京郊农村CNG应用技术研究

王平　杜静　冯颖　孙金栋

摘 要：以气代煤是实现京郊农村清洁高效能源的重要手段，CNG在京郊农村特别是偏远农村推广应用具有优势。由农村集中式CNG供气站通过村内敷设的供气管路，实现每家每户供气。撬装储气设备是农村集中式CNG供气站的核心设备。撬装储气设备采用4组储气单元并联，各储气单元完全相同，可互相替换使用。农村集中式CNG供气站能够实现无人值守远程监控，以保障运行安全。

关键词：京郊农村；集中式CNG供气站；储气单元；撬装储气设备

中图分类号：TU996.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.028

最近两年，在冬季供暖期，北京及华北地区雾霾有加重趋势。造成冬季雾霾的原因是多方面的，无疑，冬季供暖期大量燃煤是造成雾霾的因素之一。自20世纪90年代以来，北京市对市区燃煤控制越来越严，在市区已经取消了燃煤应用。但是，在京郊农村，特别是偏远农村，燃煤应用还比较普遍，京郊农村煤烟型污染还比较严重。因此，北京市防控雾霾任务艰巨，在京郊农村大力推广清洁高效能源迫在眉睫。自2016年以来，北京市对京郊农村进行了用能结构改变。这为CNG在京郊农村特别是偏远农村推广应用提供了机遇。

1 京郊农村生活能耗数据分析

农村生活能源消耗是指农村地区农民为满足生活（炊事、照明、通行、取暖制冷、文化娱乐等）需要所消费的各种能源，主要包括生物质能源（秸杆、薪柴为主）、商品能源（煤炭、电、液化石油气）和可再生能源（天然气、太阳能、沼气）。

按照北京市2013年统计年鉴中统计数据，北京农村常住居民215.2万户，北京市农村地区生活用能全年生活能耗量约为7.001 3×106 tce，其中，煤耗3.959 7×106 tce。北京市农村能源消费结构中，煤、液化石油气、电等商品能源占到总体能源的87.36%，煤仍然是农村主要的生活用能来源，占56.61%（散煤的消费量占比最大，达47.96%），电占到了26.26%，秸秆树枝占12.64%，液化气在总体中的比例较少，仅有4.50%.散煤和煤球基本用于采暖，蜂窝煤、电、秸秆树枝部分用于采暖。户均采暖用能为2.05 tce/年，其中，用于采暖的煤耗占总煤耗量的92.43%，户均为1.71 tce/年。

农村用能模式受到观念、生活习惯、经济水平等各种因素的影响，电主要用于家用电器（含炊事电器），液化气用于炊事用能，散煤主要用作采暖。

2 京郊农村推广CNG优势分析

由于偏远农村分布较为分散，村中人户数较少，用气量小，不宜长距离敷设燃气管网。由于价格、安全因素，液化气在农村应用较少，而建设小型集中式CNG供气系统就具有了独特优势：①集中式CNG供气系统具有投资小、见效快的优势，相比燃气管网更加灵活、便捷，经济效益更好。②集中式CNG供气系统便于在京郊农村布置，供气站占地面积小，自动监测和记录，无人值守，远程监控，实现预警与紧急切断功能，减少运营管理费用。③集中式CNG供气系统直接供气到每家每户，村民用气更为方便、安全。④集中式CNG供气系统为偏远农村经济开发提供了可能。这是液化气等能源不能比拟的。

3 农村集中式CNG供气系统

3.1 整体设计思路

根据京郊农村人户数少、用气量小的特点，开发农村集中式CNG供气站，在村内敷设供气管路，满足每家每户供气需求。农村集中式CNG供气站由储气瓶组组成，在供气站储气量到达下临界点时，由车载小型压缩天然气供气撬装设备为供气站补

充供气，实现京郊农村用能结构的改变，以气代煤，减少煤烟型污染。

3.2 撬装储气设备

农村集中式CNG供气站的核心设备是撬装储气设备。撬装储气设备采用4组储气单元并联，各储气单元完全相同，可互相替换使用。

储气单元是供气站基础设备，采用6个无缝钢瓶组装成型，可移动，总储气100 Nm3。

撬装储气设备由4个储气单元组成，撬装储气设备总储气能力为400 Nm3。每个储气单元均带有手动阀门、快装接口，与撬装箱体通过软管连接，使储气单元可独立装卸、移动，可车载，形成车载小型集成式撬装设备，实现了高度集成化，满足了方便运输和现场吊装的要求。

撬装箱体内每个储气单元配有压力传感器进行数据采集并传至车载小型集成式撬装CNG减压设备内PLC控制系统上，进行监测与控制。

每组储气单元配有切断阀，可由PLC控制系统進行开闭操作，同时也配有手动球阀和放散阀。

撬装箱体内设置可燃气体浓度报警，并通过PLC系统控制联动强制排风系统。箱体内部装有防爆型监控摄像头，顶部悬挂温感型干粉灭火设备。

3.3 撬装储气设备减压系统

撬装储气设备减压系统采用3级减压形式，其中，二级减压后预留出口压力为0.2～0.4 MPa中压出口1个，并安装有质量流量计；三级减压后预留出口压力为2～5 kPa低压出口1个。

撬装储气设备减压系统预留2个进口，一个连接至附带的储气设备，另一个做成法兰式连接口，可以外接其他储气设备。进口带有切断阀，可自动控制进行开闭工作，同时2个进口都配有手动阀门，可分开或合并使用。

3.4 集成式伴热系统和控制系统

CNG减压系统采用高集成化撬装方式，因此将伴热系统和控制系统集成至CNG撬装储气设备内。伴热系统采用电加热水浴式换热器，控制系统采用防爆型PLC控制柜形式。其中，CNG减压设备进口、一级调压后、二级调压后、三级调压后和储气单元出口安装压力传感器，进行压力数据采集与监控。伴热系统安装温度传感器和水位传感器，进行温度、水位数据采集和监控。CNG减压设备出口安装流量计，可采集流量数据。以上数据全部汇总至PLC控制系统内，由PLC控制系统进行设备工况监测和控制。

3.5 无人值守远程监控系统

结合农村地区居住分散、用气量小的特点，以撬装储气设备为基础，设计无人值守远程监控系统，在集成式撬装储气设备PLC控制系统内加装无线传输模块，实现自动运行、远程监控、气量预警、紧急切断等功能，在调度中心远程监测设备运行情况，并根据系统提示更换储气单元或安排运行人员维修和检修。

无人值守远程监控系统包括撬装储气设备运行监控系统、视频监控系统、车载储罐天然气参数监控系统3部分。

撬装储气设备运行监控系统主要是通过撬装储气设备内PLC控制系统采集、处理设备运行工况信号，并通过有线或无线通讯网络远传至调度中心的远程计算机，可在调度中心显示撬装储气设备运行工况。可以监测设备各个单元压力及状态并报警，以保证供气站安全、稳定供应。

视频监控系统主要是对供气站内CNG减压设备运行状况、储气设备内气量的使用情况、储气设备运输的全过程、设备和场站周边环境等进行实时监控，以保障设备运行安全。

车载储罐天然气参数监控系统实现运输罐车的天然气压力、温度、液位等工况数据和GPS数据的采集，通过对CNG运输车运输过程中安全状态数据的智能分析实现事故预警及消除事故隐患，预防重大事故发生；同时通过无线传输及GIS及时展示运输罐车的地理位置和运行状态，为调度指挥系统提供准确的现场信息。此系统能够保证运输罐车的安全、平稳运行，从而提高安全管理水平。

4 农村集中式CNG供气系统推广模式分析

农村经济收入不高，冬季采暖支出是农户选择采暖方式的考虑因素，选择容易获得能源的方式以及采用节能、高效的采暖方式可以在很大程度上减少能耗支出。相比于传统散煤采暖，太阳能热水+燃气壁挂炉、单独燃气壁挂炉采暖方案初始投资较高，但运行费用较低，污染排放少，具有良好的环境效益。在建CNG供气站、管线铺设等条件允许的农村地区，如果采取政府出资建站、铺设管线，末端采取补贴模式（第一步补贴可以采取市政府、区县政府各补贴三分之一的形式建设示范项目，视示范项目效果再进一步细化补贴政策），农户出资1/3，与传统散煤采暖农民的初始投资相近，而每年的运行费用比传统散煤采暖节省约1/3～1/2，农民容易接受，政府收获环境效益。

5 结论

农村集中式CNG供气系统与传统的标准CNG减压供气站相比，无人值守型CNG减压设备的制造费用约高出普通CNG减压设备1倍，但得益于其占地面积小，土建工程投入少，且采用撬装储气设备比使用CNG长管拖车的储气设备投资少，将使无人值守型农村集中式CNG供气站整体投资节省40%.农村集中式CNG供气系统具有比较广阔的应用前景。

参考文献

[1]北京市統计局，国家统计局北京调查总队.2013北京统计年鉴[M].北京：中国统计出版社，2013.

[2]韩金丽，杨昭，赖建波.远郊区县的CNG瓶组供气管理运营模式[J].天然气工业，2008（8）.

[3]张宇，陆淼.CNG瓶组供气站的设计[J].科技资讯，2012（18）.

[4]王虹，吴国川，程石.无人值守型撬装CNG减压供气站的应用探讨[J].城市燃气，2015（2）.

[5]杨杰.CNG加气站工艺设计及设备配置[J].化工管理，2015（8）.

[6]胡克修，陶伟龙.北京远郊区县CNG小区运营模式研究[J].城市燃气，2007（9）.

[7]冯粉莉.CNG供气站几种储气方式的技术经济比较[J].上海煤气，2013（6）.

[8]唐倩.CNG加气站初步设计及安全风险评价[J].当代化工，2015（1）.

〔编辑：刘晓芳〕