車用液化天然氣供氣系統(tǒng)工藝與設(shè)備

摘 要

摘要：車用LNG供氣系統(tǒng)主要由車用LNG氣瓶、車用氣化器、燃?xì)夤┙o裝置、穩(wěn)壓閥、安全裝置組成。闡述了車用LNG供氣系統(tǒng)原理、要求、各設(shè)備功能及其技術(shù)條件，介紹了車用LNG供氣系
摘要：車用LNG供氣系統(tǒng)主要由車用LNG氣瓶、車用氣化器、燃?xì)夤┙o裝置、穩(wěn)壓閥、安全裝置組成。闡述了車用LNG供氣系統(tǒng)原理、要求、各設(shè)備功能及其技術(shù)條件，介紹了車用LNG供氣系統(tǒng)的供氣工藝、過壓保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)。
關(guān)鍵詞：LNG汽車；車用LNG供氣系統(tǒng)；LNG氣瓶
Process and Equipment for LNG Supply System for Vehicles
WU Beimin，CHEN Shuping，YIN Jinsong，XIE Fushou，YAO Shuting
Abstract：LNG supply system for vehicles is composed of LNG cylinder，vaporizer，gas supply device，constant pressure valve and safety device.The principle and requirements of LNG supply system for vehicles，functions and technical conditions of various equipment are described.Key techniques of LNG supply system for vehicles，such as gas supply process，overpressure protection and so on are introduced.
Key words：LNG vehicle；LNG supply system for vehicles；LNG cylinder
1 概述
   天然氣汽車被稱為綠色環(huán)保汽車，近年來在國內(nèi)外發(fā)展迅速。世界上已有70多個國家擁有天然氣汽車，天然氣汽車總量超過850×104輛，并且以年均30%的速度增長，天然氣汽車加氣站則超過了12000座。截至2008年底，國內(nèi)超過120座城市已經(jīng)推廣使用天然氣汽車，擁有天然氣汽車約40×104輛，天然氣汽車加氣站達(dá)1000余座[1～3]。天然氣汽車主要有LNG汽車、CNG汽車和吸附天然氣(ANG)汽車。LNG汽車與其他類型天然氣汽車相比，具有安全、經(jīng)濟(jì)、續(xù)駛里程長、環(huán)保性能更優(yōu)等特點(diǎn)；LNG汽車加氣站建站投資少，占地少，無需大型動力設(shè)備，運(yùn)行成本低，加氣站無噪聲，加氣與汽油、柴油一樣快捷；LNG可用專用槽車運(yùn)輸，建站不受天然氣管網(wǎng)限制，便于規(guī)?；茝V[4～6]。國外LNG汽車已經(jīng)產(chǎn)品化，在美國、日本、澳大利亞等國均有應(yīng)用。美國在LNG車用技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，從推廣車型來看，LNG不僅適用于城市公交車，也適用于出租車和大型貨運(yùn)車輛，尤其是長途車輛。從美國和歐洲的趨勢看，各國的天然氣汽車的研制重心已經(jīng)由CNG汽車轉(zhuǎn)向LNG汽車[7]。我國LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，已形成自主生產(chǎn)和進(jìn)口相結(jié)合的發(fā)展道路。隨著我國第一個LNG接收終端——深圳大鵬LNG接收終端的成功運(yùn)行，國內(nèi)已經(jīng)批準(zhǔn)實(shí)施了10余個LNG接收站工程，另有超過20個在建及規(guī)劃中的項目[8]，主要集中在廣東、福建、浙江、海南、河北等沿海省份，為發(fā)展LNG汽車提供了氣源保障。發(fā)展LNG汽車是我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)保的需要，也是未來天然氣汽車發(fā)展的理想途徑。
2 車用LNG供氣系統(tǒng)原理與要求
    液化天然氣汽車動力系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)和車用LNG供氣系統(tǒng)組成。車用LNG供氣系統(tǒng)是LNG汽車的核心部分，主要由車用LNG氣瓶、車用氣化器、穩(wěn)壓閥、燃?xì)夤┙o裝置、穩(wěn)壓罐、安全裝置等組成[9～10]。液化天然氣通過管路系統(tǒng)進(jìn)入氣化器后，由發(fā)動機(jī)的冷卻水加熱氣化成氣體，經(jīng)過穩(wěn)壓閥，使壓力降至適合發(fā)動機(jī)的需要；再通過穩(wěn)壓罐經(jīng)電磁閥供給發(fā)動機(jī)。圖1為車用LNG供氣系統(tǒng)原理。
 

    車用LNG供氣系統(tǒng)具有自增壓、穩(wěn)壓供氣、過壓保護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)向發(fā)動機(jī)供應(yīng)天然氣。其基本要求為[11]：能在發(fā)動機(jī)各種工況下提供合適濃度的混合氣；天然氣與空氣混合均勻；低溫起動可靠，怠速運(yùn)行穩(wěn)定；車用LNG氣瓶內(nèi)壓力始終比發(fā)動機(jī)要求的進(jìn)氣壓力高0.2MPa以上；管路設(shè)計合理，調(diào)節(jié)方便，供氣管路上的穩(wěn)壓閥出口設(shè)定壓力比發(fā)動機(jī)要求的進(jìn)氣壓力高0.05～0.10MPa；液位和壓力顯示系統(tǒng)靈敏，準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)。
3 車用LNG供氣系統(tǒng)
3.1 車用LNG氣瓶
    車用LNG氣瓶是LNG汽車供氣系統(tǒng)的重要組成部分，屬于小型移動式真空絕熱低溫容器，主要由內(nèi)膽、外殼、絕熱結(jié)構(gòu)、支撐系統(tǒng)和附件等組成。內(nèi)膽設(shè)計溫度為-196℃，設(shè)計壓力為2.5MPa，最大允許工作壓力為1.6MPa，內(nèi)部設(shè)有液體噴淋管、液體排出管、氣體排出管等裝置，外壁上纏繞多層絕熱層。外殼保護(hù)內(nèi)膽并對整體起支撐作角，外殼和內(nèi)膽之間是密閉的真空夾套空間，夾套間填充了具有高絕熱性能的玻璃棉和低熱導(dǎo)率的鋁箔等絕熱材料。在夾套間設(shè)置了低溫吸附劑和常溫吸附劑，可保證氣瓶不論在低溫使用或是常溫閑置時，都有良好的夾套空間真空度。LNG氣瓶所有的管路、閥件都設(shè)置在氣瓶的一端，并用保護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)。
    車用LNG氣瓶必須滿足以下基本要求：①LNG氣瓶所有附件工作壓力等級不得低于LNG氣瓶的最大允許工作壓力。②絕熱性能可靠，日蒸發(fā)率小于2%，至少可帶液靜置7d安全閥不開啟[10]；③具有合適的液體充裝率。由于外界不可避免有熱量傳入，或者由于運(yùn)行中的晃動，蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體也不能任意排放，因此必須保證LNG氣瓶有足夠的氣相空間，使壓力升高不致過快，以保證LNG氣瓶的安全靜置時間。④在滿足絕熱性能的前提下，支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡化且必須有足夠的強(qiáng)度。⑤具有良好的抗沖擊性能。汽車在運(yùn)行過程中，由于劇烈顛簸、沖擊而使氣瓶內(nèi)膽與外殼之間容易發(fā)生相對位移和結(jié)構(gòu)變形，而LNG加注時的沖擊力也容易引起內(nèi)膽的晃動，為了保證運(yùn)輸?shù)陌踩?，要求LNG氣瓶具有良好的抗沖擊性能。
3.2 車用氣化器
    車用氣化器是將LNG氣化并根據(jù)發(fā)動機(jī)工況自動調(diào)節(jié)氣化量然后供給發(fā)動機(jī)工作的裝置，、一般采用水浴式氣化器，以發(fā)動機(jī)循環(huán)冷卻水做熱源(少量即可)，既能氣化LNG，又能有效利用廢熱，同時改善發(fā)動機(jī)性能。水浴式氣化器是一種典型的小型管殼式結(jié)構(gòu)，串聯(lián)在發(fā)動機(jī)冷卻水回路上。為避免氣化器出口天然氣溫度過高，采用順流換熱方式，利用發(fā)動機(jī)冷卻水對LNG進(jìn)行加熱氣化、發(fā)動機(jī)工作在不同工況下，流經(jīng)氣化器的燃料流量也將隨之變化，這種流量的變化主要依賴于LNG氣瓶和氣化器出口的壓力差。隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的增加，該壓力差也將隨之增加，從而使天然氣流量也增加，反之亦然。
   氣化器具有良好的換熱性能并能供給足夠的熱量，需滿足以下基本要求：①氣化量(以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計)。小型車10m3/h左右，大型車或重型車30m3/h左右。②氣化器出口溫度。發(fā)動機(jī)的冷卻水達(dá)到正常水溫(80～90℃)時，氣化器出口的天然氣溫度在5～30℃。③汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 245—2002《壓縮天然氣汽車專用裝置和安裝要求》規(guī)定，氣化器應(yīng)安裝在氣瓶和發(fā)動機(jī)之間，靠近發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管和振動較小的位置，但不應(yīng)直接安裝在發(fā)動機(jī)上。④氣化器一般水平放置，冷卻水的流向應(yīng)與LNG的流向一致，熱水進(jìn)出口應(yīng)在上方，避免形成氣阻。
3.3 燃?xì)夤┙o裝置
    燃?xì)夤┙o裝置是指氣化器后的燃?xì)夤┙o和控制裝置，包括穩(wěn)壓閥、混合器和電磁閥等。當(dāng)氣瓶內(nèi)液體溫度升高時，氣瓶壓力升高，安裝在氣化器和電磁閥之間的穩(wěn)壓閥將天然氣降至穩(wěn)壓閥的設(shè)定壓力，從而保證進(jìn)入發(fā)動機(jī)的天然氣滿足發(fā)動機(jī)技術(shù)要求。混合器是一種利用文丘里原理，保證空氣、燃料在靜態(tài)與動態(tài)下均能按正確比例混合的機(jī)械裝置，混合器能根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化，增減混合氣的供應(yīng)量，以適應(yīng)發(fā)動機(jī)在起動、怠速、加速等不同運(yùn)行工況下正常運(yùn)行的需要[12～13]，混合器一般安裝于空氣濾清器的空氣管路上。電磁閥主要用來通斷燃?xì)猓瑢?shí)現(xiàn)燃?xì)獾目刂坪涂烧{(diào)，應(yīng)確保車輛總電源處于接通狀態(tài)而發(fā)動機(jī)沒有啟動時，燃?xì)夤苈啡匀惶幱陉P(guān)閉狀態(tài)。
3.4 穩(wěn)壓閥
   一般情況下天然氣發(fā)動機(jī)不能直接接受車用LNG氣瓶最大允許工作壓力的天然氣，在給發(fā)動機(jī)供氣之前應(yīng)對氣化器產(chǎn)生的天然氣進(jìn)行調(diào)壓。因此需要在供氣管路上配置穩(wěn)壓閥，將氣化器產(chǎn)生的天然氣壓力調(diào)到車用壓力0.4～1.0MPa，使供氣壓力和流量在發(fā)動機(jī)要求的范圍內(nèi)。壓縮天然氣(CNG)由于壓力高需采用三級調(diào)壓，而LNG采用一級調(diào)壓就可以達(dá)到發(fā)動機(jī)技術(shù)要求。
   穩(wěn)壓閥工作溫度為-196～+120℃，出口壓力范圍為0.3～1.0MPa，規(guī)格依據(jù)發(fā)動機(jī)用氣流量要求決定，出口壓力可根據(jù)發(fā)動機(jī)要求設(shè)定。
3.5 安全裝置
   安全裝置主要由主安全閥、副安全閥、壓力表、液位計(由信號轉(zhuǎn)換器和液位顯示器組成)、過流閥、放空閥和止回閥等組成。氣瓶內(nèi)膽設(shè)計有兩級安全閥，在超壓時起到雙重保護(hù)的作用。在超壓情況下首先打開的是主安全閥，副安全閥的壓力設(shè)定值比主安全閥高，在主安全閥失效或發(fā)生堵塞時，副安全閥啟動。氣瓶采用電容式液位計，該系統(tǒng)由傳感器、信號轉(zhuǎn)換器和顯示儀表組成。根據(jù)氣瓶內(nèi)的液面高度產(chǎn)生一個成線性比例的電信號，并傳送給信號轉(zhuǎn)換器，再由信號轉(zhuǎn)換器傳送給顯示儀表。過流閥的作用是當(dāng)下游(主要指氣化器之后)供氣管路一旦發(fā)生破裂或斷開事故時，LNG流量超過設(shè)定值，過流閥迅速切斷氣路，避免LNG大量外泄。放空閥是在系統(tǒng)檢修或車輛長期停駛時用來排盡氣瓶內(nèi)殘存的燃料。放空口一般設(shè)置在車輛外廓的最高點(diǎn)，且遠(yuǎn)離火源和蓄電池等部件。止回閥用于防止流體反向流動。各種閥門要求固定牢靠，密封性能良好，開閉靈活有效。
4 車用LNG供氣系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
4.1 供氣工藝
    LNG用作車用燃料，儲存過程中由于外界熱量的傳入使得車用LNG氣瓶內(nèi)壓力持續(xù)升高，最終將導(dǎo)致LNG過度排放，氣瓶內(nèi)LNG組成也會逐漸變重，繼而影響發(fā)動機(jī)的性能和壽命。為了解決壓力控制和燃料輸送問題，通常采用過冷工藝和飽和工藝車用供氣系統(tǒng)[14]。
    過冷工藝車用供氣系統(tǒng)：車用氣瓶內(nèi)儲存低飽和壓力的過冷LNG(壓力為0.345MPa)，同等容積所攜帶的燃料量大，LNG汽車的續(xù)駛里程遠(yuǎn)，但為了達(dá)到發(fā)動機(jī)系統(tǒng)所需輸送壓力(0.4～1.0MPa)，通常需要增設(shè)增壓系統(tǒng)來達(dá)到所需的工作壓力，使系統(tǒng)更為復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性變差。
    飽和工藝車用供氣系統(tǒng)：車用氣瓶內(nèi)儲存飽和壓力的飽和LNG(壓力為0.758MPa)，液體密度小于過冷LNG的密度，單位容積攜帶的燃料略少。通常采用一個節(jié)約閥來自動控制車用氣瓶的壓力，無須增加液體增壓設(shè)備。當(dāng)車用氣瓶壓力高于節(jié)約閥的設(shè)定值時，節(jié)約閥打開，LNG蒸氣優(yōu)先輸出；當(dāng)車用氣瓶壓力低于節(jié)約閥的設(shè)定值時，節(jié)約閥關(guān)閉，只有LNG飽和液體流出。飽和工藝車用LNG供氣工藝因其工藝簡單、可靠、操作方便，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于過冷工藝車用LNG供氣工藝，在國內(nèi)現(xiàn)有的LNG汽車上得到了大量運(yùn)用。
4.2 過壓保護(hù)
    如果發(fā)動機(jī)長時間不運(yùn)行，LNG吸熱氣化導(dǎo)致車用LNG氣瓶內(nèi)壓力超過最大允許工作壓力，此時主安全閥(設(shè)定壓力為1.6MPa)打開，超壓氣體經(jīng)阻火器后排放至大氣。如果主安全閥故障導(dǎo)致無法打開，車用LNG氣瓶內(nèi)壓力會繼續(xù)升高至副安全閥的設(shè)定壓力(2.5MPa)，副安全閥打開釋放壓力[15]。當(dāng)壓力逐漸降低到各安全閥設(shè)定的壓力值后，安全閥將自動關(guān)閉。另外，在系統(tǒng)檢修或車輛長時間不用時可通過放空閥排盡氣瓶內(nèi)殘存氣體。
4.3 加注技術(shù)
    LNG加注技術(shù)分排放加注和無排放加注。排放加注是利用車用LNG氣瓶上手動放空閥排放車用LNG氣瓶內(nèi)的氣體，以降低車用LNG氣瓶內(nèi)的壓力，加快加注速度。
    鑒于排放加注的種種不利因素，無排放加注技術(shù)越來越受到市場的青睞。無排放加注是指在加注過程中只有加注管路與低溫儲罐相連，其他管路都與外界無連接的加注過程[16]。無排放LNG加注采用效果較優(yōu)的軸心頂部單管直噴結(jié)構(gòu)(見圖1)，減少充裝阻力，可使氣瓶內(nèi)膽中的部分氣相被LNG液化，以保持充裝過程中內(nèi)膽氣相壓力的相對穩(wěn)定性。當(dāng)大量飽和液體LNG從低溫儲罐進(jìn)入車用LNG氣瓶時，加進(jìn)去的LNG直接吸收車用LNG氣瓶內(nèi)氣體的熱量，使瓶內(nèi)壓力降低，減少車用LNG氣瓶頂部氣相空間，從而提高了加氣速度。
4.4 無損儲存
    無損儲存是低溫液體儲運(yùn)的一個過程。低溫液體的儲存溫度低，與周圍環(huán)境有較大的溫差，低溫液體吸熱后蒸發(fā)，為了減少蒸發(fā)氣體的消耗，在儲運(yùn)過程中，所有的閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，這就是無損儲存[17]。液化天然氣的溫度與環(huán)境溫度可相差120K以上，因此在其儲運(yùn)過程中對熱量的傳入極其敏感。隨著熱量的逐漸傳入，當(dāng)液化天然氣的溫度高于氣瓶內(nèi)壓力所對應(yīng)的飽和溫度時，LNG會蒸發(fā)導(dǎo)致氣瓶壓力升高較快，當(dāng)壓力超過安全限定壓力，則安全閥開啟，大量儲存氣體被泄放。
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(本文作者：吳北民1 陳叔平1 殷勁松2 謝福壽1 姚淑婷1 1.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院 甘肅蘭州730050；2.張家港富瑞特種裝備股份有限公司 江蘇張家港 215637)