城市二甲醚汽車加氣站的設(shè)計實(shí)踐

十五國家科技攻關(guān)計劃“清潔汽車產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項目l已于2005年5月全部完成課題任務(wù)書的簽訂工作，目前各課題工作已全面展開。上海市希望在國家科技攻關(guān)計劃項目“二甲醚汽車研究與開發(fā)”研究成果的基礎(chǔ)上，解決二甲醚汽車大批量生產(chǎn)前的技術(shù)問題，開發(fā)具有門主知識產(chǎn)權(quán)的二甲醚燃料車用發(fā)動機(jī)。這不僅對逐步改變汽車

能源結(jié)構(gòu)，降低對石油資源的依賴性，保證我國能源安全和環(huán)境保護(hù)具有重大戰(zhàn)略意義，而且對我國汽車與發(fā)動機(jī)工業(yè)走出自主創(chuàng)新民族工業(yè)發(fā)展道路意義重大。二甲醚發(fā)動機(jī)的產(chǎn)業(yè)化，可以帶動一批產(chǎn)業(yè)，包括二甲醚燃料產(chǎn)業(yè)、汽車產(chǎn)業(yè)、儲運(yùn)與加氣設(shè)備產(chǎn)業(yè)等，形成真正具有中國資源特色的汽車與發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)。因此上海巾經(jīng)濟(jì)委員會牽頭組織成立了上海市產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合工作協(xié)調(diào)辦公室，具體協(xié)調(diào)“二甲醚發(fā)動機(jī)技術(shù)產(chǎn)業(yè)”項目的實(shí)施。在上海市產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合作協(xié)調(diào)辦公室的協(xié)調(diào)下，由上海交通大學(xué)、上海柴油機(jī)有限公司共同負(fù)責(zé)完成二甲醚發(fā)動機(jī)子項，由上海交通大學(xué)、上海柴油機(jī)有限公司、新奧集團(tuán)股份有限公司、上海新奧九環(huán)車用能源股份有限公司共同完成二甲醚燃料標(biāo)準(zhǔn)的制定上作，上海新奧九環(huán)車用能源股份有限公司和上海吳涇化工有限公司負(fù)責(zé)完成二甲醚試驗(yàn)加氣站的開發(fā)工作。

    2007年5月底，第一批二甲醚公交車(運(yùn)行在上海公交線路147路)進(jìn)入示范運(yùn)營。

1二甲醚的物理化學(xué)特性

我國的煤炭資源極其豐富，我們可將煤炭用一步法或二步法工藝制成二甲醚(Dimethyl Ether．DME)，二甲醚的化學(xué)式是CH30CH，，是醚的同系物。二甲醚在常溫、常壓下為無色、無味氣體，由于其中身含氧，因此燃燒性能好，熱效率高，燃燒過程中有殘留物、無黑煙，是世界各國公認(rèn)的清潔燃料。

    二甲醚發(fā)動機(jī)的優(yōu)異性能與其物理化學(xué)性質(zhì)直接相關(guān)。表1是二甲醚主要理化性能指標(biāo)，表2是二甲醚與柴油燃燒性能指標(biāo)的對比。

    因此，二甲醚成為壓燃式發(fā)動機(jī)最具吸引力的代用燃料的主要原因可歸納為：

    ④二甲醚分子結(jié)構(gòu)中沒有c—c鍵，只有c—O鍵和c—H鍵，且含有34％的氧。因此，燃燒后生成的CO、CH和微粒少，發(fā)動機(jī)能承受較高的排氣再循環(huán)率以降低NO。的牛成與排放量。

  ②二甲醚的十六烷值高于柴油，自燃溫度低，滯燃期比柴油短，NO。排放量與燃燒噪聲比柴油低。

  ③二甲醚理論混合氣低熱值為3 067 kJ／kg，而柴油的理論混合氣低熱值為2 911 kJ／kg。因此，二甲醚發(fā)動機(jī)的功率不僅不會降低，反而會升高。

  ④按等放熱量計算，二甲醚的氣化潛熱為柴油的2．53倍，因此會大幅度降低發(fā)動機(jī)最高燃燒溫度，改善NO。的排放。

  ⑤低沸點(diǎn)的特性使得二甲醚在噴人氣缸后即能氣化，其油束的霧化特性將明顯優(yōu)于柴油，有可能在低噴射壓力下就能滿足燃燒要求。

  ⑥二甲醚可以從來源豐富的煤、天然氣和生物質(zhì)中提煉，大規(guī)模生產(chǎn)時其成小約l 700元／t。

2二甲醚發(fā)動機(jī)的研究

    汽車尾氣的排放污染已成為我同大中城市的重要污染源而日益受到人們的關(guān)注。減少尾氣排放污染已成為治理城市大氣污染的主要手段之一。2005年8月，上海市經(jīng)濟(jì)委員會等部門新組建了上海市新能源汽車推進(jìn)辦公室，正式啟動了二甲醚發(fā)動機(jī)產(chǎn)學(xué)研攻關(guān)項日，力爭將在占汽車總運(yùn)行里程約20％～30％的公共汽車行業(yè)內(nèi)大力推廣清潔燃料如二甲醚等代用燃料汽車。

    上海市以黃震教授為首，由七海柴油機(jī)有限公司、上海申沃客車股份有限公司、新奧集團(tuán)股份有限

公司等企業(yè)參與的二甲醚發(fā)動機(jī)產(chǎn)學(xué)研研究團(tuán)隊通過將近2年的研究工作，第一批20輛公交車已上路

試運(yùn)營。

3加氣站設(shè)計、建設(shè)

    由上海新奧九環(huán)車用能源股份有限公司和上海吳涇化上有限公司組成的項目組負(fù)責(zé)上海市二甲醚加氣站產(chǎn)學(xué)研項目的研究、設(shè)計、建沒T作。該二甲醚加氣站已于2007年2月建成，加氣站位于上海市軍丁路上海柴油機(jī)廠正門北側(cè)。

    在城市里進(jìn)行加氣站建設(shè)要受到城市總體規(guī)劃、安仝問距以及加氣是否方便等諸多因素的制約，二甲醚加氣站的建設(shè)在圍內(nèi)又是首例，在沒計過程中我們著重對以下幾個問題進(jìn)行了探討。

  ①加氣站設(shè)計規(guī)范

  目前國內(nèi)尚無二甲醚加氣站設(shè)計、施工規(guī)范，為此項目組邀請、組織相關(guān)單位及專家對二甲醚試驗(yàn)加氣站的設(shè)計、安全進(jìn)行評價研討。經(jīng)過廣泛深入的交流，與會專家一致認(rèn)為：車用二甲醚在其危險、危害性方面與液化石油氣類似，二甲醚示范加氣站的設(shè)計、施T可參照GB 50156--2002《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》(2006年版)中液化石油氣章節(jié)。專家同時指出：應(yīng)盡快制定二甲醚試驗(yàn)加氣站的技術(shù)條件，為指導(dǎo)設(shè)計并為二甲醚加氣站的規(guī)范編制積累經(jīng)驗(yàn)。

    鑒于二甲醚的理化特性和液化石油氣較為相似，且瑞典、口本等二甲醚研發(fā)較為先進(jìn)的國家在建設(shè)二甲醚加氣站時，在正式標(biāo)準(zhǔn)出臺前，都以液化石油氣為參照標(biāo)準(zhǔn)。岡此，通過專家組的討論和商議，我們在術(shù)加氣站的設(shè)計、建設(shè)中以液化石油氣汽車加氣站的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為主要參考標(biāo)準(zhǔn)，同時根據(jù)設(shè)計、施工的實(shí)際情況，上海新奧九環(huán)車用能源有限公司和上海吳涇化工有限公司聯(lián)合編制了《二甲醚車用加氣站設(shè)計、施工及驗(yàn)收技術(shù)條件》，并正積極進(jìn)行上海市地方標(biāo)準(zhǔn)的申請工作。

    ②加氣站的選址與平面布置

    本項目示范加氣站為上海二甲醚示范車隊充裝二甲醚燃料，由于國內(nèi)兀此類加氣站的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，考慮二甲醚的物理性質(zhì)與液化石油氣相似，選址參考液化石油氣加氣站有關(guān)規(guī)定，建議在示范車隊停車場選址，可方便充裝并且便于管理，并能為二甲醚加氣站標(biāo)準(zhǔn)的制定積累經(jīng)驗(yàn)�；�丁以上因素，我們選擇在本項．目的重要參與單位——上海柴油機(jī)有限公司附近建設(shè)本站，該地塊屬于上海柴油機(jī)有限公司，由上海新奧九環(huán)車用能源股份有限公司和上海吳涇化工有限公刊租用。二甲醚示范加氣站建站規(guī)模按開允裝二甲醚公交車30輛確定，每輛二甲醚汽車設(shè)140 L的DME情氣瓶3只，充裝系數(shù)為80％。日均行駛單程為200-250 km，二甲醚每100 km消耗量為80 L，F(xiàn)1消耗量約200 L／d，30輛示范車日消耗二甲醚約6 000 L／d。示范站采用10 m’二甲醚儲罐滿足示范車隊日充裝量的需要。

    ③加氣站的工藝流程

    二甲醚加氣站的主要丁豈流程為：二甲醚槽車將二甲醚運(yùn)至加氣站，通過卸車泵卸至二甲醚儲罐，再經(jīng)過充裝泵送至二甲醚加氣機(jī)，加氣機(jī)根據(jù)用戶需求將定量的二甲醚輸送到車用鋼瓶中。按照儲罐的不同形式，加氣站可分為地上儲罐式和地下儲罐式兩種，兩者的主要區(qū)別在于為汽車充裝的泵不同。如果采用地下儲罐，在每個儲罐上安裝一臺潛液泵，或在地面安裝專為地下儲罐設(shè)計的離心泵；如果采用地上儲罐，則在儲罐附近安裝地面泵。

    采用地下儲罐的加氣站占地面積相對較小，距離市中心近、場地小的加氣站適宜采用這種形式，但工藝相對復(fù)雜一些，管道和各種閥門的密集程度也大，造價也較高。采用地上儲罐的加氣站受防火間距限制，占地面積較大，但工藝系統(tǒng)的復(fù)雜程度和造價較低。

    除此之外還可采用整體裝配式二甲醚加氣站，將二甲醚儲罐與充裝泵、工藝管道、控制閥門等工藝裝置集成在一個橇體上。此種力式上藝集成度高，易于安裝，易于管理，但充裝規(guī)模受到一定的限制，僅適合于小規(guī)模加氣站。

    由于本加氣站為示范加氣站，亢裝規(guī)模不大，且屬試驗(yàn)性階段，上藝不宜相對復(fù)雜，因此術(shù)方案采用整體裝配式方案。

  a．儲存系統(tǒng)

  根據(jù)本站確定的供氣規(guī)模，儲存系統(tǒng)采用10m’儲罐，儲罐下部設(shè)氣相管、液相進(jìn)液管、液相出液管、排污管，儲罐上部沒安全放散管、檢修放散管、檢修人孔。儲罐設(shè)翻板式玻璃管液位計，便于觀察儲罐液位，氣相管、液相出液管設(shè)r動切斷閥門及氣動緊急切斷閥，液相進(jìn)液管設(shè)手動切斷閥及止回閥。

  b．卸液系統(tǒng)

  加氣站的卸液力方式呵分為3種：

  利用站內(nèi)卸車泵卸車，這種形式是較普遍的形式。

  利用裝有卸車泵和計量系統(tǒng)的槽車卸車，這種形式簡化了站內(nèi)的卸車系統(tǒng)，節(jié)約r成本，但受槽車類型的限制。

  利用站內(nèi)壓縮機(jī)卸車，這種形式的壓縮機(jī)系統(tǒng)相對復(fù)雜一些，除r卸車外，還具有其他功能，但單獨(dú)設(shè)置的壓縮機(jī)房需較大占地面積�？紤]到本站的規(guī)模及示范效應(yīng)，采用卸車泵方式卸液，卸車泵與充裝泵合用，選用流母為8 m3／h葉片泵，卸車時間為45～60 min。

   c．充裝系統(tǒng)

   當(dāng)加氣裝置被摘下或于動開關(guān)打開時，控制系統(tǒng)開始工作，充裝泵肩動，將儲罐內(nèi)的二甲醚經(jīng)儲罐區(qū)的地下管道和中途的地下管道送至加氣機(jī)，經(jīng)加氣機(jī)計量后，由加氣裝置進(jìn)入二甲醚汽車內(nèi)的儲氣瓶。本示范站充裝泵正常工作情況下，每支加氣裝置的平均流量在70～80 L／min，考慮到示范加氣站規(guī)模不大，充裝泵與卸車泵合用同一臺泵。

  d．全站安全監(jiān)控系統(tǒng)

  站內(nèi)設(shè)置可燃?xì)怏w報警器，監(jiān)測罐區(qū)、汽車加氣島等處的二甲醚濃度，并‘』儲罐氣動緊急切斷閥連鎖。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度達(dá)到爆炸下限的20％時發(fā)出聲光報警信號，達(dá)到爆炸F限的40％時，自動切斷儲罐下氣帕管及液相出液管緊急切斷閥。

    e．管道及沒備的安全泄放

    本系統(tǒng)除儲罐、加氣機(jī)設(shè)安傘放散外，在液相管道及氣相管道也分別沒置安全放散閥，在泵出口設(shè)回流閥，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全。

    ④加氣站設(shè)備的選用與制造

    二甲醚屬于甲類易燃易爆物質(zhì)，由于它的氧化作用，常常引起橡膠分子斷裂、解聚以及配合劑的分解、溶解、溶m等現(xiàn)象，造成橡膠的腐蝕或引起橡膠的溶脹，從而失去密封性能。為保證加氣站的安全平穩(wěn)運(yùn)行，必須選用性能優(yōu)良、安全可靠的設(shè)備。因此在選用采、加氣機(jī)、閥門、流量計等關(guān)鍵設(shè)備時，必須考慮二甲醚對橡膠等材料的腐蝕特性。本站在液化石油氣加氣站常用設(shè)備的基礎(chǔ)上，結(jié)合二甲醚加氣站的特性，進(jìn)行了有針對性的開發(fā)。

    本站設(shè)計規(guī)模為日充裝二甲醚汽車30輛，每輛車每次充裝二甲醚(最人值)為340 L，充裝時問為5min，高峰時可同時為2輛車充裝。

    加氣站主要設(shè)備配置為：lO m³儲罐1臺，卸車、充裝泵l臺，雙槍加氣機(jī)l臺。

  a．10m³儲罐  

  10 m³儲罐主要性能參數(shù)如F：容積為10 m³，設(shè)計壓力為1．6 Mpa，設(shè)計溫度為一10～55℃，充裝系數(shù)為80％。

  b．卸車、充裝泵

  本站設(shè)l臺葉片泵滿足卸車、充裝需要。葉片泵主要性能參數(shù)為：流鼉?yōu)? m³／h，泵進(jìn)口壓力為0．3～1．2 Mpa，泵升壓為O 5 Mpa，設(shè)計壓力為2 0MPa。工作溫度為一10一55℃，介質(zhì)為二甲醚。

    泵組設(shè)旁通管、安全回流閥，泵出口設(shè)壓力表。

    c．加氣機(jī)

    加氣機(jī)采用雙槍加氣譏。加氣機(jī)主要性能參數(shù)如下：計量精度為±O．5％，流量為70一80 L／min，最高工作壓力為2 OMPa，工作溫度為一10-55℃。

    加氣機(jī)設(shè)液相管、氣相管及放空管，進(jìn)口配切斷閥，出口設(shè)高壓撓性管，配拉斷閥。加氣機(jī)設(shè)電顯示裝置，可單價、總價、單次加氣量、累積加氣量等信息。

4結(jié)論

    ①  在國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出臺之前，以GB50156--2002《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》(2006年版)為依據(jù)在實(shí)際設(shè)計工作中具有可操作性。本加氣站屬于示范性質(zhì)，承擔(dān)的車輛充裝業(yè)務(wù)相對較少，但在下一步工作中應(yīng)盡快提出適用于一甲醚加氣站的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這樣才能更好地促進(jìn)車用二甲醚的發(fā)展。

    ②加氣站的總平面布置應(yīng)結(jié)合城市的總體規(guī)劃，在不破壞整體環(huán)境的條件下，充分利用城市的現(xiàn)有窄間。

    ⑧加氣站的卸車裝置采用站內(nèi)泵，該泵同時承擔(dān)向汽車充裝的工作。采用卸車泵與充裝泵合用的方式，卸液與充裝不能同時進(jìn)行，將增加操作難度并不利于管理，示范站時可采用此方式，產(chǎn)業(yè)化時需研究更為妥當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。

    ④實(shí)踐證明，配以足夠的安全措施，整體裝配式設(shè)備是可行的。

⑤站內(nèi)報警探頭需根據(jù)二甲醚特性標(biāo)定。