第七章 压缩天然气汽车及汽车加气站.doc

第七章 压缩天然气汽车及汽车加气站随着经济的快速发展，城市大气污染问题也越来越严重。大气污染已危及到人们的身心健康，成为我国城市经济发展和社会进步的障碍，同时还影响到我国的国际形象。我国城市大气污染的一个重要因素是机动车尾气污染。据统计，中国城市空气的污染源中，汽车尾气污染正越来越成为主要的因素。由于机动车数量大幅度增长，汽车尾气污染局部性转变为连续性和积累性，一些大城市居民成为汽车尾气的直接受害者，必须加强对现有机动车排气污染的治理和监督管理。而发展天然气汽车则是解决汽车尾气污染问题的有效途径。随着西部大开发，“西气东输”等天然气工程的建设将是我国发展天然气汽车的一个重要契机，不仅减少汽车尾气排放，还可以弥补石油资源短缺，进行能源结构调整，同时也培育了一个新兴产业。71 压缩天然气汽车加气站711 压缩天然气汽车加气站的等级划分及安全距离压缩天然气（CNG）是指压缩到20.7 24.8 MPa的天然气，储存在车载高压气瓶中。压缩天然气作为汽车燃料，具有排气污染小，运输成本低，安全方便等优点，已成为世界车用清洁燃料的发展方向，在我国发展压缩天然气汽车具有十分重要的意义及良好的社会效益和经济效益。根据汽车用燃气加气站技术规范（CJJ842000），压缩天然气加气站的等级划分应符合表71的规定。表71 压缩天然气（CNG）汽车加气站的等级划分级 别贮气装置总容积（m3）一 级12V163000VN4000二 级6V121500VN3000三 级V6VN1500注：本表中贮气装置总容积：V系指水容量；VN系指压力在101.325kPa、温度在0状态下的体积。压缩天然气加气站等级划分，是以储存装置的容积进行划分的，这是因为容积的大小是影响事故危害程度的主要因素。压缩天然气加气站按给公交车加气，平均每辆车按5瓶50升/瓶计算，日加气车次范围和天然气销售量为： 表7 压缩天然气汽车加气站规模级 别加气车次/d天然气销售量 /（Nm3/d）一 级站200 30010000 15000二 级站100 2005000 10000三 级站1001500站址的选择和分布应符合城市规划和区域道路交通规划，符合安全防火、环境保护、方便使用的要求；城市建成区内所建的加气站和合建站，应靠近城市交通干道或车辆出入方便的次要干道上。郊区所建的加气站和合建站，宜靠近公路或设在靠近建成区的交通出入口附近；在城市建成区内进行液化石油气加气站和合建站站址选择时，液化石油气槽车的运行应符合城市易燃易爆危险物品交通运输的有关规定；天然气加气站（加气母站）)和合建站，宜靠近天然气高、中压管道或储配站建设。供气参数应符合天然气压缩机性能要求。新建的加气站（加气母站）和合建站不应影响现有用气户与待发展用气户的天然气使用。另外：一、二级压缩天然气加气站不应与加油站合建，三级压缩天然气加气站可与加油站合建。合建站的汽油、柴油储罐总容积不应大于50m3，单罐容积不应大于20m3（柴油储罐容积按0.5折算）。在城市建成区内不应建一级加气站和一级合建站；在城市人员稠密区设置的加气站和合建站的规模宜为三级。对重要公共建筑和涉及国计民生的其他重要建、构筑物周围100.0m范围内不得建加气站、合建站。加气站内压缩天然气贮气装置与站外建、构筑物等防火间距，不应小于表72的规定。合建站内压缩天然气贮气装置与站外明火、散发火花地点和各类建筑保护物的防火间距，不应小于表72三级站防火间距再增加20%的规定值。在加气站和合建站内，压缩天然气贮气装置与站外建筑面积不超过200m2独立的民用建筑，其防火间距可按表72的三类保护物减少20，但不应小于三级站的规定。在加气站和合建站内，压缩天然气贮气装置与站外高层厂房的防火间距，应按表72的规定增加3m。在加气站和合建站内，压缩天然气贮气装置与站外建筑面积不超过300m2丁、戊类生产厂房及库房的防火间距，可按表72的规定减少20确定。在加气站和合建站内，压缩天然气贮气装置与站外不超过1000kVA箱式变压器和杆装变压器的防火间距，可按表72的室外变配电站减少20确定。在加气站和合建站内，压缩机间与站外建、构筑物等的防火间距不应小于表72三级站井管贮气的规定值。对加气子站的压缩机间，其防火间距可减少20。在加气站和合建站内，天然气放散管（进站天然气管道和贮气装置上所设置的安全阀、紧急放散）管口和加气机与站外建、构筑物等的防火间距，不应小于表73的规定。在加气站和合建站内，天然气放散管（进站天然气管道和贮气装置上所设置的安全阀、紧急放散）管口和加气机与站外建筑面积不超过200m2独立的民用建筑，其防火间距分别不应小于120m和100m。在加气站和合建站内，天然气放散管(进站天然气管道和贮气装置上所设置的安全阀、紧急放散)管口和加气机与站外不超过1000kVA的箱式变压器和杆装变压器的防火间距，分别不应小于240m和150m。表72 压缩天然气贮气装置与站外建、构筑物等的防火间距（m） 加气站级别项 目瓶库贮气井管贮气、地下贮瓶间一级站二级站三级站一级站二级站三级站与明火、散发火花地点302520221816民用建筑物保护类别一类保护物二类保护物252016181512三类保护物221815151210生产厂房及库房类别甲、乙类302520221816丙、丁类（厂房）类252016181512丁（库房）、戊类181512121010站外甲、乙类液体贮罐、易燃材料堆场302520221816室外变配电站302520221816铁 路303030242424地铁隧道出入口120O内角面454035403530出入口120O外角面及通风口353025302520排气口、内墙壁221816181614公路高速、级、级1512101088、级12108866架空电力线1.50倍杆高1.50倍杆高（380V）1.00倍杆高（380V）1.00倍杆高0.75倍杆高（380V）0.50倍杆高（380V）架空通信线国家级、级1.50倍杆高1.00倍杆高0.75倍杆高一般1.00倍杆高0.75倍杆高0.75倍杆高0.50倍杆高表73天然气放散管管口、加气机与站外建、构筑物等的防火间距（m） 名 称项 目放散管管口加气机与明火、散发火花地点3018民用建筑物保护类别一类保护物2518二类保护物2014三类保护物1512生产厂房及库房类别甲、乙类3018丙、丁（厂房）类2015丁（库房）、戊类1512站外甲、乙类液体贮罐、易燃材料堆场3018室外变配电站3018铁 路3022地铁隧道出入口120O内角面4535出入口120O外角面及通风口3025排气口、内墙壁1815公路高速、级、级106、级85架空电力线1.50倍杆高（380V）1.00倍杆高（380V）1.00倍杆高（380V）0.75倍杆高（380V）架空通信线国家级、级1.50倍杆高1.00倍杆高（380V）一般1.00倍杆高0.75倍杆高（380V）712 压缩天然气汽车加气站工艺流程7121 加气站工艺流程加气站由天然气引入站管道和脱硫、脱水、调压、计量、压缩、贮存、加气等主要生产工艺系统（如图71所示）及循环冷却水、废润滑油回收、冷凝液处理、供电、供水等辅助生产工艺系统组成。7122 天然气引入管道和调压计量装置进站天然气管道上应设置快速切断阀和全启封闭式弹簧安全阀。快速切断阀应设置在操作方便的地方。安全阀的设置应符合下列规定：1、安全阀的开启压力应小于站外天然气输配系统允许最高工作压力值的0.9倍；2、安全阀连接的放散管管口应高出15.0m范围内的建、构筑物2.0m以上，且距地面不应小于5.0m 与站内封闭或半开敞建筑物门、窗的水平距离不应小于2.5m。放散管管口应设有防雨罩；3、安全阀前应装设相应口径的阀门。一、二级加气站的调压计量间宜单独设置。三级加气站的调压计量间可附设在压缩机间一侧。图71 CNG汽车加气站工艺流程图调压器应能满足进站天然气的最大和最小压力的要求；调压器的压力差，应根据调压器前天然气引入管道的最低设计压力与调压器后天然气管道的设计压力之差值确定；调压器的计算流量，应按压缩机最大工作台数最大排气量的1.2倍确定。调压器的工艺设计应符合下列规定：1在调压器的入口处应安装过滤器；2调压器的进、出口管道之间应设置旁通管道及旁通阀；3在调压器及过滤器前后均应设置指示式压力表。进站天然气应设置计量装置。7123 天然气的脱硫、脱水进入加气站的天然气在压缩前或压缩后必须经过净化和干燥处理，即要经过脱硫、脱烃和脱水过程。脱硫是指脱除天然气中的硫化氢等酸性气体，以防止设备管线腐蚀和钢质气瓶发生“氢脆现象”。脱烃是指脱除天然气中的轻烃，使乙烷和重烷含量小于3%，以防止发动机点火不正常。脱水是指脱除天然气中的水分，以防止CNG在减压膨胀降温过程中供气系统出现冰堵。我国制定的车用天然气国家标准要求硫化氢含量小于15mg/m3，冰露点低于最高操作压力下最低环境温度5。从大量的国内外油气田设备的的腐蚀情况证明，硫化氢对金属材料具有强烈的氢脆，硫化物应力腐蚀和电化学失重腐蚀作用。从CNG加气站的钢瓶检测以及发生过爆炸的钢瓶的抽查中均发现钢瓶内有不同程度的残留水，或者有黑色粘状物油污等。硫化氢极易溶于水而形成酸性溶液，钢瓶内壁与硫化氢水溶液接触，一方面发生阳极反应，引起电化学失重腐蚀，而生成硫化铁膜呈黑色疏松分层状或粉末状。另一方面在钢表面发生阳极反应，产生氢原子，向钢瓶内部扩散，并在局部地方结合成分子氢，分子氢的体积是原子氢的20倍，造成极大的局部压力，可高达数百个大气压。对于高强度、高硬度的钢材，会使晶格变形，致使材料韧性降低，脆性增加，内部出现之字形细微裂纹，裂纹两侧有腐蚀产物，这种裂纹是典型的氢脆特点，CNG瓶一旦出现局部材料氢脆后，在外力作用下，达到一定的应力水平后氢脆裂纹迅速发展至材料破裂。CNG钢瓶内残留水的硫化氢溶液对钢瓶的应力腐蚀可以引起材料的破坏，尤其对高强度钢，即使溶液中硫化氢浓度很低，例如硫化氢浓度在1106以上，即能在很短时间内引起高强度钢的硫化物应力腐蚀破坏。目前国产CNG储气瓶经调质处理后的硬度HRC为40左右，根据有关部门CNG站钢瓶内积水的两次抽样化验，硫化氢的浓度分别为5.7106和26.9106。可见发生硫化氢应力腐蚀和失重腐蚀是存在的。加气站内脱硫宜采用高效固体脱硫剂。脱硫设备应按2台并联设计，其中l台为备用。脱硫装置的工艺设计应符合下列规定：1天然气通过脱硫装置时的实际流速宜取150 200mms；2天然气与脱硫剂的接触时间宜取20 40s；进站天然气中硫化氢含量高时，应取高值；3寒冷地区的脱硫设备，应设有保温措施。天然气脱水装置的设置位置应根据下列条件确定：1对选用的压缩机在运行中，其机体限制冷凝水的生成量，且天然气的进站压力能克服脱水系统等阻力时，应将脱水装置设置在压缩机前；2对选用的压缩机在运行中，其机体不限制冷凝水的生成量，并附有可靠的导出措施时，可将脱水装置设置在压缩机后；3对选用的压缩机在运行中，允许从压缩机的中段导出天然气进行脱水处理时，宜将脱水装置设置在压缩机的中段。加气站内的脱水工艺宜采用固体吸附法。在压缩机前进行脱水时，宜采用活性氧化铝分子筛或硅胶分子筛两级脱水装置；在压缩机后或压缩机中段进行脱水时，宜采用分子筛一级脱水装置。天然气脱水装置设置在压缩机后或压缩机中段时，压缩天然气进入脱水装置前，应先经过间冷、气液分离和除油过滤装置，以脱除游离的水分和油分。脱水装置应按2套系统并联设计，一套系统在运行，另一套系统进行再生。交替运行周期可为6 8h。天然气通过压缩机前脱水装置时的实际流速宜取120150mms；通过压缩机后脱水装置时的实际流速宜取2040mms；通过压缩机中段脱水装置时的实际流速宜取3050mms；天然气与脱水剂的接触时间宜取4060s；在寒冷地区，天然气在脱水装置中的流速宜取低值，而接触时间宜取高值。 在压缩机前进行的脱水剂再生，宜采用进站天然气经电加热、脱水剂再生、冷却、气液分离等装置后，经增压并入进站天然气脱水系统。再生压缩机的扬程应为再生系统阻力值1.101.15倍。在压缩机后或压缩机中段进行的脱水剂再生，宜采用脱除游离水分和油分后的压缩天然气，并应由电加热控制系统温度。再生后的天然气宜进行冷却分离出游离水后，引入压缩机的进口管道内。再生用天然气压力为0.40.8MPa。脱水系统和冷凝水处理系统应有防止结冻措施。7124 天然气的压缩进入压缩机的天然气质量指标应符合选用压缩机的有关规定，且不含游离水，含尘量应小于或等于5mgm3。微尘直径应小于10m。在压缩机前应设置缓冲罐。缓冲罐的容积宜按天然气在贮罐内的停留时间不应小于10s。缓冲罐内宜设置过滤装置，罐顶设有安全阀。安全阀的开启压力应为压缩机允许最高进口压力值的0.900.95倍。压缩机的选型应符合下列规定：1、加气站内压缩机的选型应结合进站天然气压力、脱水工艺和设计规模确定；2、压缩机宜按日开机1012h计算。压缩机的型号宜选择一致，装机数量不宜超过3台。在加气母站内，可另设l台备用压缩机；多台并联运行的压缩机单台排气量，应按公称容积流量的8085计算； 3、压缩机排气压力不应大于25.0 MPa；4、压缩机各级冷却后的排气温度不应大于40；5、选用的压缩机应便于操作维护、安全可靠，并符合节能、高效、低振动和低噪声要求。6、建在城市建成区内的加气站，宜选用电，机传动的压缩机；建在城市边缘地区的加气站，可选用由天然气发动机传动的压缩机。压缩机及其附属设备的布置应符合下列规定：1压缩机应采用单排布置；单台压缩机可布置在地下钢筋混凝土房内或装配在厢体内； 2压缩机之间的净距应大于1.5m，与墙壁之间的净距应大于1.5m，主要通道的宽度应大于2.0m；3机组的联轴器或传动装置应采取安全防护措施；4单台压缩机排气量大于或等于300m3h的压缩机间，宜设置检修用的起吊设备。压缩机的运行管理宜采用计算机控制装置。控制室宜独立设置或设在站房内。三级加气站的控制室可附设在压缩机间的一端，控制室与压缩机间应设有能观察各台压缩机运转的隔声玻璃窗。在压缩机组前的通道墙壁上、控制室等处应设有紧急停车按钮。从压缩机排出的冷凝液处理.严禁直接排入下水道；采用压缩机前脱水工艺时，应在每台压缩机排出的冷凝液管路上设置压力平衡阀和止回阀。冷凝液汇入总管后，应引至室外贮罐。贮罐的设计压力应为冷凝液系统最大工作压力的1.2倍；采用压缩机后或压缩机中段脱水工艺时，压缩机冷凝液的处理应符合下列规定：1)从每台压缩机排出的冷凝液管路上应设置电动控制阀和止回阀。在压缩机运行中，由电动控制阀自动周期排液。2)各台压缩机的冷凝液汇总后，应引至室外的密闭水封塔，塔底的冷凝水宜经露天贮槽排入下水道。从冷却器和分离器等排出的冷凝液严禁直接排入下水道，压缩机的卸载排气可通过缓冲罐回收，并引入进站天然气管道内。在加气子站内，用于天然气贮气装置之间的压送和卸车所设置的小型压缩机，宜采用风冷式压缩机；进气压力不宜小于0.6 MPa；排气压力不应大于25.0 MPa；排气量可按最大天然气贮存气量的20%计算，并应按2 4h内完成转输。在小型压缩机前应设置调压装置和缓冲罐。压缩机出口管道上应设置安全阀和手动阀门。7125 贮气装置加气站使用的贮气瓶单瓶水容积应大于或等于60 L，宜使用容积大于或等于250L的贮气瓶和高压容器等大型贮气装置。最大允许充装压力应为25.0 MPa。瓶库内的贮气瓶应分组设置，分组进行充装。在一个加气站内贮气井管组应按运行压力分为高压贮气井管组、中压贮气井管组和低压贮气井管组。各瓶组宜单独引管道至加气机，对加气汽车按各瓶组的压力进行分挡转换充装。对贮气瓶组的补气程序应从高压向低压逐组进行对贮气瓶组的取气程序相反。7126 加气区（加气岛）加气系统设计压力应为27.5 MPa，加气机设置的数量应根据加气站的规模、加气汽车的数量等因素确定。一般一级站设置加气枪6 8台，二级站4 6台，三级站2 4台。汽车加气时间可按4 6min / 车次来计算。加气机应设置防撞护栏，其高度不应小于0.5m。表74 各瓶组内天然气补气压力和贮气瓶数量的比值项 目低压瓶组中压瓶组高压瓶组瓶组内天然气补气起充压力12.018.022.0瓶组之间贮气瓶数量的比值2.53.01.52.01.0713 压缩天然气汽车加气站压力试验加气站内工艺系统的压力试验应在下列工作完成后进行：1、系统安装作业已完成，经外观和焊缝检验合格；2、基础二次灌浆达到强度要求。压力试验宜按单体设备、管路系统分段进行。在制造厂内业已完成压力试验的压缩机、烃泵、加气机等设备，并附有检验报告时，现场不宜进行再次吹扫和压力试验。在进行管路系统压力试验时，应用盲板或采取其他措施隔开。压力试验用压力表其精度不得低于1.5级，表的满刻度值应为被测压力值的1.52.0倍。设备强度试验压力应为1. 25倍设计压力；管道强度试验压力应为1.5倍设计压力。试验介质宜采用洁净水。强度试验时，环境温度不宜低于5；当环境温度低于5时，应采取防冻措施。强度试验时，设备和管道上的安全阀、调压器、液位计等仪表元件应按要求拆下或采取其他措施隔开。强度试验注水时，应排尽试验设备和管道内的空气。强度试验按下列步骤进行：1、压力升至试验压力的50后，应保持15min，进行检查。确认无渗漏、无异常情况后方可继续升压；2、压力升至试验压力的90后，应保持15min，再次进行检查。确认无渗漏、无异常情况后方可继续升压；3、压力升至试验压力后，应保持30min，然后将压力降至设计压力进行检查。确认无渗漏、无异常情况后为合格。严密性试验压力应为设计压力。试验介质应为干燥和洁净的压缩空气或氮气。严密性试验时，设备和管道上的安全阀、调压器、液位计等仪表元件应复位。严密性试验应缓慢增加压力，按下列步骤进行：1压力升至0.2MPa后保持10 min，进行检查。确认无渗漏、无异常情况后继续升压；2压力升至试验压力的50后保持10 min，进行检查。确认无渗漏、无异常情况后继续升压；3按试验压力的10逐级升压每级稳压3 min，直至试验压力。停压时间根据查漏工作需要而定。以发泡剂检验不泄漏为合格。严密性试验应重点检验阀门填料函、法兰或螺纹连接处、放空阀、排水阀、软管连接等。在压力试验过程中发现泄漏时，不得带压处理。清除缺陷后，应重新进行试验。压力试验检查合格后，卸压时应缓慢。714 CNG汽车加气站的土建设计7141 选址及总图CNG汽车加气站站址的选择，宜设置在城市公交总站或客运中心附近，或者是出入城区主要通道附近，以方便车辆进出加气，尽量避免靠近一类、二类保护类别的民用建筑，保证站内建、构筑物与周边民用建筑物的安全距离，还必须考虑到站址的选择对加气站施工难度、进度和造价的影响以及建成后对周边环境的影响。在实际工程常常遇到选择站址不当的情况，如成都市某站的站址因靠近安静的住宅区而不得不缩短营业时间，必然对其经营效益带来影响。另一个选址不当的某工程，站址选择在回填深度超过十米的填方地段，场地平整时间超过两个月，投资近百万，造成投资增加，回报率大大降低。因此CNC加气站址宜避免选择在回填深度太大的填方地段，否则会增大挡土墙和房屋基础处理的工程量，造成建设周期延长和投资增加。如果选址在山地时，应尽量位于挖方地段，沿等高线设置，总平面分台阶布置，将生产区与充装区置于标高不同的两个台阶上，可以有效地降低工程费用并加快工程进度，另外，在有挡土墙的设计施工中可选择加筋土挡土墙，可有效降低工程造价。常常有建设单位和施工单位不太重视场内道路场地的施工质量，场地回填时不注意清除场内耕土，回填质量不严格按照设计要求的95的密实控制；设计的混凝土地沟常常被砖砌地沟代替。实际上，以一个日加气15000立方米的加气站为例，平均每辆车加气15立方米，每天进出车辆数量为1000辆左右，相当于中等流量的城市道路，决不能按普通场坪处理，因此20厘米厚的C30混凝土面层及位于地表的混凝土管沟是必须的。应有足够重视。7142 压缩机房设计CNG加气站的压缩机房与其他天然气系统中的压缩机房一样属于生产和储存甲类火灾危险物品场所，除执行有关建构筑物的规范标准外，还应严格按照汽车用燃气加气站技术规范、城镇燃气设计规范、建筑设计防火规范等相关国家规范标准严格执行。作为一种具有特殊用途的工业建筑，压缩机房必须具有防火、防爆、隔声、吸声、采光、采暖等诸多要求，而其中许多要求却是相互关系和矛盾的，如满足通风就难以满足隔音要求；寒冷地区满足防爆泄压就不容易满足采暖要求等等。在结构形式上，选择8米跨度，4.2米开间的框架结构，尽可能大面积布置门窗，控制泄压比为0.15以上，既可达到防爆的要求，又满足了压缩机等工艺设备的布置要求，同时不造成建筑面积的浪费。在屋面结构的选择上，我们放弃了框架结构常采用的梁板一同现浇的方式，虽然结构整体性稍弱，但屋面采用预制板的方式，方便了设备从屋面上方进行整体吊装就位，方便了工艺安装的进行，从而加快了工程进度。为了保证隔音良好，设计时考虑采用隔音效果较好的塑钢门窗或采用10毫米厚橱窗用大面积玻璃墙，也有工程采用中空镀膜玻璃；至于通风，结合考虑防爆要求，采用防爆机强制通风，并满足一定的换气次数；而在寒冷的北方地区，大面积的玻璃又恰巧与采暖要求矛盾，因此在满足达到一定的设计采暖温度（大于5）时，我们将墙体厚度由通常的370厚改为240厚，以减轻结构自重，相应可以减小结构构件的尺寸和配筋，节约工程造价。辅以室内采用吸声吊顶后，在室外基本能控制噪声值在50分贝以下，有效避免对周围环境的噪音污染。在基础处理上，须仔细研究地质报告的内容，采用合理的基础形式及基础埋置深度，房屋基础埋置深度应与设备基础相一致，在地质情况较好时，优先考虑天然地基。在我们的实际工程中，采用钢筋混凝土预制短桩也是比较经济和快捷的。当然，根据地区和实际情况的不同，还可以有不同的处理方式，但是有一点很重要的是一定要探明基础以下是否有可液化沙层或其他软弱下卧层，并进行相应的处理。CNG加气站的设计还要注意设备基础的设计，对于压缩机一类动力机器，为避免过大振动的发生，设计时应控制机组的总重心与基础底面形心位置重合，为避免设备基础振动直接影响到建筑物，我们将管沟和减振沟结合考虑为一体。设备基础位置和方向需要仔细对照土建和工艺图纸后落实，在建筑工程进行的同时作好预留空洞及预埋件的埋设，是类似工业建筑设计施工须特别留意的。72 压缩天然气汽车及其专用装置721 天然气汽车的特点1天然气汽车的推广应用有利于资源多元化利用世界的石油资源按目前公认的说法，大致在3040年之后将消耗殆尽。一方面石油是石油化工的重要原料，将石油用于石油化工，其经济效益远比用作燃料高出许多倍。另一方面，世界上蕴藏有丰富的天然气资源可供利用。以我国为例，根据油气资源评价预测，我国天然气资源量约为38万亿立方米，可采资源为10.5万亿立方米，可开采近百年。表明在我国推广应用天然气汽车是完全有基础的，可以对合理利用资源、改善能源结构和提高资源利用率作出贡献。2天然气汽车有利于环境保护在大、中城市里，大气污染由煤烟型逐步向尾气型过渡，汽车的尾气排放已经成为城市大气的主要污染源。因此汽车尾气的整治对改善城市空气质量很有必要。燃气汽车由于燃气与空气的混合比传统的汽车发动机中燃油与空气的混合质量高，燃烧更为完全，所以排气中的一氧化碳CO、碳氢HC和微粒PM都比较低。排放下降的幅度视车型、车况和技术措施而异。此外噪声减少40左右。值得提出的一点是，与传统的汽油和柴油燃料相比，CNG虽然也是烃类化合物的混合物，但CNG的分子量低，其分子结构中的碳原子数与氢原子数之比较低，使得燃气汽车中的CO2成分比汽油和柴油汽车降低15以上。CO2是一种温室效应气体，而燃气汽车中的CO2较低，这对于防范地球大气升温是有好处的，可见燃气汽车的推广应用有利于环境保护。3天然气汽车经济效益可观燃气与燃油的价格差价是发展燃气汽车的效益基础。目前的油、气价格计算1升汽油价格为：90#汽油3.03元，93#汽油3.30元，97#汽油3.50元，1升00#柴油为2.96元，而LPG价格为2.10元立方米。对一辆既可用汽油也可用LPG车而言，若行驶相同的路程（如100公里），将耗费汽油1213升或LPG约15升；按出租车每天行驶400公里计算，则以LPG为燃料时，每天可比使用汽油时节省约20元。在国外，燃气汽车的燃料价格也要比燃用石油产品低3040。因此，尽管各类燃气汽车的改装费用使整车成本提高约15左右（目前国内改装一辆LPG汽车费用约为50008000元)，一般在1 2年之内就可收回改装成本。4燃气汽车运行安全、可靠、寿命长天然气的燃点比汽油高，混合气点火界限为515（汽油为1.37.6），与汽油相比，不易形成可燃性混合气。加上天然气比空气轻，在空气中遇微风易被驱散，所以不易发生火灾事故，比用汽油更安全。以CNG为燃料的发动机，冷启动性能好，运转平稳，不含汽、柴油中存在的胶质，硫含量和机械杂质含量也不高，这对发动机易损件的积炭、磨损危害较小；再则气体燃料不会稀释机油，因此发动机运行可靠、寿命长，汽车大修里程可延长20以上，比使用常规燃料汽车可节约50以上的维修费用。5燃气汽车的动力性有所下降汽油车改成汽油燃气两用燃气汽车，其动力损失一般都超过5（燃用CNG的下降2025左右，LPG的下降510）。这是因为燃气汽车吸入缸内的是空气与天然气的混合物，燃气占了气缸内的一定空间，致使吸入缸内可资利用的空气量减少了。与之不同的是，汽油机吸入缸内的是尚未汽化的微粒，液体所占的空间极少，结果是汽油机吸入缸内的空气比较多。另外，CNG的空燃比较汽油的空燃比高（0.61.8）。两用燃料燃气汽车要兼顾两种不同燃料的燃烧特性，不可能发挥燃气燃料辛烷值高（CNG辛烷值约为130，而高级汽油的辛烷值在96左右）从而可用提高压缩比（单燃料发动机的合理压缩比为12，允许压缩比可达15）及增大点火提前角的办法来恢复原有动力的特性，导致两用燃料燃气汽车动力有所下降。单燃料燃气汽车优点就在于可以充分发挥其燃烧特性的特点，进行压缩比及点火提前角的最优调整，从而可达到原车的动力水平。柴油车改装的燃气汽车，由于柴油机本身的空燃比较大，故对动力性能影响不大。6燃气汽车的发展需要国家政策的扶持燃气汽车的推广应用，在技术上已经有较成熟的经验，但要拓宽市场份额，则是一项系统工程而不单纯是技术问题。首先，要在CNG的销售分配方面使汽车用户得到可靠供应的保障，这就要求建立相应的加气站网络；其次要使车主和燃气销售相关方的经济利益有吸引力，否则必然使燃气汽车无法推广。为此，必须在国家税收等政策上得到对燃气汽车的扶持。国际上在推广燃气汽车上取得很大成功的荷兰、意大利、美国和俄罗斯等国，都制定有鼓励投资于燃气汽车发展的相关技术经济政策，诸如燃料税收优惠、改装补助、投资加气站建设、有关法律法规等。722 压缩天然气汽车专用装置以压缩天然气作为汽车燃料的车辆，称为CNG汽车，对在用车来讲，将定型汽油改装、在保留原车供油系统的情况下，增加一套专用压缩天然气装置，便形成CNG汽车。CNG汽车有如下优点：燃料价格便宜，汽车排气污染小，不积炭、车辆部件损耗小，安全可靠，车辆改装简单，车辆运行平稳。通常将车用CNG发动机的天然气系统划分成3个子系统：CNG储气系统、CNG供给系统、CNG汽油或CNG柴油的转换系统。高压储气系统有充气装置、储气罐、高压管线及接头、气压显示装置、截止阀等。天然气供给系统有过滤器、减压阀、混合器、低压气管、循环水管。油气燃料转换系统有燃料转换开关、天然气电磁阀、汽油电磁阀。 7221 CNG储气系统CNG储气系统除了储气装置（储气瓶）以外，还包括往储气瓶内加装CNG的专用装置（气口）、CNG输送管道、控制装置（截止阀）和显示装置（CNG压力及储气瓶存量显示）。车用CNG系统的工作压力有两种：20 MPa和25 MPa。我国采用20 MPa为CNG系统工作压力。加气口是车载CNG系统中，与售气站加气枪连接后给车载CNG系统中的储气瓶充装CNG的装置的总称，通常由接口、气压保护盖或保护盖、输气管及接头组成。接口是加气口上与售气站加气枪相连接的部件，用不锈钢或黄铜制成。接口内装有压差式单向阀，防止CNG倒流；气压保护盖是加气口上防止CNG通过接口泄漏、导致气压降低的部件，用不锈钢或黄铜制成；保护盖是加气口上防止灰尘和水进入接口的部件；接头是加气口上通过螺纹与接口相连接的部件，实际上是一个三通接头。接头还有另外两外口子，一个通过高压输气管（硬管）与储气瓶连接，另一个通过高压输气管（硬管）与CNG减压调节器连接。图72某CNG轿车的加气口。CNG储气瓶按其材质和工艺可分成钢质瓶、铝合金瓶或复合材料瓶。工作压力为20MPa，属高压容器，因此有严格的质量要求。每一个储气瓶都要一开始就进行水压试验，此后每隔一定间隔周期性地重复水压试验直到一个远远超过标定工作压力的压力。CNG储气瓶要求耐高压，这必定导致其重量增加，从而影响CNG汽车的经济性和动力性。导致CNG储气瓶重量增加的另一个原因是CNG的体积能量密度很低。与具 有相同能量的其他燃料相比，CNG占有的体积约为汽油的4倍、柴油的5倍。这给CNG在轿车中的应用带来了一些麻烦。货车和重型汽车中通常可以找到存放储气瓶的位置。图72 加气口CNG1接口 2保护盖 3接头储气瓶容积增加储气瓶重量也要增加，就给CNG储气瓶提出了一项性能指标：柴油当量升质量。其定义为：对应于1升柴油所包含能量的燃料连同其容器的质量，单位是kgL。这项性能因CNG储气瓶的材质、结构和制造工艺而不同。例如，对于传统的钢质CNG储气瓶约为5.6kgL，柴油油箱约为1.1kgL。采用纤维复合增强技术可以明显地改善这一性能指标。例如，纤维卷绕的钢质CNG储气瓶的柴油当量升质量为3.1kgL左右。先进的全复合CNG储气瓶的柴油当量升质量降至2.9kgL以下，但仍超过柴油油箱的两倍。图73所示为某轿车用CNG储气瓶，是用混合气作内胆、外层用玻璃条增强纤维卷绕而成的复合材料储气瓶，容积50L，横置在轿车后部行李箱内的一个矩形安装架上。货车和客车用的CNG储气瓶尺寸比较大，容积也较大，例如有90L的，可置于车箱下面或顶上。每一个CNG储气瓶都带有瓶口装置。利用瓶口装置可手动切断CNG流出的通道，遇有意外时可让CNG外泄，避免CNG储气瓶爆炸。如图74所示，瓶口装置安装在CNG储气瓶的一端。CNG通过进气口1从储气瓶流入瓶口装置，通过出气口2流往发动机。安全口3 图73 轿车用CNG复合贮气瓶 图74 CNG储气瓶口装置1气口 2出气口 3安全口 4手动截止阀内有安全膜片和易熔堵头。当CNG储气瓶由于某种原因，例如受高温物体或火焰烘烤受热而导致储气瓶内压力上升超常时，会将安全膜片爆破，CNG泄出而降压。另外，易熔堵头用易熔合金制成，在温度上升超常时会熔化，也会将CNG通过安全口排出。当汽车长期搁置不用，或检测、修理CNC管路及系统时，可利用手动截止阀4将CNC储气瓶封闭。CNG储气瓶中的CNG通过高压硬管流向减压调节器。压力表则用于显示CNG储气系统的压力。7222 CNG供给系统CNG供给系统的任务是，将来自CNG储气系统的CNG从20 MPa的高压降低到一个略高于大气压力的压力水平（一般不超过300kPa绝对压力），并将天然气引入空气混合后送入气缸。CNG供给系统主要由天然气滤清器、减压调节器、天然气引入装置（混合器或燃料气 喷射器）和低压天然气软管组成。 CNG储气瓶中的压力高达20MPa，而发动机进气管内的压力不超过1个大气压，必须事先用减压调节器降低CNG的压力并调节到预定的压力水平。还必须将发动机冷却液引入减压调节器，以防结冰。减压调节器通常是两级减压，也有三级减压、和一级减庄。减压调节器的设计各式各样，与燃油定量的控制方式有关。一般，在以机械方式控制燃油定量的场合，减压调节器的输出压力要随发动机的负荷和转速而改变。近年来，普遍采用电子方式控制燃油定量，减压调节器的输出压力保持不变，或者输出压力与发动机进气管压力之差保持不变。图75所示为某化油器轿车改装成的天然气轿车中的CNG减压调节器。该减压调节器有三级减压。进水管1与发动机气缸盖后端出水管用三通相连；出水管2与发动机图75 CNG减压调节器 冷却系的塑料膨胀箱用三通相连。高压进气1进水管 2出水管 3灵敏度调节螺钉 口6处有一个三通，装了一个气压表7，可显4怠速调节螺钉 5天然气截止电磁阀 示CNG储气瓶内压力。低压出气8用低压输6高压进气口7气压表8低压出气口 气软管连接天然气与空气的混合器。此减压调节器的第一级将CNG压力从20MPa降到0.5MPa，第二级调节至压力0.1MPa左右。压力调节通过灵敏度调节螺钉3改变弹簧的刚性来实现。怠速调节螺钉4用于调节怠速转速。在减压调节器的第二级和第三级减压室之间装有天然气截止电磁阀5。此阀为常闭式。当燃料转换开关转向供CNG位置时，天然气截止电磁阀立即通电开启，于是发动机得到了天然气供给。当发动机因意外事故突然停止旋转时，电子控制装置会立即切断天然气截止电磁阀5的电路，将该阀关闭，切断天然气的供给。灵敏度调节螺钉3和怠速调节螺钉4对发动机的性能、排放和怠速稳定性有重要影响，必须仔细调整，不可随意变动位置。 混合器的作用是在进气管中将天然气与空气混合，并控制燃料定量。这种混合过程伴随着机械控制的天然气定量过程。在增压发动机中，混合器通常装在增压器的前面，以便天然气与空气通过增压器之后混合得更均匀。混合器中天然气定量的原理有很多种，最常见的有两种。一种是文丘里管或孔板定量计，另一种则是利用空气流推动一个机械元件去顶一个弹簧，该元件又与天然气控制阀相连接，故元件的位置决定了天然气的流量。对应于不同的空气流量，该机械元件在不同的位置与弹簧达到力的平衡，也就形成了相应的天然气流量，借此控制空燃比。图76所示为某化油器轿车改装成的天然气轿车中文丘里管式混合器。安装在空气滤清器与化油器之间。空气从混合器中央的通道中流过，天然气从混合器侧面的管口流入。空气通道的中部收缩成为喉管，喉管周围开有小孔，可供天然气流入（图75中看不到小孔）。喉管处空气流速增大，压力下降，形成真空度，将天然气吸入。空气流速越大，真空度越大，吸入的天然气流量也越大，借此保持一定的空燃比。此外，可在排气管上装上氧传感器，提供关于空燃比的信息反馈，为后接的三效催化转化器最大限度地净化排放创造了条件。图76 混合器 图77 功率阀混合器可以使天然气流量跟空气流量大体上成比例地增加，但空燃比却未必能在设计天然气供给系统时一步到位地计算准确。如果各地区的天然气W指数不同，就更不能保证空燃比调整的合适。为此，在化油器发动机上改装成的第一代天然气供给系统中，要在减压调节器和混合器之间的低压输气软管中间插入一个功率阀，见图77。调节功率阀调节螺钉的位置便可改变低压天然气通道截面积，从而改变流入混合器的天然气流量，尽管流过混合器的空气流量未改变。这样就可将空燃比调整到合适的数值。显然，这个功率阀的调节螺钉的位置是不能随便变动的。第二代天然气供给系统因为采用步进马达调节低压天然气通道截面积，则不需要功率阀。天然气发动机通常采用进气口多点喷射的天然气喷射器。跟汽油喷射器一样，天然气 喷射器也有连续喷射和间歇喷射之分。连续喷射的天然气喷射器的天然气定量通常不是由天然气喷射器本身完成的，而是由电子控制单元控制从减压调节器到天然气喷射器的低压输气通道的孔板截面积大小来完成的，该孔板两侧的压力差保持恒定压力。这种连续式天然气喷射器始终保持开启状态，不受电子控制单元控制。但是绝大多数天然气供给系统采用间歇喷射的天然气喷射器，其共同特点是：仅在收到电子控制单元的信息时才开启；开启时成为一个截面积固定不变的孔板流量计，流量大小由孔板两侧的压力决定；系统采用出口压力恒定的天然气减压调节器，但其出口压力数倍数倍于发动机进气管中可能出现的最大压力。因此，天然气在间歇式喷射器中作超临界流动，其流速恒为声速，不受进气管压力波动的影响；流量恒定不变，所以电子控制单元只要调节发送给间歇式天然气喷射器的信号脉冲的宽度便可调节空燃比。这种以电子控制启闭的天然气喷射器为特征的天然气供给系统称为第三代天然气系统。7223 燃料转换系统单燃料天然气发动机中不存在燃料转换的问题。在天然气汽油两用燃料发动机中，天然气供给系统和汽油供给系统并存，二者不可能同时工作。因此产生了燃料转换的问题。为了实现天然气汽油供给系统的转换，在天然气供给系统和汽油供给系统中，各自设置了一个天然气截止电磁阀和汽油截止电磁阀。这两种阀都是二位二通常闭式电磁阀。当电磁阀通电时，阀开启，天然气或汽油就能通过它们流向发动机。当电磁阀断电时，阀关闭。同一台汽车或发动机上的这两种阀不会同时开启，但可能同时关闭。驾驶员可通过驾驶座前面的燃料转换开关作出选择。天然气截止电磁阀可以与减压调节器做成一体（见图75），也可以是单独一个零件。汽油截止电磁阀安装在汽油箱到发动机的供油管路中。图78所示为某化油器发动机轿车改装成的天然气汽油两用燃料发动机中的汽油截止电磁阀，安装在塑料制成的汽油储油管与化油器之间的供油管上。图79 燃料转换开关图78 汽油截止电磁阀 图79所示为某天然气汽油双燃料轿车中的燃料转换开关。左边的指示灯用来显示正在使用哪一种燃料。例如显示红色时表示发动机用汽油工作；显示黄色时表示发动机处于燃料停止供给的状态；显示绿色时表示发动机用CNG工作。相应地，燃料转换开关有三个位置，分别选择汽油、两者都关闭和选择天然气。在天然气汽油双燃料发动机中，一般都用柴油引燃天然气，即使用天然气作燃料时也必须用柴油，所以只有天然气截止电磁阀而不设柴油截止电磁阀。 73 压缩天然气汽车对环境空气质量的影响731 燃气汽车尾气排放的特点燃气在常温常压下一般呈现为气态，低温或加压时转为液态，天然气主要成分是甲烷，液化石油气则可以是含3个碳原子（C3）或4个碳原子（C4）的单一烷烃类化合物，也可以是它们的混合物。为减少机动车尾气污染物的排放，人们一方面通过改进车用燃油的配方，减少或去除燃料中铅、硫、烯烃和芳香烃的含量，降低燃料的挥发性和加入含氧添加剂来提高发动机的燃烧性能；另一方面，在经历了石油危机和面临生态环境月渐恶化，人们终于清楚地认识到石油资源并不是取之不竭的，可持续发展战略得到世界各国的普遍认同，代用燃料的研究、开发和应用的热情高涨。由于天然气和液化石油气分子结构相对比较简单，很易汽化，在进入发动机时容易生成均匀的混合气，燃烧较完全、彻底，尾气中排放的一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物较少，和传统的燃油车辆相比，其最大的特点是“清洁”。燃气汽车已日渐成为解决汽车环保问题的重要手段之一，在日本、俄罗斯等国家燃气汽车的使用已十分广泛，相关技术也日趋成熟，并有可能成为现代汽车工业发展的新增长点。燃气汽车研究结合了当前汽车技术的最新发展，按照液化石油气和压缩天然气的燃料特性，优化发动机结构设计，开发闭环控制多点喷射技术和燃气汽车专用催化净化器。国外研究结果表明，一些采用压缩天然气汽车已经能够达到美国加州超低排放标准要求和欧洲2005年实施的欧洲第4阶段排放要求，为燃气汽车进一步的发展展现了良好的前景。我国目前燃气汽车虽然尚处于应用技术的发展最初阶段，但我国已在国外第一阶段化油器汽车加装一套燃气供气系统，采用文丘利管、比例调节式等机械控制混合器的技术上，很快地发展到应用电控单点喷射技术，自动调整供气量并结合安装催化净化器，进一步降低排气污染物排放。与国外发动机生产企业合作，分别试制出达到欧洲1号排放要求的柴油天然气双燃料公共汽车和优于欧洲2号和3号排放标准的柴油发动机。燃气汽车的尾气排气中不含铅，几乎不含硫化物。与燃油车辆相比，尾气中污染物排放主要有以下几个方面的主要特点：l“温室效应”气体的排放少。70年代，科学家们注意到一些气体如：二氧化碳（CO2）、氮氧化物（NOx）、氟氯烃（CFCs）以及部分碳氢化合物（HC）因人类活动的影响迅速增多，导致地球表面温度上升和