摘 要

本文借助层次分析法（AHP）综合分析了武汉市天然气公交车的前景。首先根据全国天然气汽车产业和各城市天然气公交车发展情况，判断并总结各地天然气公交车主要发展模式和能源方案，结合武汉市实际发展情况和发展条件，将传统燃油公交车与天然气公交车对比，通过经济效益（经济性、产业发展、管理、政策支持）和社会效益（可靠性、安全性、环保性）两大准则分析和计算天然气公交车和传统燃油公交车的综合权重，最后将其对比以判断武汉市天然气公交车发展前景。

本文的研究结果表明，天然气（压缩天然气）依然是武汉公交最佳的能源方案，武汉公交应继续发展天然气公交车，完善天然气公交系统，着重发展气电混合动力公交车。

本文的特色：1.本文使用的层次分析法（AHP）运用了运筹学的模型，将定性问题量化分析，具有全面，准确的优势，在优化决策方面起到了至关重要的作用；2.本文选择在武汉市天然气供应稳定性下降，且经济效益逐步减弱的时期重新评估天然气公交车的前景具有重大的意义；3.本文采用案例对比法，通过大量总结和借鉴全国其他城市天然气公交车发展经验评估武汉市天然气公交车前景。

关键词：层次分析法；天然气公交车；压缩天然气；加气站

Abstract

In this paper, the prospect of natural gas bus in Wuhan is analyzed synthetically by Analytic Hierarchy Process (AHP). First of all, according to the National Natural gas automobile industry and the development of natural gas buses in various cities, judge and summarize the main development mode and energy plan of natural gas buses everywhere, combined with the actual development situation and development conditions of Wuhan City, the traditional fuel bus and natural gas bus comparison, through economic benefits (economy, industrial development, management, policy support) and social benefits (reliability, safety, environmental protection) two criteria to analyze and calculate the comprehensive weight of natural gas buses and traditional fuel buses, and finally compare them to judge the development prospects of natural gas buses in Wuhan.

The results of this paper show that natural gas (compressed natural gas) is still the best energy solution for Wuhan Public transport, Wuhan Public transport should continue to develop natural gas buses, improve the natural gas bus system, focusing on the development of gas-electric hybrid buses.

Features of this article: 1. The Analytic Hierarchy Process (AHP) used in this paper uses the model of operational research to quantitatively analyze qualitative problems, which has the advantages of comprehensiveness and accuracy, and plays an important role in optimizing decision-making. 2. This paper chooses to reassess the prospect of natural gas bus in the period of decreasing the stability of natural gas supply in Wuhan and weakening great significance. 3. In this paper, the case comparison method is used to evaluate the prospect of natural gas bus in Wuhan by summing up and drawing lessons from the development experience of natural gas buses in other cities throughout the country.

Key Words：Analytic Hierarchy Process；natural gas buses；compressed natural gas；

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 压缩天然气（CNG）客车 2

1.2.2液化天然气（LNG）客车 3

1.2.3 配套设施 4

1.2.3天然气及天然气公交车产业发展现状 5

第2章 天然气（CNG）公交系统技术发展 7

2.1 CNG发动机燃烧过程 7

2.2 CNG储备和供应系统 9

2.3 CNG燃料运输和充装系统 9

2.4CNG气电混合动力公交车 10

第3章 武汉市与全国其他城市天然气公交车发展情况对比 11

3.1武汉市天然气公交车发展概况 11

3.2全国其他城市天然气公交车发展概况 12

3.3对比总结 14

第4章运用层次分析法（AHP）综合评估武汉市天然气公交车前景 15

4.1各项准则评估 15

4.1.1经济性 16

4.1.2产业发展 18

4.1.3管理 19

4.1.4政策支持 21

4.1.5可靠（稳定）性 22

4.1.6安全性 24

4.1.7环保性 27

4.2计算各准则下各方案权重 29

4.2.1计算经济效益准则下各方案权重 29

4.2.2计算社会效益准则下各方案权重 30

4.3计算各方案综合总权重 31

第5章 结论与建议 32

参考文献 33

致谢 35

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

天然气作为主要能源之一，与石油及煤炭相比具有绿色环保的特点。近年来，碳排放过大导致全球“温室效应”加剧；以及我国在粗放式发展中产生的环境污染问题是保证可持续发展需要解决的关键问题。由于机动车保有量的持续快速增长，着手改变交通运输行业的能源结构迫在眉睫，因此，我们亟需发展天然气这种“清洁能源”。

随着我国“西气东输”工程的实施，预计未来天然气将会成为我国的主要能源。在交通运输产业中，天然气汽车较传统能源汽车具有明显的优势，其排放污染小、运行成本低、安全性能好、续航里程长(LNG)等优点带来了巨大的经济效益和社会效益。与乘用车相比，城市客车基数小，且单次航行里程较短，所以天然气成为了城市客车最佳替代能源的候选者。如今，在攻克一道道技术难关后，我国各大城市都已开展城市营运车辆“油改气”工程，天然气公交车也得到广泛的普及，发展形势一片大好。

武汉市是一座工业大城，环境污染形势严峻，其在加速产业结构调整的同时也正调整能源结构。武汉市公交车业已逐渐展开“油改气”工作，绝大多数油动公交车已被天然气公交车取代，其中气电混合动力（CNG气电混动）车辆将近半数，但是，由于湖北省天然气储量匮乏，其天然气气源多来自于我国西部省份，因而带来的气源可靠性较差、气源供给不稳定以及天然气储运成本过高，再加上政府政策补贴不力（LNG）等问题极大地限制了武汉市天然气公交车的发展，尤其在近几年的冬季用气高峰期，武汉市多次面临“气荒”危机，其中出租车甚至遭遇无气可加，被迫停运的窘境。虽然武汉公交也不乏纯电动车辆，它们有零排放、无污染、低噪音等特点,但是目前技术成熟度还有待进一步提升, 对使用环境的要求也较为苛刻。所以，天然气能否成为武汉市公共交通长期的最佳替代能源，还需要进一步分析研究。

1.2 国内外研究现状

天然气公交车现在主要有两种形式，一是压缩天然气，即CNG公交车（包括气电混合动力）；二是液化天然气，即LNG公交车。其中，压缩天然气是被压缩至10-25MPa的气态天然气，液化天然气是常压下被冷却液化的液态天然气。使用这两种燃料的公交车在环保性、安全性、经济性和行驶性能上各有优劣，而LNG与CNG燃料的充装、储运和配套基础设施方面也有很大的差别。LNG公交车技术目前还处在萌芽阶段，尚未完全成熟^[1]。

压缩天然气(CNG)和液化天然气(LNG), 两者都是替代燃料,有许多优点: 成本更低, 燃烧更完全, 更低的排放, 更低的噪音和更长的发动机寿命。CNG技术已经开发了几十年, 现在可以用于商用车。天然气与相同数量的柴油相比二氧化碳排放量降低约25%, 由于碳含量较低 (H∙Cminus;1=4), 因此, 这大大有助于减少全球变暖。例如，这使得巴士车身制造商去制造符合具有挑战性和义务性排放标准的天然气客车, 无需使用广泛采用的过滤技术，因为它们是遴选的催化还原系统，使用尿素或昂贵的添加剂。

1.2.1 压缩天然气（CNG）客车

现有的CNG客车动力系统主要分为2种燃烧形式，一种是CNG专用的点燃式发动机，这种发动机天然气燃烧效率高，但需要全新开发，开发成本较高；另一种是在现有柴油机基础上改造的双燃料可用压燃式发动机，天然气燃烧效率较前者低，但研发和改装成本较低，甚至可以直接在现有柴油动力车辆基础上改装。

我国已有对压缩天然气公交车排放特性和排放效果可靠成熟的分析结论，周煜、林博鸿^[2]等六人基于COPERT IV模型计算分析北京市国III国IVCNG公交车的排放因子，其中氮氧化合物、PM、CO排放与柴油客车相比得到明显抑制，而温室气体的排放则没有显著变化（即天然气汽车对解决“温室效应“的积极性不如预期）；楼狄明、成伟、冯谦^[3]则采用车载排放测试系统对国Ⅳ天然气公交车进行了实际道路排放测试，研究其颗粒物排放特征及粒径分布随车速、加速度及比功率的变化规律。这项动态的研究无疑为CNG客车的城市交通管理规划和CNG公交车的驾驶技术提供了有力的理论支持。Khan.M.I^[4]等人详细讨论了 CNG 性质、储存、安全问题及其对发动机性能、效率、排放的影响，选择经济、排放和安全方面作为天然气汽车比较评估的主要指标，指出与柴油、汽油等常规燃料相比，CNG 在排放和经济方面具有明显优势；于飞^[5]采用ECE城市循环模型对比采用同样动力匹配的柴油公交车和天然气公交车，计算得出结论，由于天然气发动机的Otto循环模式不同于柴油机的Dissel循环，因此在采用与柴油车相同的动力匹配方案时，天然气的“高效性”优势将不复存在，由此，他提出了针对天然气发动机的优化动力匹配方案；Rahimi.N^[6]等人通过研究 CNG 发动机提高氧气湿度后对氮氧化物和二氧化碳排放的影响，发现随着湿度的增加，燃烧温度将降低，可提高发动机的使用寿命；李维尊^[7]等人也从燃料价格便宜、车辆改装方便、汽车排气污染小、不积碳、安全可靠、车辆操作简单运行平稳六个方面论证了CNG公交车的前景。

1.2.2液化天然气（LNG）客车

液化后的天然气密度比汽油更低。单位容积下液化天然气密度仅为汽油的一半。虽然液化天然气的能量密度较汽油更高，但液化天然气的低温储气瓶重量较大，一般续驶里程在300公里左右的液化天然气汽车，加装储气瓶后，车辆的重量会增加300—500 公斤，这正是影响液化天然气汽车大范围推广的主要原因。目前，国内外已开发出各种材料和结构以及采用活性炭吸附技术的高强度轻质储气瓶储存液化天然气，这使液化天然气汽车的续航里程不断提高。汽车改用液化天然气，与压缩天然气一样，是为原有的传统燃油汽车加装储气瓶及供气管线，原供油系统不变，只是加了供气系统和油气转换开关，所以改装后的汽车既能用油又能用气，做到油、气两用，实现了汽车燃料选择的方便性和灵活性。同压缩天然气一样，现在的国内客车车身生产商和发动机生产商也推出了液化天然气专用发动机和原型客车。

国内已经有不少城市具备了发展LNG公交车的条件，吴浩洪和刘雪松^[15]通过比对LNG和CNG，得出LNG公交车较CNG具有安全性更高、排放污染更小、配套设施建设更简单、运营维护成本更低和使用方便性更好五大优势，但其在对燃料成本分析时并未考虑和比对LNG和CNG燃料在储运环节的成本，并表明我国天然气汽车已初步形成产业化规模和完备的管理体系，更重要的是，上海已备有可靠的LNG气源，显然，这为上海得以发展LNG公交车提供了必要的条件；雷洪钧^[16]指出北京对LNG公交车的定位——即占公交车总保有量的38%（已成为北京未来天然气客车的唯一能源形式）——对全国其他城市有一定示范作用，但也同时指出了因为没有同一的国家标准，液化天然气因其低温特性导致的使用中向外排放的问题无法及时得到解决，这将大大增加燃气损耗和排放污染；但杜小虎和张金峰^[17]提出了LNG设备的安全监测系统和紧急切断阀，以及LNG储罐中的防超压系统，同时二人也论证了LNG加气站的结构安全性，从而从技术可行性的角度上阐述了LNG公交车在广州发展的可能；袁仲荣^[18]也从加气站建设成本上比对得出LNG经济效益更好的结论，且不受天然气管网和建设用地限制，同时说明了LNG气源充足，但是也缺乏对全国各地尤其是天然气匮乏省份的储运成本分析，其次，他们也提到现在原有的车载LNG气瓶生产技术瓶颈已被打破，国内已有十多家企业可以生产。陈昊、韩斌^[19]等指出，CNG配套基础设施建设完善，而且由于市内公交车对续航里程要求较低，所以CNG气电混合动力是城市交通节能减排的必然选择，也是向纯电动方向过渡的最佳路径。但这篇文献未从各方面对此观点进行详细论证，也未比对LNG作为公交车燃料的性能；闫建伟^[20]等5人在对贵阳公交改用LNG研究时，首先论证了LNG公交车的技术可行性，并通过比对CNG公交车得出LNG公交车具有储存效率高，充装速度快以及低温下更为安全稳定的优点。

1.2.3 配套设施

在天然气的储存运输方面，Batzias.F.A^[8]等人提出一种新的泄漏检测传感器，通过生物传感器和传统的检测器相结合，可以为现场检测提供可靠的检测信息。该方案已在希腊管道网络的泄漏检测中得到了应用，并取得了良好成效;Laciak^[9]等人对储存中LNG分层的形成、演化过程以及产生机理进行了研究，提出了LNG在输送过程中的密度不同，当新的LNG被运送到储罐时，可能会使罐中的液体分层甚至翻转，导致LNG迅速气化，罐中的压力瞬间增大而出现危险的解决方式，从而有效避免该种情况的发生；Medvedeva.O.N^[10]等人提供一个 LNG 远距离输送的方案，该方案可以显著改善工程服务，扩大液化天然气厂的供给范围而不需要额外的能源消耗。

在天然气加气站建设方面，刘新^[11]指出撬装式加气站和深埋储罐式加气站拥有良好的前景，撬装式加气站建设周期短、运行成本低、节省用地、布局灵活，可以市场为导向及时调整气站位置，尤为适宜在城区推广，橇装式加气站的建设又可有效促进燃气汽车的推广应用。储罐深埋式加气站则不仅安全可靠，还可以节约土地资源。Liu.M^[12]等人提出了典型的橇装式 LNG 加气站的工艺流程及技术要求，为加气站建设提供参考；于振邦^[13]探讨了加气站经营的安全性问题，提出包括私自改装天然气汽车和加气枪结构安全隐患在内的多个问题；但与此同时，焦洪峰^[14]等人提出了一种 CNG 加气站监控系统，可对加气站运行情况进行实时监控，确保加气站安全运行。

综上所述，国内外的研究表明，CNG作为公交车燃料的优点一般有：1.已具有一定规模的配套设施；2.已有完善成熟的发展经验、改装标准和管理制度；3.运输成本较低。但CNG在燃料燃烧效率和排放控制上则不如LNG，且充装效率低，加气站建设灵活性不高，且建设成本较高，安全稳定性也不如LNG，而且CNG管输气源供气稳定性也不足。

1.2.3天然气及天然气公交车产业发展现状

据所掌握的文献资料分析，扩大天然气在交通运输行业中的运用是很多国家拓展天然气应用范围的主要方向^[21]，截至2013年，天然气汽车已在全球80多个国家得到推广应用，70多家车企生产制造天然气汽车，截至2011年12月，巴基斯坦、伊朗、巴西、阿根廷和中国天然气汽车保有量都超过1000000辆，加气站数量也都超过1000座^[22]。2015年，中国的天然气汽车保有量和加气站数量已跃居世界第一^[23]。但是国际上有许多发展中国家和天然气进口国都面临天然气经济效益不如煤炭和对气源国依存度过高的问题，而发达国家则普遍面临政府对天然气重视不足和利用天然气可再生技术解决天然气开采量不足的难题，所以不同国家不同城市发展天然气需要因地制宜^[24]。扩大液化天然气应用、加大页岩气和可燃冰的开采以及研究天然气可再生技术不仅是世界天然气产业更是我国天然气产业的发展趋势。

Lochner.S^[25]等人研究指出世界上部分地区的天然气产量在迅速下降，欧洲、美国和日本成为了新的天然气需求中心，LNG 在全球范围内得到广泛应用；苏幼明^[26]等人总结分析了国际 LNG 生产与贸易现状，介绍了世界 LNG 资源的开发情况，对全球 LNG 贸易、消费市场及贸易方式和特点进行了详细分析，提出了 LNG 产业开发和可持续发展的基本信息和依据。

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