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)濟效益也十分重要，事關(guān)CNG發(fā)展前景。本文從市場經(jīng)濟角度出發(fā)，確定了充裝站經(jīng)6濟規(guī)模，近而圍繞生產(chǎn)設(shè)備中壓縮機的組合優(yōu)化進行了探討，為提高氣站經(jīng)濟效益探明了途徑。

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

　　充裝站的經(jīng)濟效益是由經(jīng)濟規(guī)模確定的，而經(jīng)濟光明卻靠先進工藝技術(shù)來實現(xiàn)，由生產(chǎn)設(shè)備去實施。因此，長期子生產(chǎn)設(shè)備優(yōu)化組合問題是解決氣站經(jīng)濟效益的前提和基礎(chǔ)

1、充裝站投資與回報率

　　在市場經(jīng)濟中項目投資，首先考慮的投資回報率問題。氣站作為生產(chǎn)裝置投資項目，人們總是考慮它能投資省，建設(shè)快，裝置先進可靠，投資回報率高。從目前國內(nèi)生產(chǎn)裝置水平及價格來分析，建設(shè)一個基本規(guī)模的充裝站，供雙燃料汽車300輛—500輛充裝，總投資約450萬元。項目希望能在3年—4年，最好能在3年收回投資，充分享受象四川省，重慶市等對氣站減免3年所得稅的優(yōu)惠政策。因此，投資回報率希望值選在25%以上。事實上，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，著就提出市場是否認可，以及人們怎樣去實現(xiàn)希望的投資回報率。

2、經(jīng)濟規(guī)模

　　按25%的投資回報率，經(jīng)最適成本Copt分析，在目前原料天然氣價格0.733元/M3（標(biāo)態(tài)下）及CNG氣體售價1.30元/立方米（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）狀態(tài)下，計算出經(jīng)濟規(guī)模為460萬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，壓縮機排氣量在1200立方米/小時（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高峰和一個高峰時段上，加上儲氣庫調(diào)峰后需補充的開機時間 ，壓縮機每天總開機時間為13小時，故得出實現(xiàn)經(jīng)濟規(guī)模時，氣站壓縮機小時生產(chǎn)量為：

Q總=Vopt/H
式中：Q總：氣站壓縮機小時實現(xiàn)生產(chǎn)氣量，立方米/小時（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）；
vOPT：氣站日生產(chǎn)CNG氣體經(jīng)濟規(guī)模，Vopt=13000立方米/小時（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）；
H：氣站壓縮機日開機總時間，小時，H=13小時/天
Q總=13000/13=1000立方米/小時（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）

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

序號	型號	壓縮排氣量M3/H	儲氣量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、壓縮機生產(chǎn)組合優(yōu)化

3.1 氣站使用壓縮機現(xiàn)狀

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

表2 天然氣壓縮機主要性能

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

3.2 壓縮機組合生產(chǎn)方案

　　按壓縮機生產(chǎn)性能，圍繞氣站經(jīng)濟規(guī)模的實現(xiàn)，各種組合方案見表3。

3.3 方案比較

　　方案比較用3個參數(shù)衡量及分析，即組合生產(chǎn)方案實現(xiàn)經(jīng)濟規(guī)模系數(shù)K，單位經(jīng)濟氣量
電耗E和生產(chǎn)適應(yīng)性S來定義及表征。

（1）實現(xiàn)經(jīng)濟規(guī)模參數(shù)K
K=Vopt/Qd

表3 充裝站壓縮機組合生產(chǎn)方案

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

注：1 壓縮機實際生產(chǎn)氣量取排氣量的95%計；2 再生氣消耗按40立方米/小時計算

式中：K：實現(xiàn)經(jīng)濟規(guī)模系數(shù)；
Vopt：日經(jīng)濟規(guī)模氣量，立方米/天，Vopt=13000立方米/天（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）
Qd：壓縮機日實際生產(chǎn)氣量，立方米/天（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）
K值的計算見表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)濟規(guī)模匹配，B2方案則比經(jīng)濟規(guī)模大，說明實際的生產(chǎn)能力偏大；C方按達不到經(jīng)濟規(guī)模的要求。B1方案因少設(shè)一臺壓縮機而投資減少，但K值為00.91，仍不夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟規(guī)模。

（2）單位經(jīng)濟氣量電耗E
E=P/Vopt
式中：E：單位經(jīng)濟氣量電耗，KW.h/m3 （標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）。
P：壓縮機日耗電總量，KW.h/d
Vopt：充裝站日經(jīng)濟規(guī)模氣量，立方米/天（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）。
E值的計算見表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KWH。

（3）生產(chǎn)適應(yīng)性S
　　V型機生產(chǎn)負荷小，起動轉(zhuǎn)距小，適應(yīng)氣站頻繁開機。L型生產(chǎn)負荷大一些，相對起動轉(zhuǎn)距大，頻繁起動時，設(shè)備磨損較大。

（4）投資的經(jīng)濟性G
投資的經(jīng)濟性從總投資和生產(chǎn)運行費用來衡量。生產(chǎn)費用包括電，水和機物料消耗，壓縮機維修費用，定員費用等。從CNG充裝的實際運行來看，經(jīng)濟規(guī)模相當(dāng)?shù)臍庹�，人員，水和機物消耗料消耗 ，L型和V型壓縮機年維修費用，在運行兩年后基本相同。因此，只有電耗不相同，故投資經(jīng)濟性G為：

G=T+C/V
式中：G：投資和相對運行經(jīng)濟性表征數(shù)，元/立方米（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）；
T：氣站總投資，T=450萬元；
C：年耗電費用，C=E*V——*J電價；
J電價：按平均電價計；J=0.45元/KWH。
計算結(jié)果見表4。

從表4可以得出，A和C方案投資經(jīng)濟性為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)濟性比A方案增大6%，年增加費用14.5萬元。

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

方案號	壓縮機實際 排氣量M3/h	實際生產(chǎn) 氣量M3/d	實現(xiàn)經(jīng)濟 規(guī)模系數(shù)K	經(jīng)濟規(guī)模氣 量耗電KWH/M3	生產(chǎn)適應(yīng)性	投資經(jīng)濟 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充裝站壓縮機組合優(yōu)化選擇A方案為宜，即一臺L-2.11/3-250壓縮機，優(yōu)點是：
（1）能滿足氣站實際經(jīng)濟規(guī)模的需要，且與經(jīng)濟規(guī)模配套；
（2）實現(xiàn)經(jīng)濟規(guī)模的電耗低；
（3）生產(chǎn)運行中能耗費用低；
（4）對氣站間歇式頻繁開機適應(yīng)性好。V型機用于頻繁開機，L型用于較大負荷生產(chǎn)；
（5）簡化建站初期建設(shè)，可按階段配置壓縮機臺數(shù)，從而減少投資，增強氣站與市場發(fā)展同步的適應(yīng)性，使氣站從投運之日起，具有良好的經(jīng)濟性；
（6）生產(chǎn)彈性大，車輛充氣高峰，3機生產(chǎn)和儲氣庫調(diào)峰，，能滿足****生產(chǎn)負荷需要。

　　中負荷時期，“一大一小”，即1臺L型機和1臺V型機組合生產(chǎn)，使生產(chǎn)平穩(wěn)；過渡時期，則L型機，使生產(chǎn)連貫性較好。從而減少壓縮機的開機次數(shù)，提高壓縮機的正常運轉(zhuǎn)周期。

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