城市二甲醚汽车加气站的设计实践

十五国家科技攻关计划“清洁汽车产业化关键技术研究与示范”项目l已于2005年5月全部完成课题任务书的签订工作，目前各课题工作已全面展开。上海市希望在国家科技攻关计划项目“二甲醚汽车研究与开发”研究成果的基础上，解决二甲醚汽车大批量生产前的技术问题，开发具有门主知识产权的二甲醚燃料车用发动机。这不仅对逐步改变汽车

能源结构，降低对石油资源的依赖性，保证我国能源安全和环境保护具有重大战略意义，而且对我国汽车与发动机工业走出自主创新民族工业发展道路意义重大。二甲醚发动机的产业化，可以带动一批产业，包括二甲醚燃料产业、汽车产业、储运与加气设备产业等，形成真正具有中国资源特色的汽车与发动机产业。因此上海巾经济委员会牵头组织成立了上海市产学研联合工作协调办公室，具体协调“二甲醚发动机技术产业”项目的实施。在上海市产学研联合作协调办公室的协调下，由上海交通大学、上海柴油机有限公司共同负责完成二甲醚发动机子项，由上海交通大学、上海柴油机有限公司、新奥集团股份有限公司、上海新奥九环车用能源股份有限公司共同完成二甲醚燃料标准的制定上作，上海新奥九环车用能源股份有限公司和上海吴泾化工有限公司负责完成二甲醚试验加气站的开发工作。

    2007年5月底，第一批二甲醚公交车(运行在上海公交线路147路)进入示范运营。

1二甲醚的物理化学特性

我国的煤炭资源极其丰富，我们可将煤炭用一步法或二步法工艺制成二甲醚(Dimethyl Ether．DME)，二甲醚的化学式是CH30CH，，是醚的同系物。二甲醚在常温、常压下为无色、无味气体，由于其中身含氧，因此燃烧性能好，热效率高，燃烧过程中有残留物、无黑烟，是世界各国公认的清洁燃料。

    二甲醚发动机的优异性能与其物理化学性质直接相关。表1是二甲醚主要理化性能指标，表2是二甲醚与柴油燃烧性能指标的对比。

    因此，二甲醚成为压燃式发动机最具吸引力的代用燃料的主要原因可归纳为：

    ④二甲醚分子结构中没有c—c键，只有c—O键和c—H键，且含有34％的氧。因此，燃烧后生成的CO、CH和微粒少，发动机能承受较高的排气再循环率以降低NO。的牛成与排放量。

  ②二甲醚的十六烷值高于柴油，自燃温度低，滞燃期比柴油短，NO。排放量与燃烧噪声比柴油低。

  ③二甲醚理论混合气低热值为3 067 kJ／kg，而柴油的理论混合气低热值为2 911 kJ／kg。因此，二甲醚发动机的功率不仅不会降低，反而会升高。

  ④按等放热量计算，二甲醚的气化潜热为柴油的2．53倍，因此会大幅度降低发动机最高燃烧温度，改善NO。的排放。

  ⑤低沸点的特性使得二甲醚在喷人气缸后即能气化，其油束的雾化特性将明显优于柴油，有可能在低喷射压力下就能满足燃烧要求。

  ⑥二甲醚可以从来源丰富的煤、天然气和生物质中提炼，大规模生产时其成小约l 700元／t。

2二甲醚发动机的研究

    汽车尾气的排放污染已成为我同大中城市的重要污染源而日益受到人们的关注。减少尾气排放污染已成为治理城市大气污染的主要手段之一。2005年8月，上海市经济委员会等部门新组建了上海市新能源汽车推进办公室，正式启动了二甲醚发动机产学研攻关项日，力争将在占汽车总运行里程约20％～30％的公共汽车行业内大力推广清洁燃料如二甲醚等代用燃料汽车。

    上海市以黄震教授为首，由七海柴油机有限公司、上海申沃客车股份有限公司、新奥集团股份有限

公司等企业参与的二甲醚发动机产学研研究团队通过将近2年的研究工作，第一批20辆公交车已上路

试运营。

3加气站设计、建设

    由上海新奥九环车用能源股份有限公司和上海吴泾化上有限公司组成的项目组负责上海市二甲醚加气站产学研项目的研究、设计、建没T作。该二甲醚加气站已于2007年2月建成，加气站位于上海市军丁路上海柴油机厂正门北侧。

    在城市里进行加气站建设要受到城市总体规划、安仝问距以及加气是否方便等诸多因素的制约，二甲醚加气站的建设在围内又是首例，在没计过程中我们着重对以下几个问题进行了探讨。

  ①加气站设计规范

  目前国内尚无二甲醚加气站设计、施工规范，为此项目组邀请、组织相关单位及专家对二甲醚试验加气站的设计、安全进行评价研讨。经过广泛深入的交流，与会专家一致认为：车用二甲醚在其危险、危害性方面与液化石油气类似，二甲醚示范加气站的设计、施T可参照GB 50156--2002《汽车加油加气站设计与施工规范》(2006年版)中液化石油气章节。专家同时指出：应尽快制定二甲醚试验加气站的技术条件，为指导设计并为二甲醚加气站的规范编制积累经验。

    鉴于二甲醚的理化特性和液化石油气较为相似，且瑞典、口本等二甲醚研发较为先进的国家在建设二甲醚加气站时，在正式标准出台前，都以液化石油气为参照标准。冈此，通过专家组的讨论和商议，我们在术加气站的设计、建设中以液化石油气汽车加气站的相关标准为主要参考标准，同时根据设计、施工的实际情况，上海新奥九环车用能源有限公司和上海吴泾化工有限公司联合编制了《二甲醚车用加气站设计、施工及验收技术条件》，并正积极进行上海市地方标准的申请工作。

    ②加气站的选址与平面布置

    本项目示范加气站为上海二甲醚示范车队充装二甲醚燃料，由于国内兀此类加气站的相关规范标准，考虑二甲醚的物理性质与液化石油气相似，选址参考液化石油气加气站有关规定，建议在示范车队停车场选址，可方便充装并且便于管理，并能为二甲醚加气站标准的制定积累经验。基丁以上因素，我们选择在本项．目的重要参与单位——上海柴油机有限公司附近建设本站，该地块属于上海柴油机有限公司，由上海新奥九环车用能源股份有限公司和上海吴泾化工有限公刊租用。二甲醚示范加气站建站规模按开允装二甲醚公交车30辆确定，每辆二甲醚汽车设140 L的DME情气瓶3只，充装系数为80％。日均行驶单程为200-250 km，二甲醚每100 km消耗量为80 L，F1消耗量约200 L／d，30辆示范车日消耗二甲醚约6 000 L／d。示范站采用10 m’二甲醚储罐满足示范车队日充装量的需要。

    ③加气站的工艺流程

    二甲醚加气站的主要丁岂流程为：二甲醚槽车将二甲醚运至加气站，通过卸车泵卸至二甲醚储罐，再经过充装泵送至二甲醚加气机，加气机根据用户需求将定量的二甲醚输送到车用钢瓶中。按照储罐的不同形式，加气站可分为地上储罐式和地下储罐式两种，两者的主要区别在于为汽车充装的泵不同。如果采用地下储罐，在每个储罐上安装一台潜液泵，或在地面安装专为地下储罐设计的离心泵；如果采用地上储罐，则在储罐附近安装地面泵。

    采用地下储罐的加气站占地面积相对较小，距离市中心近、场地小的加气站适宜采用这种形式，但工艺相对复杂一些，管道和各种阀门的密集程度也大，造价也较高。采用地上储罐的加气站受防火间距限制，占地面积较大，但工艺系统的复杂程度和造价较低。

    除此之外还可采用整体装配式二甲醚加气站，将二甲醚储罐与充装泵、工艺管道、控制阀门等工艺装置集成在一个橇体上。此种力式上艺集成度高，易于安装，易于管理，但充装规模受到一定的限制，仅适合于小规模加气站。

    由于本加气站为示范加气站，亢装规模不大，且属试验性阶段，上艺不宜相对复杂，因此术方案采用整体装配式方案。

  a．储存系统

  根据本站确定的供气规模，储存系统采用10m’储罐，储罐下部设气相管、液相进液管、液相出液管、排污管，储罐上部没安全放散管、检修放散管、检修人孔。储罐设翻板式玻璃管液位计，便于观察储罐液位，气相管、液相出液管设r动切断阀门及气动紧急切断阀，液相进液管设手动切断阀及止回阀。

  b．卸液系统

  加气站的卸液力方式呵分为3种：

  利用站内卸车泵卸车，这种形式是较普遍的形式。

  利用装有卸车泵和计量系统的槽车卸车，这种形式简化了站内的卸车系统，节约r成本，但受槽车类型的限制。

  利用站内压缩机卸车，这种形式的压缩机系统相对复杂一些，除r卸车外，还具有其他功能，但单独设置的压缩机房需较大占地面积。考虑到本站的规模及示范效应，采用卸车泵方式卸液，卸车泵与充装泵合用，选用流母为8 m3／h叶片泵，卸车时间为45～60 min。

   c．充装系统

   当加气装置被摘下或于动开关打开时，控制系统开始工作，充装泵肩动，将储罐内的二甲醚经储罐区的地下管道和中途的地下管道送至加气机，经加气机计量后，由加气装置进入二甲醚汽车内的储气瓶。本示范站充装泵正常工作情况下，每支加气装置的平均流量在70～80 L／min，考虑到示范加气站规模不大，充装泵与卸车泵合用同一台泵。

  d．全站安全监控系统

  站内设置可燃气体报警器，监测罐区、汽车加气岛等处的二甲醚浓度，并‘』储罐气动紧急切断阀连锁。当可燃气体浓度达到爆炸下限的20％时发出声光报警信号，达到爆炸F限的40％时，自动切断储罐下气帕管及液相出液管紧急切断阀。

    e．管道及没备的安全泄放

    本系统除储罐、加气机设安伞放散外，在液相管道及气相管道也分别没置安全放散阀，在泵出口设回流阀，保证系统运行安全。

    ④加气站设备的选用与制造

    二甲醚属于甲类易燃易爆物质，由于它的氧化作用，常常引起橡胶分子断裂、解聚以及配合剂的分解、溶解、溶m等现象，造成橡胶的腐蚀或引起橡胶的溶胀，从而失去密封性能。为保证加气站的安全平稳运行，必须选用性能优良、安全可靠的设备。因此在选用采、加气机、阀门、流量计等关键设备时，必须考虑二甲醚对橡胶等材料的腐蚀特性。本站在液化石油气加气站常用设备的基础上，结合二甲醚加气站的特性，进行了有针对性的开发。

    本站设计规模为日充装二甲醚汽车30辆，每辆车每次充装二甲醚(最人值)为340 L，充装时问为5min，高峰时可同时为2辆车充装。

    加气站主要设备配置为：lO m³储罐1台，卸车、充装泵l台，双枪加气机l台。

  a．10m³储罐  

  10 m³储罐主要性能参数如F：容积为10 m³，设计压力为1．6 Mpa，设计温度为一10～55℃，充装系数为80％。

  b．卸车、充装泵

  本站设l台叶片泵满足卸车、充装需要。叶片泵主要性能参数为：流鼍为8 m³／h，泵进口压力为0．3～1．2 Mpa，泵升压为O 5 Mpa，设计压力为2 0MPa。工作温度为一10一55℃，介质为二甲醚。

    泵组设旁通管、安全回流阀，泵出口设压力表。

    c．加气机

    加气机采用双枪加气讥。加气机主要性能参数如下：计量精度为±O．5％，流量为70一80 L／min，最高工作压力为2 OMPa，工作温度为一10-55℃。

    加气机设液相管、气相管及放空管，进口配切断阀，出口设高压挠性管，配拉断阀。加气机设电显示装置，可单价、总价、单次加气量、累积加气量等信息。

4结论

    ①  在国家、行业标准出台之前，以GB50156--2002《汽车加油加气站设计与施工规范》(2006年版)为依据在实际设计工作中具有可操作性。本加气站属于示范性质，承担的车辆充装业务相对较少，但在下一步工作中应尽快提出适用于一甲醚加气站的标准规范，这样才能更好地促进车用二甲醚的发展。

    ②加气站的总平面布置应结合城市的总体规划，在不破坏整体环境的条件下，充分利用城市的现有窄间。

    ⑧加气站的卸车装置采用站内泵，该泵同时承担向汽车充装的工作。采用卸车泵与充装泵合用的方式，卸液与充装不能同时进行，将增加操作难度并不利于管理，示范站时可采用此方式，产业化时需研究更为妥当的解决方案。

    ④实践证明，配以足够的安全措施，整体装配式设备是可行的。

⑤站内报警探头需根据二甲醚特性标定。