天然气汽车加气站规划方法研究

贾文磊，张增刚，田贯三，王国磊

(1.山东建筑大学热能工程学院，山东 济南 250101;2.山东建筑大学 山东省建筑节能技术重点实验室，山东 济南 250101;3.山东建筑大学可再生能源建筑利用技术省部共建教育部重点实验室，山东 济南 250101)

0 引言

随着我国城镇化进程的快速推进，城镇市政公用基础设施规模逐步扩大，城镇燃气事业也随之逐渐成熟。燃气供气设施是城镇重要的市政基础设施之一，也是城镇现代化的重要标志之一。城镇燃气专项规划是城市建设规划中的一个重要组成部分[1]，天然气汽车加气站规划为城镇燃气专项规划的主要内容之一。天然气汽车加气站规划不仅要符合城市总体规划的要求，还要确保安全、保障汽车用气供应、满足经济发展和改善大气环境质量。天然气汽车加气站规划需要对天然气汽车的燃气需求总量进行科学预测，因地制宜的确定适应当地的天然气汽车加气站类型;需要根据汽车燃气需求量来确定天然气汽车加气站的数量和规模;同时也需要统筹考虑资源、交通和服务利用等因素对天然气加气站的布局选址进行合理规划。笔者根据参与编制《山东省CNG、LNG专项规划》以及东营市、济宁市、高唐县、宁阳县等地的燃气专项规划的经验，结合以上几个实例对城镇燃气专项规划中天然气汽车加气站的规划编制方法进行了初步的分析研究。

1 天然气汽车加气站发展现状及存在问题

天然气汽车是以天然气作为燃料的汽车，按照天然气的化学成分和形态，可分为压缩天然气(CNG)汽车和液化天然气(LNG)汽车2种。天然气汽车的优势体现在环保性和经济性上，天然气汽车与燃油汽车相比，是一种理想的低污染车，它的尾气排放中HC，CO，NOx等含量都大大下降，而且没有铅污染[2]。从经济性能上看，1m3的天然气的热能含量相当于1.13L汽油的当量，就其经济性而言，燃气比燃油的燃料成本要低[3]。天然气汽车与电动汽车相比，天然气汽车的续驶里程更长。正是由于以上优势，近年来天然气汽车在我国得到大力推广，尤其是在城市公共交通和出租汽车上得到大规模的应用。根据中国天然气汽车市场发展报告，我国天然气汽车重点推广城市天然气汽车保有量的近年增长数据见图1，由图可知2009年天然气汽车保有量就达2005年数量的2倍还多。根据国际天然气汽车协会统计，截至2009年底，我国已在近30个省、市、自治区的80多个城市推广了天然气汽车，拥有天然气汽车约45万辆，加气站870余座。

图1 我国天然气汽车重点推广城市天然气汽车保有量增长趋势

目前国内天然气汽车保有量和天然气汽车加气站数量迅速增加，天然气汽车市场快速发展的同时存在诸多问题。首先是我国天然气汽车加气站网络体系尚不完善，相对于天然气汽车的改装速度，加气站建设速度明显滞后。随着油价的持续上涨，天然气汽车的经济优势愈发明显，特别是营利性的出租车基本全部改装为加气车，导致加气站系统的紧缺。其次天然气汽车加气站系统结构不合理，加气站数量和规模之间不能协调。由国际天然气汽车协会官方网站提供的表1可以看出，相对于其他天然气汽车发展较为充分的国家，我国加气站总体数量并不少，但是地区之间分布不均衡，加气站规模的大小与分布密度之间不能协调，导致一些城市出现了出租车排队加气队伍长达几千米的现象。而同时中小城镇的一些加气站建设盲目求大求全，加气站往往不能满负荷运行，无法发挥其最大的经济效益。

表1 我国与部分国家天然气汽车及加气站数量统计对比

再次一些城镇的天然气汽车加气站规划落后于加气站建设，相关政府管理部门对加气站选址审批无依据可循，导致现状加气站盲目选址，布局混乱，市场经营效益不佳而且存在一定的安全隐患。另外，天然气加气站种类单一，我国现状天然气加气站以CNG加气站为主，LNG加气站和L-CNG加气站数量过少，无法满足长距离运输的重型汽车的加气要求，没有充分发挥LNG汽车的优势，限制了LNG汽车的发展。要解决以上诸多问题，最根本的就是要做到规划先行，做好天然气汽车加气站规划为天然气汽车事业的发展提供科学合理的依据。

2 天然气汽车加气站规划方法

天然气汽车加气站分为CNG加气站、LNG加气站和L-CNG加气站[4]。其中根据站区现场或附近是否有管线天然气，CNG加气站一般又可分为常规站、母站和子站3种类型[5]。在城镇燃气专项规划中，加气站类型的选择一般是建立在燃气输配系统的基础之上，根据城市总体规划的要求，结合城市性质、交通、地理位置等具体因素，综合考虑各类加气站的特点，选定最合适的加气站类型。天然气汽车加气站数量和规模要根据汽车天然气用气负荷来确定。天然气汽车用户的用气需求预测包括汽车用户耗热定额的确定和燃气汽车保有量及气化率预测。在加气站类型、数量和规模都确定后，需要进行选址布局，最终形成完善的加气站网络。天然气汽车加气站规划的一般流程见图2所示。

2.1 天然气汽车加气站类型的选择

2.1.1 各种加气站的特点及适用范围

加气母站在城市门站、储配站或天然气高压主管道上取气，气源稳定且压力波动小，不受工业、民用天然气用户用气的影响;加气子站基本没有土建工程，设备采用撬装设备，搬迁容易，受土地资源约束小，占地少，容易在市区内选址;加气常规站购气价格低有经济性优势，LNG加气站则对重型长途运输车非常适用。各种加气站的特点见表2所示[6]。

图2 天然气汽车加气站规划的一般流程

表2 各种加气站特点比较

2.1.2 根据城市性质选择加气站类型

城市加气站类型的选择需要根据城市的性质，规模等实际情况确定。大中型城市一般要将这几种类型加气站统筹考虑，以充分发挥各类型加气站的优势，达到整体的最优化设计。如表3所示，济南市等副省级城市和东营市、济宁市等地级市以上的大中型城市，通常规划覆盖以上全部类型。

表3 几个城市规划的汽车加气站类型

县城及中小城镇的加气站类型选择则需要根据当地实际情况及加气站建设现状，选择适合当地的加气站类型。如表3所示，宁阳县城选择加气子站，常规站和LNG加气站结合的方式，具体分析如下:县城南部将引入高压管道天然气，因此规划在县城南部建设CNG常规站一座;东部新城区为县城规划的行政、商业中心，地价较高，加气子站受土地资源约束小，占地少，选择加气子站的经营方式;县城与外界联系的主干道蒙馆公路和济微公路从县城西部穿过，对外运输的大型客运货运车辆较多，因此在县城西部选择建设LNG加气站。对本地区没有考虑建设母站，母站压缩天然气生产能力比较大，其日设计加气能力在10万m3左右，宁阳县远期汽车天然气需求量仅为2232.35万m3，建设一座加气母站就可满足整个县城的需求量。这样虽然满足了用气需求，但是不便于汽车加气。高唐县现状存在母站一座，因此规划主要考虑建设加气子站，通过增加子站的数量来方便远期汽车加气。

综上所述，对于天然气汽车加气站类型的确定，在大中型城市中可以设置加气母站保证用气需求，然后分散建设加气子站或者加气常规站来方便加气;县城和中小城镇则可选择加气子站或者加气常规站的经营模式。在天然气加气站中，L-CNG加气站以其占地小、投资省、能耗低、噪音小、充装速度快、不依赖管网等优势而成为一种备受欢迎、具备良好发展前景的加气站类型[2]。鉴于我国海上LNG的引入，LNG有了可靠的气源保障，LNG较CNG具有更好的理化特性，LNG汽车较CNG汽车具有更佳的经济效益与环境效益，因此以后的城镇天然气汽车加气站规划应侧重考虑LNG加气站和L-CNG加气站[7]，以改变现在CNG加气站为主的单一状况，增加LNG在中长途客车和中、重型卡车上的应用，充分发挥LNG汽车的优势。

2.2 天然气汽车加气站数量和规模的确定

2.2.1 天然气汽车用户耗热定额

天然气汽车主要供应对象为公交汽车、出租车和部分社会车辆。各类车辆的耗热定额与汽车车型、车况及行驶里程有关，主要通过实际调查和结合周边城市的情况确定。根据当地交通运输管理部门提供的资料和对当地车辆的实际运营情况的调研样本分析统计，确定各地汽车用户的耗热定额如表4所示。可以看出，各地天然气汽车用户耗热定额差距较大，主要取决于当地的经济发展水平，汽车类别及交通运行情况等多个因素。经表4数据的分析以及《山东省CNG、LNG专项规划》中山东省内各地的实际调研数据，可得出相关经验值，山东省的地级市天然气汽车的耗热定额公交车平均每天消耗天然气约60Nm3，出租车平均每天消耗天然气约30Nm3，社会车辆平均每天耗气量约为3.5m3;县城天然气汽车的耗热定额公交车平均每天消耗天然气约40Nm3，出租车平均每天消耗天然气约20Nm3，社会车辆平均每天耗气量约为3.5m3。

表4 山东省及几个城市天然气汽车耗热定额统计

2.2.2 天然气汽车保有量及气化率预测

天然气汽车的保有量及气化率预测要在现有汽车数量的基础上，结合当地经济和社会的发展情况，参照国家相关标准来确定。一般根据城市人口规模、万人公交车拥有水平、城市公交客运总量、公交车服务水平等指标用拥有率预测法和客流量预测法进行公交车、出租车总体发展规模的预测。根据《城市道路交通规划设计规范》，城市公共汽车和电车的规划拥有量大城市应每800～1000人一辆标准车，中、小城市应每1200～1500人一辆标准车。城市出租汽车规划拥有量大城市每千人不宜少于2辆，小城市每千人不宜少于0.5辆，中等城市可在其间取值。天然气汽车保有量由城市汽车保有量和车辆气化率得出，气化率的确定应在现状基础上稳步增加，根据国内目前天然气汽车改装速度，远期2020年规划气化率都可确定为100%。

根据得出的汽车总的用气负荷和选定的加气站类型进行加气站规模和数量的确定。以东营市加气站规划为例，近期汽车燃气年需求量为1.23亿m3，规划新建加气站24座，其中:加气母站与LNG合建站1座，加气常规站与LNG合建站1座，加气常规站4座，加气子站17座，LNG加气站1座。远期汽车燃气年需求量为1.98亿m3，新建加气站13座，其中:CNG加气母站1座，加气常规站1座，加气子站9座，LNG加气站2座。每座子站设计日供气能力15000m3，每座常规站设计日供气能力20000m3，每座LNG加气站设计日供气能力20000m3。

规划加气站的总体设计供气规模必须满足天然气汽车需求总量并有少许余量，一般以天然气汽车需求总量占加气站总设计规模的90%为宜。另外，规划中要注重协调加气站数量和规模之间的关系，宜设置规模适中，数量较多的加气站以方便汽车加气。对于现状加气站数量已经较多，分布密度较大的城市则应侧重提高各个加气站的供气能力，控制加气站数量的增加，避免同一地区内经营主体之间的恶性竞争。而对于现状尚没有加气站的城市，应按照近远期相结合，并侧重近期的原则来确定，即近期适当增多加气站数量，完成近远期之间的平稳过渡。

2.3 天然气汽车加气站的合理选址布局

2.3.1 初选站址

天然气汽车加气站选址一般要结合燃气输配系统的配置进行布局[8]，天然气汽车加气站的合理选址布局直接影响城市CNG和LNG汽车产业的发展、城市交通网络的流畅、加气站投资的经济性和城市用气系统的安全性[9]。初选站址一般按照统筹规划、均衡布点、建管并举、协调发展的总要求，参照总体均衡分布，沿环线布局，附近有车源优先的原则进行。在符合城市总体规划的前提下，统筹考虑消防、环保、交通等外部环境设置条件与周围建筑物情况，并进行加气站需求性分析和服务半径分析，保证各加气站的服务区域不重复且对城区覆盖完整。另外由于目前加油站的布局网络已经基本形成，加气站选址时可以充分利用现有加油站的布局，建设适当数量的油气合建站。由于城市出租车采用双燃料动力而且自身有流动性大，加气周期短，无固定休息时间和目的地的特点，出租车一般不会为加气而空驶或放弃营运[8]。因此，初步选址时可主要考虑公交车和市政汽车，站址选在主要公交路线的两侧。例如宁阳县城对四座天然气加气站在县城外环附近公交路线的两侧地区进行初步选址，并保证四座加气站在县城东西南北方向的均衡布局。东营市远期共规划37座加气站全部选址在城市交通流量较大的放射线，主干道以及城市外环道的附近，在东西城均衡分布。总之初选站址应结合定性分析和参考实际经验，从形成整体的加气站网络入手，按照规划选址原则分阶段进行最终的方案确定。

2.3.2 对初选站址进行安全性经济性评价

天然气加气站作为城市燃气输配系统的组成部分，属于易燃易爆甲类火灾危险生产场所，直接关系到用户的可靠性和安全性，与居民的生命财产密切相关[10]，因此建站布点首先要考虑的是安全问题。本文采用文献[11]中给出的安全评价方法，以东营市规划加气站为例进行安全性评价。加气站所采用的生产技术、储气方式、与重要单位和建筑的距离、产气规模、距离消防救助单位的距离等因素直接关系到加气站的安全性及其对周围的危害，它们构成了加气站安全评价要素。各要素的权系数如表5所示。

表5 天然气汽车加气站安全因素的权系数

按以上各要素的权系数，对初步选址的各天然气加气站进行安全性评价，以东城区规划的1#加气站为例分析，该站位于东三路以东，采用储气井的储气方式。距最近民用建筑物最短距离为27m，与最近的消防单位相距3.7km。工艺设备计划采用最新型号，其生产工艺安全可靠度定为0.9。将上述数据代入评价模型中，计算得该加气站的安全性评价结果为 A={0.9，0.8，0.7，0.35，0.65}，安全贴近度为0.64，因此确定其安全等级为较安全。分别对东营市其他加气站进行类似评价，评价结果均为安全或基本安全则确定站址。对于安全性评价不合格的站，则需要对初步选址进行调整优化，直至符合安全性评价标准。

加气站的选址对城市交通流量的大小和交通网络空间的分流有较大影响，从而影响整个社会的经济效益。燃气专项规划中对天然气加气站进行经济性评价时，不仅从每个站的投资收益入手，而且从整个加气站网络的角度统一考虑其与城镇建设的符合性。即加气站选址布局力争做到对城市交通的影响最小，使汽车加气的空驶距离最短，缩短加气过程用时，从而避免交通拥堵和长时间排队加气的现象，达到整个社会经济效益的最大化。

3 结论及建议

通过对以上几个城市燃气专项规划中天然气汽车加气站规划进行的分析，结合参与其他燃气专项规划编制的相关经验，笔者总结得出以下相关结论及建议。

(1)天然气汽车加气站规划要建立在对加气站现状进行深入调研分析的基础上，把握好现状存在问题，并针对问题提出合理化建议和解决措施。

(2)城镇天然气汽车加气站类型选择应将大中城市和县城区别对待;汽车加气站的数量应根据各类型天然气汽车耗热定额和汽车保有量、气化率预测得出的天然气汽车用气需求量来确定，保证天然气汽车预测用气量不大于各加气站设计规模总量的90%。并要协调好加气站数量和规模之间的关系，尽可能的采取“规模小，数量多”的原则来保证汽车加气的方便。

(3)天然气加气站根据选址原则和相关规范初步确定站址后，应进行安全性和经济性评价，安全贴近度要大于0.6，否则应在评价结果的基础上进行优化，并逐步扩大统一考虑的范围，由点到线由线成网，最终实现加气站分布的网络化、规模化，形成完善的城镇加气站网络。

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