珠三角地区燃气汽车加气站类型优化分析

摘　要：结合珠三角地区各城市燃气汽车和加气站的现状，考虑安全、环保及经济要素，采用层次分析法和模糊综合评价法，构建燃气汽车加气站类型优化模型并分析计算，得出LNG加气站综合性能最好。

关键词：燃气汽车；加气站类型；层次分析法；模糊综合评价法

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

Abstract：Combined 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 method．After the analysis and calculation，it is concluded that LNG refueling station has the best comprehensive performance．

Keywords：gas vehicle；type of refueling station；AHP；fuzzy comprehensive evaluation method

随着经济的高速发展，珠江三角洲地区(以下简称珠三角)的汽车保有量迅速增长，汽车尾气排放是城市大气环境污染的主要原因之一。采用LNG、LPG、CNG作为汽车燃料，可不同程度改善汽车发动机的排放性能，从而达到从根本上治理大气污染的目的。由于燃气具有易燃易爆危险性，并且大多数燃气加气站建在城市建成区，一旦发生安全事故，将造成人员伤亡、经济损失和恶劣的社会影响，因此选择满足安全性、环保性及经济性的综合性能好的燃气加气站类型非常重要。为保证珠三角燃气汽车加气站的安全性以及减少建设项目的资源浪费，有必要对加气站类型进行优化研究。

从2013年起，广东省政府规定省内新增的公交车全部为节能与新能源汽车，省内大部分城市已开始推广和使用天然气汽车，珠三角各城市燃气汽车保有量见表1。

广州作为目前国内“清洁能源替代”获得成功的城市，市区内80％的公交车和l00％的出租车都使用上了清洁环保的LPG；佛山市目前是广东省内发展LNG公交车最多的城市，LNG公交车、CNG与燃油双燃料出租车保有量分别占佛山市公交车、出租车总量的45％和90％；东莞市是珠三角发展天然气汽车较早的城市之一，CNG出租车保有量占东莞市出租车总量的80％以上；珠海市计划至2015年，将公交车、出租车全部替换为LNG公交车、CNG出租车[1]。随着珠三角大规模、区域化地推广清洁能源替代燃料汽车，不仅能够有效地降低汽车对传统的汽、柴油燃料的依赖度，还能进一步减少尾气污染，实现能源和交通运输的可持续发展。

目前珠三角主要的燃气汽车加气站类型为LPG加气站、LNG加气站、CNG常规加气站、LNG／L-CNG合建站、CNG加气子站和CNG加气母站、油气合建站[2]。珠三角燃气汽车加气站类型分布见表2，其中广州市的加气站主要为LPG加气站，拥有LPG加气站40座；深圳市拥有燃气汽车加气站21座，其中LNG加气站12座，CNG加气站9座；佛山市拥有燃气汽车加气站18座，其中CNG加气子站3座，LNG／L-CNG合建站10座，油气合建站5座；东莞市拥有29座燃气汽车加气站，其中16座CNG常规加气站，13座LNG加气站和LNG／L-CNG合建站。

本文对珠三角最常见的四种加气站类型(LPG加气站、LNG加气站、CNG常规加气站和LNG／L-CNG合建站)进行优化，分析目前珠三角建设何种类型燃气汽车加气站最符合加气站运营公司、运输公司和政府的需要。

燃气汽车加气站类型优化是一项系统工程，涉及到安全、经济、环保等多个方面[3-4]，为了系统地解决这一复杂的多目标决策问题层，本文基于层次分析法，利用层级结构将影响因素之间的复杂关系系统地链接起来，采用模糊综合评价法[5]建立加气站类型优化模型。该优化模型以评价指标体系为核心，通过分析加气站评价因素，设置经济、安全和环保三个方面核心指标，构建模糊综合评价模块对不同加气站类型进行综合评价并进行优先级排序，得到可优先选择和发展的加气站类型。

基于对珠三角燃气汽车加气站调研资料分析，结合前期各种类型加气站建站特点及运营条件，选取安全性、环保性和经济性作为优化分析的一级指标。

①加气站安全性

天然气的主要组分甲烷为甲类火灾危险物质，危险性的产生主要来源于燃气泄漏，比如：储罐储存过程存在危险性及本身形体破坏造成燃气泄漏；在运输和卸车过程中人员操作不当造成气体泄漏；潜液泵可能因密封问题失效而发生泄漏；加气机因接口脱落或软管爆裂造成漏气。一旦泄漏的燃气在空气中含量达到爆炸极限时，遇明火着火爆炸，酿成事故。管道气体流动可能产生静电、员工不按规范操作、设备维修操作不当等工艺过程都可能成为加气站火灾爆炸的安全隐患。

加气站安全性二级指标主要包括：储气装置、泵、压缩机、加气机、槽车、员工操作、维修保养和管道八个指标。

②加气站环保性

加气站施工及运营阶段各种设备产生的噪声、加气车辆的汽车尾气以及交通噪声、生活污水、垃圾等对环境都产生很大的影响。机动车尾气是城市大气污染的主要来源之一，CO2是导致全球气候变暖的主要原因，故机动车尾气污染是建站所必须考虑的重要因素之一[6]。

加气站环保性二级指标主要包括：加气车辆尾气、加气站运营设备噪声、生活污水和垃圾以及储罐气体排放四个指标。

③加气站经济性

各类型的加气站设备不同导致建站成本相差很大，气源价格变化导致燃料购置成本不同，不同燃料类型的加气站的燃料售价相差很大。故加气站的经济性主要体现在建站成本、燃料购置成本和经营成本等多个方面，同时也须考虑运输企业在使用清洁燃料时产生的经济效益[7]。

加气站经济性二级指标主要包括：建站成本、购买气价、销售气价、营运成本和加气车辆燃料成本五个指标。

2．2．1评语赋值

将专家评语分为“差、较差、一般、较好、好”五个等级，并将这五个等级评语进行量化。将分值区间[0，100]相应地分为五个等级区间，即[0，60)、[60，70)、[70，80)、[80，90)、[90，100]，F为5个等级区间的平均值组成的矩阵，即：

2．2．2评价指标权重的确定

①构造判断矩阵

根据加气站的优化评价体系中建立的递阶层次结构，在元素两两对比时，以S表示目标，所支配的下一层元素为X1，X2，…，Xn，采用1-9标度法可得到加气站各级指标的判断矩阵：

A=(apq) n×n (1)

式中A——加气站各级指标的判断矩阵

apq——元素Xp与Xq相对于目标的重要性的比例标度(p≤n，q≤n)，apq越大，表示Xp比Xq的重要程度越高

②判断矩阵A的特征向量(权重集)

采用几何平均法求解特征向量，计算公式为：

式中wp——矩阵A的特征向量的第p个元素

③判断矩阵A的最大特征值lmax

式中Pp——向量P的第p个元素

④一致性检验

在用层次分析法确定权重时，为了度量矩阵A中各元素apq的一致性，需计算一致性比率。引入一致性指标C：

C=(lmax-n)/(n-1) (5)

n阶矩阵随机指标T见表3，根据表3查出随机指标T，计算一致性比率CR：

CR=C/T (6)

如果CR<0.1，则矩阵A满足一致性要求，否则应修正apq值，直到满足CR<0.1为止。

本文采用单指标量化—多指标集成的评价方法对4种加气站类型进行综合评价[7-8]。

①单指标量化

将一级指标数量记为k，一级指标的第i个二级指标数量记为mi。一级指标模糊综合评判矩阵计算公式：

Bi=wiRi 　　　 (7)

式中Bi——第i个一级指标的模糊综合评判矩阵(为1×15矩阵)

wi——第i个一级指标的二级指标的权重集(为1×mi矩阵)

Ri——第i个一级指标的模糊综合关系矩阵(为mi×5矩阵)

针对加气站建站优化的方案分析，邀请燃气行业10位专家分别对这4种加气站类型进行评价，将专家评语分为五个等级，即差、较差、一般、较好、好，统计各二级指标各评语等级出现的比例，作为各一级指标的模糊综合关系矩阵Ri。Ri中元素Ruv表示第u个二级指标获得第v等级评语(”等于1～5分别对应差、较差、一般、较好、好)的比例。

②多指标集成

应用线性加权法将一级指标模糊综合评判矩阵耦合为加气站建站类型模糊综合判断矩阵。

式中B——加气站建站类型的模糊综合判断矩阵(为1×5矩阵)

w——一级指数权重集(为1×k矩阵)

R——模糊综合关系矩阵(为k×5矩阵)

③模糊综合评价结果

加气站建站类型优化得分计算公式为：

Y=BF　　　　　　(10)

式中Y——加气站建站类型优化得分(为1×1矩阵)

第i个一级指标的得分计算公式为：

Yi=BiF　　　　　 (11)

式中Yi——第i个一级指标的得分(为1×1矩阵)

本文以LNG加气站的经济性评价实例说明加气站类型模糊综合评价的实现过程。

通过对LNG加气站设备和工艺流程的了解，在现场调查分析和咨询有关专家的基础上，根据专家打分结果构造一级指标判断矩阵：

结合公式(2)，计算出矩阵A的特征向量(权重集)为w=(0.634，0.192，0.174)。根据公式(3)得最大特征值并进行一致性检验，一致性检验结果为：lmax=3.081，CR=0.07<0.10，通过一致性检验。

同理，根据1—9标度法得到经济性二级指标判断矩阵A3：

根据公式(2)可得LNG加气站的一级指标经济性的二级指标的权重集w3=(0.194，0.331，0.187，0.186，0.102)。同理可计算出安全性和环保性的二级指标的权重集，计算结果见表4。

首先建立LNG加气站一级指标经济性的模糊综合关系矩阵R3：

根据公式(7)可以得到其对应的一级指标经济性模糊综合判断矩阵B3=(0，0，0.0388，0.4322，0.5290)。同理，可分别求得其余两个一级指标模糊综合评判矩阵B1和B2。根据公式(9)得到模糊综合关系矩阵R：

综合一级指标权重集，根据公式(8)得LNG加气站的模糊综合判断矩阵BLNG：

BLNG=(0，0.0111，0.0518，0.3524，0.5847)

同理可得LPG加气站、CNG常规加气站、LNG／L-CNG合建站的模糊综合判断矩阵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)。

根据公式(11)计算得到LNG加气站的安全性指标得分为91.35，环保性指标得分为86.15，经济性指标得分为89.9。根据公式(10)计算得到LNG加气站建站类型优化得分为89.18。同理可计算出其余3种加气站各项一级指标得分及建站类型优化得分，见表5。

由表5可知，在安全性方面：LPG加气站>LNG加气站>LNG／L-CNG合建站>CNG常规加气站；环保性方面：LNG加气站>LNG／L-CNG合建站>CNG常规加气站>LPG加气站；经济性方面：LNG加气站>CNG常规加气站>LNG／L-CNG合建站>LPG加气站。根据建站类型优化得分，得出珠三角燃气汽车加气站建站类型模糊综合评价结果为：LNG加气站最好，LNG／L-CNG合建站次之，LPG加气站较好，CNG常规加气站最差。

①CNG常规加气站因受城市天然气管网的影响较大，且不能给LNG汽车加气，因此无法完全满足加气车辆的需求；LPG加气站在提高城市空气质量、加气车辆燃料节约成本等方面达不到交通运输公司和政府的要求。因此综合考虑安全、环保及经济几个要素，得出LNG加气站综合性能最好。

②由于LNG／L-CNG合建站的造价高，对资金需求量较大，又鉴于珠江三角洲地区CNG汽车保有量比较大的实际情况，可以先建设LNG加气站，当城市CNG汽车数量增加时，在原有的LNG加气站内加装相关设备以实现给CNG汽车加气。

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