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珠三角地區燃氣汽車加氣站類型優化分析
博燃網● 2015-12-02

摘 要:結合珠三角地區各城市燃氣汽車和加氣站的現狀,考慮安全、環保及經濟要素,采用層次分析法和模糊綜合評價法,構建燃氣汽車加氣站類型優化模型并分析計算,得出LNG加氣站綜合性能最好。

關鍵詞:燃氣汽車;  加氣站類型;  層次分析法;  模糊綜合評價法

Optimization Analysis of Types of Gas Vehicle Refueling Stations in Pearl River Delta Region

AbstractCombined with the current situation of gas vehicles and refueling stations in various cities in the Pearl River Delta region,the optimization model for types of gas vehicle refueling stations is constructed by considering the safety,environmental protection and economic factors and using AHP and fuzzy comprehensive evaluation methodAfter the analysis and calculation,it is concluded that LNG refueling station has the best comprehensive performance

Keywordsgas vehicle;type of refueling station;AHP;fuzzy comprehensive evaluation method

 

隨著經濟的高速發展,珠江三角洲地區(以下簡稱珠三角)的汽車保有量迅速增長,汽車尾氣排放是城市大氣環境污染的主要原因之一。采用LNG、LPG、CNG作為汽車燃料,可不同程度改善汽車發動機的排放性能,從而達到從根本上治理大氣污染的目的。由于燃氣具有易燃易爆危險性,并且大多數燃氣加氣站建在城市建成區,一旦發生安全事故,將造成人員傷亡、經濟損失和惡劣的社會影響,因此選擇滿足安全性、環保性及經濟性的綜合性能好的燃氣加氣站類型非常重要。為保證珠三角燃氣汽車加氣站的安全性以及減少建設項目的資源浪費,有必要對加氣站類型進行優化研究。

1 珠三角城市燃氣汽車和加氣站類型分析

2013年起,廣東省政府規定省內新增的公交車全部為節能與新能源汽車,省內大部分城市已開始推廣和使用天然氣汽車,珠三角各城市燃氣汽車保有量見表1。

 

廣州作為目前國內清潔能源替代獲得成功的城市,市區內80%的公交車和l00%的出租車都使用上了清潔環保的LPG;佛山市目前是廣東省內發展LNG公交車最多的城市,LNG公交車、CNG與燃油雙燃料出租車保有量分別占佛山市公交車、出租車總量的45%和90%;東莞市是珠三角發展天然氣汽車較早的城市之一,CNG出租車保有量占東莞市出租車總量的80%以上;珠海市計劃至2015年,將公交車、出租車全部替換為LNG公交車、CNG出租車[1]。隨著珠三角大規模、區域化地推廣清潔能源替代燃料汽車,不僅能夠有效地降低汽車對傳統的汽、柴油燃料的依賴度,還能進一步減少尾氣污染,實現能源和交通運輸的可持續發展。

1.2 珠三角燃氣汽車加氣站類型

目前珠三角主要的燃氣汽車加氣站類型為LPG加氣站、LNG加氣站、CNG常規加氣站、LNGL-CNG合建站、CNG加氣子站和CNG加氣母站、油氣合建站[2]。珠三角燃氣汽車加氣站類型分布見表2,其中廣州市的加氣站主要為LPG加氣站,擁有LPG加氣站40座;深圳市擁有燃氣汽車加氣站21座,其中LNG加氣站12座,CNG加氣站9座;佛山市擁有燃氣汽車加氣站18座,其中CNG加氣子站3座,LNGL-CNG合建站10座,油氣合建站5座;東莞市擁有29座燃氣汽車加氣站,其中16CNG常規加氣站,13LNG加氣站和LNGL-CNG合建站。

 

本文對珠三角最常見的四種加氣站類型(LPG加氣站、LNG加氣站、CNG常規加氣站和LNGL-CNG合建站)進行優化,分析目前珠三角建設何種類型燃氣汽車加氣站最符合加氣站運營公司、運輸公司和政府的需要。

2 燃氣汽車加氣站類型優化方法

燃氣汽車加氣站類型優化是一項系統工程,涉及到安全、經濟、環保等多個方面[3-4],為了系統地解決這一復雜的多目標決策問題層,本文基于層次分析法,利用層級結構將影響因素之間的復雜關系系統地鏈接起來,采用模糊綜合評價法[5]建立加氣站類型優化模型。該優化模型以評價指標體系為核心,通過分析加氣站評價因素,設置經濟、安全和環保三個方面核心指標,構建模糊綜合評價模塊對不同加氣站類型進行綜合評價并進行優先級排序,得到可優先選擇和發展的加氣站類型。

2.1 指標界定及分析

基于對珠三角燃氣汽車加氣站調研資料分析,結合前期各種類型加氣站建站特點及運營條件,選取安全性、環保性和經濟性作為優化分析的一級指標。

加氣站安全性

天然氣的主要組分甲烷為甲類火災危險物質,危險性的產生主要來源于燃氣泄漏,比如:儲罐儲存過程存在危險性及本身形體破壞造成燃氣泄漏;在運輸和卸車過程中人員操作不當造成氣體泄漏;潛液泵可能因密封問題失效而發生泄漏;加氣機因接口脫落或軟管爆裂造成漏氣。一旦泄漏的燃氣在空氣中含量達到爆炸極限時,遇明火著火爆炸,釀成事故。管道氣體流動可能產生靜電、員工不按規范操作、設備維修操作不當等工藝過程都可能成為加氣站火災爆炸的安全隱患。

加氣站安全性二級指標主要包括:儲氣裝置、泵、壓縮機、加氣機、槽車、員工操作、維修保養和管道八個指標。

加氣站環保性

加氣站施工及運營階段各種設備產生的噪聲、加氣車輛的汽車尾氣以及交通噪聲、生活污水、垃圾等對環境都產生很大的影響。機動車尾氣是城市大氣污染的主要來源之一,CO2是導致全球氣候變暖的主要原因,故機動車尾氣污染是建站所必須考慮的重要因素之一[6]。

加氣站環保性二級指標主要包括:加氣車輛尾氣、加氣站運營設備噪聲、生活污水和垃圾以及儲罐氣體排放四個指標。

加氣站經濟性

各類型的加氣站設備不同導致建站成本相差很大,氣源價格變化導致燃料購置成本不同,不同燃料類型的加氣站的燃料售價相差很大。故加氣站的經濟性主要體現在建站成本、燃料購置成本和經營成本等多個方面,同時也須考慮運輸企業在使用清潔燃料時產生的經濟效益[7]。

加氣站經濟性二級指標主要包括:建站成本、購買氣價、銷售氣價、營運成本和加氣車輛燃料成本五個指標。

2.2 指標賦值及權重的確定

221評語賦值

將專家評語分為差、較差、一般、較好、好五個等級,并將這五個等級評語進行量化。將分值區間[0,100]相應地分為五個等級區間,即[0,60)、[60,70)、[70,80)、[80,90)、[90,100],F5個等級區間的平均值組成的矩陣,即:

 

222評價指標權重的確定

①構造判斷矩陣

根據加氣站的優化評價體系中建立的遞階層次結構,在元素兩兩對比時,以S表示目標,所支配的下一層元素為X1,X2,…,Xn,采用1-9標度法可得到加氣站各級指標的判斷矩陣:

A=(apq) n×n         (1)

式中A——加氣站各級指標的判斷矩陣

apq——元素XpXq相對于目標的重要性的比例標度(pn,qn),apq越大,表示XpXq的重要程度越高

②判斷矩陣A的特征向量(權重集)

采用幾何平均法求解特征向量,計算公式為:

 

式中wp——矩陣A的特征向量的第p個元素

判斷矩陣A的最大特征值lmax

 

式中Pp——向量P的第p個元素

 

一致性檢驗

在用層次分析法確定權重時,為了度量矩陣A中各元素apq的一致性,需計算一致性比率。引入一致性指標C

C=(lmax-n)/(n-1)      (5)

n階矩陣隨機指標T見表3,根據表3查出隨機指標T,計算一致性比率CR

CR=C/T                (6)

如果CR<0.1,則矩陣A滿足一致性要求,否則應修正apq值,直到滿足CR<0.1為止。

 

2.3 模糊綜合評價方法

本文采用單指標量化—多指標集成的評價方法對4種加氣站類型進行綜合評價[7-8]。

單指標量化

將一級指標數量記為k,一級指標的第i個二級指標數量記為mi。一級指標模糊綜合評判矩陣計算公式:

Bi=wiRi             (7)

式中Bi——i個一級指標的模糊綜合評判矩陣(1×15矩陣)

wi——i個一級指標的二級指標的權重集(1×mi矩陣)

Ri——i個一級指標的模糊綜合關系矩陣(mi×5矩陣)

針對加氣站建站優化的方案分析,邀請燃氣行業10位專家分別對這4種加氣站類型進行評價,將專家評語分為五個等級,即差、較差、一般、較好、好,統計各二級指標各評語等級出現的比例,作為各一級指標的模糊綜合關系矩陣Ri。Ri中元素Ruv表示第u個二級指標獲得第v等級評語(”等于15分別對應差、較差、一般、較好、好)的比例。

多指標集成

應用線性加權法將一級指標模糊綜合評判矩陣耦合為加氣站建站類型模糊綜合判斷矩陣。

 

式中B——加氣站建站類型的模糊綜合判斷矩陣(1×5矩陣)

w——一級指數權重集(1×k矩陣)

R——模糊綜合關系矩陣(k×5矩陣)

模糊綜合評價結果

加氣站建站類型優化得分計算公式為:

Y=BF      (10)

式中Y——加氣站建站類型優化得分(1×1矩陣)

i個一級指標的得分計算公式為:

Yi=BiF         (11)

式中Yi——i個一級指標的得分(1×1矩陣)

3 模糊綜合評價實例

本文以LNG加氣站的經濟性評價實例說明加氣站類型模糊綜合評價的實現過程。

3.1 構造判斷矩陣及權重賦值

通過對LNG加氣站設備和工藝流程的了解,在現場調查分析和咨詢有關專家的基礎上,根據專家打分結果構造一級指標判斷矩陣:

 

結合公式(2),計算出矩陣A的特征向量(權重集)w=(0.634,0.192,0.174)。根據公式(3)得最大特征值并進行一致性檢驗,一致性檢驗結果為:lmax=3.081,CR=0.07<0.10,通過一致性檢驗。

同理,根據1—9標度法得到經濟性二級指標判斷矩陣A3

 

根據公式(2)可得LNG加氣站的一級指標經濟性的二級指標的權重集w3=(0.194,0.331,0.187,0.186,0.102)。同理可計算出安全性和環保性的二級指標的權重集,計算結果見表4。

 

 

3.2 模糊綜合評價的計算

首先建立LNG加氣站一級指標經濟性的模糊綜合關系矩陣R3

 

根據公式(7)可以得到其對應的一級指標經濟性模糊綜合判斷矩陣B3=(0,0,0.0388,0.4322,0.5290)。同理,可分別求得其余兩個一級指標模糊綜合評判矩陣B1B2。根據公式(9)得到模糊綜合關系矩陣R

 

綜合一級指標權重集,根據公式(8)LNG加氣站的模糊綜合判斷矩陣BLNG

BLNG=(0,0.0111,0.0518,0.3524,0.5847)

同理可得LPG加氣站、CNG常規加氣站、LNGL-CNG合建站的模糊綜合判斷矩陣BLPG、BCNG、BLNG/L-CNG

BLPG=(0.1400,0.0156,0.0709,0.2877,0.4859)

BCNG=(0.0646,0.2817,0.1757,0.1773,0.3007)

BLNG/L-CNG=(0.0646,0.0540,0.0892,0.3534,0.4388)。

3.3 模糊綜合評價結果

根據公式(11)計算得到LNG加氣站的安全性指標得分為91.35,環保性指標得分為86.15,經濟性指標得分為89.9。根據公式(10)計算得到LNG加氣站建站類型優化得分為89.18。同理可計算出其余3種加氣站各項一級指標得分及建站類型優化得分,見表5。

 

由表5可知,在安全性方面:LPG加氣站>LNG加氣站>LNGL-CNG合建站>CNG常規加氣站;環保性方面:LNG加氣站>LNGL-CNG合建站>CNG常規加氣站>LPG加氣站;經濟性方面:LNG加氣站>CNG常規加氣站>LNGL-CNG合建站>LPG加氣站。根據建站類型優化得分,得出珠三角燃氣汽車加氣站建站類型模糊綜合評價結果為:LNG加氣站最好,LNGL-CNG合建站次之,LPG加氣站較好,CNG常規加氣站最差。

4 結論與建議

①CNG常規加氣站因受城市天然氣管網的影響較大,且不能給LNG汽車加氣,因此無法完全滿足加氣車輛的需求;LPG加氣站在提高城市空氣質量、加氣車輛燃料節約成本等方面達不到交通運輸公司和政府的要求。因此綜合考慮安全、環保及經濟幾個要素,得出LNG加氣站綜合性能最好。

由于LNGL-CNG合建站的造價高,對資金需求量較大,又鑒于珠江三角洲地區CNG汽車保有量比較大的實際情況,可以先建設LNG加氣站,當城市CNG汽車數量增加時,在原有的LNG加氣站內加裝相關設備以實現給CNG汽車加氣。

 

參考文獻:

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本文作者:陳茂梅 方江敏 吳俊航

作者單位:華南理工大學機械與汽車工程學院

 

 

 

 

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