提高我國壓縮天然氣汽車當前額定工作壓力的依據(jù)和建議

陳夢溪

(四川省機械研究設計院(集團)有限公司，四川成都，610048)

2021年7月2日，國家住建部發(fā)布了新版的GB50156《加油加氣加氫站技術標準》(下稱《標準》)，并將于2021年10月1日正式實施，原GB50156-2012《加油加氣站設計與施工規(guī)范》同時廢止?！稑藴省沸略隽似嚰託湔?、充電站與加油加氣站的合建規(guī)定，將CNG加氣站壓縮機、儲氣裝置最高工作壓力從原規(guī)范的25MPa提高到40MPa；加氣機額定工作壓力從原規(guī)范的“不應大于20MPa”，提高到“不應大于35MPa”。筆者及其所在單位長期從事各類汽車加氣站、加油站設計和施工，承攬了1000多座CNG加氣站的設計和建設，對CNG加氣站和CNG汽車的壓力提升問題，做了一些研究和思考，現(xiàn)就此與業(yè)內同行共同分享與探討。

1 CNG行業(yè)當前發(fā)展態(tài)勢

我國四川省早在上世紀六十年代就開始用車頂安裝橡膠氣囊的方式，將天然氣作為汽車燃料使用；上世紀七十年代意大利有了鋼瓶充裝壓縮天然氣作為汽車燃料的產業(yè)化應用。截至2020年底，在全球范圍內，有2800余萬輛壓縮天然氣汽車(CNGV)在運行，我國的CNGV達632萬輛，而含液化天然氣汽車(LNGV)在內的天然氣汽車(NGV)總數(shù)達700余萬輛。

國際能源署(International Energy Agency)將包括各類燃氣汽車和新能源汽車在內的新型燃料汽車均定義的先進燃料汽車(Advanced Auto-Fuel)。就行業(yè)發(fā)展態(tài)勢來看，目前天然氣汽車(NGV)的發(fā)展受到電動汽車(EV)或新能源汽車(NEV)的強烈競爭。電動汽車以其無尾氣排放、充電樁建設簡便和高額的政策補貼，迅速占領大片市場。在天然氣汽車(NGV)隊伍中，液化天然氣汽車(LNGV)又以其高能量密度在重載長途車市場獨領風騷。CNGV雖然運行和改裝成本較低，但其續(xù)駛里程短，單次加氣只能行駛200km左右，進而在市場競爭中處于劣勢。由于幾種先進燃料汽車在環(huán)保領域相互存在較大爭議，本文暫不對它們的環(huán)保性能做評論，僅討論技術和市場問題。因此，要增加CNGV的市場競爭力，提高續(xù)駛里程就成為一個重要的選項。而要提高續(xù)駛里程，主要有增加車載氣瓶容積和提高儲氣壓力兩種方式。

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。而當充裝壓力提高到35MPa時，則可以充裝31.5Nm3天然氣，增量75%，測算續(xù)駛里程可以達到430km以上。這將大大減少充氣時間，提高運營效率。下面具體闡述了這樣做在技術上的依據(jù)以及在經濟上的可行性。

2 提高CNGV工作壓力和加氣站充裝壓力的技術依據(jù)

技術依據(jù)主要包括兩方面：一是天然氣的壓縮特性，二是車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)標準：GB18047-2017《車用壓縮天然氣》 ；GB/T33215-2016《氣瓶安全泄壓裝置》“附錄A 高壓氣體的壓縮系數(shù)計算方法”。

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

(3)對天然氣在壓縮過程中的溫升，將另行專題研究，并采取有效冷卻措施加以應對，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氣體兩種狀態(tài)進行計算；兩種氣體的關系用氣體“壓縮系數(shù)Z”(也稱偏差系數(shù)、壓縮因子或Z因子)來描述?！妒謨浴分忻枋鲞@一比例關系的氣體狀態(tài)方程為：

理想氣體狀態(tài)方程：PV=nRT

(1)

真實氣體狀態(tài)方程：PV=ZnRT

(2)

式中：P——氣體壓力，atm；V——氣體的體積，L；n——氣體的摩爾數(shù)，mol；R——氣體常數(shù)，0.08206，atm·L；T——絕對溫度，K；Z——壓縮系數(shù)。

為了簡化計算，在此采用純甲烷進行測算。根據(jù)甲烷的臨界參數(shù)及沸點(其壓力修正系數(shù)θ=0.005393929)計算出甲烷在20℃、壓力從20MPa提升至40MPa時(間隔2.5MPa)，其壓力、密度、壓升效率的變化與對比關系，詳見圖1。

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

其中，壓力提升效率(Y，簡稱壓升效率)是在本項研究中，為更直觀顯示CNG壓力與密度變化規(guī)律引入的一個新參數(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，其密度提高比例(M)除以壓力提高比例(N)的商數(shù)；其計算公式為：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，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 利用美國氣體協(xié)會的數(shù)據(jù)分析CNG的壓力和密度

美國氣體協(xié)會(American Gas Association)推出的《常見壓縮氣體的溫升壓力和密度》數(shù)據(jù)表，比較詳細地描述了包括天然氣在內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，將四種氣體編號為1#氣、2#氣、3#氣、4#氣，其基本物理參數(shù)見表1。

表1 四組天然氣的組分及其摩爾百分數(shù)

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

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時的密度變化

(1)天然氣的密度與組分密切相關。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性增加。四種組分的天然氣壓縮過程都呈現(xiàn)這一特點。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：在壓力達到50MPa時，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，密度隨壓力的變化呈現(xiàn)相同的規(guī)律：壓力分別增長了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，我們可以認為：車載氣瓶壓力從20MPa限值提升至35MPa時，天然氣密度增加了44.5%，此后的40MPa，已經幾乎沒有增加。選擇35MPa作為車載氣瓶壓力限值是比較恰當?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組壓縮機橇，從現(xiàn)有儲氣設施的中、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兩個排氣壓力，則仍沿用圖3的流程。根據(jù)市場發(fā)展情況，若不需要兼顧現(xiàn)有20MPa工作壓力的CNGV，則直接將壓縮機設置為40MPa，排氣、儲氣裝置最大工作壓力設計為40MPa即可。

目前，國內主要的CNG壓縮機制造企業(yè)都可生產45MPa以上排氣壓力的天然氣壓縮機，技術上已無障礙，但需各企業(yè)自行制定企業(yè)標準。儲氣井和儲氣瓶組已有行業(yè)標準或企業(yè)標準，技術上也無障礙；同時，加氣機國家標準已發(fā)布，滿足額定工作壓力35MPa要求，且骨干企業(yè)已投產的氫氣壓縮機，其壓力已達70MPa和35MPa兩個等級。

3 對車輛和加氣站的技術經濟影響

3.1 對車輛的影響

經咨詢業(yè)內骨干氣瓶生產廠家得知：現(xiàn)有20MPa的CNG-3型瓶，置換成35MPa時，初期預測成本將增加4倍，以85L的CNG-2型瓶現(xiàn)售價1400元/只進行測算，改成35MPa工作壓力后，價格將為7000元/只左右，但后期批量化生產后，成本預計可降至6500元/只左右。目前小型乘用車改裝成本在6000—8000元/輛，增壓后約為1.3—1.5萬元/輛，且很可能將全是OEM原廠改裝。續(xù)駛里程則可從當前的200km左右增加至430km左右。對城市出租車而言，則每天還能減少2次加氣的時間和往返加氣站的路程。

公交大巴車主要使用的120L氣瓶，CNG-2型環(huán)繞瓶目前市場價格為1800元/只，改為35MPa后，預測CNG-3型全繞瓶價格為9000元/只，假設每輛車安裝6只氣瓶，則成本增加43200元，整車改裝費用偏大，與LNGV相比，不具競爭優(yōu)勢，但仍比新能源大巴便宜很多。在新能源汽車政策強勢推動之下，目前全國范圍內僅有10%左右的公交大巴車仍在使用CNG燃料。

3.2 對加氣站的影響

現(xiàn)有25MPa排氣壓力的CNG加氣站，通過再增加一組37kW小型壓縮機橇，進氣壓力15 MPa—22MPa，則排氣可達40MPa，500Nm3/h。壓縮機橇體可自帶1m3儲氣罐。加氣站增加設備費用預計在150萬元左右，占地8—10m2。主要壓縮機廠家可以在1—2個月內供貨。經筆者對成都市幾座加氣站的調研來看，加氣站普遍有較高積極性。

4 結論和建議

在全球氣候急劇變暖的大背景下，我國提出2030年左右二氧化碳排放量達到峰值，2060年左右實現(xiàn)碳中和。交通領域碳排放在全球范圍內占總排放量(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)雖然天然氣汽車的尾氣排放指標不能與二次能源驅動的新能源汽車相比，但就全生命周期的清潔化來看，它仍然比煤電(占我國發(fā)電量的56.4%)驅動的新能源汽車更清潔，在最終實現(xiàn)碳中和之前，它是一個較好的替代燃料(Alternative Fuel)。我國的天然氣汽車數(shù)量居全球之首，具有顯著的技術和發(fā)展經驗優(yōu)勢。緊隨其后的伊朗(450萬輛)、印度(330萬輛)、巴基斯坦(300萬輛)、巴西(186萬輛)等國，對產自我國的設備擁有較大的興趣。我們應積極穩(wěn)妥發(fā)展天然氣汽車產業(yè)，依靠技術進步，以國Ⅵ排放標準和全生命周期的碳排放量作為考核指標，將天然氣汽車與燃油汽車、新能源汽車和各類先進燃料汽車放在同一市場標準下競技，促進清潔汽車產業(yè)的健康高質量發(fā)展。

(2)提高CNG汽車額定工作壓力，是提高CNG汽車續(xù)駛里程、增強市場競爭力的有益嘗試。在氫燃料電池汽車已經成功推出70MPa和35MPa車載儲氫氣瓶的技術背景下，提高CNG儲氣瓶工作壓力到35MPa，在技術上已不存在障礙。建議有關政府部門，在政策上進一步加大對相關行業(yè)協(xié)會和CNG業(yè)內企業(yè)的支持，促進行業(yè)進步和產業(yè)升級。