發(fā)展高速公路LNG加氣站的相關問題探討

杭州市城鄉(xiāng)建設設計院有限公司 孫佩奇

發(fā)展高速公路LNG加氣站的相關問題探討

杭州市城鄉(xiāng)建設設計院有限公司 孫佩奇

隨著天然氣汽車在城市交通領域中的大面積應用推廣，其巨大的能源效益、環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益迅速凸顯。目前，諸多省份正在大力推廣高速公路LNG加氣站建設。文章針對高速公路LNG加氣站特有的行為特征，探討我國高速公路 LNG加氣站發(fā)展的可行性及網(wǎng)絡化建設的基礎問題，尋求其選址布局的一般規(guī)律，從而為更廣范圍內(nèi)推廣高速公路LNG加氣站提供一定的借鑒作用。

高速公路 LNG汽車 LNG加氣站 可行性 選址布局

0 引言

隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，機動車保有量持續(xù)快速增長，我國城市空氣開始呈現(xiàn)出煤煙和機動車尾氣復合污染的特點。各地霧霾日益嚴重，對PM2.5貢獻率超過22%的汽車尾氣排放也越發(fā)受到各方關注。采用更多清潔能源替代當前的汽柴油等車用燃料，成了當務之急。

自1999年實施“空氣凈化工程——清潔汽車行動”以來，我國燃氣汽車和加氣站發(fā)展迅速，“十五”期間，國家確定了19個城市(地區(qū))作為燃氣汽車應用推廣示范城市，“十一五”期間又擴大到22個。近年來，以天然氣汽車引領的清潔能源行動正在我國各大中小城市如火如萘的發(fā)展，天然氣以其高效、清潔、環(huán)保和經(jīng)濟的特點，在汽車應用領域的綜合效益已經(jīng)初步顯現(xiàn)。

由于受到加氣的限制，目前我國天然氣汽車的發(fā)展對象主要為城市公交車、出租車、教練車和區(qū)域物流車等在城市范圍內(nèi)運營的車輛，公路客貨車運輸比例較低。為了更廣泛、更深層次的發(fā)展天然氣汽車，近年來，諸多省份正在大力推廣高速公路LNG加氣站的建設，2013年4月，我國首座高速公路LNG加氣站——日照服務區(qū)LNG加氣站正式投產(chǎn)運營。目前，山東、福建、陜西、湖北和江西等省份已陸續(xù)出臺各自的高速公路LNG加氣站規(guī)劃，標志著我國高速公路LNG加氣站建設將進入一個新的里程碑，高速公路LNG綠色物流通道將會逐漸貫通。

1 城市及高速公路LNG加氣站的比較

1.1 服務對象的比較

城市LNG汽車加氣站服務對象主要以城市公交車和出租車為主體，社會車輛為補充，其服務對象穩(wěn)定，車型變化不大。而高速公路LNG汽車加氣站的服務對象比較復雜，主要以沿線城市的交通運輸企業(yè)投入的運營車輛為主，以因區(qū)域化運行需要及市場驅動而形成的龐大貨運車輛及其他社會車輛為補充。

1.2 加氣行為的比較

城市公交車輛通常在夜間或輪休時集中前往加氣站加氣，出租車也通常采用“不載客專程前往加氣”。據(jù)此可以確定：城市公交車輛加氣需求的發(fā)生點為其公交線路的始末站點或收班后的停車場，城市出租車則以客流主要集散地(如商貿(mào)中心、文化中心、交通樞紐站場、學校和醫(yī)院等)或出租車停車場為加氣需求發(fā)生地。從經(jīng)濟角度考慮，汽車駕駛員往往選擇就近加氣，同等條件下選擇規(guī)模大的加氣站。

高速公路運行的LNG汽車，一般在上高速之前會加滿LNG，在續(xù)駛里程不能到達目的地加氣站的情況下才會考慮在高速公路LNG加氣站內(nèi)加氣，由于交通運輸?shù)母邏艛嘈?，其運行路徑較為固定，從加氣行為看，高速公路運行的LNG汽車加氣規(guī)律性較強，加氣站點區(qū)域基本固定。

2 高速公路發(fā)展LNG汽車的可行性

2.1 發(fā)展LNG汽車的政策支持

隨著最近幾年LNG汽車加氣市場的蓬勃發(fā)展，以及油價不斷上漲導致的成本壓力，交通運輸企業(yè)把目光越來越多地投向了LNG 汽車。政府相關部門也陸續(xù)推出了針對LNG 汽車的發(fā)展規(guī)劃和優(yōu)惠政策。

2012年10月，國家發(fā)改委印發(fā)《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，將發(fā)展天然氣汽車列入“十二五”期間高效利用天然氣的重點項目。同月，環(huán)境保護部等三部委印發(fā)的《重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》中也提出，鼓勵選用節(jié)能環(huán)保車型，推廣使用天然氣汽車和新能源汽車，并逐步完善相關基礎配套設施。2012年12月1日實施的的《天然氣利用政策》(發(fā)展改革委令第15號)明確了天然氣利用順序，其中把“天然氣汽車(尤其是雙燃料及液化天然氣汽車)，包括城市公交車、出租車、物流配送車、載客汽車、環(huán)衛(wèi)車和載貨汽車等以天然氣為燃料的運輸車輛”列為城市燃氣中優(yōu)先類用戶。

2.2 LNG汽車制造技術成熟

LNG汽車是在20世紀70年代隨LNG工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的。20世紀90年代，我國開始LNG的研發(fā)利用工作。近 10年來，我國整車制造企業(yè)加快了LNG整車制造技術的開發(fā)和應用。LNG整車制造技術主要包括天然氣發(fā)動機、LNG車載儲存供氣系統(tǒng)的研究開發(fā)體系和生產(chǎn)制造體系。我國天然氣發(fā)動機的發(fā)展始于20世紀50年代，80年代中、后期，隨著天然氣汽車的開發(fā)及應用的步伐加快，國內(nèi)大型汽車廠和發(fā)動機廠如東風、解放、上柴、濰柴和玉柴不斷加大產(chǎn)品開發(fā)力度，相繼推出了各自的產(chǎn)品，主要產(chǎn)品分為單一天然氣燃料汽車和雙燃料汽車(天然氣/汽油或柴油)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，天然氣發(fā)動機的技術開發(fā)和制造水平已經(jīng)達到了一定的市場應用水平。

LNG車載儲存供氣系統(tǒng)的主要組成有LNG車載氣瓶、氣化器、減壓調(diào)壓閥、混合器和控制系統(tǒng)等。在“十五”國家科技攻關計劃“清潔汽車關鍵技術研究開發(fā)及示范應用”項目中，國家燃氣汽車工程技術研究中心、重慶鼎輝汽車燃氣設備有限公司和美國德爾福公司三方合作，于2004年4月完成了與LNG發(fā)動機相匹配的車載供氣控制系統(tǒng)的研發(fā)。四川空分集團與上海交通大學于 2005年 8月聯(lián)合完成了LNG車載氣瓶的研發(fā)。目前，國內(nèi)已有多家企業(yè)可以進行LNG車載儲存供氣系統(tǒng)的技術開發(fā)和生產(chǎn)制造。經(jīng)過多年的發(fā)展，市場上的LNG汽車制造技術趨于成熟。通過多年的示范應用，LNG 汽車制造技術的可靠性也得到了進一步的驗證。日益成熟的LNG汽車制造技術為我國高速公路發(fā)展LNG 汽車提供了可靠的裝備支撐。

2.3 發(fā)展高速公路LNG汽車的優(yōu)越性

本文以客運大巴為對象介紹高速公路 LNG汽車的優(yōu)越性。柴油是客運大巴傳統(tǒng)的燃料，而LNG是近年來異軍突起的適用于中長途客運大巴的替代能源汽車燃料。LNG作為汽車燃料既滿足了客運大巴運輸里程的需要，也體現(xiàn)了更好的經(jīng)濟性、環(huán)保性、安全性和冷能利用等方面的優(yōu)越性。

2.3.1 經(jīng)濟性比較

根據(jù)從天然氣汽車生產(chǎn)廠家了解的情況，某型LNG大巴車的價格約為 4.0 萬元/輛，同功率、同車型的柴油大巴車價格約為3.2 萬元/輛。現(xiàn)大巴車的平均日行駛里程按800 km計算，0號柴油的零售價格按7.06元/L計算，LNG的價格各地有一定差異，暫按柴油價格的75%計算，即5.295元/m3。本文中，大巴車每100 km消耗天然氣按30 m3計算，每100 km消耗柴油按32 L計算，則LNG大巴車每日燃料費用為1270.8元，柴油大巴車每日燃料費用為1 807.36元，LNG車比柴油車每年可節(jié)約燃料費約18.8萬元(按年運行350天計)，購買LNG大巴車與柴油大巴車的差價回收期約0.5年。另外，由于LNG具有較好的冷啟動性、燃燒性和抗爆性，氣缸和燃燒室的積碳和磨損變小，減輕了對零部件的損壞，供油系統(tǒng)的壽命可增加1.5~2倍，火花塞的壽命可增加40%，發(fā)動機的維修費用可節(jié)約至少50%，LNG大巴車的單位里程維修及折舊費用比柴油大巴車約便宜0.1元/km。從上述分析可以看出，LNG大巴車較柴油車具有較好的經(jīng)濟性，而且大巴車的日運營里程越長，節(jié)省燃料成本的效果越明顯。

2.3.2 環(huán)保性比較

使用柴油作為汽車燃料時，柴油燃燒產(chǎn)生的汽車尾氣含有大量的一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、碳氫化合物(HC)等有害氣體及微小顆粒物(PM10、PM2.5)。據(jù)統(tǒng)計，汽車尾氣所造成的污染占城市大氣污染的50%~60%，被公認為全球性的公害之一。使用LNG作為汽車燃料時，與國3柴油車產(chǎn)生的尾氣相比，其尾氣中的非甲烷總烴(NMHC)下降90%，CO下降80%，NOx下降30%~60%，PM10、PM2.5下降99.9%，基本不含鉛、硫化物以及苯類等有害物質(zhì)，不存在形成光化學污染的危險，但是LNG作為汽車燃料時，與國3柴油車產(chǎn)生的尾氣相比，其尾氣中的甲烷含量上升了 10倍，由此導致總碳氫化合物(THC)排放增加了81%。

綜上所述，雖然LNG作為汽車燃料時排放的甲烷會促使地球溫室效應的加強，但地球向大氣中放出大量的甲烷主要是各種動植物腐敗造成的，相比之下，LNG作為汽車燃料時，由于安全放散或尾氣排放產(chǎn)生的甲烷則是微乎其微的。而且，相比柴油，LNG作為汽車燃料對汽車尾氣污染的改善是顯著的。另外，LNG組成穩(wěn)定，不含硫化物和灰塵等雜質(zhì)，可提供穩(wěn)定、可控制的空燃比，有效確保發(fā)動機平穩(wěn)運轉。氣缸與燃燒室內(nèi)不易發(fā)生積碳、金屬腐蝕現(xiàn)象，降低了發(fā)動機噪聲，減少了噪聲污染。因此，在節(jié)能減排、減少噪聲污染等方面，LNG相比柴油具有一定的優(yōu)勢。

2.3.3 安全性比較

與柴油相比，LNG的安全性主要體現(xiàn)在相對密度、爆炸極限和自燃溫度等方面。

(1)天然氣的氣體密度比空氣小，柴油密度比空氣大。發(fā)生泄漏時，天然氣會很快地在空氣中散發(fā)，不會積聚。因此，與柴油相比，即使發(fā)生泄漏，天然氣更不容易形成爆炸氣體。

(2)天然氣的爆炸下限比柴油高，因此與柴油相比，天然氣泄漏后不易爆炸。

(3)天然氣的自燃溫度高于柴油的自燃溫度，高出約 390 ℃。因此，與柴油相比，即使發(fā)生泄漏，天然氣更不容易自燃。

在美國天然氣汽車發(fā)生的1 300多起碰撞事故中，天然氣系統(tǒng)均未引起過爆炸或著火，說明LNG汽車比柴油汽車更安全。

(4)與柴油相比，LNG作為汽車燃料還具有免費供冷的優(yōu)勢。LNG在氣化過程中會釋放出大量的冷能，其制冷量約為860~883 kJ/kg。通過計算，普通LNG汽車的回收冷能約有2.0 kW，大型LNG汽車的回收冷能可達到3.0 kW以上。若將該部分冷能回收，用于汽車空調(diào)，不僅有效利用了能源，而且減少了壓縮機制冷造成的大量動力消耗和制冷劑泄漏造成的臭氧層破壞，節(jié)省了汽車燃料，降低了汽車運行成本，進一步提高了LNG的經(jīng)濟性和環(huán)保性。

3 發(fā)展高速公路LNG加氣站的可行性

高速公路LNG汽車的全面推廣主要受技術水平、基礎設施和市場運作的制約?；A設施尤其是汽車加氣站的建設和發(fā)展，對天然氣汽車區(qū)域化運行起著決定性的作用，我國發(fā)展高速公路 LNG加氣站的可行性主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

3.1 具有較好的市場基礎

我國公路網(wǎng)絡發(fā)達，交通運輸業(yè)發(fā)展迅速，汽車保有量數(shù)字龐大，具有較好的市場基礎。

3.2 LNG加氣站建設水平

LNG加氣站的主要設備有LNG儲罐、LNG低溫泵、LNG加氣機、控制和安全裝置等。LNG儲罐是一種雙層真空絕熱容器，用于儲存LNG。LNG低溫泵為潛液泵，用于將罐內(nèi)LNG向車載氣瓶加注。加氣機用于計量加到車載氣瓶內(nèi)的LNG?？刂坪桶踩b置主要是用于控制加氣站操作的各個過程和系統(tǒng)的安全檢測、泄放。

目前，LNG加氣站技術在國內(nèi)外都已十分成熟。LNG加氣站的主要設備如低溫常壓儲罐、飽和壓力調(diào)節(jié)器、低溫泵和卸車增壓器等，國內(nèi)生產(chǎn)廠家已掌握了相關核心技術，可批量生產(chǎn)。站內(nèi)主要設備和材料可實現(xiàn)100%國產(chǎn)化。國內(nèi)第一座LNG汽車加氣站于2002年建成投產(chǎn)。近年來，新疆、貴州、廣東、福建和內(nèi)蒙古等地建設了大量的LNG加氣站，并已成功運行了多年。

3.3 高速公路LNG加氣站的建設條件

LNG加氣站的網(wǎng)絡化布點是LNG加氣市場快速發(fā)展的重中之重。如果LNG加氣站能夠像加油站一樣，布點形成網(wǎng)絡，LNG汽車市場必然會蓬勃發(fā)展。

我國高速公路發(fā)展LNG加氣站可結合高速公路沿線的服務區(qū)進行布點建設。目前，各服務區(qū)內(nèi)均已建設了加油站。經(jīng)過筆者的調(diào)研，我國大部分的高速公路服務區(qū)占地面積均較大，在服務區(qū)已建設施不變的情況下基本都能提供LNG加氣站的建設用地。因此，高速公路LNG加氣站的網(wǎng)絡化布點是沒有問題的，完全能夠滿足LNG汽車像汽/柴油汽車一樣方便地加氣。

3.4 建設LNG加氣站的經(jīng)濟性分析

以1座加氣量(折算成標準狀態(tài))為3.0×104m3/d的高速公路LNG加氣站為例，考慮其與已有加油站合建，根據(jù)《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》(GB 50156—2012)建成二級加油加氣合建站，其中LNG加氣站建設內(nèi)容主要包括：1臺60 m3的LNG儲罐、1臺LNG低溫泵、1臺卸車增壓器、1臺調(diào)飽和增壓器、1臺EAG加熱器、4臺LNG加氣機及相應的配套設施。經(jīng)測算LNG加氣站的建設投資約為800萬元。經(jīng)濟分析時，LNG的到站價格按全年均價4.2元/m3計算，售氣價格按5.30元/m3計算。經(jīng)測算，項目稅后財務內(nèi)部收益率為11.92%，投資回收期為8.05年，具有較好的經(jīng)濟效益。

4 高速公路LNG加氣站的選址布局

4.1 LNG加氣站選址需求分析

衡量LNG汽車加氣站需求的主要指標是該線路LNG汽車的交通量與服務半徑兩個要素。

4.1.1 交通流量分析

由于高速公路實施全封閉管理，加上其設計時已經(jīng)考慮了相當?shù)娜哂喽?，所以在高速公?LNG加氣站的選址布點時一般不需考慮布點后交通流量的影響。對高速公路LNG汽車交通量的統(tǒng)計，應以城際之間所有入口單向進入該線路且通過單側布點加氣站的LNG汽車數(shù)量為準，考察的目的是為了計算該條高速公路LNG的供氣需求及加氣站數(shù)量。根據(jù)國家有關標準規(guī)定，交通流量應按照一定的系數(shù)統(tǒng)一折算成貨車流量。在統(tǒng)計時應將車型及車載氣瓶水容積考慮在內(nèi)。即以交通量為核心的數(shù)據(jù)最終反映為折合車輛數(shù)量和LNG的總需求量。值得注意的是，對分析加氣站需求而進行的交通流量統(tǒng)計，不僅要對全路段進行調(diào)查，更要分不同路段進行調(diào)查，因為前者反映的是總量需求，后者反映的是局部需求。

4.1.2 服務半徑分析

LNG汽車加氣站服務半徑應結合高速公路沿線的交通密度確定。同等規(guī)模的加氣站，交通密度越小，服務半徑越大，其極限值為LNG汽車的續(xù)駛里程。以目前國內(nèi)在公路客運領域運行的 LNG客車來說，行駛里程大約能達到300~600 km。如今通過配備多個儲氣罐的LNG車，續(xù)航里程已可以達到800 km，但儲氣罐太多會影響載荷分配，也影響車輛的穩(wěn)定性，對于從事長途線路的客運企業(yè)而言，有可能增加車輛行駛過程中的不安全因素。

《高速公路交通工程及沿線設施設計通用規(guī)范》(JTG D80—2006)6.2.2中規(guī)定“服務區(qū)的平均間距不宜大于50 km，最大間距不宜大于60 km”。參照國內(nèi)已經(jīng)建成服務區(qū)情況，通常采用標準為50~100 km。

如何合理確定高速公路LNG汽車加氣站的服務半徑，國內(nèi)沒有相關辦法和標準。結合上述分析，根據(jù)我國高速公路現(xiàn)狀及調(diào)研的國內(nèi)公路運輸企業(yè)的意見，筆者建議高速公路LNG汽車加氣站按每150~200 km設置1對為宜，即每2~3個服務區(qū)設置1對LNG加氣站。

4.2 LNG加氣站選址布局

(1)根據(jù)對高速公路不同路段加氣需求分析得出的結果，反映的是總體和局部的布局需求，但是具體到LNG加氣站選址定點時還須考慮其實施條件的可能性，應結合高速公路服務區(qū)用地及現(xiàn)有加油站布點，以網(wǎng)點總體布局規(guī)劃為宏觀控制依據(jù)，經(jīng)過對布局網(wǎng)點及其周圍地區(qū)規(guī)劃選址方案的比較，確定網(wǎng)點設置用地。

(2)在高速公路LNG加氣站選址布局時，還應結合城市LNG加氣站布局統(tǒng)籌考慮，如在高速公路入口處是否設置有 LNG加氣站，對高速公路LNG加氣站的布點也有重要影響，在這種情況下應將高速公路入口處的 LNG加氣站考慮在總體布局內(nèi)。

(3)站址選擇應符合高速公路服務區(qū)規(guī)劃，滿足消防安全、交通安全和環(huán)境保護的要求，對于已建成的高速公路應在站點合理的布局范圍內(nèi)盡量選擇場地較大、間距易于控制的服務區(qū)，對于新建的高速公路要求加氣站布點與高速公路規(guī)劃同步進行，布點有 LNG加氣站的服務區(qū)應合理規(guī)劃總平面布置，LNG加氣站與服務區(qū)應同步設計、同時投入使用。

(4)高速公路LNG加氣站的設計、施工應符合《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》(GB 50156— 2012)及《建筑設計防火規(guī)范》(GB 50016—2006)等相關規(guī)范的要求，保證站內(nèi)設施及站內(nèi)、外建筑物之間安全距離。其次，高速公路LNG加氣站應考慮出現(xiàn)短時集中加氣現(xiàn)象，對站內(nèi)、站前交通應進行合理規(guī)劃，保證進、出站內(nèi)的車輛視野開闊，交通順暢，方便操作人員對加氣車輛進行管理，有利于應急情況下的車輛和人員疏散。

5 結語

節(jié)能減排是當今世界發(fā)展的主題，我國也已經(jīng)將節(jié)能減排列為國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃的戰(zhàn)略目標之一。隨著天然氣汽車綜合效益的凸顯，必將會在更大范圍內(nèi)全面推廣天然氣汽車，而高速公路LNG加氣站建設是天然氣汽車全面推廣應用的必然，我國高速公路 LNG加氣站的投資建設將進一步加快。本文針對高速公路 LNG加氣站特有的行為特征，探討了我國高速公路 LNG加氣站發(fā)展的可行性及選址布局的一般要求，可以為各省推廣高速公路LNG加氣站時提供一定的借鑒作用。

Discussion on Issues Related to the Development of Highway LNG filling station

Hangzhou Urban & Rural Construction Design Institute Co., Ltd. Sun Peiqi

With the large-scale applications of natural gas vehicles in urban traffic areas, its huge energy efficiency, environmental benefits, social and economic benefits are prominent. Currently, many provinces are promoting Highway LNG filling station construction. This paper discusses the feasibility and the basic problems of its network construction，seeking the general rules of layout and position，which can be as a reference for wider range popularization.

highway, LNG vehicle, LNG filling station, feasibility, layout and position