提高我国压缩天然气汽车当前额定工作压力的依据和建议

陈梦溪

(四川省机械研究设计院(集团)有限公司，四川成都，610048)

2021年7月2日，国家住建部发布了新版的GB50156《加油加气加氢站技术标准》(下称《标准》)，并将于2021年10月1日正式实施，原GB50156-2012《加油加气站设计与施工规范》同时废止。《标准》新增了汽车加氢站、充电站与加油加气站的合建规定，将CNG加气站压缩机、储气装置最高工作压力从原规范的25MPa提高到40MPa；加气机额定工作压力从原规范的“不应大于20MPa”，提高到“不应大于35MPa”。笔者及其所在单位长期从事各类汽车加气站、加油站设计和施工，承揽了1000多座CNG加气站的设计和建设，对CNG加气站和CNG汽车的压力提升问题，做了一些研究和思考，现就此与业内同行共同分享与探讨。

1 CNG行业当前发展态势

我国四川省早在上世纪六十年代就开始用车顶安装橡胶气囊的方式，将天然气作为汽车燃料使用；上世纪七十年代意大利有了钢瓶充装压缩天然气作为汽车燃料的产业化应用。截至2020年底，在全球范围内，有2800余万辆压缩天然气汽车(CNGV)在运行，我国的CNGV达632万辆，而含液化天然气汽车(LNGV)在内的天然气汽车(NGV)总数达700余万辆。

国际能源署(International Energy Agency)将包括各类燃气汽车和新能源汽车在内的新型燃料汽车均定义的先进燃料汽车(Advanced Auto-Fuel)。就行业发展态势来看，目前天然气汽车(NGV)的发展受到电动汽车(EV)或新能源汽车(NEV)的强烈竞争。电动汽车以其无尾气排放、充电桩建设简便和高额的政策补贴，迅速占领大片市场。在天然气汽车(NGV)队伍中，液化天然气汽车(LNGV)又以其高能量密度在重载长途车市场独领风骚。CNGV虽然运行和改装成本较低，但其续驶里程短，单次加气只能行驶200km左右，进而在市场竞争中处于劣势。由于几种先进燃料汽车在环保领域相互存在较大争议，本文暂不对它们的环保性能做评论，仅讨论技术和市场问题。因此，要增加CNGV的市场竞争力，提高续驶里程就成为一个重要的选项。而要提高续驶里程，主要有增加车载气瓶容积和提高储气压力两种方式。

现在普遍使用的CNG-3型气瓶，在普通小客车的后备箱能安装的最大容积一般只有90L，在最高充装压力20MPa工况、不考虑温度和压缩系数的情况下，理论上可充装18Nm3天然气，单次加气续驶里程最多220 km—230km。而当充装压力提高到35MPa时，则可以充装31.5Nm3天然气，增量75%，测算续驶里程可以达到430km以上。这将大大减少充气时间，提高运营效率。下面具体阐述了这样做在技术上的依据以及在经济上的可行性。

2 提高CNGV工作压力和加气站充装压力的技术依据

技术依据主要包括两方面：一是天然气的压缩特性，二是车载气瓶和加气站工艺是否具有可操作性。

2.1 天然气的压缩特性

(1)依据标准：GB18047-2017《车用压缩天然气》 ；GB/T33215-2016《气瓶安全泄压装置》“附录A 高压气体的压缩系数计算方法”。

(2)采用方法：一是采用《天然气工程手册》(2012年修订版，下称《手册》)中的气态方程进行计算；二是利用美国气体协会(American Gas Association)公布的有关天然气压力(P)、温度(T)、体积(V)关系的研究成果进行分析。

(3)对天然气在压缩过程中的温升，将另行专题研究，并采取有效冷却措施加以应对，本文不作讨论。

2.1.1 利用气态方程分析CNG的压力和密度

利用气态方程来分析气体的压力、体积和温度的变化规律，将气体分为理想气体和真实气体两种状态进行计算；两种气体的关系用气体“压缩系数Z”(也称偏差系数、压缩因子或Z因子)来描述。《手册》中描述这一比例关系的气体状态方程为：

理想气体状态方程：PV=nRT

(1)

真实气体状态方程：PV=ZnRT

(2)

式中：P——气体压力，atm；V——气体的体积，L；n——气体的摩尔数，mol；R——气体常数，0.08206，atm·L；T——绝对温度，K；Z——压缩系数。

为了简化计算，在此采用纯甲烷进行测算。根据甲烷的临界参数及沸点(其压力修正系数θ=0.005393929)计算出甲烷在20℃、压力从20MPa提升至40MPa时(间隔2.5MPa)，其压力、密度、压升效率的变化与对比关系，详见图1。

图1 压力从20MPa升至40MPa甲烷密度和压升效率的变化(基准温度20℃)

其中，压力提升效率(Y，简称压升效率)是在本项研究中，为更直观显示CNG压力与密度变化规律引入的一个新参数。其数值为天然气在特定温度下的压力，从某一基数(P1)提升至更高压力(P2)时，其密度提高比例(M)除以压力提高比例(N)的商数；其计算公式为：Y=M/N。压升效率(Y)反映了在特定温度下，压力提升后密度增加的效率；其数值与基数P1密切相关，在同一压力下，压力提升效率随基数的选择而变化，但其反映的规律性相同。

2.1.2 利用美国气体协会的数据分析CNG的压力和密度

美国气体协会(American Gas Association)推出的《常见压缩气体的温升压力和密度》数据表，比较详细地描述了包括天然气在内的多种气体压力与密度的变化规律。选择其中四种组分、具有代表性的天然气数据，用以分析天然气的压缩特性。为叙述方便，将四种气体编号为1#气、2#气、3#气、4#气，其基本物理参数见表1。

表1 四组天然气的组分及其摩尔百分数

从图2可知，天然气在20℃、从5MPa升至50MPa的过程中，密度及压力递增的数据，可以看出天然气在压缩过程中呈现以下特点：

图2 四种组分的天然气在环境温度20℃、压力从5MPa提高至50MPa时的密度变化

(1)天然气的密度与组分密切相关。天然气的密度随甲烷的比例增加而下降，纯甲烷的密度最低。例如，1#气和2#气、3#气和4#气的甲烷密度相近，两组气体的压力-密度曲线几乎重叠；1#气甲烷含量比4#气高近8%，但在5MPa—50MPa区间，其密度比4#气低12%—10%。

(2)天然气的密度随压力升高呈非线性增加。四种组分的天然气压缩过程都呈现这一特点。例如1#气和4#气，密度随压力提高逐步增加，但增加的幅度逐步下降：在压力达到50MPa时，压力提高了9倍，密度仅分别提高了5.69倍和6.52倍。压力以20MPa为基数，提高至25、30、35、40MPa时，密度随压力的变化呈现相同的规律：压力分别增长了25%、50%、75%、100%，密度分别提高了18.8%、34.4%、44.5%、44.7%，但压升效率却从25MPa的75.2%逐步下降到68.9%、59.4%、44.7%。

由此，我们可以认为：车载气瓶压力从20MPa限值提升至35MPa时，天然气密度增加了44.5%，此后的40MPa，已经几乎没有增加。选择35MPa作为车载气瓶压力限值是比较恰当的。

2.2 加气站工艺的可操作性

2.2.1 现有25MPa排气压力的加气站

现有加气站工艺流程可以保持不变，只需增加1组压缩机橇，从现有储气设施的中、高压组取气，即可增压至40MPa，如图3所示。

图3 25MPa加气站改造成40MPa加气站工艺流程示意图

2.2.2 新建CNG加气站

若要兼顾25MPa和40MPa两个排气压力，则仍沿用图3的流程。根据市场发展情况，若不需要兼顾现有20MPa工作压力的CNGV，则直接将压缩机设置为40MPa，排气、储气装置最大工作压力设计为40MPa即可。

目前，国内主要的CNG压缩机制造企业都可生产45MPa以上排气压力的天然气压缩机，技术上已无障碍，但需各企业自行制定企业标准。储气井和储气瓶组已有行业标准或企业标准，技术上也无障碍；同时，加气机国家标准已发布，满足额定工作压力35MPa要求，且骨干企业已投产的氢气压缩机，其压力已达70MPa和35MPa两个等级。

3 对车辆和加气站的技术经济影响

3.1 对车辆的影响

经咨询业内骨干气瓶生产厂家得知：现有20MPa的CNG-3型瓶，置换成35MPa时，初期预测成本将增加4倍，以85L的CNG-2型瓶现售价1400元/只进行测算，改成35MPa工作压力后，价格将为7000元/只左右，但后期批量化生产后，成本预计可降至6500元/只左右。目前小型乘用车改装成本在6000—8000元/辆，增压后约为1.3—1.5万元/辆，且很可能将全是OEM原厂改装。续驶里程则可从当前的200km左右增加至430km左右。对城市出租车而言，则每天还能减少2次加气的时间和往返加气站的路程。

公交大巴车主要使用的120L气瓶，CNG-2型环绕瓶目前市场价格为1800元/只，改为35MPa后，预测CNG-3型全绕瓶价格为9000元/只，假设每辆车安装6只气瓶，则成本增加43200元，整车改装费用偏大，与LNGV相比，不具竞争优势，但仍比新能源大巴便宜很多。在新能源汽车政策强势推动之下，目前全国范围内仅有10%左右的公交大巴车仍在使用CNG燃料。

3.2 对加气站的影响

现有25MPa排气压力的CNG加气站，通过再增加一组37kW小型压缩机橇，进气压力15 MPa—22MPa，则排气可达40MPa，500Nm3/h。压缩机橇体可自带1m3储气罐。加气站增加设备费用预计在150万元左右，占地8—10m2。主要压缩机厂家可以在1—2个月内供货。经笔者对成都市几座加气站的调研来看，加气站普遍有较高积极性。

4 结论和建议

在全球气候急剧变暖的大背景下，我国提出2030年左右二氧化碳排放量达到峰值，2060年左右实现碳中和。交通领域碳排放在全球范围内占总排放量(510亿吨)的30%以上。虽然天然气还是化石能源，但它是一次能源中的低碳清洁能源。由此，笔者建议如下：

(1)虽然天然气汽车的尾气排放指标不能与二次能源驱动的新能源汽车相比，但就全生命周期的清洁化来看，它仍然比煤电(占我国发电量的56.4%)驱动的新能源汽车更清洁，在最终实现碳中和之前，它是一个较好的替代燃料(Alternative Fuel)。我国的天然气汽车数量居全球之首，具有显著的技术和发展经验优势。紧随其后的伊朗(450万辆)、印度(330万辆)、巴基斯坦(300万辆)、巴西(186万辆)等国，对产自我国的设备拥有较大的兴趣。我们应积极稳妥发展天然气汽车产业，依靠技术进步，以国Ⅵ排放标准和全生命周期的碳排放量作为考核指标，将天然气汽车与燃油汽车、新能源汽车和各类先进燃料汽车放在同一市场标准下竞技，促进清洁汽车产业的健康高质量发展。

(2)提高CNG汽车额定工作压力，是提高CNG汽车续驶里程、增强市场竞争力的有益尝试。在氢燃料电池汽车已经成功推出70MPa和35MPa车载储氢气瓶的技术背景下，提高CNG储气瓶工作压力到35MPa，在技术上已不存在障碍。建议有关政府部门，在政策上进一步加大对相关行业协会和CNG业内企业的支持，促进行业进步和产业升级。