車用CNG充裝站生產(chǎn)工藝技術(shù)及設(shè)備組合優(yōu)化探討

摘要：CNG充裝站搞好安全生產(chǎn)是前提，提高經(jīng)濟(jì)效益也十分重要，事關(guān)CNG發(fā)展前景。本文從市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，確定了充裝站經(jīng)6濟(jì)規(guī)模，近而圍繞生產(chǎn)設(shè)備中壓縮機(jī)的組合優(yōu)化進(jìn)行了探討，為提高氣站經(jīng)濟(jì)效益探明了途徑。

　　車用CNG作為汽車清潔能源已被國(guó)家和社會(huì)所認(rèn)識(shí)，國(guó)內(nèi)已進(jìn)入全面推廣應(yīng)用階段。但從全國(guó)已建設(shè)并投入運(yùn)行的六十多座氣站來看，絕大部分經(jīng)濟(jì)效益不理想，甚至還處于虧損狀態(tài)。因此，搞好氣站安全生產(chǎn)的同時(shí)，提高氣站經(jīng)濟(jì)效益就顯得十分重要。

　　充裝站的經(jīng)濟(jì)效益是由經(jīng)濟(jì)規(guī)模確定的，而經(jīng)濟(jì)光明卻靠先進(jìn)工藝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，由生產(chǎn)設(shè)備去實(shí)施。因此，長(zhǎng)期子生產(chǎn)設(shè)備優(yōu)化組合問題是解決氣站經(jīng)濟(jì)效益的前提和基礎(chǔ)

1、充裝站投資與回報(bào)率

　　在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中項(xiàng)目投資，首先考慮的投資回報(bào)率問題。氣站作為生產(chǎn)裝置投資項(xiàng)目，人們總是考慮它能投資省，建設(shè)快，裝置先進(jìn)可靠，投資回報(bào)率高。從目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)裝置水平及價(jià)格來分析，建設(shè)一個(gè)基本規(guī)模的充裝站，供雙燃料汽車300輛—500輛充裝，總投資約450萬(wàn)元。項(xiàng)目希望能在3年—4年，最好能在3年收回投資，充分享受象四川省，重慶市等對(duì)氣站減免3年所得稅的優(yōu)惠政策。因此，投資回報(bào)率希望值選在25%以上。事實(shí)上，CNG充裝站作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，已具備這樣的條件，著就提出市場(chǎng)是否認(rèn)可，以及人們?cè)鯓尤��?shí)現(xiàn)希望的投資回報(bào)率。

2、經(jīng)濟(jì)規(guī)模

　　按25%的投資回報(bào)率，經(jīng)最適成本Copt分析，在目前原料天然氣價(jià)格0.733元/M3（標(biāo)態(tài)下）及CNG氣體售價(jià)1.30元/立方米（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）狀態(tài)下，計(jì)算出經(jīng)濟(jì)規(guī)模為460萬(wàn)M3/a（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），即日產(chǎn)CNG氣體13000M3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）。這與四川省標(biāo)準(zhǔn)DB51/5031《車用壓縮天然氣充裝站建設(shè)技術(shù)規(guī)范》確定的充裝站規(guī)模中C120型基本相同詳見表1。

　　從表1可以得出，C120型氣站，壓縮機(jī)排氣量在1200立方米/小時(shí)（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）。根據(jù)氣站生產(chǎn)特征，雙燃料車充裝氣集中在兩個(gè)高峰和一個(gè)高峰時(shí)段上，加上儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰后需補(bǔ)充的開機(jī)時(shí)間 ，壓縮機(jī)每天總開機(jī)時(shí)間為13小時(shí)，故得出實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)規(guī)模時(shí)，氣站壓縮機(jī)小時(shí)生產(chǎn)量為：

Q總=Vopt/H
式中：Q總：氣站壓縮機(jī)小時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)氣量，立方米/小時(shí)（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）；
vOPT：氣站日生產(chǎn)CNG氣體經(jīng)濟(jì)規(guī)模，Vopt=13000立方米/小時(shí)（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）；
H：氣站壓縮機(jī)日開機(jī)總時(shí)間，小時(shí)，H=13小時(shí)/天
Q總=13000/13=1000立方米/小時(shí)（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）

　　表1 DB51/5013標(biāo)準(zhǔn)充裝站規(guī)模

序號(hào)	型號(hào)	壓縮排氣量M3/H	儲(chǔ)氣量M3/H	充氣裝置(套)	備注
1	C180	〈1800	≤7500	10	充氣裝置 可根據(jù)高峰 充裝調(diào)整
2	C120	〈1200	≤5000	6~8
3	C60	〈600	≤2500	2~3

3、壓縮機(jī)生產(chǎn)組合優(yōu)化

3.1 氣站使用壓縮機(jī)現(xiàn)狀

　　充裝站使用的天然氣增壓壓縮機(jī)，經(jīng)十多年的應(yīng)用實(shí)踐表明，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)V型和L型
壓縮機(jī)性能良好，能滿足CNG的生產(chǎn)，主要性能見表2。

表2 天然氣壓縮機(jī)主要性能

充號(hào)	型號(hào)	主要性能	生產(chǎn)廠家	備注
1	V-1.55/3-250	P進(jìn)=0.3MPa P排=25MPa Q排=320M3/H 轉(zhuǎn)速：740r.p.m 配電機(jī)75kW	重慶氣體壓縮機(jī)廠 蚌埠壓縮機(jī)總廠	省內(nèi)外還有其它 廠家生產(chǎn)同類型 壓縮機(jī)
2	L-2.1/3-250	P進(jìn)=0.3MPa P排=25MPa Q排=500M3/H 轉(zhuǎn)速：495r.p.m配電機(jī)110kW	重慶氣體壓縮機(jī)廠
3	L-1.25/3-250	P進(jìn)=0.3MPa P排=25MPa Q排=420M3/H 轉(zhuǎn)速：428r.p.m 配電機(jī)110kW	自貢高壓容器廠

3.2 壓縮機(jī)組合生產(chǎn)方案

　　按壓縮機(jī)生產(chǎn)性能，圍繞氣站經(jīng)濟(jì)規(guī)模的實(shí)現(xiàn)，各種組合方案見表3。

3.3 方案比較

　　方案比較用3個(gè)參數(shù)衡量及分析，即組合生產(chǎn)方案實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)規(guī)模系數(shù)K，單位經(jīng)濟(jì)氣量
電耗E和生產(chǎn)適應(yīng)性S來定義及表征。

（1）實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)規(guī)模參數(shù)K
K=Vopt/Qd

表3 充裝站壓縮機(jī)組合生產(chǎn)方案

方案號(hào)	組合方案	方案摘要	總排氣量m3/h	實(shí)際生產(chǎn)氣量 m3/h	電機(jī)總功率KW
A	L型V型組合	L型一臺(tái) 單機(jī)排氣量500m3/h V型兩臺(tái) 單機(jī)排氣量320m3/h	1140	1043	260
B1	L型單系列	L型兩臺(tái) 單機(jī)排氣量 500m3/h	1000	920	220
B2		L型三臺(tái) 單機(jī)排氣量420m3/h	1260	1157	330
C	V型單系列	V型三臺(tái) 單機(jī)排氣量 320m3/h	960	882	2250

注：1 壓縮機(jī)實(shí)際生產(chǎn)氣量取排氣量的95%計(jì)；2 再生氣消耗按40立方米/小時(shí)計(jì)算

式中：K：實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)規(guī)模系數(shù)；
Vopt：日經(jīng)濟(jì)規(guī)模氣量，立方米/天，Vopt=13000立方米/天（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）
Qd：壓縮機(jī)日實(shí)際生產(chǎn)氣量，立方米/天（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）
K值的計(jì)算見表4。從投資上看，A、B2、C方案投資差不多，K值分別為1.04，1.16，和0.87。A方案與經(jīng)濟(jì)規(guī)模匹配，B2方案則比經(jīng)濟(jì)規(guī)模大，說明實(shí)際的生產(chǎn)能力偏大；C方按達(dá)不到經(jīng)濟(jì)規(guī)模的要求。B1方案因少設(shè)一臺(tái)壓縮機(jī)而投資減少，但K值為00.91，仍不夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)規(guī)模。

（2）單位經(jīng)濟(jì)氣量電耗E
E=P/Vopt
式中：E：?jiǎn)挝唤?jīng)濟(jì)氣量電耗，KW.h/m3 （標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）。
P：壓縮機(jī)日耗電總量，KW.h/d
Vopt：充裝站日經(jīng)濟(jì)規(guī)模氣量，立方米/天（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）。
E值的計(jì)算見表4。A、B2方案生產(chǎn)立方米氣體電耗為0.26KWH和0.33KWH。B2方案比A方案電耗增加27%，年耗電增加3202萬(wàn)KWH。

（3）生產(chǎn)適應(yīng)性S
　　V型機(jī)生產(chǎn)負(fù)荷小，起動(dòng)轉(zhuǎn)距小，適應(yīng)氣站頻繁開機(jī)。L型生產(chǎn)負(fù)荷大一些，相對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)距大，頻繁起動(dòng)時(shí)，設(shè)備磨損較大。

（4）投資的經(jīng)濟(jì)性G
投資的經(jīng)濟(jì)性從總投資和生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用來衡量。生產(chǎn)費(fèi)用包括電，水和機(jī)物料消耗，壓縮機(jī)維修費(fèi)用，定員費(fèi)用等。從CNG充裝的實(shí)際運(yùn)行來看，經(jīng)濟(jì)規(guī)模相當(dāng)?shù)臍庹荆�人員，水和機(jī)物消耗料消耗 ，L型和V型壓縮機(jī)年維修費(fèi)用，在運(yùn)行兩年后基本相同。因此，只有電耗不相同，故投資經(jīng)濟(jì)性G為：

G=T+C/V
式中：G：投資和相對(duì)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性表征數(shù)，元/立方米（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）；
T：氣站總投資，T=450萬(wàn)元；
C：年耗電費(fèi)用，C=E*V——*J電價(jià)；
J電價(jià)：按平均電價(jià)計(jì)；J=0.45元/KWH。
計(jì)算結(jié)果見表4。

從表4可以得出，A和C方案投資經(jīng)濟(jì)性為1.24元/立方米和1.31元/立方米（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）。C方案投資經(jīng)濟(jì)性比A方案增大6%，年增加費(fèi)用14.5萬(wàn)元。

表4 壓縮機(jī)生產(chǎn)組合方案比較（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）

方案號(hào)	壓縮機(jī)實(shí)際 排氣量M3/h	實(shí)際生產(chǎn) 氣量M3/d	實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì) 規(guī)模系數(shù)K	經(jīng)濟(jì)規(guī)模氣 量耗電KWH/M3	生產(chǎn)適應(yīng)性	投資經(jīng)濟(jì) 性G元/M3
A	1043	13559	1.04	0.26	好	1.24
B1	910	11830	0.91	-	一般	-
B2	1157	15041	1.16	0.33	較好	-
C	872	11336	0.87	-	好	1.31

4、結(jié)論

綜上所述，CNG充裝站壓縮機(jī)組合優(yōu)化選擇A方案為宜，即一臺(tái)L-2.11/3-250壓縮機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是：
（1）能滿足氣站實(shí)際經(jīng)濟(jì)規(guī)模的需要，且與經(jīng)濟(jì)規(guī)模配套；
（2）實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)規(guī)模的電耗低；
（3）生產(chǎn)運(yùn)行中能耗費(fèi)用低；
（4）對(duì)氣站間歇式頻繁開機(jī)適應(yīng)性好。V型機(jī)用于頻繁開機(jī)，L型用于較大負(fù)荷生產(chǎn)；
（5）簡(jiǎn)化建站初期建設(shè)，可按階段配置壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)，從而減少投資，增強(qiáng)氣站與市場(chǎng)發(fā)展同步的適應(yīng)性，使氣站從投運(yùn)之日起，具有良好的經(jīng)濟(jì)性；
（6）生產(chǎn)彈性大，車輛充氣高峰，3機(jī)生產(chǎn)和儲(chǔ)氣庫(kù)調(diào)峰，，能滿足****生產(chǎn)負(fù)荷需要。

　　中負(fù)荷時(shí)期，“一大一小”，即1臺(tái)L型機(jī)和1臺(tái)V型機(jī)組合生產(chǎn)，使生產(chǎn)平穩(wěn)；過渡時(shí)期，則L型機(jī)，使生產(chǎn)連貫性較好。從而減少壓縮機(jī)的開機(jī)次數(shù)，提高壓縮機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)周期。

　　選擇A方案優(yōu)點(diǎn)較多。雖然在管理上因使用多型壓縮機(jī)，導(dǎo)致在零配件管理和車間布置占地上增加了投入，但是對(duì)氣站的經(jīng)濟(jì)效益影響甚小。A方案經(jīng)德陽(yáng)市天然氣總公司CNG充裝站實(shí)驗(yàn)、示范站實(shí)施后，收到良好效果。1998年由四川省科委組織專家鑒定：裝置運(yùn)行安全可靠、節(jié)能，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)在國(guó)內(nèi)具有領(lǐng)先水平