CNG作為一種清潔汽車燃料，不僅能夠大幅降低汽車的運行費用，而且對環(huán)境的污染小，安全可靠，應用越來越廣泛。隨著管道天然氣的發(fā)展，管道沿線城市相繼建成很多CNG加氣站。但是，城市建成區(qū)內(nèi)的用地比較緊張，單獨建設CNG加氣站的用地很難找到。另一方面，由于CNG作為汽車燃料具有不可替代的優(yōu)勢，對CNG的需求量越來越大， CNG的供應也越來越緊張。而油品作為傳統(tǒng)的汽車燃料，在相當長的時間內(nèi)仍然是汽車的主要燃料。因此，在城市建成區(qū)內(nèi)，加油和壓縮天然氣加氣合建站將成為汽車燃料加注站的主要方式。
1 CNG加氣站的主要形式
①CNG加氣母站
通常建在城市門站、儲配站或高一中壓調(diào)壓站內(nèi)，以利于天然氣流量和壓力達到要求。天然氣經(jīng)過脫硫、脫水等工藝，進入壓縮機被壓縮到25 MPa，通過加氣柱給CNG氣瓶車加氣，或通過順序控制盤及儲氣井(瓶)直接給CNG汽車加氣。加氣母站的主要設備有計量穩(wěn)壓裝置、脫硫脫水裝宣緩沖罐、橇裝壓縮機組、加氣柱、順序控制盤、儲氣井(瓶)、加氣機等。
②CNG加氣子站
通常建在車流量較大的中心城區(qū)周邊，以CNG氣瓶車從CNG加氣母站運來的CNG作為原料氣。氣瓶車中的CNG通過卸氣柱，經(jīng)橇裝壓縮機增壓至25 MPa，通過順序控制盤分別進入高、中、低壓儲氣井(瓶)。當高、中、低壓儲氣井(瓶)的壓力全部達到25 MPa時，橇裝壓縮機自動停機。高、中、低壓儲氣井(瓶)中的天然氣由加氣機控制并自動給CNG汽車加氣。當儲氣井(瓶)的壓力接近20 MPa時，橇裝壓縮機啟動向儲氣井(瓶)補氣，在補氣過程中，如遇車輛加氣，順序控制盤自動切換，優(yōu)先向汽車加氣。CNG加氣子站的主要設備有CNG氣瓶車、卸氣柱、橇裝壓縮機、順序控制盤、儲氣井(瓶)、加氣機等。
⑧CNG加氣標準站
通常建在市區(qū)內(nèi)，以城區(qū)管網(wǎng)的天然氣作為原料氣。天然氣經(jīng)過脫硫、脫水等工藝，進入橇裝壓縮機被壓縮到25 MPa，經(jīng)過順序控制盤進入儲氣井 (瓶)儲存或通過加氣機給CNG汽車加氣。加氣標準站的主要設備有計量穩(wěn)壓裝置、脫硫脫水裝置、緩沖罐、橇裝壓縮機組、順序控制盤、儲氣井(瓶)、加氣機等。
2 合建站的要求及形式
①合建站的要求
《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》(2006年版)GB 50156--2002第3．0．7條規(guī)定，加油和壓縮天然氣加氣合建站的等級劃分見表1。
表1 加油和壓縮天然氣加氣合建站的等級劃分
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級別
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油品儲罐容積／m3 |
管道供氣的加氣站儲氣設施總?cè)莘e
／m3 |
加氣子站儲氣設施 總?cè)莘e／m3
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總?cè)莘e |
單罐容積
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一級 |
61～100 |
≤50 |
≤12
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≤18
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二級 |
≤60 |
≤30 |
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注：柴油罐容積可折半計人油罐總?cè)莘e。 |
《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》(2006年版)GB 50156--2002第4.0.2條規(guī)定，在城市建成區(qū)內(nèi)不應建一級加油站、一級液化石油氣加氣站和一級加油加氣合建站。因此，在城區(qū)內(nèi)已建成的加油站內(nèi)增加建設CNG加氣站，只能建設二級加油和壓縮天然氣加氣合建站。并且，合建站中的CNG加氣標準站的儲氣設施總?cè)莘e不得大于12 m3。CNG加氣子站的儲氣設施總?cè)莘e不得大于18 m3。此外，《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》(2006年版)GB 50156--2002第3．0．7條的條文說明指出，加氣子站儲氣設施包括車載儲氣瓶和站內(nèi)固定儲氣瓶(或儲氣井)。
②合建站的形式
《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》(2006年版)GB 50156--2002規(guī)定，與加油站合建的CNG加氣站應是加氣標準站或子站。CNG加氣標準站是以城區(qū)管網(wǎng)的天然氣作為原料氣給CNG汽車加氣，這種加氣方式會導致城市用氣高峰時管網(wǎng)壓力降低，也會產(chǎn)生居民用氣與汽車用氣的矛盾。尤其在冬季，這種矛盾更為突出。因此，城區(qū)內(nèi)與加油站合建的CNG加氣站的主要形式為加氣子站。
配備CNG氣瓶車、卸氣柱、活塞連桿式壓縮機、儲氣井(瓶)、加氣機等設備的CNG加氣子站通常被稱為常規(guī)CNG加氣子站。常規(guī)CNG加氣子站中的CNG氣瓶車的容積為18 m3，已經(jīng)等于規(guī)范規(guī)定的容積上限。如果采用常規(guī)CNG加氣子站與加油站合建的方式，則要求CNG加氣子站不能建設儲氣井(瓶)。這種情況下，有車輛需要加氣時，壓縮機就必須啟動，將CNG氣瓶車中的天然氣加壓后給汽車加氣。這樣必然造成壓縮機頻繁啟動，影響壓縮機的使用壽命。而且，常規(guī)CNG加氣子站壓縮機的電功率較高，導致加氣站運營過程中的耗電成本很高。因此，常規(guī)CNG加氣子站不宜與加油站合建。
目前，適宜與加油站合建的CNG加氣子站有兩種：一種為液壓增壓橇式CNG加氣子站，另一種為液壓壓縮機式CNG加氣子站。
3 合建站中CNG加氣子站的設計
3．1 液壓增壓橇式CNG加氣子站
液壓增壓橇式CNG加氣子站是利用液壓泵將一種特殊性質(zhì)的液體加壓至20～22 MPa，然后將高壓液體充入液壓平推CNG氣瓶車的儲氣鋼瓶中，將鋼瓶內(nèi)的壓縮天然氣推出，再通過站內(nèi)的單線雙槍加氣機把高壓天然氣充人CNG汽車的車載儲氣瓶內(nèi)，達到給汽車加氣的目的，不需采用其他增壓設備。
①工藝流程
液壓平推CNG氣瓶車從CNG加氣母站運來CNG，通過快裝接頭及軟管將高壓進液管路、高壓回液管路、壓縮空氣控制管路、CNG高壓出氣管路與液壓增壓橇連接。系統(tǒng)連接完畢后，首先啟動氣瓶車的液壓頂升系統(tǒng)，將鋼瓶角度升至10。的位置，打開相應的控制閥門，關閉放空閥門，檢查無誤后即可啟動液壓增壓橇，開始給汽車加氣。高壓液壓泵開始工作，PLC自動控制系統(tǒng)會打開一只鋼瓶的進液閥門和出氣閥門，將高壓液體介質(zhì)注入這只鋼瓶，保證液壓平推CNG氣瓶車的鋼瓶內(nèi)氣體壓力保持在20～22 MPa。CNG通過鋼瓶出氣口經(jīng)CNG高壓出氣管路進入液壓增壓橇內(nèi)的緩沖罐后，經(jīng)高壓管道輸送至CNG加氣機，給CNG汽車加氣。
當鋼瓶中大約95％的CNG被液壓介質(zhì)推出后，PLC自動控制系統(tǒng)會發(fā)出指令萊閉該鋼瓶的進液閥門、出氣閥門，打開回液閥門，利用鋼瓶內(nèi)余壓將液體介質(zhì)壓回子站橇體內(nèi)液壓介質(zhì)儲罐中。間隔幾秒后第二只鋼瓶的進液閥門、出氣閥門打開，液壓介質(zhì)開始充入，CNG被推出進入加氣機給CNG汽車加氣，而第一只鋼瓶內(nèi)的液體介質(zhì)絕大部分返回儲罐后，其回液閥自動關閉。由PLG自動控制系統(tǒng)控制進、回液閥門、出氣閥門的啟閉，依次控制切換8只鋼瓶順序工作。設備運行時，除更換液壓平推CNG氣瓶車時由人工操作外，整套設備的所有動作均由PLC控制，無需人工干預。工藝流程見圖l。
液壓平推cNG氣瓶車-液壓增壓橇-單線加氣機-cNG汽車
圖1 液壓增壓橇式CNG加氣子站工藝流程
②主要設備
液壓增壓橇式CNG加氣子站主要設備見表2。
表2 液壓增壓橇式CNG加氣子站主要設備
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序號 |
設備名稱 |
單位 |
數(shù)量 |
備注 |
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l |
液壓增壓橇
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臺
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1
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成套供應，含PLC控
制柜，自帶卸氣系統(tǒng)
及控制氣源裝置 |
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2 |
液壓平推CNG氣瓶車 |
輛
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3
|
|
|
3 |
加氣機 |
臺 |
4 |
單線雙槍 |
a．液壓增壓橇
主要包括橇體、增壓系統(tǒng)、液壓介質(zhì)儲罐、液壓介質(zhì)、CNG緩沖罐。以上幾部分均集成安裝在橇體內(nèi)，其主體框架采用型鋼制作，外涂防腐材料，并設有防爆風機、防爆接線箱、平開門以及防爆照明等。橇體內(nèi)設有天然氣泄漏檢測探頭，與設置在控制室的燃氣報警系統(tǒng)相連，燃氣報警系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)連鎖。當發(fā)生天然氣泄漏并達到一定濃度時，報警系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，并切斷設備電源，停止站內(nèi)設備的運行，同時啟動防爆風機。
增壓系統(tǒng)主要包括油泵電機、高壓泵、壓力控制閥、高壓管件等。增壓系統(tǒng)通常配置2臺油泵電機，電機采用防爆電機，單臺功率為30 kW。1臺高壓泵，其設計壓力為25 MPa，工作壓力為20～22 MPa。
b．卸氣系統(tǒng)
卸氣系統(tǒng)主要由1條高壓進液管路、1條高壓回液管路、1條CNG高壓出氣管路、壓縮空氣控制管路及管道快裝接頭組成。
c．加氣機
液壓增壓橇式加氣子站所采用的加氣機為單線雙槍加氣機，主要由流量計、微電腦控制售氣裝置和壓縮天然氣氣路系統(tǒng)組成。
d．液壓平推CNG氣瓶車
液壓平推CNG氣瓶車是在普通CNG氣瓶車的基礎上，對前艙、后艙的管閥件進行改造，增加了氣動閥門、管件及連接高壓軟管等，是液壓增壓橇式CNG加氣子站的主要配套產(chǎn)品。
e．控制氣源裝置
主要由空氣壓縮機、深度脫水設備、高精度除油過濾器等組合而成的橇體，它的作用是為控制系統(tǒng)提供干燥、潔凈的壓縮空氣供氣動執(zhí)行器使用。
③總平面設計
根據(jù)加氣子站的實際情況和生產(chǎn)工藝的需求，站區(qū)分為增壓卸氣區(qū)、加氣區(qū)和站房(應與加油設施的站房一同考慮)。增壓卸氣區(qū)宜位于站區(qū)的一側(cè)，主要設備包括氣瓶車停車位和液壓增壓橇等。加氣區(qū)宜位于站區(qū)另一側(cè)，由加氣機和加氣罩棚等組成。加氣區(qū)與增壓卸氣區(qū)之間應留出一定的空地供加氣汽車使用，但距離不應大于20 m。此外，加氣區(qū)應靠近道路，便于汽車加氣。站房宜位于加氣區(qū)后方，通常由值班室、辦公室、綜合營業(yè)廳、儀表配電間等組成。
加氣子站內(nèi)的氣瓶車固定停車位、液壓增壓橇、加氣機等設備與站外建、構筑物的防火距離應滿足《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》(2006年版)GB50156--2002第4．0．7條的規(guī)定。站內(nèi)設施之間及與加油設施、站內(nèi)建、構筑物的防火距離應滿足《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》(2006年版)GB50156--2002第5．0．8條的規(guī)定。
④主要特點
a．占地面積小：站內(nèi)除停放CNG氣瓶車的位置外，液壓增壓橇占地面積為ll m2；控制室占地面積為10 m2。綜合考慮，整個加氣子站占地面積約l000 m2。
b．工藝設備少，工藝管道簡單，施工方便，施工期短：站內(nèi)除控制室與液壓增壓橇、加氣機之間的電纜外，只有液壓增壓橇與加氣機之間的l條工藝管道，施工非常簡單。與已有加油站合建時，基本不需要增加占地，工期只需15天左右。
c．壓力穩(wěn)定：加氣子站的液壓系統(tǒng)始終提供較高的壓力給CNG，而CNG則始終在較高的工作壓力下單線輸出至加氣機，故該系統(tǒng)能夠提供比現(xiàn)有三線加氣系統(tǒng)高且穩(wěn)定的工作壓力。
d．節(jié)能效果好：液壓增壓橇的油泵電機功率只有30 kW，系統(tǒng)總功率小于70 kW。與常規(guī)加氣子站(壓縮機電機功率110～160 kW)相比，節(jié)能效果明顯，運行費用低，大大提高了經(jīng)濟效益。
3．2液壓壓縮機式CNG加氣子站
液壓壓縮機式CNG加氣子站是利用液壓壓縮機從氣瓶車中吸氣，加壓后通過站內(nèi)的三線雙槍加氣機把高壓天然氣充入CNG汽車的車載儲氣瓶內(nèi)，達到給汽車加氣的目的。
①工藝流程
CNG氣瓶車從CNG加氣母站運來CNG，通過由CNG氣瓶車、卸氣柱、液壓壓縮機、控制系統(tǒng)、調(diào)壓瓶組和加氣機組成的加氣系統(tǒng)給汽車加氣。為了將壓縮天然氣快速充裝給汽車，CNG氣瓶車為低壓管道供氣，調(diào)壓瓶組為中壓管道供氣，液壓壓縮機為高壓管道供氣。由控制系統(tǒng)通過PLC控制實現(xiàn)三線快充。
加氣時，先由CNG氣瓶車直接向汽車充氣；當壓力低于設定值時，再由調(diào)壓瓶組向汽車充氣；如果仍不能將CNG汽車車載儲氣瓶充至20 MPa，啟動液壓壓縮機，由壓縮機直接為CNG汽車充裝。充裝完畢，壓縮機將調(diào)壓瓶組充滿，保證瓶組的壓力。壓縮機內(nèi)部裝有優(yōu)先順序控制系統(tǒng)，優(yōu)先順序控制系統(tǒng)采用加氣機高中低壓轉(zhuǎn)換信號，與加氣機同步控制。
②主要設備 ’
主要工藝設備見表3。
a．液壓壓縮機
液壓壓縮機專門為壓縮天然氣及天然氣的傳輸設計，采用液壓傳動原理，利用油壓推動氣缸內(nèi)活塞做往復運動壓縮天然氣。機組主要由液壓系統(tǒng)、機系統(tǒng)、管道系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等部分組成。以上系統(tǒng)安裝在橇裝底座上，外部安裝了具有隔聲降噪、防火作用的防護罩。
表3 液壓壓縮機式CNG加氣子站主要設備
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序號 |
設備名稱 |
單位 |
數(shù)量 |
備注 |
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1
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液壓壓縮機 |
臺 |
1
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成套供應，含PLC控制柜 |
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2 |
CNG氣瓶車 |
輛 |
3 |
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3 |
卸氣柱 |
組 |
1 |
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4
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加氣機
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臺 |
4
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三線雙槍
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5
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調(diào)壓瓶組
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組
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1
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瓶組總?cè)莘e為1.12 m。 |
液壓系統(tǒng)為壓縮機提供動力，主要由油泵電機組、油箱、集成閥塊、各種液壓附件及管道系統(tǒng)組成。其中，油泵電機組是動力源，油箱是液壓油的儲存裝置，集成閥塊是執(zhí)行機構。主機系統(tǒng)是天然氣加壓的容器空間，為雙氣缸兩級壓縮，分為一級氣缸和二級氣缸。氣動控制系統(tǒng)用于控制壓縮機順序盤的閥門啟閉，以實現(xiàn)壓縮機在加氣子站中取氣氣路的變換。冷卻系統(tǒng)為風冷式，使用風冷機對液壓油和天然氣直接冷卻。
b．調(diào)壓瓶組
調(diào)壓瓶組總?cè)莘e為1.12 m3，工作壓力為25MPa。調(diào)壓瓶組與常規(guī)加氣子站中的儲氣瓶組基本相同，但其功能是為了后期CNG氣瓶車壓力不足時，提高充裝天然氣的速度，不是用來儲存氣體的。
c．加氣機
液壓壓縮機式加氣子站所采用的加氣機為三線雙槍加氣機，配置與液壓增壓式加氣子站的單線雙槍加氣機基本一致。
d．CNG氣瓶車
CNG氣瓶車主要由集裝管束組成。集裝管束是由8只大容積高壓鋼瓶組成，鋼瓶規(guī)格為咖559mm×16.5 mm，長為10 975 mm，單瓶容積為
2.25 m3，總?cè)莘e為18 m3，單車運輸氣量為4 500 m3。
③總平面設計
根據(jù)加氣子站的實際情況和生產(chǎn)工藝的需求，站區(qū)分為壓縮調(diào)壓區(qū)、加氣區(qū)和站房(應與加油設施的站房一起考慮)。其中，壓縮調(diào)壓區(qū)包括橇裝液壓壓縮機、卸氣柱和調(diào)壓瓶組以及氣瓶車停車位。總平面布局基本與液壓增壓橇式加氣子站的總平面布局相同。
④主要特點
a．占地面積小：液壓壓縮機式加氣子站沒有儲氣井、放散管及排污罐等設備，減小了加氣子站的用地。整個加氣子站占地面積約1 2Q0 m3。
b．壓縮機電機功率相對較小，效率高：平均排量為1 000 m3／h的活塞連桿式壓縮機，電機功率約為110。160 kW。而平均排量為1 400 m3／h的液壓式壓縮機，電機功率只有70 kW，這就大大減少了加氣子站的運行成本。
c．壓縮機氣缸活塞由液壓系統(tǒng)驅(qū)動，振動小，工作壽命長：活塞連桿式壓縮機的結(jié)構復雜，轉(zhuǎn)動摩擦部件多。這些部件始終在較大的負荷下工作，會產(chǎn)生較大磨損。而且活塞連桿機構的往復慣性運動會給電機一個動載荷，影響電機工作壽命。
液壓壓縮機采用液壓驅(qū)動，由高壓油泵泵出的液壓油推動活塞壓縮氣體。這種壓縮方式?jīng)]有轉(zhuǎn)動摩擦部件，由電機帶動高壓油泵再作用于壓縮缸體，電機負荷平穩(wěn)，工作狀況平穩(wěn)，大大延長了壓縮缸體與電機的工作壽命。
d．無油潤滑結(jié)構設計：活塞連桿式的壓縮機因其結(jié)構特點和機械強度的原因，往往設計成多缸式，一般采用對稱布置。由于轉(zhuǎn)動部件多，一般采用具有一定壓力的油潤滑系統(tǒng)，以便提高其使用壽命。而液壓壓縮機的壓縮缸采用無油潤滑結(jié)構設計，油類介質(zhì)不會混入天然氣中。
3．3兩種CNB加氣子站的比較及適用條件
液壓增壓橇式CNG加氣子站的主要設備為液壓增壓橇、加氣機和液壓平推CNG氣瓶車。液壓增壓橇與液壓平推CNG氣瓶車利用專用軟管相連，液壓增壓橇與加氣機之間采用單路CNG不銹鋼管道相連。而液壓壓縮機式CNG加氣子站的主要設備為液壓壓縮機、卸氣柱、調(diào)壓瓶組、加氣機和CNG氣瓶車。CNG氣瓶車與卸氣柱、壓縮機采用單路CNG不銹鋼管道相連，壓縮機、調(diào)壓瓶組與加氣機利用三路CNG不銹鋼管道相連。
①工程造價比較
CNG加氣子站的工程造價主要包括土建造價、設備造價(含安裝費)等。土建造價主要是指站房、路面、設備基礎、圍墻及管溝等項目的造價。液壓增壓橇式CNG加氣子站與液壓壓縮機式CNG加氣子站的土建造價基本相同。兩種CNG加氣子站的工程造價的差異主要體現(xiàn)在設備造價上。
a．液壓增壓式CNG加氣子站計人工程造價的設備有液壓平推CNG氣瓶車、液壓增壓橇、單線加氣機及變配電設備。加氣子站按配置3輛液壓平推CNG氣瓶車考慮，造價約為360×10。元；l臺液壓增壓橇(規(guī)格為1 500 m3／h)，造價約為120×104元；4臺單線加氣機，造價約52×104元；1套變配電設備，造價約15×104元。因此，液壓增壓橇式CNG加氣子站的工程造價合計約為547×104元。
b．液壓壓縮機式CNG加氣子站計人工程造價的設備有CNG氣瓶車、液壓式壓縮機、卸氣柱、三線加氣機、調(diào)壓瓶組及變配電設備。加氣子站按配置3輛CNG氣瓶車考慮，造價約為300×104元；1臺液壓壓縮機(規(guī)格為1 380 m3／h)，造價約為140×104元；1組卸氣柱，造價約19×104元；4臺三線加氣機，造價約64×104元；1組調(diào)壓瓶組，造價約為7×104元；1套變配電設備，造價約22×104元。因此，液壓壓縮機式CNG加氣子站的工程造價合計約為552×104元。
由以上分析可知，兩種CNG加氣子站的設備造價基本相同，且其土建造價也基本相同。因此，兩種CNG加氣子站的工程造價是基本相當?shù)摹?SPAN lang=EN-US>
②優(yōu)缺點比較
與液壓壓縮機式CNG加氣子站相比，液壓增壓橇式CNG加氣子站的優(yōu)勢在于：
a．主要設備數(shù)量少，因此與站外建構筑物的防火距離更容易控制，站內(nèi)的設備布置更為簡單，占地面積小。
b．液壓增壓橇式CNG加氣子站的加氣機為單線加氣機，與三線加氣機相比，管道布置更為簡單。
c．由于主要設備少，管道簡單，因此液壓增壓橇式CNG加氣子站的施工期更短，與加油站合建時，通常只需要15天左右。
d．液壓增壓橇式CNG加氣子站的液壓系統(tǒng)始終能提供約20～22 MPa的壓力給CNG氣瓶車中的CNG，而CNG氣瓶車中的CNG則始終在20～22 MPa的工作壓力下單路輸出至加氣機。因此，系統(tǒng)能夠提供比三線加氣系統(tǒng)更為穩(wěn)定的工作壓力的CNG。
與液壓增壓橇式CNG加氣子站相比，液壓壓縮機式CNG加氣子站的優(yōu)勢在于：CNG氣瓶車的調(diào)配乃至CNG的調(diào)配更為容易。因為，液壓增壓橇式CNG加氣子站需要配備專門的液壓平推CNG氣瓶車，與常規(guī)CNG加氣子站的CNG氣瓶車不能通用。而液壓壓縮機式CNG加氣子站的CNG氣瓶車與常規(guī)CNG加氣子站完全一樣，當氣源緊缺或運輸困難時，可直接從常規(guī)CNG加氣子站調(diào)配。
③適用條件 ‘
液壓增壓橇式CNG加氣子站適用于對占地面積、周邊環(huán)境及施工期要求比較高的合建站。液壓壓縮機式CNG加氣子站更適用于對氣源、運輸?shù)目煽啃砸蟊容^高，對占地面積、周邊環(huán)境及施工期要求相對較低的合建站。
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