采用虛擬管網(wǎng)技術(shù)拓展CNG的應(yīng)用

摘 要

摘要：虛擬管網(wǎng)技術(shù)是利用道路運(yùn)輸CNG給遠(yuǎn)離天然氣輸氣管道的用戶供應(yīng)天然氣的技術(shù)系統(tǒng)，由CNG加氣母站、CNG運(yùn)輸車(chē)、CNG儲(chǔ)配站及城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)組成。結(jié)合虛擬管網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際
摘要：虛擬管網(wǎng)技術(shù)是利用道路運(yùn)輸CNG給遠(yuǎn)離天然氣輸氣管道的用戶供應(yīng)天然氣的技術(shù)系統(tǒng)，由CNG加氣母站、CNG運(yùn)輸車(chē)、CNG儲(chǔ)配站及城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)組成。結(jié)合虛擬管網(wǎng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和重慶及南方城鎮(zhèn)的規(guī)模、道路等特點(diǎn)，探討虛擬管網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：虛擬管網(wǎng)；CNG；運(yùn)輸車(chē)；儲(chǔ)配站
Expanding Application of CNG by Dummy Network Technology
ZHOU Jian-guo
Abstract：The dummy network is a technology system for supplying natural gas by using roads to transport CNG to users which are away from natural gas transmission pipeline. The system is composed of CNG primary filling station，CNG carrier vehicle，CNG storage and distribution station and urban gas network system. Based on the actual application of dummy network technology and the characteristics such as scale，roads etc of Chongqing City and other cities and towns in the south，the application and development direction of dummy network technology are discussed.
Key words：dummy network；CNG；carrier vehicle；storage and distribution station
    隨著我國(guó)城市化的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，汽車(chē)的擁有量也急劇增加，汽車(chē)排放出的廢氣在大氣污染所占的比重也進(jìn)一步增大，城市的大氣污染嚴(yán)重。以西氣東輸為開(kāi)端的大規(guī)模天然氣開(kāi)發(fā)利用工程的實(shí)施，使城市的能源結(jié)構(gòu)發(fā)生重大改變，大踏步地進(jìn)入天然氣到來(lái)之后的時(shí)期，標(biāo)志著我國(guó)能源發(fā)展向著既定目標(biāo)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，即按照穩(wěn)定、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)和清潔的能源發(fā)展方針，大力發(fā)展天然氣工業(yè)，提高天然氣在不可再生能源中的比重。大力發(fā)展CNG、CNG汽車(chē)，是加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)施清潔能源戰(zhàn)略，改善城市大氣污染的重要措施之一，并為CNG、CNG汽車(chē)加氣站、CNG汽車(chē)帶來(lái)了發(fā)展機(jī)遇。我國(guó)CNG應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)比較成熟，目前除了應(yīng)用于城市天然氣汽車(chē)之外，還采用虛擬管網(wǎng)技術(shù)[1、2]，為CNG加氣子站供應(yīng)天然氣再給汽車(chē)加氣，在全國(guó)各地為中小城鎮(zhèn)供應(yīng)天然氣，為工業(yè)企業(yè)用戶、旅游區(qū)的星級(jí)賓館酒店供應(yīng)天然氣。
1 虛擬管網(wǎng)技術(shù)
    虛擬管網(wǎng)技術(shù)源自為CNG汽車(chē)加氣的CNG子母站系統(tǒng)，是利用道路運(yùn)輸CNG給遠(yuǎn)離天然氣管道的用戶供應(yīng)天然氣的技術(shù)系統(tǒng)，由CNG加氣母站、CNG運(yùn)輸車(chē)(此處為CNG氣瓶車(chē)和CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)的總稱)、CNG儲(chǔ)配站及城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)組成。為提高單趟運(yùn)輸量并降低運(yùn)輸成本，在氣源地將較低壓力的天然氣壓縮至20MPa的高壓，將CNG通過(guò)公路等運(yùn)輸方式運(yùn)到用氣地。虛擬管網(wǎng)技術(shù)主要有3個(gè)模塊：a.CNG生產(chǎn)：將天然氣凈化并壓縮到20MPa；b.CNG運(yùn)輸：將CNG輸入CNG運(yùn)輸車(chē)中并運(yùn)輸?shù)接脷獾?；c.CNG儲(chǔ)存、減壓：將高壓的CNG儲(chǔ)存、減壓，然后計(jì)量、加臭送入管網(wǎng)。
2 虛擬管網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備
2.1 CNG加氣母站
    CNG加氣母站的基本工藝流程：過(guò)濾→計(jì)量→脫硫→加壓→干燥→儲(chǔ)氣井裝置→加氣柱→CNG運(yùn)輸車(chē)。管道輸送來(lái)的原料氣經(jīng)過(guò)濾、調(diào)壓、計(jì)量和脫硫塔脫硫處理后，使氣體較為純凈，并保障壓縮機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行。進(jìn)入壓縮機(jī)的天然氣經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)四級(jí)壓縮，排氣壓力達(dá)到25MPa，再經(jīng)過(guò)干燥器進(jìn)行脫水，使得氣質(zhì)含水量和含硫量達(dá)到汽車(chē)用氣標(biāo)準(zhǔn)。加氣母站生產(chǎn)出的CNG，通過(guò)PLC自動(dòng)控制，主要是直接通過(guò)大流量加氣柱為CNG運(yùn)輸車(chē)加氣；另外通過(guò)三線優(yōu)先順序控制實(shí)現(xiàn)快速給汽車(chē)直接加氣。
2.2 CNG運(yùn)輸車(chē)
    CNG運(yùn)輸車(chē)有3種型式，即CNG高壓氣體長(zhǎng)管氣瓶車(chē)、半掛式CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)和箱式CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)。
    ① CNG高壓氣體長(zhǎng)管氣瓶車(chē)(見(jiàn)圖1)由牽引車(chē)、高壓管道、半掛車(chē)(包括底盤(pán)、瓶組、安全倉(cāng)、操作倉(cāng))等組成。高壓管道集裝箱的外部幾何尺寸符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)12.2m(40英尺)集裝箱的要求，在充裝壓力達(dá)20MPa時(shí)可儲(chǔ)存CNG量4450m3。CNG高壓氣體長(zhǎng)管氣瓶車(chē)適用于運(yùn)輸?shù)缆穼掗?，路面質(zhì)量好的情況，一次性運(yùn)輸量較多，可降低運(yùn)輸成本。但它對(duì)運(yùn)輸?shù)缆酚幸螅?chē)輛的價(jià)格較高，在我國(guó)北方路況較好的地區(qū)使用較多。
 

    ② 半掛式CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)(見(jiàn)圖2)由牽引車(chē)、半掛車(chē)、CNG儲(chǔ)氣式特種集裝箱(見(jiàn)圖3)組成。CNG儲(chǔ)氣式特種集裝箱的外部幾何尺寸符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)6.1m(20英尺)集裝箱的要求，內(nèi)裝144只80L的CNG氣瓶，在充裝壓力達(dá)20MPa時(shí)充裝CNG總量約為2900m3。半掛式CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)適于運(yùn)輸?shù)缆仿访尜|(zhì)量不是很好，轉(zhuǎn)彎半徑不大的路況使用。對(duì)運(yùn)輸?shù)缆返倪x擇性比CNG高壓氣體長(zhǎng)管氣瓶車(chē)低，且半掛式CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)的車(chē)輛價(jià)格較便宜；該半掛式CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)一次性運(yùn)輸量沒(méi)有CNG高壓氣體長(zhǎng)管氣瓶車(chē)多，在我國(guó)南方道路不是很寬闊的地區(qū)使用較多。
 

    ③ 箱式CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)由箱式貨車(chē)、CNG儲(chǔ)氣式特種集裝箱(見(jiàn)圖4)組成。
 

CNG儲(chǔ)氣式特種集裝箱的外部幾何尺寸符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)6.1m(20英尺)集裝箱的要求，內(nèi)裝144只80L的CNG氣瓶，在充裝壓力達(dá)20MPa時(shí)充裝CNG總量約為2900m3。箱式CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)適于運(yùn)輸?shù)缆仿访尜|(zhì)量不好、轉(zhuǎn)彎半徑不大的路況使用。對(duì)運(yùn)輸?shù)缆返倪x擇性比CNG高壓氣體長(zhǎng)管氣瓶車(chē)、半掛式CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)低，價(jià)格較便宜，一次性運(yùn)輸量沒(méi)有CNG高壓氣體長(zhǎng)管氣瓶車(chē)多。該箱式CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)在我國(guó)南方道路不是很寬闊的地區(qū)使用，特別適宜山區(qū)運(yùn)輸使用。
2.3 CNG儲(chǔ)配站及城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)
    CNG儲(chǔ)配站及城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)具備CNG卸氣、計(jì)量、儲(chǔ)氣、調(diào)峰、減壓及為用戶配送天然氣的作用。CNG儲(chǔ)配站減壓供氣的基本流程是：CNG經(jīng)CNG運(yùn)輸車(chē)進(jìn)站，卸車(chē)計(jì)量后進(jìn)入調(diào)壓裝置，經(jīng)三級(jí)或二級(jí)調(diào)壓至0.3～0.4MPa，然后經(jīng)計(jì)量、加臭后進(jìn)入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)。CNG減壓的過(guò)程可近似地看作絕熱過(guò)程，伴隨著溫度降低。由于壓降較大，減壓后的天然氣溫度會(huì)下降幾十?dāng)z氏度。為避免低溫對(duì)調(diào)壓器等裝置造成損傷，增加減壓穩(wěn)定性，并充分利用CNG的壓力進(jìn)行儲(chǔ)氣，通常采用三級(jí)減壓并在減壓前加熱天然氣。對(duì)于較小流量的減壓裝置，若不考慮儲(chǔ)氣，也可采用二級(jí)減壓方式。CNG儲(chǔ)配站的換熱和調(diào)壓級(jí)數(shù)應(yīng)綜合運(yùn)輸車(chē)最高工作壓力、調(diào)壓裝置卸氣能力、城鎮(zhèn)管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力等因素確定。
    儲(chǔ)氣與調(diào)峰的基本流程是CNG經(jīng)CNG運(yùn)輸車(chē)進(jìn)站，卸車(chē)計(jì)量后進(jìn)入調(diào)壓間，經(jīng)二級(jí)調(diào)壓減至4MPa進(jìn)入高壓儲(chǔ)氣管道儲(chǔ)存。其作用是穩(wěn)定供氣，在用氣高峰的時(shí)候?qū)⒏邏簝?chǔ)氣管道內(nèi)的天然氣輸入城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)，解決高峰時(shí)用氣不足的問(wèn)題。小城鎮(zhèn)同樣存在用氣不均勻的問(wèn)題，而且由于小城鎮(zhèn)的用氣規(guī)模小，不均勻性的程度可能比大中城市還要突出。CNG調(diào)峰可采用多種方式，如CNG高壓氣體長(zhǎng)管氣瓶車(chē)或半掛式CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)、地下儲(chǔ)氣井及高壓管道等方式儲(chǔ)氣等。由于每輛CNG運(yùn)輸車(chē)具有一定的調(diào)峰能力，利用CNG高壓氣體長(zhǎng)管氣瓶車(chē)或半掛式CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)調(diào)峰不失為一種經(jīng)濟(jì)、靈活的調(diào)峰手段，但箱式CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)不宜作為調(diào)峰手段。盡管CNG運(yùn)輸車(chē)自身也是一個(gè)儲(chǔ)氣裝置，能儲(chǔ)存天然氣，但主要功能是運(yùn)輸，因此CNG儲(chǔ)配站必須設(shè)置高壓儲(chǔ)氣設(shè)施。
3 虛擬管網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展方向
   重慶燃?xì)夤こ坦煞萦邢薰臼侵貞c燃?xì)饧瘓F(tuán)公司控股，從事虛擬管網(wǎng)技術(shù)，拓展CNG應(yīng)用范圍的股份制公司。2006年以來(lái)，我公司與重慶燃?xì)饧瘓F(tuán)公司合作采用虛擬管網(wǎng)技術(shù)，實(shí)施了重慶頭塘CNG加氣母站，巴南區(qū)木洞鎮(zhèn)、東泉鎮(zhèn)，二圣鎮(zhèn)天然氣供應(yīng)，城口縣天然氣供應(yīng)，長(zhǎng)壽區(qū)的江南新區(qū)天然氣供應(yīng)，四川省鄰水縣壇同鎮(zhèn)天然氣供應(yīng)及部分工業(yè)企業(yè)的補(bǔ)充供氣，調(diào)峰天然氣供應(yīng)項(xiàng)目。筆者結(jié)合虛擬管網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)際和重慶及南方城鎮(zhèn)的規(guī)模、道路等特點(diǎn)，探討虛擬管網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展方向。
    ① 虛擬管網(wǎng)技術(shù)儲(chǔ)氣
    在城市燃?xì)夤庀到y(tǒng)中，燃?xì)庥昧看嬖诓痪鶆蛐裕枰型晟频膬?chǔ)存設(shè)施，解決用氣高峰時(shí)的不足和用氣低谷時(shí)的余氣問(wèn)題。在虛擬管網(wǎng)技術(shù)中，儲(chǔ)氣設(shè)施的功能已經(jīng)不只是解決小時(shí)調(diào)峰的問(wèn)題，而是需要解決區(qū)域在一定時(shí)間內(nèi)的用氣問(wèn)題，以減弱可能出現(xiàn)的運(yùn)輸中斷導(dǎo)致的供氣不可靠性。虛擬管網(wǎng)技術(shù)的儲(chǔ)氣可采用如CNG高壓氣體長(zhǎng)管氣瓶車(chē)、半掛式CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)、地下儲(chǔ)氣井及高壓管道等方式儲(chǔ)氣。
    CNG高壓氣體長(zhǎng)管氣瓶車(chē)或半掛式CNG瓶組運(yùn)輸車(chē)儲(chǔ)氣適用于工業(yè)企業(yè)的補(bǔ)充供氣、調(diào)峰天然氣供應(yīng)及作為規(guī)劃管輸供氣的短期城市供應(yīng)的過(guò)渡氣源。地下儲(chǔ)氣井儲(chǔ)氣適用于CNG加氣子站與CNG儲(chǔ)配站合建的中小城鎮(zhèn)天然氣供氣項(xiàng)目。
    高壓管道儲(chǔ)氣最適用于中小城鎮(zhèn)天然氣供氣項(xiàng)目中的CNG儲(chǔ)配站，高壓管道作為CNG儲(chǔ)配站的儲(chǔ)氣設(shè)施，壓力高達(dá)4MPa，充分有效地利用CNG本身所具有的壓力。高壓管道建設(shè)技術(shù)成熟、成本低廉、儲(chǔ)氣量大。高壓管道埋于地下，管道內(nèi)氣體溫度均勻，對(duì)儲(chǔ)氣和售氣計(jì)量影響小。高壓管道安全性高，能防雷、抗靜電，簡(jiǎn)化消防設(shè)施，基本不受環(huán)境影響，高壓管道后期運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低。
    我公司在城口縣中型城鎮(zhèn)天然氣供應(yīng)項(xiàng)目埋設(shè)設(shè)計(jì)壓力為4MPa的高壓管道550m(鋼管規(guī)格為D1219×17.5，材質(zhì)為L(zhǎng)485)，儲(chǔ)氣量達(dá)20000m3；巴南區(qū)木洞鎮(zhèn)小城鎮(zhèn)天然氣供應(yīng)項(xiàng)目埋設(shè)設(shè)計(jì)壓力為4MPa的高壓管道80m(鋼管規(guī)格為D1219×17.5，材質(zhì)為L(zhǎng)485)，儲(chǔ)氣量達(dá)3200m3。
    ② 規(guī)?；瘧?yīng)用虛擬管網(wǎng)技術(shù)
    采用虛擬管網(wǎng)技術(shù)供應(yīng)于中小城鎮(zhèn)天然氣供應(yīng)項(xiàng)目成熟、可靠，中小城鎮(zhèn)的用氣規(guī)模小，遠(yuǎn)離天然氣輸氣管線，其投資回報(bào)的空間很??；而其運(yùn)營(yíng)成本較高，主要由設(shè)備設(shè)施折舊、人工費(fèi)用及CNG運(yùn)輸費(fèi)組成。CNG運(yùn)輸費(fèi)具有波動(dòng)性、可變性、占運(yùn)營(yíng)成本的比例較大的特點(diǎn)，與道路條件、運(yùn)輸車(chē)輛、CNG運(yùn)輸量等有關(guān)。因此，虛擬管網(wǎng)技術(shù)必須規(guī)模化應(yīng)用，把一定范圍的多個(gè)中小城鎮(zhèn)集群納入統(tǒng)一的燃?xì)饣l(fā)展中，采用城鎮(zhèn)集群供氣模式。城鎮(zhèn)集群中的城鎮(zhèn)之間的氣源提供方式可避開(kāi)傳統(tǒng)的管道連接，可大大地減少造價(jià)，擴(kuò)大供應(yīng)天然氣的客戶規(guī)模，降低CNG運(yùn)輸費(fèi)用，提高供氣的規(guī)模效益。
   ③ CNG運(yùn)輸車(chē)的優(yōu)化
   虛擬管網(wǎng)技術(shù)的CNG運(yùn)輸車(chē)應(yīng)采用小型化、模塊化技術(shù)，在運(yùn)輸、裝卸、儲(chǔ)氣等多個(gè)環(huán)節(jié)由模塊靈活、自由組合集成，有效解決城市天然氣管網(wǎng)不能覆蓋的小城鎮(zhèn)居民、工業(yè)企業(yè)用氣及CNG汽車(chē)加氣。虛擬管網(wǎng)技術(shù)的CNG運(yùn)輸車(chē)上CNG儲(chǔ)氣式特種集裝箱應(yīng)按壓力分為高、中、低3組，按模塊組合，CNG汽車(chē)、居民用戶、工商業(yè)用戶用氣三位一體的綜合集成、系統(tǒng)化服務(wù)，根據(jù)用戶的壓力需求實(shí)現(xiàn)能量?jī)?yōu)化、順序用氣、減少余氣。擴(kuò)大用氣規(guī)模，并將道路運(yùn)輸、燃?xì)庹{(diào)峰、綜合節(jié)能和經(jīng)濟(jì)規(guī)模等相結(jié)合，最大限度地降低運(yùn)營(yíng)成本。
    ④ 虛擬管網(wǎng)技術(shù)的適用范圍及特點(diǎn)
    采用虛擬管網(wǎng)技術(shù)供應(yīng)天然氣，根據(jù)CNG加氣母站的氣源條件，最小的單個(gè)城鎮(zhèn)供氣項(xiàng)目(小城鎮(zhèn)供氣)，居民用戶不宜少于2000戶；最大的單個(gè)城鎮(zhèn)供氣項(xiàng)目(中型城鎮(zhèn)供氣)，居民用戶不宜多于30000戶；10000～20000戶居民用戶的城鎮(zhèn)最適宜。小城鎮(zhèn)供氣項(xiàng)目應(yīng)把一定范圍的多個(gè)小城鎮(zhèn)集群納入統(tǒng)一的燃?xì)饣l(fā)展中，采用城鎮(zhèn)集群供氣模式，降低CNG運(yùn)輸費(fèi)用，大大地提高供氣的規(guī)模效益。
    工業(yè)用戶、商業(yè)用戶(包括集體用戶、旅游區(qū)的星級(jí)賓館酒店等)是采用虛擬管網(wǎng)技術(shù)供應(yīng)天然氣項(xiàng)目的首選客戶。此類客戶的技術(shù)素質(zhì)高，便于管理，用氣量大且穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)承受能力強(qiáng)，投入低而收益高。
    對(duì)于用氣規(guī)模不大，客戶不多的中小城鎮(zhèn)的天然氣供應(yīng)，虛擬管網(wǎng)技術(shù)較長(zhǎng)輸管道供氣具有工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工期短、見(jiàn)效快的優(yōu)點(diǎn)，適于向距離氣源相對(duì)較遠(yuǎn)、用氣規(guī)模不大的中小城鎮(zhèn)供氣，特別適于作為規(guī)劃管輸供氣的城鎮(zhèn)的過(guò)渡氣源。
4 虛擬管網(wǎng)技術(shù)存在的技術(shù)障礙
    ① 高壓管道儲(chǔ)氣沒(méi)有相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。高壓儲(chǔ)氣管道在設(shè)計(jì)、建設(shè)、檢驗(yàn)、驗(yàn)收中按照相關(guān)級(jí)制的容器標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，運(yùn)行管理、安全間距按照相關(guān)級(jí)制的管道標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。將城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿揽梢赃_(dá)到的最大輸氣壓力作為管道儲(chǔ)氣的最高壓力，4MPa是高壓管道儲(chǔ)氣的壓力上限。
    ② 虛擬管網(wǎng)技術(shù)的CNG運(yùn)輸車(chē)上CNG儲(chǔ)氣式特種集裝箱應(yīng)小型化、模塊化，而小型化、模塊化集裝箱沒(méi)有相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行的CNG運(yùn)輸車(chē)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)外部幾何尺寸符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)12.2m(40英尺)集裝箱、6.1m(20英尺)集裝箱制定。
參考文獻(xiàn)：
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(本文作者：周建國(guó) 重慶燃?xì)夤こ坦煞萦邢薰?重慶 401121)