发展高速公路LNG加气站的相关问题探讨

杭州市城乡建设设计院有限公司 孙佩奇

发展高速公路LNG加气站的相关问题探讨

杭州市城乡建设设计院有限公司 孙佩奇

随着天然气汽车在城市交通领域中的大面积应用推广，其巨大的能源效益、环境效益、社会效益和经济效益迅速凸显。目前，诸多省份正在大力推广高速公路LNG加气站建设。文章针对高速公路LNG加气站特有的行为特征，探讨我国高速公路 LNG加气站发展的可行性及网络化建设的基础问题，寻求其选址布局的一般规律，从而为更广范围内推广高速公路LNG加气站提供一定的借鉴作用。

高速公路 LNG汽车 LNG加气站 可行性 选址布局

0 引言

随着我国经济建设的快速发展，机动车保有量持续快速增长，我国城市空气开始呈现出煤烟和机动车尾气复合污染的特点。各地雾霾日益严重，对PM2.5贡献率超过22%的汽车尾气排放也越发受到各方关注。采用更多清洁能源替代当前的汽柴油等车用燃料，成了当务之急。

自1999年实施“空气净化工程——清洁汽车行动”以来，我国燃气汽车和加气站发展迅速，“十五”期间，国家确定了19个城市(地区)作为燃气汽车应用推广示范城市，“十一五”期间又扩大到22个。近年来，以天然气汽车引领的清洁能源行动正在我国各大中小城市如火如萘的发展，天然气以其高效、清洁、环保和经济的特点，在汽车应用领域的综合效益已经初步显现。

由于受到加气的限制，目前我国天然气汽车的发展对象主要为城市公交车、出租车、教练车和区域物流车等在城市范围内运营的车辆，公路客货车运输比例较低。为了更广泛、更深层次的发展天然气汽车，近年来，诸多省份正在大力推广高速公路LNG加气站的建设，2013年4月，我国首座高速公路LNG加气站——日照服务区LNG加气站正式投产运营。目前，山东、福建、陕西、湖北和江西等省份已陆续出台各自的高速公路LNG加气站规划，标志着我国高速公路LNG加气站建设将进入一个新的里程碑，高速公路LNG绿色物流通道将会逐渐贯通。

1 城市及高速公路LNG加气站的比较

1.1 服务对象的比较

城市LNG汽车加气站服务对象主要以城市公交车和出租车为主体，社会车辆为补充，其服务对象稳定，车型变化不大。而高速公路LNG汽车加气站的服务对象比较复杂，主要以沿线城市的交通运输企业投入的运营车辆为主，以因区域化运行需要及市场驱动而形成的庞大货运车辆及其他社会车辆为补充。

1.2 加气行为的比较

城市公交车辆通常在夜间或轮休时集中前往加气站加气，出租车也通常采用“不载客专程前往加气”。据此可以确定：城市公交车辆加气需求的发生点为其公交线路的始末站点或收班后的停车场，城市出租车则以客流主要集散地(如商贸中心、文化中心、交通枢纽站场、学校和医院等)或出租车停车场为加气需求发生地。从经济角度考虑，汽车驾驶员往往选择就近加气，同等条件下选择规模大的加气站。

高速公路运行的LNG汽车，一般在上高速之前会加满LNG，在续驶里程不能到达目的地加气站的情况下才会考虑在高速公路LNG加气站内加气，由于交通运输的高垄断性，其运行路径较为固定，从加气行为看，高速公路运行的LNG汽车加气规律性较强，加气站点区域基本固定。

2 高速公路发展LNG汽车的可行性

2.1 发展LNG汽车的政策支持

随着最近几年LNG汽车加气市场的蓬勃发展，以及油价不断上涨导致的成本压力，交通运输企业把目光越来越多地投向了LNG 汽车。政府相关部门也陆续推出了针对LNG 汽车的发展规划和优惠政策。

2012年10月，国家发改委印发《天然气发展“十二五”规划》，将发展天然气汽车列入“十二五”期间高效利用天然气的重点项目。同月，环境保护部等三部委印发的《重点区域大气污染防治“十二五”规划》中也提出，鼓励选用节能环保车型，推广使用天然气汽车和新能源汽车，并逐步完善相关基础配套设施。2012年12月1日实施的的《天然气利用政策》(发展改革委令第15号)明确了天然气利用顺序，其中把“天然气汽车(尤其是双燃料及液化天然气汽车)，包括城市公交车、出租车、物流配送车、载客汽车、环卫车和载货汽车等以天然气为燃料的运输车辆”列为城市燃气中优先类用户。

2.2 LNG汽车制造技术成熟

LNG汽车是在20世纪70年代随LNG工业的发展而发展起来的。20世纪90年代，我国开始LNG的研发利用工作。近 10年来，我国整车制造企业加快了LNG整车制造技术的开发和应用。LNG整车制造技术主要包括天然气发动机、LNG车载储存供气系统的研究开发体系和生产制造体系。我国天然气发动机的发展始于20世纪50年代，80年代中、后期，随着天然气汽车的开发及应用的步伐加快，国内大型汽车厂和发动机厂如东风、解放、上柴、潍柴和玉柴不断加大产品开发力度，相继推出了各自的产品，主要产品分为单一天然气燃料汽车和双燃料汽车(天然气/汽油或柴油)。经过几十年的发展，天然气发动机的技术开发和制造水平已经达到了一定的市场应用水平。

LNG车载储存供气系统的主要组成有LNG车载气瓶、气化器、减压调压阀、混合器和控制系统等。在“十五”国家科技攻关计划“清洁汽车关键技术研究开发及示范应用”项目中，国家燃气汽车工程技术研究中心、重庆鼎辉汽车燃气设备有限公司和美国德尔福公司三方合作，于2004年4月完成了与LNG发动机相匹配的车载供气控制系统的研发。四川空分集团与上海交通大学于 2005年 8月联合完成了LNG车载气瓶的研发。目前，国内已有多家企业可以进行LNG车载储存供气系统的技术开发和生产制造。经过多年的发展，市场上的LNG汽车制造技术趋于成熟。通过多年的示范应用，LNG 汽车制造技术的可靠性也得到了进一步的验证。日益成熟的LNG汽车制造技术为我国高速公路发展LNG 汽车提供了可靠的装备支撑。

2.3 发展高速公路LNG汽车的优越性

本文以客运大巴为对象介绍高速公路 LNG汽车的优越性。柴油是客运大巴传统的燃料，而LNG是近年来异军突起的适用于中长途客运大巴的替代能源汽车燃料。LNG作为汽车燃料既满足了客运大巴运输里程的需要，也体现了更好的经济性、环保性、安全性和冷能利用等方面的优越性。

2.3.1 经济性比较

根据从天然气汽车生产厂家了解的情况，某型LNG大巴车的价格约为 4.0 万元/辆，同功率、同车型的柴油大巴车价格约为3.2 万元/辆。现大巴车的平均日行驶里程按800 km计算，0号柴油的零售价格按7.06元/L计算，LNG的价格各地有一定差异，暂按柴油价格的75%计算，即5.295元/m3。本文中，大巴车每100 km消耗天然气按30 m3计算，每100 km消耗柴油按32 L计算，则LNG大巴车每日燃料费用为1270.8元，柴油大巴车每日燃料费用为1 807.36元，LNG车比柴油车每年可节约燃料费约18.8万元(按年运行350天计)，购买LNG大巴车与柴油大巴车的差价回收期约0.5年。另外，由于LNG具有较好的冷启动性、燃烧性和抗爆性，气缸和燃烧室的积碳和磨损变小，减轻了对零部件的损坏，供油系统的寿命可增加1.5~2倍，火花塞的寿命可增加40%，发动机的维修费用可节约至少50%，LNG大巴车的单位里程维修及折旧费用比柴油大巴车约便宜0.1元/km。从上述分析可以看出，LNG大巴车较柴油车具有较好的经济性，而且大巴车的日运营里程越长，节省燃料成本的效果越明显。

2.3.2 环保性比较

使用柴油作为汽车燃料时，柴油燃烧产生的汽车尾气含有大量的一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)等有害气体及微小颗粒物(PM10、PM2.5)。据统计，汽车尾气所造成的污染占城市大气污染的50%~60%，被公认为全球性的公害之一。使用LNG作为汽车燃料时，与国3柴油车产生的尾气相比，其尾气中的非甲烷总烃(NMHC)下降90%，CO下降80%，NOx下降30%~60%，PM10、PM2.5下降99.9%，基本不含铅、硫化物以及苯类等有害物质，不存在形成光化学污染的危险，但是LNG作为汽车燃料时，与国3柴油车产生的尾气相比，其尾气中的甲烷含量上升了 10倍，由此导致总碳氢化合物(THC)排放增加了81%。

综上所述，虽然LNG作为汽车燃料时排放的甲烷会促使地球温室效应的加强，但地球向大气中放出大量的甲烷主要是各种动植物腐败造成的，相比之下，LNG作为汽车燃料时，由于安全放散或尾气排放产生的甲烷则是微乎其微的。而且，相比柴油，LNG作为汽车燃料对汽车尾气污染的改善是显著的。另外，LNG组成稳定，不含硫化物和灰尘等杂质，可提供稳定、可控制的空燃比，有效确保发动机平稳运转。气缸与燃烧室内不易发生积碳、金属腐蚀现象，降低了发动机噪声，减少了噪声污染。因此，在节能减排、减少噪声污染等方面，LNG相比柴油具有一定的优势。

2.3.3 安全性比较

与柴油相比，LNG的安全性主要体现在相对密度、爆炸极限和自燃温度等方面。

(1)天然气的气体密度比空气小，柴油密度比空气大。发生泄漏时，天然气会很快地在空气中散发，不会积聚。因此，与柴油相比，即使发生泄漏，天然气更不容易形成爆炸气体。

(2)天然气的爆炸下限比柴油高，因此与柴油相比，天然气泄漏后不易爆炸。

(3)天然气的自燃温度高于柴油的自燃温度，高出约 390 ℃。因此，与柴油相比，即使发生泄漏，天然气更不容易自燃。

在美国天然气汽车发生的1 300多起碰撞事故中，天然气系统均未引起过爆炸或着火，说明LNG汽车比柴油汽车更安全。

(4)与柴油相比，LNG作为汽车燃料还具有免费供冷的优势。LNG在气化过程中会释放出大量的冷能，其制冷量约为860~883 kJ/kg。通过计算，普通LNG汽车的回收冷能约有2.0 kW，大型LNG汽车的回收冷能可达到3.0 kW以上。若将该部分冷能回收，用于汽车空调，不仅有效利用了能源，而且减少了压缩机制冷造成的大量动力消耗和制冷剂泄漏造成的臭氧层破坏，节省了汽车燃料，降低了汽车运行成本，进一步提高了LNG的经济性和环保性。

3 发展高速公路LNG加气站的可行性

高速公路LNG汽车的全面推广主要受技术水平、基础设施和市场运作的制约。基础设施尤其是汽车加气站的建设和发展，对天然气汽车区域化运行起着决定性的作用，我国发展高速公路 LNG加气站的可行性主要体现在如下几个方面：

3.1 具有较好的市场基础

我国公路网络发达，交通运输业发展迅速，汽车保有量数字庞大，具有较好的市场基础。

3.2 LNG加气站建设水平

LNG加气站的主要设备有LNG储罐、LNG低温泵、LNG加气机、控制和安全装置等。LNG储罐是一种双层真空绝热容器，用于储存LNG。LNG低温泵为潜液泵，用于将罐内LNG向车载气瓶加注。加气机用于计量加到车载气瓶内的LNG。控制和安全装置主要是用于控制加气站操作的各个过程和系统的安全检测、泄放。

目前，LNG加气站技术在国内外都已十分成熟。LNG加气站的主要设备如低温常压储罐、饱和压力调节器、低温泵和卸车增压器等，国内生产厂家已掌握了相关核心技术，可批量生产。站内主要设备和材料可实现100%国产化。国内第一座LNG汽车加气站于2002年建成投产。近年来，新疆、贵州、广东、福建和内蒙古等地建设了大量的LNG加气站，并已成功运行了多年。

3.3 高速公路LNG加气站的建设条件

LNG加气站的网络化布点是LNG加气市场快速发展的重中之重。如果LNG加气站能够像加油站一样，布点形成网络，LNG汽车市场必然会蓬勃发展。

我国高速公路发展LNG加气站可结合高速公路沿线的服务区进行布点建设。目前，各服务区内均已建设了加油站。经过笔者的调研，我国大部分的高速公路服务区占地面积均较大，在服务区已建设施不变的情况下基本都能提供LNG加气站的建设用地。因此，高速公路LNG加气站的网络化布点是没有问题的，完全能够满足LNG汽车像汽/柴油汽车一样方便地加气。

3.4 建设LNG加气站的经济性分析

以1座加气量(折算成标准状态)为3.0×104m3/d的高速公路LNG加气站为例，考虑其与已有加油站合建，根据《汽车加油加气站设计与施工规范》(GB 50156—2012)建成二级加油加气合建站，其中LNG加气站建设内容主要包括：1台60 m3的LNG储罐、1台LNG低温泵、1台卸车增压器、1台调饱和增压器、1台EAG加热器、4台LNG加气机及相应的配套设施。经测算LNG加气站的建设投资约为800万元。经济分析时，LNG的到站价格按全年均价4.2元/m3计算，售气价格按5.30元/m3计算。经测算，项目税后财务内部收益率为11.92%，投资回收期为8.05年，具有较好的经济效益。

4 高速公路LNG加气站的选址布局

4.1 LNG加气站选址需求分析

衡量LNG汽车加气站需求的主要指标是该线路LNG汽车的交通量与服务半径两个要素。

4.1.1 交通流量分析

由于高速公路实施全封闭管理，加上其设计时已经考虑了相当的冗余度，所以在高速公路 LNG加气站的选址布点时一般不需考虑布点后交通流量的影响。对高速公路LNG汽车交通量的统计，应以城际之间所有入口单向进入该线路且通过单侧布点加气站的LNG汽车数量为准，考察的目的是为了计算该条高速公路LNG的供气需求及加气站数量。根据国家有关标准规定，交通流量应按照一定的系数统一折算成货车流量。在统计时应将车型及车载气瓶水容积考虑在内。即以交通量为核心的数据最终反映为折合车辆数量和LNG的总需求量。值得注意的是，对分析加气站需求而进行的交通流量统计，不仅要对全路段进行调查，更要分不同路段进行调查，因为前者反映的是总量需求，后者反映的是局部需求。

4.1.2 服务半径分析

LNG汽车加气站服务半径应结合高速公路沿线的交通密度确定。同等规模的加气站，交通密度越小，服务半径越大，其极限值为LNG汽车的续驶里程。以目前国内在公路客运领域运行的 LNG客车来说，行驶里程大约能达到300~600 km。如今通过配备多个储气罐的LNG车，续航里程已可以达到800 km，但储气罐太多会影响载荷分配，也影响车辆的稳定性，对于从事长途线路的客运企业而言，有可能增加车辆行驶过程中的不安全因素。

《高速公路交通工程及沿线设施设计通用规范》(JTG D80—2006)6.2.2中规定“服务区的平均间距不宜大于50 km，最大间距不宜大于60 km”。参照国内已经建成服务区情况，通常采用标准为50~100 km。

如何合理确定高速公路LNG汽车加气站的服务半径，国内没有相关办法和标准。结合上述分析，根据我国高速公路现状及调研的国内公路运输企业的意见，笔者建议高速公路LNG汽车加气站按每150~200 km设置1对为宜，即每2~3个服务区设置1对LNG加气站。

4.2 LNG加气站选址布局

(1)根据对高速公路不同路段加气需求分析得出的结果，反映的是总体和局部的布局需求，但是具体到LNG加气站选址定点时还须考虑其实施条件的可能性，应结合高速公路服务区用地及现有加油站布点，以网点总体布局规划为宏观控制依据，经过对布局网点及其周围地区规划选址方案的比较，确定网点设置用地。

(2)在高速公路LNG加气站选址布局时，还应结合城市LNG加气站布局统筹考虑，如在高速公路入口处是否设置有 LNG加气站，对高速公路LNG加气站的布点也有重要影响，在这种情况下应将高速公路入口处的 LNG加气站考虑在总体布局内。

(3)站址选择应符合高速公路服务区规划，满足消防安全、交通安全和环境保护的要求，对于已建成的高速公路应在站点合理的布局范围内尽量选择场地较大、间距易于控制的服务区，对于新建的高速公路要求加气站布点与高速公路规划同步进行，布点有 LNG加气站的服务区应合理规划总平面布置，LNG加气站与服务区应同步设计、同时投入使用。

(4)高速公路LNG加气站的设计、施工应符合《汽车加油加气站设计与施工规范》(GB 50156— 2012)及《建筑设计防火规范》(GB 50016—2006)等相关规范的要求，保证站内设施及站内、外建筑物之间安全距离。其次，高速公路LNG加气站应考虑出现短时集中加气现象，对站内、站前交通应进行合理规划，保证进、出站内的车辆视野开阔，交通顺畅，方便操作人员对加气车辆进行管理，有利于应急情况下的车辆和人员疏散。

5 结语

节能减排是当今世界发展的主题，我国也已经将节能减排列为国家“十二五”发展规划的战略目标之一。随着天然气汽车综合效益的凸显，必将会在更大范围内全面推广天然气汽车，而高速公路LNG加气站建设是天然气汽车全面推广应用的必然，我国高速公路 LNG加气站的投资建设将进一步加快。本文针对高速公路 LNG加气站特有的行为特征，探讨了我国高速公路 LNG加气站发展的可行性及选址布局的一般要求，可以为各省推广高速公路LNG加气站时提供一定的借鉴作用。

Discussion on Issues Related to the Development of Highway LNG filling station

Hangzhou Urban & Rural Construction Design Institute Co., Ltd. Sun Peiqi

With the large-scale applications of natural gas vehicles in urban traffic areas, its huge energy efficiency, environmental benefits, social and economic benefits are prominent. Currently, many provinces are promoting Highway LNG filling station construction. This paper discusses the feasibility and the basic problems of its network construction，seeking the general rules of layout and position，which can be as a reference for wider range popularization.

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