公交車和市政汽車，站址選在主要公交路線的兩側(cè)。例如寧陽縣城對四座天然氣加氣站在縣城外環(huán)附近公交路線的兩側(cè)地區(qū)進(jìn)行初步選址，并保證四座加氣站在縣城東西南北方向的均衡布局。東營市遠(yuǎn)期共規(guī)劃37座加氣站全部選址在城市交通流量較大的放射線，主干道以及城市外環(huán)道的附近，在東西城均衡分布?？傊踹x站址應(yīng)結(jié)合定性分析和參考實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，從形成整體的加氣站網(wǎng)絡(luò)入手，按照規(guī)劃選址原則分階段進(jìn)行最終的方案確定。

2.3.2 對初選站址進(jìn)行安全性經(jīng)濟(jì)性評價

天然氣加氣站作為城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的組成部分，屬于易燃易爆甲類火災(zāi)危險生產(chǎn)場所，直接關(guān)系到用戶的可靠性和安全性，與居民的生命財產(chǎn)密切相關(guān)[10]，因此建站布點(diǎn)首先要考慮的是安全問題。本文采用文獻(xiàn)[11]中給出的安全評價方法，以東營市規(guī)劃加氣站為例進(jìn)行安全性評價。加氣站所采用的生產(chǎn)技術(shù)、儲氣方式、與重要單位和建筑的距離、產(chǎn)氣規(guī)模、距離消防救助單位的距離等因素直接關(guān)系到加氣站的安全性及其對周圍的危害，它們構(gòu)成了加氣站安全評價要素。各要素的權(quán)系數(shù)如表5所示。

表5 天然氣汽車加氣站安全因素的權(quán)系數(shù)

按以上各要素的權(quán)系數(shù)，對初步選址的各天然氣加氣站進(jìn)行安全性評價，以東城區(qū)規(guī)劃的1#加氣站為例分析，該站位于東三路以東，采用儲氣井的儲氣方式。距最近民用建筑物最短距離為27m，與最近的消防單位相距3.7km。工藝設(shè)備計劃采用最新型號，其生產(chǎn)工藝安全可靠度定為0.9。將上述數(shù)據(jù)代入評價模型中，計算得該加氣站的安全性評價結(jié)果為 A={0.9，0.8，0.7，0.35，0.65}，安全貼近度為0.64，因此確定其安全等級為較安全。分別對東營市其他加氣站進(jìn)行類似評價，評價結(jié)果均為安全或基本安全則確定站址。對于安全性評價不合格的站，則需要對初步選址進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，直至符合安全性評價標(biāo)準(zhǔn)。

加氣站的選址對城市交通流量的大小和交通網(wǎng)絡(luò)空間的分流有較大影響，從而影響整個社會的經(jīng)濟(jì)效益。燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃中對天然氣加氣站進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評價時，不僅從每個站的投資收益入手，而且從整個加氣站網(wǎng)絡(luò)的角度統(tǒng)一考慮其與城鎮(zhèn)建設(shè)的符合性。即加氣站選址布局力爭做到對城市交通的影響最小，使汽車加氣的空駛距離最短，縮短加氣過程用時，從而避免交通擁堵和長時間排隊(duì)加氣的現(xiàn)象，達(dá)到整個社會經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

3 結(jié)論及建議

通過對以上幾個城市燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃中天然氣汽車加氣站規(guī)劃進(jìn)行的分析，結(jié)合參與其他燃?xì)鈱ｍ?xiàng)規(guī)劃編制的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，筆者總結(jié)得出以下相關(guān)結(jié)論及建議。

(1)天然氣汽車加氣站規(guī)劃要建立在對加氣站現(xiàn)狀進(jìn)行深入調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，把握好現(xiàn)狀存在問題，并針對問題提出合理化建議和解決措施。

(2)城鎮(zhèn)天然氣汽車加氣站類型選擇應(yīng)將大中城市和縣城區(qū)別對待;汽車加氣站的數(shù)量應(yīng)根據(jù)各類型天然氣汽車耗熱定額和汽車保有量、氣化率預(yù)測得出的天然氣汽車用氣需求量來確定，保證天然氣汽車預(yù)測用氣量不大于各加氣站設(shè)計規(guī)模總量的90%。并要協(xié)調(diào)好加氣站數(shù)量和規(guī)模之間的關(guān)系，盡可能的采取“規(guī)模小，數(shù)量多”的原則來保證汽車加氣的方便。

(3)天然氣加氣站根據(jù)選址原則和相關(guān)規(guī)范初步確定站址后，應(yīng)進(jìn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性評價，安全貼近度要大于0.6，否則應(yīng)在評價結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，并逐步擴(kuò)大統(tǒng)一考慮的范圍，由點(diǎn)到線由線成網(wǎng)，最終實(shí)現(xiàn)加氣站分布的網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)?；?，形成完善的城鎮(zhèn)加氣站網(wǎng)絡(luò)。

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