采用虛擬管網(wǎng)技術(shù)拓展CNG的應用

摘 要

摘要：虛擬管網(wǎng)技術(shù)是利用道路運輸CNG給遠離天然氣輸氣管道的用戶供應天然氣的技術(shù)系統(tǒng)，由CNG加氣母站、CNG運輸車、CNG儲配站及城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)組成。結(jié)合虛擬管網(wǎng)技術(shù)的實際
摘要：虛擬管網(wǎng)技術(shù)是利用道路運輸CNG給遠離天然氣輸氣管道的用戶供應天然氣的技術(shù)系統(tǒng)，由CNG加氣母站、CNG運輸車、CNG儲配站及城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)組成。結(jié)合虛擬管網(wǎng)技術(shù)的實際應用和重慶及南方城鎮(zhèn)的規(guī)模、道路等特點，探討虛擬管網(wǎng)技術(shù)的應用及發(fā)展方向。
關鍵詞：虛擬管網(wǎng)；CNG；運輸車；儲配站
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
    隨著我國城市化的發(fā)展和經(jīng)濟的快速增長，汽車的擁有量也急劇增加，汽車排放出的廢氣在大氣污染所占的比重也進一步增大，城市的大氣污染嚴重。以西氣東輸為開端的大規(guī)模天然氣開發(fā)利用工程的實施，使城市的能源結(jié)構(gòu)發(fā)生重大改變，大踏步地進入天然氣到來之后的時期，標志著我國能源發(fā)展向著既定目標邁出了堅實的一步，即按照穩(wěn)定、安全、可靠、經(jīng)濟和清潔的能源發(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，是加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，實施清潔能源戰(zhàn)略，改善城市大氣污染的重要措施之一，并為CNG、CNG汽車加氣站、CNG汽車帶來了發(fā)展機遇。我國CNG應用技術(shù)已經(jīng)比較成熟，目前除了應用于城市天然氣汽車之外，還采用虛擬管網(wǎng)技術(shù)[1、2]，為CNG加氣子站供應天然氣再給汽車加氣，在全國各地為中小城鎮(zhèn)供應天然氣，為工業(yè)企業(yè)用戶、旅游區(qū)的星級賓館酒店供應天然氣。
1 虛擬管網(wǎng)技術(shù)
    虛擬管網(wǎng)技術(shù)源自為CNG汽車加氣的CNG子母站系統(tǒng)，是利用道路運輸CNG給遠離天然氣管道的用戶供應天然氣的技術(shù)系統(tǒng)，由CNG加氣母站、CNG運輸車(此處為CNG氣瓶車和CNG瓶組運輸車的總稱)、CNG儲配站及城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)組成。為提高單趟運輸量并降低運輸成本，在氣源地將較低壓力的天然氣壓縮至20MPa的高壓，將CNG通過公路等運輸方式運到用氣地。虛擬管網(wǎng)技術(shù)主要有3個模塊：a.CNG生產(chǎn)：將天然氣凈化并壓縮到20MPa；b.CNG運輸：將CNG輸入CNG運輸車中并運輸?shù)接脷獾兀籧.CNG儲存、減壓：將高壓的CNG儲存、減壓，然后計量、加臭送入管網(wǎng)。
2 虛擬管網(wǎng)技術(shù)的設備
2.1 CNG加氣母站
    CNG加氣母站的基本工藝流程：過濾→計量→脫硫→加壓→干燥→儲氣井裝置→加氣柱→CNG運輸車。管道輸送來的原料氣經(jīng)過濾、調(diào)壓、計量和脫硫塔脫硫處理后，使氣體較為純凈，并保障壓縮機系統(tǒng)正常運行。進入壓縮機的天然氣經(jīng)過壓縮機四級壓縮，排氣壓力達到25MPa，再經(jīng)過干燥器進行脫水，使得氣質(zhì)含水量和含硫量達到汽車用氣標準。加氣母站生產(chǎn)出的CNG，通過PLC自動控制，主要是直接通過大流量加氣柱為CNG運輸車加氣；另外通過三線優(yōu)先順序控制實現(xiàn)快速給汽車直接加氣。
2.2 CNG運輸車
    CNG運輸車有3種型式，即CNG高壓氣體長管氣瓶車、半掛式CNG瓶組運輸車和箱式CNG瓶組運輸車。
    ① CNG高壓氣體長管氣瓶車(見圖1)由牽引車、高壓管道、半掛車(包括底盤、瓶組、安全倉、操作倉)等組成。高壓管道集裝箱的外部幾何尺寸符合國際標準12.2m(40英尺)集裝箱的要求，在充裝壓力達20MPa時可儲存CNG量4450m3。CNG高壓氣體長管氣瓶車適用于運輸?shù)缆穼掗煟访尜|(zhì)量好的情況，一次性運輸量較多，可降低運輸成本。但它對運輸?shù)缆酚幸?，車輛的價格較高，在我國北方路況較好的地區(qū)使用較多。
 

    ② 半掛式CNG瓶組運輸車(見圖2)由牽引車、半掛車、CNG儲氣式特種集裝箱(見圖3)組成。CNG儲氣式特種集裝箱的外部幾何尺寸符合國際標準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20MPa時充裝CNG總量約為2900m3。半掛式CNG瓶組運輸車適于運輸?shù)缆仿访尜|(zhì)量不是很好，轉(zhuǎn)彎半徑不大的路況使用。對運輸?shù)缆返倪x擇性比CNG高壓氣體長管氣瓶車低，且半掛式CNG瓶組運輸車的車輛價格較便宜；該半掛式CNG瓶組運輸車一次性運輸量沒有CNG高壓氣體長管氣瓶車多，在我國南方道路不是很寬闊的地區(qū)使用較多。
 

    ③ 箱式CNG瓶組運輸車由箱式貨車、CNG儲氣式特種集裝箱(見圖4)組成。
 

CNG儲氣式特種集裝箱的外部幾何尺寸符合國際標準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20MPa時充裝CNG總量約為2900m3。箱式CNG瓶組運輸車適于運輸?shù)缆仿访尜|(zhì)量不好、轉(zhuǎn)彎半徑不大的路況使用。對運輸?shù)缆返倪x擇性比CNG高壓氣體長管氣瓶車、半掛式CNG瓶組運輸車低，價格較便宜，一次性運輸量沒有CNG高壓氣體長管氣瓶車多。該箱式CNG瓶組運輸車在我國南方道路不是很寬闊的地區(qū)使用，特別適宜山區(qū)運輸使用。
2.3 CNG儲配站及城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)
    CNG儲配站及城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)具備CNG卸氣、計量、儲氣、調(diào)峰、減壓及為用戶配送天然氣的作用。CNG儲配站減壓供氣的基本流程是：CNG經(jīng)CNG運輸車進站，卸車計量后進入調(diào)壓裝置，經(jīng)三級或二級調(diào)壓至0.3～0.4MPa，然后經(jīng)計量、加臭后進入城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)。CNG減壓的過程可近似地看作絕熱過程，伴隨著溫度降低。由于壓降較大，減壓后的天然氣溫度會下降幾十攝氏度。為避免低溫對調(diào)壓器等裝置造成損傷，增加減壓穩(wěn)定性，并充分利用CNG的壓力進行儲氣，通常采用三級減壓并在減壓前加熱天然氣。對于較小流量的減壓裝置，若不考慮儲氣，也可采用二級減壓方式。CNG儲配站的換熱和調(diào)壓級數(shù)應綜合運輸車最高工作壓力、調(diào)壓裝置卸氣能力、城鎮(zhèn)管網(wǎng)設計壓力等因素確定。
    儲氣與調(diào)峰的基本流程是CNG經(jīng)CNG運輸車進站，卸車計量后進入調(diào)壓間，經(jīng)二級調(diào)壓減至4MPa進入高壓儲氣管道儲存。其作用是穩(wěn)定供氣，在用氣高峰的時候?qū)⒏邏簝夤艿纼?nèi)的天然氣輸入城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)，解決高峰時用氣不足的問題。小城鎮(zhèn)同樣存在用氣不均勻的問題，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高壓氣體長管氣瓶車或半掛式CNG瓶組運輸車、地下儲氣井及高壓管道等方式儲氣等。由于每輛CNG運輸車具有一定的調(diào)峰能力，利用CNG高壓氣體長管氣瓶車或半掛式CNG瓶組運輸車調(diào)峰不失為一種經(jīng)濟、靈活的調(diào)峰手段，但箱式CNG瓶組運輸車不宜作為調(diào)峰手段。盡管CNG運輸車自身也是一個儲氣裝置，能儲存天然氣，但主要功能是運輸，因此CNG儲配站必須設置高壓儲氣設施。
3 虛擬管網(wǎng)技術(shù)的應用及發(fā)展方向
   重慶燃氣工程股份有限公司是重慶燃氣集團公司控股，從事虛擬管網(wǎng)技術(shù)，拓展CNG應用范圍的股份制公司。2006年以來，我公司與重慶燃氣集團公司合作采用虛擬管網(wǎng)技術(shù)，實施了重慶頭塘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，城口縣天然氣供應，長壽區(qū)的江南新區(qū)天然氣供應，四川省鄰水縣壇同鎮(zhèn)天然氣供應及部分工業(yè)企業(yè)的補充供氣，調(diào)峰天然氣供應項目。筆者結(jié)合虛擬管網(wǎng)技術(shù)的應用實際和重慶及南方城鎮(zhèn)的規(guī)模、道路等特點，探討虛擬管網(wǎng)技術(shù)的應用及發(fā)展方向。
    ① 虛擬管網(wǎng)技術(shù)儲氣
    在城市燃氣供氣系統(tǒng)中，燃氣用量存在不均勻性，需要有完善的儲存設施，解決用氣高峰時的不足和用氣低谷時的余氣問題。在虛擬管網(wǎng)技術(shù)中，儲氣設施的功能已經(jīng)不只是解決小時調(diào)峰的問題，而是需要解決區(qū)域在一定時間內(nèi)的用氣問題，以減弱可能出現(xiàn)的運輸中斷導致的供氣不可靠性。虛擬管網(wǎng)技術(shù)的儲氣可采用如CNG高壓氣體長管氣瓶車、半掛式CNG瓶組運輸車、地下儲氣井及高壓管道等方式儲氣。
    CNG高壓氣體長管氣瓶車或半掛式CNG瓶組運輸車儲氣適用于工業(yè)企業(yè)的補充供氣、調(diào)峰天然氣供應及作為規(guī)劃管輸供氣的短期城市供應的過渡氣源。地下儲氣井儲氣適用于CNG加氣子站與CNG儲配站合建的中小城鎮(zhèn)天然氣供氣項目。
    高壓管道儲氣最適用于中小城鎮(zhèn)天然氣供氣項目中的CNG儲配站，高壓管道作為CNG儲配站的儲氣設施，壓力高達4MPa，充分有效地利用CNG本身所具有的壓力。高壓管道建設技術(shù)成熟、成本低廉、儲氣量大。高壓管道埋于地下，管道內(nèi)氣體溫度均勻，對儲氣和售氣計量影響小。高壓管道安全性高，能防雷、抗靜電，簡化消防設施，基本不受環(huán)境影響，高壓管道后期運營費用低。
    我公司在城口縣中型城鎮(zhèn)天然氣供應項目埋設設計壓力為4MPa的高壓管道550m(鋼管規(guī)格為D1219×17.5，材質(zhì)為L485)，儲氣量達20000m3；巴南區(qū)木洞鎮(zhèn)小城鎮(zhèn)天然氣供應項目埋設設計壓力為4MPa的高壓管道80m(鋼管規(guī)格為D1219×17.5，材質(zhì)為L485)，儲氣量達3200m3。
    ② 規(guī)?；瘧锰摂M管網(wǎng)技術(shù)
    采用虛擬管網(wǎng)技術(shù)供應于中小城鎮(zhèn)天然氣供應項目成熟、可靠，中小城鎮(zhèn)的用氣規(guī)模小，遠離天然氣輸氣管線，其投資回報的空間很?。欢溥\營成本較高，主要由設備設施折舊、人工費用及CNG運輸費組成。CNG運輸費具有波動性、可變性、占運營成本的比例較大的特點，與道路條件、運輸車輛、CNG運輸量等有關。因此，虛擬管網(wǎng)技術(shù)必須規(guī)?；瘧?，把一定范圍的多個中小城鎮(zhèn)集群納入統(tǒng)一的燃氣化發(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傳統(tǒng)的管道連接，可大大地減少造價，擴大供應天然氣的客戶規(guī)模，降低CNG運輸費用，提高供氣的規(guī)模效益。
   ③ CNG運輸車的優(yōu)化
   虛擬管網(wǎng)技術(shù)的CNG運輸車應采用小型化、模塊化技術(shù)，在運輸、裝卸、儲氣等多個環(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汽車加氣。虛擬管網(wǎng)技術(shù)的CNG運輸車上CNG儲氣式特種集裝箱應按壓力分為高、中、低3組，按模塊組合，CNG汽車、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，根據(jù)用戶的壓力需求實現(xiàn)能量優(yōu)化、順序用氣、減少余氣。擴大用氣規(guī)模，并將道路運輸、燃氣調(diào)峰、綜合節(jié)能和經(jīng)濟規(guī)模等相結(jié)合，最大限度地降低運營成本。
    ④ 虛擬管網(wǎng)技術(shù)的適用范圍及特點
    采用虛擬管網(wǎng)技術(shù)供應天然氣，根據(jù)CNG加氣母站的氣源條件，最小的單個城鎮(zhèn)供氣項目(小城鎮(zhèn)供氣)，居民用戶不宜少于2000戶；最大的單個城鎮(zhèn)供氣項目(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)供氣項目應把一定范圍的多個小城鎮(zhèn)集群納入統(tǒng)一的燃氣化發(fā)展中，采用城鎮(zhèn)集群供氣模式，降低CNG運輸費用，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)的星級賓館酒店等)是采用虛擬管網(wǎng)技術(shù)供應天然氣項目的首選客戶。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)濟承受能力強，投入低而收益高。
    對于用氣規(guī)模不大，客戶不多的中小城鎮(zhèn)的天然氣供應，虛擬管網(wǎng)技術(shù)較長輸管道供氣具有工藝簡單、造價低、工期短、見效快的優(yōu)點，適于向距離氣源相對較遠、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 高壓管道儲氣沒有相關的規(guī)范標準。高壓儲氣管道在設計、建設、檢驗、驗收中按照相關級制的容器標準執(zhí)行，運行管理、安全間距按照相關級制的管道標準執(zhí)行。將城鎮(zhèn)燃氣管道可以達到的最大輸氣壓力作為管道儲氣的最高壓力，4MPa是高壓管道儲氣的壓力上限。
    ② 虛擬管網(wǎng)技術(shù)的CNG運輸車上CNG儲氣式特種集裝箱應小型化、模塊化，而小型化、模塊化集裝箱沒有相關的規(guī)范標準，現(xiàn)行的CNG運輸車規(guī)范標準是針對外部幾何尺寸符合國際標準12.2m(40英尺)集裝箱、6.1m(20英尺)集裝箱制定。
參考文獻：
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(本文作者：周建國 重慶燃氣工程股份有限公司 重慶 401121)