北京市发展天然气汽车的探讨

摘 要

摘要：介绍了国内外天然气汽车发展概况，从经济性、安全性、环保性、技术性等方面对北京市发展天然气汽车进行了分析，指出了影响该行业发展的主要问题，提出了解决思路。关键词：压缩
摘要：介绍了国内外天然气汽车发展概况，从经济性、安全性、环保性、技术性等方面对北京市发展天然气汽车进行了分析，指出了影响该行业发展的主要问题，提出了解决思路。
关键词：压缩天然气；公交车；天然气汽车；加气站
Discussion on Development of Natural Gas Vehicles in Beijing City
HAN Jinli，YANG Yonghui，ZHANG Yue
Abstract：The general development situation of natural gas vehicles at home and abroad is introduced.The development of natural gas vehicles in Beijing City is analyzed in terms of economic efficiency，safety，environmental protection，technology and so on.The main problems influencing the develpment of this sector are pointed out，and the sol utions are proposed.
Key words：compressed natural gas；bus；natural gas vehicle；gas filling station
1 概述
   2009年哥本哈根气候会议的召开，将人们对气候问题的关注度推向史无前例的高度，低碳发展成为各国经济发展的主旋律。中国政府宣布，到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放量要比2005年下降40%～45%，并作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。
    为了应对气候问题，各国都在大力倡导3个技术：清洁能源技术、农业技术、新能源技术。从目前来看，新能源要在较短的时期内替代化石能源还有一定的困难。当今世界化石能源在一次能源消费结构中的比例占87%，其中，煤炭占27%，石油占37%，天然气占23%，而中国目前能源结构是煤炭占70%左右，石油占19%，天然气占3%，天然气的比例远低于世界平均水平。2001—2008年，中国经济年均增长率为10.2%，但根据世界银行数据库估计，2000—2008年中国的二氧化碳(C02)排放量年均增长率为12.28%，总量从27×108t/a增长到70×108t/a，其累计排放量为415×108t。天然气作为清洁能源，有其独特优势。煤、石油、天然气这三大主要燃料中，天然气含氢比例最高，属高热值能源，利用天然气作燃料可有效减少C02、二氧化硫(S02)气体排放量[1～5]。加大发展天然气的应用力度是从化石能源向新能源过渡的必然选择。
2 中国天然气工业发展状况
    中国天然气利用已有相当悠久的历史，但天然气工业起步较晚，1953年天然气消费量仅占全国能源消费总量的0.02%，此后相当长时间内发展极为缓慢。改革开放以来，中国天然气开发和利用有了很大发展，尤其在东北、西北、四川和沿海地区。1996年产量首次突破200×108m3/a大关，开始进入产量快速增长期。21世纪以来，中国天然气市场进入高速发展阶段。2008年中国天然气消费量为807×108m3/a，是2000年的3倍多。2008年国内天然气产量为760.82×108m3/a，比2007年增长12.3%。石化工业协会的数据显示，2009年中国天然气表观消费量为874.5×108m3/a，比2008年增长11.5%。
    低碳经济是未来的新趋势，天然气是中国发展低碳经济的现实选择，这将推动中国天然气产业进入快速发展的新阶段。截至2009年底，中国已建成天然气输气管道3.6×104km，总输气能力超1000×108m3/a。同美国等发达国家相比，还有一定差距。十二五期间将是中国天然气输气管道建设的又一个高峰时期，在未来的10～12年内，中国天然气输气管道长度将达到近35×104km。
    在未来20年，中国的经济发展仍将保持快速增长，国内生产总值(GDP)年均增长率仍然可达7.0%～8.0%，能源消费弹性系数为0.40～0.50，煤炭消费弹性系数约为0.3，石油约为0.5，天然气为1.4～1.5，一次电力为0.5～0.6。在未来20年中国能源消费构成中，天然气的消费增长速度最快，预计平均每年增长速度可达9%～10%，水电等一次能源增长率为3.7%～4%，石油的消费增长率为4%～5%，煤炭的消费增长速度仍然高于发达国家的平均水平而低于发展中国家的平均水平，相当于全球平均增长速度，约为1.6%[6]。由于工业结构调整力度进一步加大和国家对环保要求的提高，天然气在整个能源消费结构中所占比例明显提高。
    中国天然气资源丰富且潜力巨大，天然气勘探仍处于初期阶段，天然气工业发展潜力很大。经过近年来勘探和评价，综合各方面提供的资料数据，天然气总资源量可能达到53×1012m3，可采资源量有8.83×1012m3。基本形成了以四川、鄂尔多斯、塔里木、柴达木、莺琼、东海为主的六大气层气资源区和渤海湾、松辽、准噶尔三大气层气与溶解气共存资源区的格局，中国天然气工业具备快速发展的资源基础。
    此外，中国周边国家俄罗斯、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦、哈萨克斯坦天然气资源丰富，占世界天然气总资源量的32.7%，剩余可采储量为54.51×1012m3，这些国家每年尚有(400～600)×108m3/a产能的天然气需寻找新市场。中国已与上述各国进行了多年的有关向中国输送天然气的可行性研究工作。
    中国天然气资源丰富，且与世界上的重要产气区相毗邻，天然气自给和进口的条件得天独厚，天然气管网也具有一定的规模，因此中国完全具备快速发展天然气工业的物质条件。
    由中国石油天然气集团公司了解到，该公司目前已构筑了8大气源保障北京供气，形成陕京一线、陕京二线和大港储气库群三管齐下向北京输送天然气的格局，为北京天然气稳定供应提供保障。
    这8大气源包括长庆油田的苏里格气田、子洲-米脂气田、榆林气田、靖边气田、长庆油田和壳牌公司合作开发的长北气田、新疆塔里木油田的克拉2气田(通过西气东输管道与陕京管道连通)、青海油田的涩北气田(通过兰银线、长宁线汇入陕京管道)、中国石化的大牛地气田(通过榆林压气站向陕京管道供气)[7～9]。
3 中国石油资源供应状况
    结合中国“富煤、少油、有气”的能源结构，发挥中国“有气”的优势，减少对原油的需求，很大程度上将依赖于天然气等替代能源的发展，以解决中国原油短缺问题，从而保障中国能源安全。1990—2006年中国成品油(汽、煤、柴油)表观消费量从4900×104t/a增长到17021×104t/a，年均增长率为8.1%。中国成品油消费中，柴油约占69.2%，2007年表观消费量为12466×104t，而且柴油消费增长很快，2010年国内柴油消费量达到15600×104t/a，比2009年增长12%。
    社会科学文献《中国能源发展报告(二○○九)》预测，到2020年.中国的石油对外依存度将上升至64.5%。目前，中国的石油对外依存度在50%左右。2010年和2015年中国原油产量将分别达到1.77×108～1.98×108t/a和1.82×108～2.00×108t/a，呈缓慢上升趋势。2020年，中国原油产量预计为1.81×108～2.01×108t/a，然后将呈逐年下降的趋势。当前国际油价的大幅波动并不一定代表全球石油供需紧张趋势发生根本性转变，未来油价仍存在上涨空间。
    由此可见，加快天然气的开发利用，不仅是实现能源供应多元化的需要，减少对石油的依存度，提高国家能源供应安全的战略需要，也是适应世界能源发展趋势，实现可持续发展的需要。
4 国外天然气汽车发展状况
    目前天然气汽车在74个国家得到了推广应用。全球已有近70个大型汽车制造公司研发及生产CNG汽车，如宝马、通用、本田、沃尔沃等，包括轻型轿车及重型车。跟据国际天然气汽车协会(IANGV)2009年的资料，阿根廷、巴基斯坦、巴西在其国内的天然气汽车保有量都已超过150×104辆，加气站数量均已达到1500个，全世界CNG汽车数量已经超过900×104辆。
   在巴西举行的第11届世界天然气汽车大会显示，在未来几年内，国际市场上天然气的供应量将大幅增加，从而将促使汽车公司转而生产以天然气作为燃料的汽车，取代目前以汽油作为燃料的汽车。
5 中国天然气汽车的发展历程
    我国应用CNG的历史可追溯到20世纪80年代中期。当时，我国引进了部分设备，在四川建立了我国第一个CNG加气站。1993年，中国石油天然气总公司引进国外技术并于1996年将加气站装置和汽车改装部件引进技术国产化，同时使相关技术标准规范化。
    1999年，“全国清洁汽车行动协调领导小组”成立，对CNG及其他相关代用清洁燃料的技术、产品、政策、标准和市场推广给予全面支持。同时，该小组正式启动北京、天津、上海、西安、深圳等12个试点城市(或地区)的清洁能源推广应用工作，在CNG汽车的推广应用和加气站建设方面取得了显著成效。
    经过多年发展，我国正式确定的清洁汽车重点推广应用城市(或地区)已由1999年的12个城市(或地区)增加到2004年的19个城市(或地区)。CNG汽车保有量也从1999年的不足1×104辆增长到2004年的20×104辆以上，居世界前列。1999年，CNG汽车占燃气汽车比例仅为9.3%，而到2004年时这一比例高达47%，几乎占到整个燃气汽车数量的一半。
    截至2009年底，全国已有80多个城市推广天然气汽车。其中19个重点推广城市(或地区)共发展天然气汽车45×104辆，建成天然气加气站1000座。我国天然气汽车和加气站主要集中在气源地附近，如四川、重庆、乌鲁木齐、西安和兰州等，天然气供应方便、价格低是CNG汽车快速发展的主要驱动力。
    在2007年8月31日国家发展和改革委员会颁布的《天然气利用政策》中，明确规定天然气汽车属于“优先类”用气项目，国家清洁汽车行动已将CNG列为首选的汽车替代燃料。随着我国经济的发展，国家对环保工作日益重视，天然气汽车以其良好的社会、经济效益正在成为天然气利用的一个重要方向。
    据有关机构预测，2012年全国汽车保有量将达到1×108辆，2020年有望超过2×108辆。巨大的汽车保有市场，为CNG汽车的发展提供了巨大的空间。CNG汽车发展的首要目标是公交车和出租车。
    2005年，全国公交车保有量达30.8×104辆，十五期间年均增加6.8%；全国出租汽车保有量达到93.7×104辆，十五期间年均增加2.6%。如果按照历年增长水平进行简单测算，2015年全国公交车的总量将达到62.3×104辆，出租车总量将达到121.2×104辆。如果2015年有40%的公交车及出租车改用CNG，按出租车、公交车用气量的一定比例考虑其他社会车辆用气，则2015年汽车用气量可增至110×108m3/a，车用天然气市场潜力相当大。
6 北京天然气汽车的发展历程
    为了有效地控制汽车尾气排放、治理大气污染，推广CNG用于车用燃料，北京市科委、市政管委及相关主管部门组织当时的北京市天然气公司和公交总公司等单位，于1989—1994年认真深入地进行了CNG用于汽车的技术可行性的示范工作；1999年将CNG汽车应用列入市环保项目，开始在公交车上推广应用。第一批单一CNG汽车使用美国、意大利进口的CNC发动机，在国内的汽车制造厂装配成整车。根据北京市公交集团提供的资料，截至2008年底，北京市公交集团公交车保有量约为2.1×104辆，其中天然气公交车达4204辆，占公交车总量的20%，是世界上拥有CNG公交车最多的城市。采用的发动机基本为国内生产的CNG发动机。
    图1为北京市公交车保有量构成及发展状况，它显示了1995—2008年北京市公交车总量以及其中汽油车、柴油车、CNG车和电动车这4种不同燃料类型汽车的发展趋势。可以看出，在1999—2008年这10年间，北京市天然气公交车保有量的年均(3年滑动平均)增长率达到了21%，远高于同期北京市公交车总保有量7%的增长率，天然气公交车同时也是各类公交车型中增长速度最快的车型。
    1998年9月，中国石油天然气有限公司在北京市建设投产了第一座加气站——衙门口加气站，1999年北京市给北京市燃气集团有限公司(以下简称燃气集团)下达了3座加气母站的建设任务，并从中央专项和环保专项资金中给予了大力的支持。在北京市的资金和政策支持下，燃气集团利用亚洲银行贷款陆续招标购置了6套母站设备，9座站全部建成投运后可充分满足5000～6000辆环保型公交车的用气需求。北京市政府免除了CNG建站用进口设备的全部关税和增值税，极大地降低了建站费用，从而降低了加气站的运行成本。
    1999年10月，燃气集团小屯加气站正式投产运行，当年销售量为68.568×104m3/a。
    目前，燃气集团已经建设完成6座加气母站，分别为小屯加气母站、南湖渠加气母站、北郊加气母站、王四营加气母站、姚家园加气母站、杏石口加气母站，在建1座门头沟加气母站。截至2008年底，北京市公交公司已建设了28座加气子站(其中25座已投入运行)。
    天然气公交车在北京市大规模推广应用，大量替代了公交车柴油的消耗。图2为北京市CNG公交车历年柴油替代量。在1999—2007年，北京市CNG公交车累计替代柴油消耗量34×104t。特别是最近几年，北京市CNG公交车的大规模使用对缓解北京市柴油需求激增具有积极的意义。目前，天然气公交车每年可以替代北京市全市柴油总消耗量的3%左右。
    随着液化天然气(LNG)技术的推广和应用，LNG逐渐应用于汽车燃料，目前，全球很多国家都已经发展LNG汽车。例如美国有3000辆LNG汽车，包括公交车、运输车，有60多座LNG汽车加气站；墨西哥有500辆LNG公交车。我国北京、长沙、贵阳、乌鲁木齐等城市建设了LNG汽车加气示范站，目前，有近400辆LNG公交车。2002年北京在315路公交车双泉堡站建设了国内首座LNG汽车
    图2北京市CNG公交车历年柴油替代量加气站，有50辆LNG公交车运营。2010年北京燃气集团与北京环卫集团签署了《在北京市推广使用LNG环卫作业车辆示范项目合作协议》，开展LNG汽车示范项目。
7 天然气汽车经济性分析
    ① 价格比
    天然气汽车的经济优势可以体现在燃料价格的油气差价上。天然气是一次能源，《中国天然气发电政策研究综合报告》中的研究结论是：“尽管天然气价格也受国际能源供需形势的影响，但影响没有石油大，按等热量计算，天然气(包括LNG)在价格上比石油有优势”。分析可知，天然气比原油或作为二次能源的汽油、液化石油气均有一定的价格竞争优势，而且原油价格越高，天然气的价格优势越明显。
    对于CNG汽车的经济性，可以直接用每100km耗用燃料的费用来比较[10]。国家发展和改革委员会规定，车用天然气价格按照每1m3天然气对每1L的90号汽油(0.6：1)～(0.75：1)的比价关系确定。在当前的价格水平下，对于出租车来说，若每100km耗汽油为8L，用CNG的耗气量约为8m3，则用气比用油要节省燃料费49%～64%。如果每天行驶里程按250km计算，1年可节省燃料费2.45×104～3.16×104元左右。出租车的改装费用约为4000～6000元/台，2～3个月就可以收回成本。较好的经济效益是当前CNG汽车在一些地区快速发展的最直接的驱动力。
    ② CNG加气站的效益
    CNG加气站的效益主要取决于进气与销气的差价、加气站土地获取成本、设备采购源自国产还是进口。参考加油站项目的土地费用，母站取600元/m2，子站取120元/m2；加气站建设投资水平综合设备厂家交钥匙工程报价和已有加气站的实际投资情况，母站取2000×104元、子站取600×104元。在保证10%收益的情况下对所需进销价差进行测算，5年可以收回成本。事实上，社会上个别已建成的加气站，因为选址好、土地成本低，建成不到1年就有盈利，2～3年就收回了全部投资。
    各地加气站的购销价差基本都在1.0元/m3以上，并且很多地方建设加气站还享受土地划拨、税收减免等优惠政策，因此加气站经营企业基本都处于盈利状态，经济效益较好。
   ③ 北京公交车的经济性分析
   目前中国天然气价格和汽油、柴油价格相比处于明显的优势地位，以北京地区举例，93号汽油价格在7.45元/L左右，车用天然气的价格一般为4.73元/m3。
    据北京公交公司统计，柴油公交车每100km油耗为38L左右，CNG公交车每100km耗气量为35m3，日均行驶约170km，按每月30天计算，汽车平均寿命为10年，目前北京市0号柴油价格为7.44元/L左右，天然气价格为4.73元/m3。经计算，柴油车每100km的燃料费要比CNG汽车多出100余元，月均花费的燃料费，柴油车比CNG汽车多出约6000元/月，年均超过7×104元/年。
   北京市1999年共有300辆CNG公交车运行，2008年北京CNG公交车数量达到4 200余辆，并且CNG公交车增长速度基本保持稳定。这10年间，若按照年平均2500辆CNG投入运行计算，按上面设定参数计算，每年公交公司运营成本可降低约1×108元，累计10年可节约燃料费10×108元。北京公交系统采取低价格政策，政府每年对公交公司进行财政补贴，如果公交公司能降低运营成本，政府可以极大地减轻财政补贴的负担。
8 天然气汽车发展的技术水平
    由于国外对汽油发动机进行了技术改进，排放污染也大大减少，天然气汽车优势不明显，从而促进了天然气汽车产业对天然气发动机进行改造。经过多年的发展，天然气汽车已经开发出更先进的电子控制系统、单点与多点电喷、直喷的天然气燃料供给系统，可用于闭环电控单点及多点喷射汽车，整机和整车的性能得到了优化和提高。特别是1995年以后，在天然气汽车发动机技术改进上，采用了理论空燃比反馈控制、稀燃等技术，使天然气汽车发动机的效率、经济性、排放性和动力性都有极大提高，天然气汽车技术发生了革命性变化。
    天然气汽车的种类，已由汽油/天然气汽车发展到柴油/天然气汽车，由双燃料发展到单燃料天然气汽车，由天然气汽车发展到天然气/电(或燃料电池)混合动力汽车。各国根据燃料特性综合优化进行原装天然气汽车的开发，天然气汽车的动力性、可操作性、舒适性已相当于原车水平，排放可达到欧V标准。
    在国内，天然气汽车技术也基本实现国产化。国内汽油/CNG双燃料汽车改装已完全实现国产化，但也有部分采用进口配件，改车费用根据配件是否需进口而有所不同。汽油/CNG、柴油/CNG双燃料和CNG单燃料原产车也已实现国产化。上海柴油机股份有限公司、东风汽车股份有限公司、上海汽车工业总公司等开发的天然气电喷发动机(均在柴油机基础上开发)已成功地在内蒙古鄂尔多斯运煤专线、城市客车上应用，运行车辆超过1000辆。东风爱丽舍、一汽捷达、奇瑞、夏利等双燃料CNG轿车已在很多城市行驶。2007年，我国天然气汽车(含底盘)产量达到5.7×104辆；国内有58家企业生产天然气汽车，累计有347个天然气汽车车型(包括底盘)进入国家机动车新产品公告；有18家企业生产天然气发动机，共有98款天然气发动机产品在市场中销售，发动机功率范围为64～250kW；已形成全系列天然气储气瓶的设计与生产制造技术，产业化能力超过80×104只/a；自主开发的减压器、电控单元(ECU)、燃气喷嘴等燃气汽车专用装置，已开始批量投放市场。
    从尾气排放来看，原产双燃料、CNG单燃料轿车、公交车及重型货运车发动机尾气排放已达欧Ⅲ标准；作为科技部863攻关课题，我国正在研发符合欧Ⅳ排放标准的天然气汽车。
    总体来看，经过几十年的发展，我国已初步建立了完整的天然气汽车产业发展的技术链和产业链，CNG加气站设备、发动机和汽车配套零部件的国产化，大幅度降低了天然气汽车发展的投入，为规模化发展提供了很好的支撑。
9 天然气车的安全性
    ① 爆炸下限高。天然气的爆炸极限为5%～15%，而汽油爆炸极限为1.0%～7.6%，下限比天然气低。因此与汽油相比，天然气泄漏后不易爆炸。
    ② 自燃温度高。天然气的自燃温度为680℃左右，汽油为350℃，天然气比汽油自燃温度高330℃。因此，即使意外泄漏，天然气更不容易自燃。
    ③ 密度低。天然气的密度一般约为0.80kg/m3，而汽油蒸气密度为5.09kg/m3。可见，天然气密度远比汽油蒸气小，而且低于空气密度，泄漏的天然气很快会在空气中散发，相对汽油而言不容易形成爆炸气体。
    ④ 车用压缩天然气储气瓶属于高压容器，其材质、制造及检验均有严格的规程控制，储气瓶可以承受的最高压力(实验压力)为30MPa，以20MPa的压力充气，可充气15000次。当瓶中压力达到30MPa时，瓶口阀门的泄气保护装置会自动开启，并安装有防爆设施，不会因汽车碰撞或颠覆造成失火或爆炸。而柴油或汽油的油箱不属于压力容器，受外力易破裂，引起着火爆炸。
    ⑤ 根据美国对8331辆公用事业、学校、市政和商业车队车辆的调查，其行驶2.8528×104km，天然气汽车车队的车辆损伤率比汽油车车队低37%。相比汽油车的每100×104km有0.8人死亡的死亡率，天然气汽车没有发生一起致命事故，汽车碰撞事故也比汽油车低31%，这8331辆车共发生7起着火事故，只有1起是由天然气供应系统直接导致的。自第二次世界大战后意大利首次商业化使用天然气汽车以来，现在世界各地使用累计超过1126×104辆。20世纪80年代初天然气汽车在美国推广，至今已超过9×104辆，其中只发生过1人死亡的事故。
    ⑥ 在中国，天然气汽车的事故主要是燃气供应管路易发泄漏或电路短路，引起自燃或爆燃。2010年5月30日下午1时10分许，安徽省六安市皖西路同来电脑学校门口发生一起交通事故，一辆公交车与一辆燃气出租车追尾，导致出租车车用燃气泄漏严重。接警赶到的六安特警二大队民警发现，被撞出租车停放在路边，储气罐破裂，燃气泄漏严重，并乘风向大街上飘散，对沿途车辆及过往行人构成很大的威胁。所幸事故处理得当、及时，没有发生人员伤亡。
    天然气汽车大多属于改装车辆，而天然气汽车对于管路以及改装技术要求特别高，任何一个环节出现问题都会引发车辆的自燃或爆燃。
10 天然气汽车环保性分析
    北京市汽车总量已达到400×104辆，汽车尾气日益加剧了对环境的污染，人们正在寻求更为清洁的汽车燃料。汽车排放的尾气已成为中国各城市的主要污染源，各种主业运营车辆(公交、环卫、邮政、出租车等)分担率达到36%[11]。汽车在怠速行驶中的排放远高于正常行驶时的排放水平，北京市区的汽车平均行驶速度低于10km/h，其尾气的排放污染水平比正常情况大大地提高了。天然气是目前被人们认定的最佳的汽车燃料，天然气在燃烧过程中污染极小，排放的废气中不含铅，基本不含硫化物，与汽油车相比，一氧化碳(CO)减少97%，碳氢化合物(HC)减少72%，氮氧化物(N0x)减少39%，因此，环保效益十分显著。

    目前北京的CNG公交车的主流是达到国3和国4环境友好汽车(Enhanced Environmentally Friendly Vehicle，EEV)排放标准的两种车型。图3、4为目前北京市CNG公交车拥有量最大的国3 CNG公交车的排放因子与国3柴油公交车的比较。可以看出：
    ① 与国3柴油公交车相比，国3 CNG公交车可削减颗粒物(PM)97%，非甲烷总烃(NMHC)92%，N0x 30%，C0 76%。
    ② 与国3柴油公交车相比，国3 CNG公交车甲烷(CH4)排放增加明显(增加10倍左右)，由此导致总碳氢化合物(THC)排放增加81%。
    图5、6为目前北京市排放控制水平最高的CNG EEV车型与国4柴油车排放的对比。可以看出：
    ①与国4柴油公交车相比，CNG EEV公交车可削减PM 91%，NMHC 20%，N0x 59%。可见，无论是哪种控制技术的CNG公交车，其与柴油车相比，PM减排潜力均十分显著。
    ② 与国4柴油公交车相比，CNG EEV公交车C0排放增加4倍左右，CH4排放增加接近200倍，从而导致THC排放增加30倍左右。
    根据对2007年北京市现有公交车排放清单的分析，可以获得各燃料类型公交车的排放分担率，见图7。虽然CNG公交车在北京市公交车车队中占有20%的比例，但是不论是哪种污染物，其排放分担率都显著低于20%，尤其对于北京市大气环境最为重要的控制污染物PM而言，其1%的低分担率意义非同小可。对于公交车最引人关注的NOx和PM两种污染物，柴油公交车都是最主要的排放源，其分担率都超过了80%，使用CNG公交车替代柴油公交车可以有效地降低公交车NOx和PM总排放量。
11 进一步探讨的几个问题
    ① 替代燃料的影响因素
    作为汽车的替代燃料，有几个重要因素必须考虑：
    a. 汽车性能：一次加油或加气的续航距离，输出功率等。
    b. 经济性：汽车价格、燃料价格、燃料供给的基础设施的造价。
    c. 大气环境性能(尾气排放)。
    d. 综合效率和C02排放量：WTW能源效率(Well To Wheel，从油井到车轮，即从能源的开采到终端消费)、C02排放量。
    e. 能源安全供给性：能源安全供给资源量、多样性、燃料自身的安全性(毒性、火灾危险性等)。
   ② CNG发动机的热力分析
   从文献[12]中得到，CNG的低热值为50.07MJ/kg，理论空燃比为17.25：1，辛烷值为130；汽油的低热值为43.85MJ/kg[13]，理论空燃比14.6：1，辛烷值为92。因此在使用CNG为燃料后，发动机在理论上有提高压缩比的空间。
对汽油机混合气理论含有能量[12]：
 
式中Ep——单位体积汽油机混合气理论含有能量，MJ/m3
    ρa——空气的密度，kg/m3，取1.293kg/m3
    λp——汽油的理论空燃比，取14.6
    QL,p——汽油的低热值，MJ/kg，取43.85MJ/kg
    对CNG发动机混合气理论含有能量：
 
式中ECNG——单位体积CNG发动机混合气理论含有能量，MJ/m3
    λCNG——CNG的理论空燃比，取17.25
    ρCNG——CNG的密度，取0.715kg/m3
    QL,CNG——cNG的低热值，MJ/kg，取50.07MJ/kg
CNG发动机混合气理论含有能量与汽油机混合气理论含有能量之比为：
 
式中k——CNG发动机与汽油机单位体积混合气理论含有能量之比[14]
    经计算k为0.875，CNG混合气的理论含有能量为3390MJ/m3，比汽油混合气的理论含有能量3874MJ/m3低约12.5%。可以看出，由于CNG的理论空燃比较大，相同排量的发动机所需的燃料较少，造成发动机改燃CNG后输出功率有所下降；由于CNG是气体燃料，其本身在混合气中占有一定的体积，造成进入气缸的混合气量减少，充气效率下降，导致发动机输出功率下降。
    ③ CNG与汽、柴油的替代比例
    关于CNG与汽油的替代比例，文献[15]以青海涩北天然气的组成为依据，当天然气的高热值为36.20MJ/m3时，与高热值为32.17MJ/L汽油相比较，从热量来看，1m3天然气相当于1.13L汽油。天然气的组成不同，热值也不同，这个比例是变化的。例如在文献[16]中，天然气低热值是36.22MJ/m3，汽油低热值是43.11MJ/L。对于每100km的燃料消耗指标为：天然气9.1m3，汽油10.0L。
    文献[16]指出：作为气态燃料，天然气有混合均匀、燃烧更完全等优点，但毕竟其与空气混合的可燃混合气的热值比汽油低10%，且充气效率也比汽油低；实践表明，在大多数情况下，1m3天然气可替代1.0～1.1L汽油。在推广应用CNG汽车中，为简便和稳妥起见，也可按1m3天然气替代1L汽油来计算经济效益。
    天然气、柴油双燃料汽车实际代油率并不等于某一工况下的最大代油率[17]。双燃料汽车的特点是大负荷和全负荷时天然气代油率高，随着负荷的下降而下降，当负荷小到一定程度和发动机处于怠速工况时，天然气代油率将降为零，即转为纯燃柴油工况。而公交车大多数运行状态处于中小负荷工况，因此，实际天然气代油率或加权平均天然气代油率就很低。因此，公交车宜采用单一CNG燃料的发动机。
    文献[18]按照GB 12545—1990《汽车燃料消耗量试验方法》，进行了每100km柴油和油气混烧的消耗量的测试，试验结果是纯柴油车每100km耗油20.7L；油气混烧车CNG的消耗量为13.6m3，柴油消耗量12.8L。
   ④ 排放特性比较
   对于排放量的描述主要分为两类：一类是理论值，常出现在关于天然气汽车的市场推广或各种汽车可替代燃料的分析对比等方面的文章中；另一类是试验性质的实测值，多见于对各种型号的发动机或车的怠速等状况的试验分析文章中。考察的角度不同，应用的数据也就不同。一般以文献[19]中的数据为准：天然气汽车比汽油车排放的C0减少98%、HC减少70%、N0x减少39%、C02减少24%、SO2减少90%，由于甲烷的辛烷值高达120以上，抗爆性能提高，并有效降低发动机噪声。
    由于各地天然气组成不同，以上排放指标是一个大致的范围，不是一成不变的。例如文献[20]指出，天然气汽车与汽油车相比，尾气中的C0排放量可降低90%～97%、NMHC可降低70%～80%、N0x可降低30%～50%、C02可降低19%～25%、S02可降低70%～90%、PM可降低40%左右。在文献[21]中减排量稍有变化：C0减少97%、HC减少72%、N0x减少39%、C02减少24%、S02减少90%、苯铅等粉尘减少100%、噪声降低40%。后续文章以文献[21]为依据的较多，如文献[16]和文献[22]等。
    综合来看，涉及到这方面的引述比较常选择比例法[23]，较少按每km排放量进行介献比较典型的是文献[24]。
   ⑤ 经济性比较
   进行单一燃料的经济性比较，只要确定3个参数就可以了：替代比例、燃料价格、单位燃料耗量。如前所述，CNG与汽柴油车的替代比例不是一个精确值，而且随着燃气热值而变化；燃料的价格各地不同，油品等级不同价格也就不同；汽车行驶的单位燃料耗量与车型有关，不同车型的消耗量也就不同。因此，对以上3个参数都有明确的规定，才可以进行准确的比较。如果要进行改装费和年总体费用的比较，计算出投资回收期，那么各种车型的改装费和行驶里程也要加以明确才行，比如使用的储气瓶组材质、数量等，这涉及一个不确定因素：钢瓶的有效载气量。CNG与汽、柴油的燃料替代比例，即相同条件下消耗天然气的体积(单位为m3)和消耗汽、柴油体积(单位为L)之比，广泛使用的是1：1.1或更高，如文献[25-27]，但有趋势采用1：1的比例，如文献[28-29]，这样易于计算，也比较贴近我国目前较多采用的双燃料汽车的实际运行工况。
12 北京发展CNG汽车的能力分析
    ① 气源供应：2010年北京市天然气使用量已经达到68×108m3/a，其中公交车的全年总用气量为7686×104m3/a，占1.1%，气源具备充足的供气保障能力。
    ② 母站供应能力：目前燃气集团已经建设完成6座加气母站，分别为王四营、姚家园、杏石口、北郊、南湖渠、小屯加气母站。其中前3个规模相当，每站设2台压缩机，单机额定压缩能力为2050m3/h，设计加气能力为3500m3/h。按每日工作16h计算，每座加气母站供气能力为5.6×104m3/d；后3座加气母站原建设规模与上述3座母站相同，2007—2009年，为了缓解供气紧张局面，分别对这3座母站进行扩建改造，将每座加气母站加气能力提高到7000m3/h，日供气能力达到11.2×104m3/d。
③ 维修：不论是加气站工艺设备的维修还是天然气汽车的维护保养，经过多年的经验积累，已经形成一支专业维护队伍、稳定的配件供应体系，驾驶员已经对天然气汽车的性能有了深入的认知度。
13 存在的问题
    ① 北京市天然气的使用情况总体属于峰谷结构，冬季用气量大，处于峰顶，夏季用气量少，处于谷底，这就使得在冬季CNG天然气的供应要受到一定的影响，不能完全保证CNG公交车的使用。
    ② CNG加气站只有母子站的形式，母站、子站的分布不是很均匀，与运营的公交车数量不匹配，有的站内需要排队加气，设备运行负荷高，而个别站区加气车辆偏少，设备利用率低。目前，北京市母子站的运营模式中，存在着大量的运输车辆往返于母子站之间，不但车辆运行成本较高，而且给交通系统带来一定的负担，严重时，在早晚高峰时段会造成供气不及时的现象，影响CNG车辆的正常行驶，而且，CNG运输属于危险化学品运输范畴，存在着一定的安全隐患。如果将部分子站改造成标准站，既可以增加CNG加气站类型，又可以节省CNG站的运营成本，能够更加合理地利用资源，缓解CNG运输车队给交通带来的巨大压力。
    ③ 加气站建设滞后。目前车用天然气日需求量达到30×104m3/d，远郊居民用户天然气日最高需求量达到50×104m3/d，总需求量达到80×104m3/d，已经接近现状加气母站的理论加气能力。另外，从目前CNG汽车和CNG城镇用户增长情况看，CNG供气缺口也在逐渐加大。因此当前北京加气站建设相对滞后，如不抓紧进行规划建设，势必会制约CNG用户发展。
    ④ 虽然北京现在拥有世界上规模最大的CNG公交车队，但其后勤保养工作没有很好地落实，车辆设备老化严重。而且CNG公交车使用种类较多，排放水平也不尽相同，还有待进一步标准化。
    ⑤ 要保持CNG公交车的长远发展，还必须保持CNG价格的合理，只有油气存在一定的差价，才能体现CNG汽车的燃料价格优势。发展CNG汽车要吸取发展液化石油气(LPG)汽车的经验教训，要尽可能地保证CNG汽车可观的经济优势。
14 结论
    ① 发展清洁燃料汽车，既有利于减少大气污染，又是一个新的经济增长点，可以带动一大批相关企业的发展[11]。
    ② 应该大力发展CNG公交车，政府应该给予一定的政策优惠，明确发展方向，例如可以减免车辆购置税，享受与电动车辆同等的优惠政策，并且要致力于建设一套完善的CNG汽车的发展规范，做到行业执行标准的统一化。
    ③ 随着低碳发展的提出，目前公交车组成结构比较复杂，应该确定发展CNG汽车辆的比例。保持一定比例的天然气公交车，也是多种能源结构公交战略安全的需要。
    ④ 加大北京天然气管网建设，将现有子站改造成标准站形式，将标准站和母子站相结合，更加优化、合理地规划北京CNG加气站的构成。
    ⑤ 价格政策是一个经济杠杆，相对固定油气差价比例，通过这个杠杆使各方利益得到保证和均衡，天然气汽车用气市场才能得以健康发展[8]。
    ⑥ 加强正面引导及宣传，以科学的态度认识天然气汽车的安全性，避免盲目夸大天然气汽车的危险性而阻碍该产业的健康有序发展。
    ⑦ 我国应加强天然气发动机的研制，提高压缩比，缩小与发达国家的差距，使CNG汽车的动力性能达到与汽、柴油车相当的水平。
    ⑧ 北京现有加气站最长已运行时间为10年，压缩机等主要设备的使用年限为15～18年，还有较长的使用期，应加大天然气汽车的数量，提高加气站的利用率，同时进行加气站转型的方案准备，进行子站至标准站的转换。
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(本文作者：韩金丽1 杨永慧2 张悦3 1.天津大学 天津 300072；2.北京市煤气热力工程设计院有限公司 北京 100032；3.北京绿源达压缩天然气有限公司 北京 100102)