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洪讵:推出立置大容量高压运气车的建议

 rainman8deysmd 2020-01-21

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推出立置大容量高压运气车的建议

农工民主党北京CNGV课题组洪讵

20200113

一、概述

天然气汽车分为两大类,压缩天然气汽车CNGV和液化天然气汽车LNGV,其中数量的95%都是压缩天然气汽车CNGV。这是因为:液化天然气汽车虽有很多优点,(燃气储存量大、续驶里程长、充液速度快、等)但因存放时有散放气BOG的危害,只能用于大型、长途运营的车辆。在短途、中、小型车辆中,使用受到严格的限制:法规规定:发动机排量小于2升、储液瓶(杜瓦瓶)容量小于100升的车辆、以及停放在封闭车库内的车辆、都禁止储存和使用LNG。因此,绝大多数天然气汽车只能用CNG作燃料。

然而,目前的压缩天然气汽车CNGV、又因其储存气体,能量密度较低,一次充气的续驶里程短,不能适应发展的需求。在行业有关企业和人员的热心推动下,我国CNGV产业即将步入以提高储存压力为核心的升级阶段,将从目前的20Mpa、提升到30-35Mpa,以提高其续驶里程和运营效率。

CNGV的燃气供应方式有两种:一种是管道天然气经母站脱硫、脱水,经压缩机加压,成为20Mpa的车用天然气CNG;另一种是液化天然气LNG经汽化站的蒸发器汽化、经液压泵加压、成为20Mpa的车用天然气CNG;但都需运气车将CNG高压气从母站运送到周围的子站、给CNGV车辆充气。

CNG运气车是装载着高压气瓶、在母站和子站之间的道路上运送高压天然气的运输车辆。通过CNG母站的压缩机、(或LNG汽化站的液压泵)把天然气加压到20Mpa,充装到运气车的气瓶中,运送到周围的子站;通过子站的压缩机、再把CNG压力提高到25Mpa,充装到子站内的高、中、低三组储气瓶内,随时可给CNGV的车用气瓶充气(至20Mpa)。当运气车气瓶内的压力降至3-5Mpa时,运气车须折返回母站、重新充气。

运气车上设有钢结构橇体。固定着若干只卧置的长管气瓶、或立置的集束式气瓶组,内装高压压缩天然气CNG,在我国的标准中、运气车气瓶应按车载气瓶管理,(但又不完全等同于车用燃气瓶)压力限值也是20Mpa;在ISO标准中、运气车气瓶则按站用气瓶管理,压力限值为25Mpa。适用为ISO11119-2012。

早期的运气车都装载着小型立置、集束式的Ⅰ型钢质气瓶,单只气瓶容积约为160升,但自重较大,(约200公斤)一辆三轴半挂车只能装运约100只160升的Ⅰ型钢瓶,自重就达20吨,只能运载16标方、约2856公斤的CNG。气瓶数量多、阀门接头多,燃气容易泄露,运输效率低下,是这种运气车的主要缺点。

上世纪末,美国CPI公司开发出了一种25Mpa的大型钢制高压气瓶——22英寸、Ⅰ型长管钢质气瓶。采用大尺寸、低合金钢(4100X)无缝钢管,经两端热旋压、机加工、热处理和内外表面清理、防腐和涂装等工序制成。其尺寸为:Φ559×11000×17.5(外径、长度、气瓶壁厚),水容积为2250升,(每只长管气瓶相当于约十几只小型钢瓶的容量)单只长管气瓶自重约为2845公斤,每车最多可装运9只Ⅰ型长管气瓶,运载量为20.25m³。克服了当时立置、集束式小钢瓶组运气车的缺点。该气瓶很快就被业界采用,成为目前绝大多数运气车的典型结构——Ⅰ型长管钢质气瓶运气车。其结构如下图所示:

图1  22英寸25MpaⅠ型钢质长管钢瓶运气车

Ⅰ型22英寸的高压长管钢瓶在我国很快就实现了国产化。安瑞科、新兴、金盾、鲁西化工等多家气瓶制造公司均能批量生产。产品业已行销国内外,(内销20Mpa,出口25Mpa)成为世界上长管钢瓶的主要生产和供应地。新兴公司在2014年又研制成功一种28英寸的钢质长管高压气瓶,(其尺寸为711*11000*21、承压20Mpa或25Mpa、单瓶水容积为3.7m³、单瓶自重为4410公斤)一辆运气车可装载6只711的长管瓶,运载量可达22.2m³,多于22英寸长管气瓶运气车。(20.25m³)

近几年,为了增加运气车的CNG运载量,许多企业开发了轻量化的长管气瓶:安瑞科公司开发出了25Mpa玻璃纤维环向缠绕的22英寸Ⅱ型长管气瓶;中材科技公司开发出了25Mpa碳纤维环向缠绕的22英寸Ⅱ型长管气瓶;一辆三轴半挂运气车上可装载12只轻量化的气瓶,(多装了3只、运载量增加了7m³)单车CNG的运载量达到27m³。

环缠结构的Ⅱ型长管气瓶虽能减轻内胆自重和气瓶总重,也提高了使用的安全性。(即使内胆破损,也因有缠绕层的缓冲、不会发生突然爆裂的危险)但是,长管气瓶的长细比太大(>20:1),充气后容易出现腰鼓状变形,(中间变形大、两端变形小)致使气瓶的轻量化效果不显著。

美国林肯公司于2010年开发出一种特大容量的Ⅳ型长管气瓶,内胆为高压聚乙烯,全部表面都缠绕碳纤维,承压为25Mpa。气瓶直径达到1100毫米,单瓶水容积达8.5m³,自重极轻,(二轴半挂运气车即可装载着4只气瓶)总运载量达到了36m³,为目前世界上运载量最大的CNG运气车。其结构见图2、图3。

图2 美国林肯公司开发的25Mpa大容量Ⅳ型气瓶运气车

 

                        图3  4只大容量25MpaⅣ型气瓶运气车的管路示意

在钢质气瓶向大型化发展的同时,中、小型气瓶的设计、制造技术也取得了很大进步。20Mpa、>200L的车用Ⅱ型气瓶已经普及,其重量只有钢质气瓶的2/3,取代了部分钢瓶,已广泛应用于CNGV;

25Mpa的Ⅱ型站用气瓶及Ⅲ、Ⅳ型的站用气瓶也已问世,(见站用气瓶标准ISO11119-1-2002)为中、小型轻量化气瓶直接用于高压运气车、创造了条件。

Ⅱ型气瓶是在金属内胆的圆柱表面、环向缠绕着纤维层的气瓶,(能对气瓶内胆施加环向的预应力)工艺比较简单。可以适量减小金属内胆的壁厚和自重。但是,为确保使用安全,按照ISO标准要求,其内胆还必须进行单独水压爆破试验。内胆需有足够的厚度,否则也将不能通过爆破试验。因此,玻璃纤维环向缠绕结构Ⅱ型钢瓶的自重虽然低于Ⅰ型钢瓶,但仍有限度。还不能满足气瓶进一步轻量化要求。

Ⅲ型气瓶是在金属内胆的全部外表面、都缠绕着纤维,能对金属内胆的环向和轴向都施加足够的预应力。工艺比较复杂,成本有所提高。但是,这种气瓶的内胆无需单独进行试验,因而能进一步降低内胆壁厚、减轻气瓶的自重;Ⅲ型气瓶在>25Mpa条件下、提供了实现轻量化的可行性。典型结构就是氢燃料电池汽车HFCV采用的35Mpa或70Mpa碳纤维全缠Ⅲ型铝质气瓶。

下面介绍2011年采用130只、225升、立置玻璃纤维Ⅱ型钢瓶、用于25Mpa运气车的实例:

泰国三友公司SMM和中国中材公司SINOMA于2009年联合研发了在当时条件下水容积最大、自重最轻的Ⅱ型运气车气瓶。(25MPa、225升的复合气瓶) 2011年在泰国石油公司TPL项目里中标,正式生产了66辆运气车,(130只25Mpa、225L玻璃纤维环缠、立置Ⅱ型气瓶,运载量达29.25m³,气瓶单价仅5000元/只)到目前为止,这66辆运气车已经安全、顺利地运行7年,承受了市场应用的实践考核。见图4,图5、图6是橇体照片。

 

图4轻量化、集束式小瓶组运气车

图5 立置、Ⅱ型气瓶组运汽车

图6  装好气瓶的撬体上部照片

从运气车气瓶的沿革过程可知:由钢质气瓶小瓶组发展成为Ⅰ型或Ⅱ型长管钢瓶、是运气车的一条技术进步路线:是以减少气瓶数量、简化管路、减少接口数量为目标,提高了运气车的运气量和运营效率;

从钢质小瓶组发展成轻量化的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型小瓶组,则是运气车的另一条技术进步路线;它以增加CNG的总运载量为目标、和长管气瓶运气车竞争,同样也有很大的社会效益和经济效益。

二、运气车是道路行驶的危险品运输车,应提高安全性和运气量

母站与子站间高压天然气的运送,采用大型机动车牵引着三轴半挂车的方式:由大功率柴油车拖拽着半挂车、在道路上通行;在子站或母站卸气或充气时,牵引车应和半挂车分离,停在站外;;在道路上行驶时,牵引车和半挂车之间有铰链连接、拖拽运行。应严格遵守有关的交通规则:不能超限,更不能超载。

半挂车是气瓶橇体的盛装空间,其长、宽、高的最大尺寸为:13m、2.5m和4.0m。气瓶在这个空间内排布时、应力求布满货箱的整个空间,争取装运的气瓶数量最多,但又不能超限; 

又据法规限定,牵引车加三轴半挂车的最大载质量为49吨。其中:牵引机车自重约9吨;半挂车底盘自重约7.5吨;剩余的32.5吨就是气瓶、气瓶橇体或集装箱、各种阀门管道附件、及运载的CNG重量的总和。分解到气瓶的总重量应控制在22吨以内。

一辆三轴半挂运输车最多只能码放22英寸25MpaⅠ型长管钢瓶3层9只,(4+4+1,再多装就超重)能运载的CNG水容积仅为9*2250=20.25m³,气瓶压力为25MPa时,CNG满载运载量为20.25*250=5062标方,约为20.25*215=4354公斤。(我国现行法规规定气瓶压力限值为20MPa,也是运载9只气瓶,运载量为20.25*200=4050标方,约为20.25*178.5=3615公斤)而全车钢瓶的自重已达9*2845=25605公斤。运输效率极低!

目前,轻量化Ⅱ型长管气瓶的最高压力为25Mpa, 不超载时、运气车能码放3层12只, 最大运载量为2.25*12=27m³,折合运载CNG体积为27*250=6750标方,盛装CNG的重量为5805公斤。

由于立置、集束式气瓶组可以密集排布在半挂车的空间内,要比长管气瓶运气车的总运输量大。例如泰国三友公司的运气车可装载130只25Mpa、225升气瓶,运载量为130*225=29.25m³、折合7312标方,运载重量6289公斤。比Ⅰ型长管气瓶运气车增运了7312-5062=2250标方,提高效率44.45%。

相对长管气瓶运气车而言,立置、集束式气瓶运气车的气瓶、阀门数量很多,管路复杂,橇体结构也比较庞大,一定会增加成本,但因单车的运气量增加了很多,仍是一种提高效益好办法。

高压气瓶在车辆上的安装牢固度和可靠性至关重要。这会影响到车辆的安全性和维修的方便性。应充分考虑到车辆的颠簸和震动,还应考虑惯性力的影响。应严格遵守汽车相关标准中对高压气瓶安装和紧固要求的规定。绝对避免车辆在行驶中出现橇体坏损和燃气泄漏的情况。还要尽量简化橇体的结构和气瓶的安装方案,以减轻橇体的自重。

气瓶橇体的作用是固定气瓶和管路零件。自身重量要轻,又能牢固地、方便地安装气瓶,还能可靠地固定在半挂车的底盘上。一个单元橇体的结构如图7所示。

         图7 气瓶橇体及气瓶固定结构

将气瓶的单元橇体设计成一个立体桁架,下部Ω形横梁用以固定气瓶的下瓶口,支撑气瓶重量;橇体上部和侧面则只要维持一定的刚度即可,尽量减轻其自重。

采用对合式瓦盖结构、加紧气瓶两端的瓶嘴,固定在橇体的上、下横梁上。瓦盖和瓶口之间隔着一个开口的弹性橡胶圈,气瓶底部还增加了一个盆形橡胶垫,形成缓冲。如图8、图9所示。

图8 气瓶上部的紧固

图9气瓶下部的紧固和弹性支撑

气瓶之间的管路连接非常重要。我们推荐采用球头和锥孔的结构,如图10所示。该结构对零件之间的装配同心度要求不高,些微的漏气可用拧紧螺纹的方法去消除,可靠而且耐用。

图10球头、锥孔的密封结构

泰国石油公司2011年采购的66辆立置集束式气瓶运气车、已经正常运转了七年多。实践证明,这种密封结构优于传统的卡套管,只要有专人负责管路的检查、保养和维护,做到行前、行后检查,及时拧紧螺纹,就不会发生在运行中的接头泄漏情况。

三、提高储存压力和减轻自重,是运气车气瓶的发展方向

1、 改造加气站的装备,(改造母站压缩机或汽化站蒸发器)

提高输出压力

我国正在运行的母站、一般都采用若干台压力为22Mpa的大功率机械压缩机,这些设备都可以沿用。只要把压缩机的出口压力提高至32Mpa(或37Mpa)、就能给30Mpa(或35Mpa)的高压运气车气瓶充气。最简单的办法就是是在现用压缩机的后端、加设一套液压活塞式增压装置,并在两台设备间增加缓冲气瓶,就能实现就地、局部改造。试点的经验证明,每台母站压缩机的改造费用约为85万元,装机容量增加60-80千瓦,耗电量增加10-20%,就可改造成给高压运气车充气的高压加气母站。

如果母站是LNG汽化站,要提高其出口的压力,(从22Mpa提高到37Mpa)有两种办法:第一种,原有汽化站的蒸发器不变、(先制备出20Mpa的CNG)加设一套液压活塞式增压装置、把压力提高到37Mpa;第二种,也可以更换成高压蒸发器,(耐压能力提高至37Mpa)并提高LNG潜液泵的输出压力至37Mpa,就可以达到增压的效果;

总之,提高母站的输出压力、是提高运气车气瓶压力的先决条件和基础,应尽量通过简单的办法,就地实现改造。如果是新建的高压加气母站,则可以在前端配备一台中压力(10-15Mpa)的机械压缩机、后置一台小功率的液压活塞增压装置,组成联合机组,可以节省投资和占地。

2、 适当提高气瓶的储存压力,不应追求过高的指标

   我们主张把天然气气瓶的最大储存压力限值、从目前的20Mpa增加到并控制在30-35Mpa,但没有必要再提高。

提高压力虽能增加气体储气量,但需充分考虑:管道气在压缩及充装过程中会发热耗能,压力愈大、耗能愈多;而且,气瓶内可充装的储气量、会随压力值的提高、并不按比例地增多;30Mpa已经出现拐点,进一步提高的储存效率就降低了。

3、 推出高压力、轻量化、大容量、低成本的高压气瓶运气车

运气车运气量取决于气瓶类型及气瓶的压力、容积和自重:1)首先选择运气车的气瓶类型。我们主张采用立置的集束式高压气瓶组、取代卧置的长管气瓶组。

因为立置、集束式、轻量化气瓶组排布比较密集,容易填满运气车的整个空间,能从多方面实现最大的运载量;

立置气瓶和长管气瓶相比,由于几何形状的优势,单位容积的自重小,容重比更大。这是立置气瓶的另一个重要优点。

2)从结构和材料中选出性价比最好的气瓶:

首先强调,气瓶高压化和轻量化,都与气瓶结构和材料有关。

天然气汽车发展的实践已经证明:20-25Mpa条件下、适宜采用Ⅰ型结构的整体钢质气瓶和Ⅱ型结构的玻璃纤维环缠钢质气瓶。尤其是玻璃纤维Ⅱ型钢瓶,既安全、廉价,又轻量、优质。在全世界天然气汽车的发展中,起到了至关重要的作用。按气瓶自重排序,整体结构的Ⅰ型钢瓶最重;玻璃纤维环缠的Ⅱ型钢瓶次之;碳纤维全缠的Ⅲ型钢瓶较轻;Ⅲ型铝瓶更轻;Ⅳ型气瓶最轻。

由于玻璃纤维材料本身强度较低,在25Mpa条件下、强度裕量已经用尽,(玻璃纤维高压气瓶在使用了一段时间后,会出现预应力衰减,甚至使出现内胆永久性变形)进一步提高其耐压能力、就强为其难了。国际标委会为此加严了>25Mpa条件下、ISO11119-2012玻璃纤维缠绕气瓶的耐疲劳试验指标,提高了设计应力系数,实际上不推荐其应用于≥30Mpa高压场合。

碳纤维是目前世界上强度最高、自重最轻的缠绕材料。碳纤维Ⅲ型铝瓶已成功应用于氢燃料电池汽车的70Mpa高压气瓶,耐压又高,自重又轻,但价格较贵;在天然气汽车压力升级过程中、随着国产碳纤维的大批量采用,必将会成为30-35Mpa高压气瓶的主流缠绕材料。

我们推荐采用碳纤维Ⅲ型钢瓶作为30-35Mpa CNGV气瓶的主流品种,是因为它既能满足高压力和轻量化的要求,又具备低成本和易制作的优势:它比碳纤维Ⅲ型铝瓶成本低;比Ⅳ型非金属气瓶质量稳定;比玻璃纤维Ⅱ、Ⅲ型钢瓶承压高、寿命长、自重轻;比Ⅰ型钢瓶安全;确是一种性价比非常好的产品。

35Mpa碳纤维Ⅲ型钢瓶和20Mpa玻璃纤维Ⅱ型钢瓶相比,优势十分突出:自重可减轻约30%;CNG充装量可增加46%;而价格仅只增加了一倍稍多;

3)选择最佳的外形尺寸和最合理的排布方案

根据交通法规,半挂车的长、宽、高,均不得超过以下尺寸:13000mm*2500mm*4000mm。其中,货箱高度尺寸限制着立置气瓶的长度,货箱宽度尺寸限制着立置气瓶横向码放的数量;

立置气瓶的高度应接近货箱的高度,顶天立地,(留够布置管线、阀门和接头的操作空间即可)以确保气瓶的内容积最大;可选在2100-2200mm之间;

立置气瓶的外径、应确保在运气车上能密集地码放在橇体内,占满货箱的宽度和大部分的长度仅留出适当的空隙即可:气瓶组需分为若干集束单元组,每个单元总容积不超过3m³;每个集束单元设有独立的操控装置,可控制每只气瓶的接通和关闭; 货箱后端布置着运气车的整车操控系统和快装接头,能与母站或子站的管路连接,能控制运气车在加气站的充气或卸气作业;

货箱宽度为2500mm,应码放整数个数的气瓶,(五只或四只)气瓶之间要留出30-50mm空隙。据此可以选出气瓶的尺寸:先根据气瓶数量和留出的瓶间间隙,估算出气瓶的外径;再选择内胆壁厚;计算内胆可能的最大容积(圆柱筒+上、下两半球);还可算出内胆自重;确定碳纤维缠绕层的层厚、自重或体积;

四、不同压力条件下的天然气盛装密度

1)天然气压力与密度曲线图

根据天然气的有关手册、可以查出常温下天然气压力与密度之间的曲线图(见图10):由于压缩系数的影响,气瓶压力小于25Mpa时,压力和天然气的密度基本呈线性关系。气瓶压力超过25MPa后,天然气的密度会随着压力的升高有所减少,不呈直线态,这将直接影响到气瓶内的天然气盛装量。

图10 天然气压力与密度曲线图

根据曲线图,可查出常温下5Mpa、20Mpa、30MPa和35MPa压力的天然气密度。容积260L时、算出盛装的天然气质量如下表:

表1 不同压力条件下260升气瓶的CNG盛装量

工作压力/Mpa

5

20

25

30

35

密度kg/m³

40

178.5

215

237.31

257.27

盛装重量kg

10.4

46

55.9

61.7

66.9

2)不同压力条件下、260L气瓶的有关参数比较

图11是260升、20Mpa碳纤维Ⅲ型车用钢瓶的主视图:根据某企业正在使用的260升、20Mpa碳纤维三型车用气瓶和即将开发的260升25Mpa、30Mpa、35Mpa三种压力规范下、几种碳纤维Ⅲ型钢瓶数据,(气瓶材质为30CrMo、内胆壁厚为 3.5mm)制订了表2如下: 

图11 260升、20Mpa碳纤维Ⅲ型钢瓶的主视图

表2  不同压力条件下三种260升碳纤维Ⅲ型钢瓶参数表

工作压力Mpa

20

25

30

35

内胆内径mm

412

412

412

412

气瓶外径mm

<440

<440

<440

<440

气瓶长度mm

2155

2155

2155

2155

气瓶容积L

260

260

266.2

266.5

内胆重量kg

83.5

83.5

83.5

83.5

碳纤维重量kg

15

19

23.5

28

气瓶重量kg(注)

120

130

136

140

CNG密度kg/m³

178.5

215

237.31

257.27

CNG重量kg

46

55.9

61.7

66.9

(注):气瓶重量为车用气瓶的计算重量。

考虑到压力超过25Mpa以后、天然气的压缩系数变化已经完全偏离直线,造成压力升高后成本激增而盛装量增加有限。建议在做出全面经济分析基础上、再决定采用25Mpa或30Mpa。

五、立置集束式大容量高压气瓶运气车的技术经济优势简析

近年来,我国大型压缩天然气载货汽车CNGV、已在一些地区采用260L、20Mpa、碳纤维全缠结构的Ⅲ型钢瓶。因为这种气瓶虽然价格比玻璃纤维Ⅱ型钢瓶要增加一倍,(260L、20Mpa碳纤维Ⅲ型钢瓶单价约为8000-8400元/只,200L、20Mpa玻璃纤维Ⅱ型钢瓶单价为4000元/只)但260L碳纤维Ⅲ型钢瓶自重仅为120公斤,而200L玻璃纤维Ⅱ型钢瓶自重却达160公斤。明显的减重效果已为市场所关注。有些汽车厂已经把260L、20Mpa的碳纤维Ⅲ型钢瓶作为标准配置、配备在大型CNGV载货车中。

从这个实例中、我们可以得到重要的启发:既然在20Mpa条件下卡车燃料气瓶可采用碳纤维Ⅲ型结构,且已被市场所认可;压力升到35Mpa时、卡车燃料瓶和运气车的运载瓶就更有理由采用碳纤维钢瓶了。正是在这种思维启发下,我们作出了对运气车气瓶的初步分析和论断,找到了一条比较符合实际的技术路线:——采用碳纤维Ⅲ型钢瓶作35Mpa条件下的燃料瓶或储气瓶。

1、目前我国正在运营的CNG运气车,都是压力为20Mpa的Ⅰ型长管钢瓶运气车,约有一万余辆。单瓶容积为2.25m³,每车可装载9只气瓶,单车运载CNG容积为20.25m³,密度按178.5kg/m³计,每车可运载的CNG重量为3615公斤。而每辆车的钢瓶自重已达9*2845=25605公斤,运气效率是很低的;

目前也有少数运气车采用了玻璃纤维Ⅱ型长管气瓶,可装载12只气瓶,单车运载CNG容积为2.25*12=27m³,密度178.5 kg/m³,运载重量为4820公斤,运量虽有所提高。但因气瓶价格增加、使用中还有一些问题需待解决,因而没有得到推广;

国外运气车遵循的是ISO标准、压力限值为25Mpa,高于我国的压力20Mpa。目前已采用中国制造的Ⅰ型长管钢瓶,每车可运载9只外径559mm的Ⅰ型钢质长管气瓶,装载容积20.25m³,密度215 kg/m³,运载重量为20.25*215=4354kg;

也有采用12只碳纤维Ⅱ型长管钢瓶运气车(苏州中材公司制造)、或玻璃纤维Ⅱ型长管钢瓶运气车(安瑞科公司制造),装载容积27m³,运载重量为27*215=5805kg;

从上述比较可知:如能采用260L、35Mpa、立置、集束式气瓶运气车,不但可以比Ⅰ型长管气瓶运气车增加运载容积;还可以提高车载气瓶的压力;CNG的运载容积可以从20.25m³达到260*130=33.8m³,单车的CNG运载重量可以从3615kg提高到33.8*257.27=8696公斤。

即使和泰国正在运营的66辆25Mpa、130只的立置、集束式、玻璃纤维Ⅱ型缠绕钢瓶运气车相比,也具有不少优势:

130只、35Mpa碳纤维Ⅲ型钢瓶运气车装载容积为(33.8m³、装载重量为8696kg;

130只225升气瓶,玻璃纤维Ⅱ型钢瓶运气车装载容积则为29.25m³,运载重量为29.25*215=6289kg;

2、高压运气车不但能节省CNG运力,还能为子站提供35Mpa的CNG高压CNG气源,节省了子站的压缩机能耗:

即使在目前车用气瓶压力20Mpa没有提高的情况下,先行提高运气车的压力,也会有明显的经济效益:因为运气车气瓶的压力提高到35Mpa后,子站的压缩机就可以暂时不启动。依靠着运气车气瓶的高压力、直接充满车用气瓶。直到运气车气瓶的压力低于20Mpa时,才必须启动子站的压缩机。从表1的数据可知:运气车气瓶压力从35Mpa降至20Mpa时、每只260L的气瓶可释放出20.9公斤CNG,无需压缩机供能、便能直接给车用气瓶充装;而运气车气瓶压力从20Mpa再降至5Mpa时、就必须有子站压缩机增压,才能再将剩余的35.6公斤CNG用于充装车用气瓶。运气车气瓶中约有20.9/(20.9+35.6)=37%的CNG、无需动力、就可以充装到车用气瓶中,为子站节约了大量的电能。

3、运气车载运CNG的260升高压气瓶、和大型CNGV载货汽车储存燃气的260升高压气瓶、基本属于同一类型,可以应用相同的试验设备、在同一生产线上制造。这就为这两类气瓶的推广、提供了便利的条件。

4、成本估算

和玻璃纤维Ⅱ型钢瓶相比、碳纤维Ⅲ型钢瓶的成本增值由三部分构成:薄壁精制钢管取代普通无缝钢管;碳纤维取代玻璃纤维;全缠绕代替环向缠绕;因此必将提高成本。但是,由于国产碳纤维和精制薄壁钢管已经量产,目前国产碳纤维的价格为150元/公斤;壁厚3.5mm、误差0.15mmm的低合金薄壁钢管价格为15元/公斤;都属于可以接受的价格。

由此推算出的气瓶成本如下:

1)260L、20Mpa车用气瓶:碳纤维用量15公斤,采购成本2250元;钢管重量83.5公斤,采购成本1252.5元;制造成本按翻番计算,总成本约为7000元;可盛装CNG 46公斤;

2)260L、25Mpa车用气瓶:碳纤维用量19公斤,采购成本2850元,钢管成本1252.5元,总成本8204元。可盛装CNG 56公斤

3)260L、30Mpa车用气瓶:碳纤维用量23.5公斤,采购成本3525元;钢管重量83.5公斤,采购成本1252.5元,合计成本9555元;可盛装CNG 61.7公斤;

4)260L、35Mpa车用气瓶:碳纤维用量28公斤,采购成本4200元;钢管重量83.5公斤,采购成本1252.5元;合计成本10905元;可盛装CNG 66.9公斤;

结  言

上述构想是在2011年为泰国三友公司设计的立置、集束式、玻璃纤维Ⅱ型钢瓶组运气车基础上,(详见SMM公司两项专利的实施及价值评估)根据我国的具体情况所做出的推演。

当时该运气车的价格为115万元,其中包括:

1)中材科技公司提供的25Mpa、225L玻璃纤维Ⅱ型钢瓶130只:

65万元

2)20英尺集装箱式气瓶橇体2个:               10万元

3)全管套路系统件采购及装调:                 25万元

4)半挂车底盘:                               15万元

当前,除了要用30Mpa、260L碳纤维Ⅲ型钢瓶替代25Mpa、225L玻璃纤维Ⅱ型钢瓶,其他的价格均无大的变动。以上数据可供研发时参考。

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