采用虚拟管网技术拓展CNG的应用

摘 要

摘要：虚拟管网技术是利用道路运输CNG给远离天然气输气管道的用户供应天然气的技术系统，由CNG加气母站、CNG运输车、CNG储配站及城镇燃气管网系统组成。结合虚拟管网技术的实际
摘要：虚拟管网技术是利用道路运输CNG给远离天然气输气管道的用户供应天然气的技术系统，由CNG加气母站、CNG运输车、CNG储配站及城镇燃气管网系统组成。结合虚拟管网技术的实际应用和重庆及南方城镇的规模、道路等特点，探讨虚拟管网技术的应用及发展方向。
关键词：虚拟管网；CNG；运输车；储配站
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
    随着我国城市化的发展和经济的快速增长，汽车的拥有量也急剧增加，汽车排放出的废气在大气污染所占的比重也进一步增大，城市的大气污染严重。以西气东输为开端的大规模天然气开发利用工程的实施，使城市的能源结构发生重大改变，大踏步地进入天然气到来之后的时期，标志着我国能源发展向着既定目标迈出了坚实的一步，即按照稳定、安全、可靠、经济和清洁的能源发展方针，大力发展天然气工业，提高天然气在不可再生能源中的比重。大力发展CNG、CNG汽车，是加快能源结构调整，实施清洁能源战略，改善城市大气污染的重要措施之一，并为CNG、CNG汽车加气站、CNG汽车带来了发展机遇。我国CNG应用技术已经比较成熟，目前除了应用于城市天然气汽车之外，还采用虚拟管网技术[1、2]，为CNG加气子站供应天然气再给汽车加气，在全国各地为中小城镇供应天然气，为工业企业用户、旅游区的星级宾馆酒店供应天然气。
1 虚拟管网技术
    虚拟管网技术源自为CNG汽车加气的CNG子母站系统，是利用道路运输CNG给远离天然气管道的用户供应天然气的技术系统，由CNG加气母站、CNG运输车(此处为CNG气瓶车和CNG瓶组运输车的总称)、CNG储配站及城镇燃气管网组成。为提高单趟运输量并降低运输成本，在气源地将较低压力的天然气压缩至20MPa的高压，将CNG通过公路等运输方式运到用气地。虚拟管网技术主要有3个模块：a.CNG生产：将天然气净化并压缩到20MPa；b.CNG运输：将CNG输入CNG运输车中并运输到用气地；c.CNG储存、减压：将高压的CNG储存、减压，然后计量、加臭送入管网。
2 虚拟管网技术的设备
2.1 CNG加气母站
    CNG加气母站的基本工艺流程：过滤→计量→脱硫→加压→干燥→储气井装置→加气柱→CNG运输车。管道输送来的原料气经过滤、调压、计量和脱硫塔脱硫处理后，使气体较为纯净，并保障压缩机系统正常运行。进入压缩机的天然气经过压缩机四级压缩，排气压力达到25MPa，再经过干燥器进行脱水，使得气质含水量和含硫量达到汽车用气标准。加气母站生产出的CNG，通过PLC自动控制，主要是直接通过大流量加气柱为CNG运输车加气；另外通过三线优先顺序控制实现快速给汽车直接加气。
2.2 CNG运输车
    CNG运输车有3种型式，即CNG高压气体长管气瓶车、半挂式CNG瓶组运输车和箱式CNG瓶组运输车。
    ① CNG高压气体长管气瓶车(见图1)由牵引车、高压管道、半挂车(包括底盘、瓶组、安全仓、操作仓)等组成。高压管道集装箱的外部几何尺寸符合国际标准12.2m(40英尺)集装箱的要求，在充装压力达20MPa时可储存CNG量4450m3。CNG高压气体长管气瓶车适用于运输道路宽阔，路面质量好的情况，一次性运输量较多，可降低运输成本。但它对运输道路有要求，车辆的价格较高，在我国北方路况较好的地区使用较多。
 

    ② 半挂式CNG瓶组运输车(见图2)由牵引车、半挂车、CNG储气式特种集装箱(见图3)组成。CNG储气式特种集装箱的外部几何尺寸符合国际标准6.1m(20英尺)集装箱的要求，内装144只80L的CNG气瓶，在充装压力达20MPa时充装CNG总量约为2900m3。半挂式CNG瓶组运输车适于运输道路路面质量不是很好，转弯半径不大的路况使用。对运输道路的选择性比CNG高压气体长管气瓶车低，且半挂式CNG瓶组运输车的车辆价格较便宜；该半挂式CNG瓶组运输车一次性运输量没有CNG高压气体长管气瓶车多，在我国南方道路不是很宽阔的地区使用较多。
 

    ③ 箱式CNG瓶组运输车由箱式货车、CNG储气式特种集装箱(见图4)组成。
 

CNG储气式特种集装箱的外部几何尺寸符合国际标准6.1m(20英尺)集装箱的要求，内装144只80L的CNG气瓶，在充装压力达20MPa时充装CNG总量约为2900m3。箱式CNG瓶组运输车适于运输道路路面质量不好、转弯半径不大的路况使用。对运输道路的选择性比CNG高压气体长管气瓶车、半挂式CNG瓶组运输车低，价格较便宜，一次性运输量没有CNG高压气体长管气瓶车多。该箱式CNG瓶组运输车在我国南方道路不是很宽阔的地区使用，特别适宜山区运输使用。
2.3 CNG储配站及城镇燃气管网
    CNG储配站及城镇燃气管网具备CNG卸气、计量、储气、调峰、减压及为用户配送天然气的作用。CNG储配站减压供气的基本流程是：CNG经CNG运输车进站，卸车计量后进入调压装置，经三级或二级调压至0.3～0.4MPa，然后经计量、加臭后进入城镇燃气管网。CNG减压的过程可近似地看作绝热过程，伴随着温度降低。由于压降较大，减压后的天然气温度会下降几十摄氏度。为避免低温对调压器等装置造成损伤，增加减压稳定性，并充分利用CNG的压力进行储气，通常采用三级减压并在减压前加热天然气。对于较小流量的减压装置，若不考虑储气，也可采用二级减压方式。CNG储配站的换热和调压级数应综合运输车最高工作压力、调压装置卸气能力、城镇管网设计压力等因素确定。
    储气与调峰的基本流程是CNG经CNG运输车进站，卸车计量后进入调压间，经二级调压减至4MPa进入高压储气管道储存。其作用是稳定供气，在用气高峰的时候将高压储气管道内的天然气输入城镇燃气管网，解决高峰时用气不足的问题。小城镇同样存在用气不均匀的问题，而且由于小城镇的用气规模小，不均匀性的程度可能比大中城市还要突出。CNG调峰可采用多种方式，如CNG高压气体长管气瓶车或半挂式CNG瓶组运输车、地下储气井及高压管道等方式储气等。由于每辆CNG运输车具有一定的调峰能力，利用CNG高压气体长管气瓶车或半挂式CNG瓶组运输车调峰不失为一种经济、灵活的调峰手段，但箱式CNG瓶组运输车不宜作为调峰手段。尽管CNG运输车自身也是一个储气装置，能储存天然气，但主要功能是运输，因此CNG储配站必须设置高压储气设施。
3 虚拟管网技术的应用及发展方向
   重庆燃气工程股份有限公司是重庆燃气集团公司控股，从事虚拟管网技术，拓展CNG应用范围的股份制公司。2006年以来，我公司与重庆燃气集团公司合作采用虚拟管网技术，实施了重庆头塘CNG加气母站，巴南区木洞镇、东泉镇，二圣镇天然气供应，城口县天然气供应，长寿区的江南新区天然气供应，四川省邻水县坛同镇天然气供应及部分工业企业的补充供气，调峰天然气供应项目。笔者结合虚拟管网技术的应用实际和重庆及南方城镇的规模、道路等特点，探讨虚拟管网技术的应用及发展方向。
    ① 虚拟管网技术储气
    在城市燃气供气系统中，燃气用量存在不均匀性，需要有完善的储存设施，解决用气高峰时的不足和用气低谷时的余气问题。在虚拟管网技术中，储气设施的功能已经不只是解决小时调峰的问题，而是需要解决区域在一定时间内的用气问题，以减弱可能出现的运输中断导致的供气不可靠性。虚拟管网技术的储气可采用如CNG高压气体长管气瓶车、半挂式CNG瓶组运输车、地下储气井及高压管道等方式储气。
    CNG高压气体长管气瓶车或半挂式CNG瓶组运输车储气适用于工业企业的补充供气、调峰天然气供应及作为规划管输供气的短期城市供应的过渡气源。地下储气井储气适用于CNG加气子站与CNG储配站合建的中小城镇天然气供气项目。
    高压管道储气最适用于中小城镇天然气供气项目中的CNG储配站，高压管道作为CNG储配站的储气设施，压力高达4MPa，充分有效地利用CNG本身所具有的压力。高压管道建设技术成熟、成本低廉、储气量大。高压管道埋于地下，管道内气体温度均匀，对储气和售气计量影响小。高压管道安全性高，能防雷、抗静电，简化消防设施，基本不受环境影响，高压管道后期运营费用低。
    我公司在城口县中型城镇天然气供应项目埋设设计压力为4MPa的高压管道550m(钢管规格为D1219×17.5，材质为L485)，储气量达20000m3；巴南区木洞镇小城镇天然气供应项目埋设设计压力为4MPa的高压管道80m(钢管规格为D1219×17.5，材质为L485)，储气量达3200m3。
    ② 规模化应用虚拟管网技术
    采用虚拟管网技术供应于中小城镇天然气供应项目成熟、可靠，中小城镇的用气规模小，远离天然气输气管线，其投资回报的空间很小；而其运营成本较高，主要由设备设施折旧、人工费用及CNG运输费组成。CNG运输费具有波动性、可变性、占运营成本的比例较大的特点，与道路条件、运输车辆、CNG运输量等有关。因此，虚拟管网技术必须规模化应用，把一定范围的多个中小城镇集群纳入统一的燃气化发展中，采用城镇集群供气模式。城镇集群中的城镇之间的气源提供方式可避开传统的管道连接，可大大地减少造价，扩大供应天然气的客户规模，降低CNG运输费用，提高供气的规模效益。
   ③ CNG运输车的优化
   虚拟管网技术的CNG运输车应采用小型化、模块化技术，在运输、装卸、储气等多个环节由模块灵活、自由组合集成，有效解决城市天然气管网不能覆盖的小城镇居民、工业企业用气及CNG汽车加气。虚拟管网技术的CNG运输车上CNG储气式特种集装箱应按压力分为高、中、低3组，按模块组合，CNG汽车、居民用户、工商业用户用气三位一体的综合集成、系统化服务，根据用户的压力需求实现能量优化、顺序用气、减少余气。扩大用气规模，并将道路运输、燃气调峰、综合节能和经济规模等相结合，最大限度地降低运营成本。
    ④ 虚拟管网技术的适用范围及特点
    采用虚拟管网技术供应天然气，根据CNG加气母站的气源条件，最小的单个城镇供气项目(小城镇供气)，居民用户不宜少于2000户；最大的单个城镇供气项目(中型城镇供气)，居民用户不宜多于30000户；10000～20000户居民用户的城镇最适宜。小城镇供气项目应把一定范围的多个小城镇集群纳入统一的燃气化发展中，采用城镇集群供气模式，降低CNG运输费用，大大地提高供气的规模效益。
    工业用户、商业用户(包括集体用户、旅游区的星级宾馆酒店等)是采用虚拟管网技术供应天然气项目的首选客户。此类客户的技术素质高，便于管理，用气量大且稳定，经济承受能力强，投入低而收益高。
    对于用气规模不大，客户不多的中小城镇的天然气供应，虚拟管网技术较长输管道供气具有工艺简单、造价低、工期短、见效快的优点，适于向距离气源相对较远、用气规模不大的中小城镇供气，特别适于作为规划管输供气的城镇的过渡气源。
4 虚拟管网技术存在的技术障碍
    ① 高压管道储气没有相关的规范标准。高压储气管道在设计、建设、检验、验收中按照相关级制的容器标准执行，运行管理、安全间距按照相关级制的管道标准执行。将城镇燃气管道可以达到的最大输气压力作为管道储气的最高压力，4MPa是高压管道储气的压力上限。
    ② 虚拟管网技术的CNG运输车上CNG储气式特种集装箱应小型化、模块化，而小型化、模块化集装箱没有相关的规范标准，现行的CNG运输车规范标准是针对外部几何尺寸符合国际标准12.2m(40英尺)集装箱、6.1m(20英尺)集装箱制定。
参考文献：
[1] 蒋浩，卢成刚.高压管道储气在燃气输配系统的使用条件[J].煤气与热力，2003，23(11)：663-665.
[2] 彭世尼，杨志良.CNG供气站高压管道(管束)储气技术研究[J].煤气与热力，2008，28(8)：B13-B15.
 
(本文作者：周建国 重庆燃气工程股份有限公司 重庆 401121)