京郊農(nóng)村CNG應(yīng)用技術(shù)研究

王平　杜靜　馮穎　孫金棟

摘 要：以氣代煤是實(shí)現(xiàn)京郊農(nóng)村清潔高效能源的重要手段，CNG在京郊農(nóng)村特別是偏遠(yuǎn)農(nóng)村推廣應(yīng)用具有優(yōu)勢(shì)。由農(nóng)村集中式CNG供氣站通過(guò)村內(nèi)敷設(shè)的供氣管路，實(shí)現(xiàn)每家每戶供氣。撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備是農(nóng)村集中式CNG供氣站的核心設(shè)備。撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備采用4組儲(chǔ)氣單元并聯(lián)，各儲(chǔ)氣單元完全相同，可互相替換使用。農(nóng)村集中式CNG供氣站能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控，以保障運(yùn)行安全。

關(guān)鍵詞：京郊農(nóng)村；集中式CNG供氣站；儲(chǔ)氣單元；撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：TU996.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.028

最近兩年，在冬季供暖期，北京及華北地區(qū)霧霾有加重趨勢(shì)。造成冬季霧霾的原因是多方面的，無(wú)疑，冬季供暖期大量燃煤是造成霧霾的因素之一。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，北京市對(duì)市區(qū)燃煤控制越來(lái)越嚴(yán)，在市區(qū)已經(jīng)取消了燃煤應(yīng)用。但是，在京郊農(nóng)村，特別是偏遠(yuǎn)農(nóng)村，燃煤應(yīng)用還比較普遍，京郊農(nóng)村煤煙型污染還比較嚴(yán)重。因此，北京市防控霧霾任務(wù)艱巨，在京郊農(nóng)村大力推廣清潔高效能源迫在眉睫。自2016年以來(lái)，北京市對(duì)京郊農(nóng)村進(jìn)行了用能結(jié)構(gòu)改變。這為CNG在京郊農(nóng)村特別是偏遠(yuǎn)農(nóng)村推廣應(yīng)用提供了機(jī)遇。

1 京郊農(nóng)村生活能耗數(shù)據(jù)分析

農(nóng)村生活能源消耗是指農(nóng)村地區(qū)農(nóng)民為滿足生活（炊事、照明、通行、取暖制冷、文化娛樂(lè)等）需要所消費(fèi)的各種能源，主要包括生物質(zhì)能源（秸桿、薪柴為主）、商品能源（煤炭、電、液化石油氣）和可再生能源（天然氣、太陽(yáng)能、沼氣）。

按照北京市2013年統(tǒng)計(jì)年鑒中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，北京農(nóng)村常住居民215.2萬(wàn)戶，北京市農(nóng)村地區(qū)生活用能全年生活能耗量約為7.001 3×106 tce，其中，煤耗3.959 7×106 tce。北京市農(nóng)村能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤、液化石油氣、電等商品能源占到總體能源的87.36%，煤仍然是農(nóng)村主要的生活用能來(lái)源，占56.61%（散煤的消費(fèi)量占比最大，達(dá)47.96%），電占到了26.26%，秸稈樹(shù)枝占12.64%，液化氣在總體中的比例較少，僅有4.50%.散煤和煤球基本用于采暖，蜂窩煤、電、秸稈樹(shù)枝部分用于采暖。戶均采暖用能為2.05 tce/年，其中，用于采暖的煤耗占總煤耗量的92.43%，戶均為1.71 tce/年。

農(nóng)村用能模式受到觀念、生活習(xí)慣、經(jīng)濟(jì)水平等各種因素的影響，電主要用于家用電器（含炊事電器），液化氣用于炊事用能，散煤主要用作采暖。

2 京郊農(nóng)村推廣CNG優(yōu)勢(shì)分析

由于偏遠(yuǎn)農(nóng)村分布較為分散，村中人戶數(shù)較少，用氣量小，不宜長(zhǎng)距離敷設(shè)燃?xì)夤芫W(wǎng)。由于價(jià)格、安全因素，液化氣在農(nóng)村應(yīng)用較少，而建設(shè)小型集中式CNG供氣系統(tǒng)就具有了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：①集中式CNG供氣系統(tǒng)具有投資小、見(jiàn)效快的優(yōu)勢(shì)，相比燃?xì)夤芫W(wǎng)更加靈活、便捷，經(jīng)濟(jì)效益更好。②集中式CNG供氣系統(tǒng)便于在京郊農(nóng)村布置，供氣站占地面積小，自動(dòng)監(jiān)測(cè)和記錄，無(wú)人值守，遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)預(yù)警與緊急切斷功能，減少運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用。③集中式CNG供氣系統(tǒng)直接供氣到每家每戶，村民用氣更為方便、安全。④集中式CNG供氣系統(tǒng)為偏遠(yuǎn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)提供了可能。這是液化氣等能源不能比擬的。

3 農(nóng)村集中式CNG供氣系統(tǒng)

3.1 整體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)京郊農(nóng)村人戶數(shù)少、用氣量小的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)農(nóng)村集中式CNG供氣站，在村內(nèi)敷設(shè)供氣管路，滿足每家每戶供氣需求。農(nóng)村集中式CNG供氣站由儲(chǔ)氣瓶組組成，在供氣站儲(chǔ)氣量到達(dá)下臨界點(diǎn)時(shí)，由車(chē)載小型壓縮天然氣供氣撬裝設(shè)備為供氣站補(bǔ)

充供氣，實(shí)現(xiàn)京郊農(nóng)村用能結(jié)構(gòu)的改變，以氣代煤，減少煤煙型污染。

3.2 撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備

農(nóng)村集中式CNG供氣站的核心設(shè)備是撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備。撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備采用4組儲(chǔ)氣單元并聯(lián)，各儲(chǔ)氣單元完全相同，可互相替換使用。

儲(chǔ)氣單元是供氣站基礎(chǔ)設(shè)備，采用6個(gè)無(wú)縫鋼瓶組裝成型，可移動(dòng)，總儲(chǔ)氣100 Nm3。

撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備由4個(gè)儲(chǔ)氣單元組成，撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備總儲(chǔ)氣能力為400 Nm3。每個(gè)儲(chǔ)氣單元均帶有手動(dòng)閥門(mén)、快裝接口，與撬裝箱體通過(guò)軟管連接，使儲(chǔ)氣單元可獨(dú)立裝卸、移動(dòng)，可車(chē)載，形成車(chē)載小型集成式撬裝設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了高度集成化，滿足了方便運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)吊裝的要求。

撬裝箱體內(nèi)每個(gè)儲(chǔ)氣單元配有壓力傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳至車(chē)載小型集成式撬裝CNG減壓設(shè)備內(nèi)PLC控制系統(tǒng)上，進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。

每組儲(chǔ)氣單元配有切斷閥，可由PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)閉操作，同時(shí)也配有手動(dòng)球閥和放散閥。

撬裝箱體內(nèi)設(shè)置可燃?xì)怏w濃度報(bào)警，并通過(guò)PLC系統(tǒng)控制聯(lián)動(dòng)強(qiáng)制排風(fēng)系統(tǒng)。箱體內(nèi)部裝有防爆型監(jiān)控?cái)z像頭，頂部懸掛溫感型干粉滅火設(shè)備。

3.3 撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備減壓系統(tǒng)

撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備減壓系統(tǒng)采用3級(jí)減壓形式，其中，二級(jí)減壓后預(yù)留出口壓力為0.2～0.4 MPa中壓出口1個(gè)，并安裝有質(zhì)量流量計(jì)；三級(jí)減壓后預(yù)留出口壓力為2～5 kPa低壓出口1個(gè)。

撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備減壓系統(tǒng)預(yù)留2個(gè)進(jìn)口，一個(gè)連接至附帶的儲(chǔ)氣設(shè)備，另一個(gè)做成法蘭式連接口，可以外接其他儲(chǔ)氣設(shè)備。進(jìn)口帶有切斷閥，可自動(dòng)控制進(jìn)行開(kāi)閉工作，同時(shí)2個(gè)進(jìn)口都配有手動(dòng)閥門(mén)，可分開(kāi)或合并使用。

3.4 集成式伴熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

CNG減壓系統(tǒng)采用高集成化撬裝方式，因此將伴熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)集成至CNG撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備內(nèi)。伴熱系統(tǒng)采用電加熱水浴式換熱器，控制系統(tǒng)采用防爆型PLC控制柜形式。其中，CNG減壓設(shè)備進(jìn)口、一級(jí)調(diào)壓后、二級(jí)調(diào)壓后、三級(jí)調(diào)壓后和儲(chǔ)氣單元出口安裝壓力傳感器，進(jìn)行壓力數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。伴熱系統(tǒng)安裝溫度傳感器和水位傳感器，進(jìn)行溫度、水位數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。CNG減壓設(shè)備出口安裝流量計(jì)，可采集流量數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)全部匯總至PLC控制系統(tǒng)內(nèi)，由PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備工況監(jiān)測(cè)和控制。

3.5 無(wú)人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

結(jié)合農(nóng)村地區(qū)居住分散、用氣量小的特點(diǎn)，以撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)無(wú)人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在集成式撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備PLC控制系統(tǒng)內(nèi)加裝無(wú)線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行、遠(yuǎn)程監(jiān)控、氣量預(yù)警、緊急切斷等功能，在調(diào)度中心遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況，并根據(jù)系統(tǒng)提示更換儲(chǔ)氣單元或安排運(yùn)行人員維修和檢修。

無(wú)人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)包括撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、車(chē)載儲(chǔ)罐天然氣參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)3部分。

撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過(guò)撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備內(nèi)PLC控制系統(tǒng)采集、處理設(shè)備運(yùn)行工況信號(hào)，并通過(guò)有線或無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳至調(diào)度中心的遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，可在調(diào)度中心顯示撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備運(yùn)行工況?？梢员O(jiān)測(cè)設(shè)備各個(gè)單元壓力及狀態(tài)并報(bào)警，以保證供氣站安全、穩(wěn)定供應(yīng)。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)供氣站內(nèi)CNG減壓設(shè)備運(yùn)行狀況、儲(chǔ)氣設(shè)備內(nèi)氣量的使用情況、儲(chǔ)氣設(shè)備運(yùn)輸?shù)娜^(guò)程、設(shè)備和場(chǎng)站周邊環(huán)境等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以保障設(shè)備運(yùn)行安全。

車(chē)載儲(chǔ)罐天然氣參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸罐車(chē)的天然氣壓力、溫度、液位等工況數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)對(duì)CNG運(yùn)輸車(chē)運(yùn)輸過(guò)程中安全狀態(tài)數(shù)據(jù)的智能分析實(shí)現(xiàn)事故預(yù)警及消除事故隱患，預(yù)防重大事故發(fā)生；同時(shí)通過(guò)無(wú)線傳輸及GIS及時(shí)展示運(yùn)輸罐車(chē)的地理位置和運(yùn)行狀態(tài)，為調(diào)度指揮系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)信息。此系統(tǒng)能夠保證運(yùn)輸罐車(chē)的安全、平穩(wěn)運(yùn)行，從而提高安全管理水平。

4 農(nóng)村集中式CNG供氣系統(tǒng)推廣模式分析

農(nóng)村經(jīng)濟(jì)收入不高，冬季采暖支出是農(nóng)戶選擇采暖方式的考慮因素，選擇容易獲得能源的方式以及采用節(jié)能、高效的采暖方式可以在很大程度上減少能耗支出。相比于傳統(tǒng)散煤采暖，太陽(yáng)能熱水+燃?xì)獗趻鞝t、單獨(dú)燃?xì)獗趻鞝t采暖方案初始投資較高，但運(yùn)行費(fèi)用較低，污染排放少，具有良好的環(huán)境效益。在建CNG供氣站、管線鋪設(shè)等條件允許的農(nóng)村地區(qū)，如果采取政府出資建站、鋪設(shè)管線，末端采取補(bǔ)貼模式（第一步補(bǔ)貼可以采取市政府、區(qū)縣政府各補(bǔ)貼三分之一的形式建設(shè)示范項(xiàng)目，視示范項(xiàng)目效果再進(jìn)一步細(xì)化補(bǔ)貼政策），農(nóng)戶出資1/3，與傳統(tǒng)散煤采暖農(nóng)民的初始投資相近，而每年的運(yùn)行費(fèi)用比傳統(tǒng)散煤采暖節(jié)省約1/3～1/2，農(nóng)民容易接受，政府收獲環(huán)境效益。

5 結(jié)論

農(nóng)村集中式CNG供氣系統(tǒng)與傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)CNG減壓供氣站相比，無(wú)人值守型CNG減壓設(shè)備的制造費(fèi)用約高出普通CNG減壓設(shè)備1倍，但得益于其占地面積小，土建工程投入少，且采用撬裝儲(chǔ)氣設(shè)備比使用CNG長(zhǎng)管拖車(chē)的儲(chǔ)氣設(shè)備投資少，將使無(wú)人值守型農(nóng)村集中式CNG供氣站整體投資節(jié)省40%.農(nóng)村集中式CNG供氣系統(tǒng)具有比較廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]北京市統(tǒng)計(jì)局，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局北京調(diào)查總隊(duì).2013北京統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2013.

[2]韓金麗，楊昭，賴(lài)建波.遠(yuǎn)郊區(qū)縣的CNG瓶組供氣管理運(yùn)營(yíng)模式[J].天然氣工業(yè)，2008（8）.

[3]張宇，陸淼.CNG瓶組供氣站的設(shè)計(jì)[J].科技資訊，2012（18）.

[4]王虹，吳國(guó)川，程石.無(wú)人值守型撬裝CNG減壓供氣站的應(yīng)用探討[J].城市燃?xì)猓?015（2）.

[5]楊杰.CNG加氣站工藝設(shè)計(jì)及設(shè)備配置[J].化工管理，2015（8）.

[6]胡克修，陶偉龍.北京遠(yuǎn)郊區(qū)縣CNG小區(qū)運(yùn)營(yíng)模式研究[J].城市燃?xì)猓?007（9）.

[7]馮粉莉.CNG供氣站幾種儲(chǔ)氣方式的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較[J].上海煤氣，2013（6）.

[8]唐倩.CNG加氣站初步設(shè)計(jì)及安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].當(dāng)代化工，2015（1）.

〔編輯：劉曉芳〕