LNG車載氣瓶

摘 要

摘要：介紹了LNG車載氣瓶的結(jié)構(gòu)及操作原理，列舉了國內(nèi)外主要廠家生產(chǎn)的LNG車載氣瓶技術(shù)參數(shù)及其在轎車、公交車、重型卡車中的應(yīng)用情況，指出了在經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保、無排放加氣及
摘要：介紹了LNG車載氣瓶的結(jié)構(gòu)及操作原理，列舉了國內(nèi)外主要廠家生產(chǎn)的LNG車載氣瓶技術(shù)參數(shù)及其在轎車、公交車、重型卡車中的應(yīng)用情況，指出了在經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保、無排放加氣及兼用于車輛制冷方面的優(yōu)勢(shì)。介紹了車載氣瓶的振動(dòng)試驗(yàn)、火燒試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)方法。
關(guān)鍵詞：LNG車栽氣瓶；LNG汽車；絕熱設(shè)備；低溫設(shè)備；LNG汽車供氣系統(tǒng)
LNG Vehicle Cylinder
MA Xiaohong，CHEN Shuping，REN Yongping，HE Fengjie
Abstract：The structure and operation principle of LNG vehicle cylinder are introduced.The technical parameters of LNG vehicle cylinder manufactured by main enterprises at home and abroad and its application in car，bus and heavy truck are listed.The advantages of LNG vehicle cylinder in economy，safety，environmental protection，emission-free refueling and vehicle refrigeration are Dointed out.The vibration test，burning test and drop test for LNG vehicle cylinder are Dresented.
Key words：LNG vehicle cylinder；LNG vehicle；adiabatic equipment；cryogenic equipment；LNG vehicle gas supply system
1 概述
    液化天然氣(Liquefied Natural Gas，簡稱LNG)是當(dāng)今世界公認(rèn)的清潔能源。它熱值高、燃燒充分、價(jià)格低，運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性及安全性好，深受廣大用戶歡迎。以LNG為燃料的液化天然氣汽車(Liquefied Natural Gas Vehicle，簡稱LNGV)已投入運(yùn)行。LNG車載氣瓶作為LNGV車載燃料系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，也受到廣泛關(guān)注，一些研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)、高校加大了研發(fā)的力度[1～3]。常規(guī)的LNG車載氣瓶工作壓力≤1.6MPa，國際市場價(jià)格為1000～5000美元[4]。它一般采用臥式，高真空多層絕熱，容積不超過600L，目前國內(nèi)市場上較多見的有45、160、175、200、335、375、410、450L。
2 LNG車載氣瓶發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用
2.1 發(fā)展現(xiàn)狀
    ① 國外
    LNG車載氣瓶于20世紀(jì)80年代在美國、加拿大、德國和法國等國開始研究，至20世紀(jì)90年代初技術(shù)已趨成熟，并開始小規(guī)模推廣。目前全世界約有逾1×104輛裝有LNG車載氣瓶的汽車在運(yùn)行，擁有LNGV最多的國家是美國、日本、俄羅斯和加拿大[5]。表1為美國LNG車載氣瓶技術(shù)指標(biāo)。
    國外LNG車載氣瓶生產(chǎn)廠家主要有美國泰萊華頓公司(Taylor Wharton)、美國查特深冷工程系統(tǒng)有限公司(Chart Industries Inc.)和俄羅斯JSC Cryogenmash等。
    美國泰萊華頓公司是世界上專門從事研究開發(fā)氣體控制設(shè)備的最大跨國廠商，該公司生產(chǎn)的LNG車載氣瓶規(guī)格齊全，LNG保存期長，方便使用，深受各國用戶歡迎。泰萊華頓公司生產(chǎn)的LNG車載氣瓶規(guī)格參數(shù)見表2。
表1 美國LNG車載氣瓶技術(shù)指標(biāo)
型號(hào)
LNG-72V
LNG-90V
LNG-119V
LNG-150V
公稱容積/L
272.5
340.7
450.5
567.8
外徑/mm
660.4
660.4
660.4
660.4
外形長度/mm
1320.8
1555.8
1930.4
2346.3
空質(zhì)量/kg
158.8
183.7
222.3
265.4
最大工作壓力/MPa
1.59
1.59
1.59
1.59
主安全閥泄放壓力/MPa
1.59
1.59
1.59
1.59
副安全閥泄放壓力/MPa
2.41
2.41
2.41
2.41
表2 美國泰萊華頓公司LNG車載氣瓶規(guī)格參數(shù)
型號(hào)
LNG-72V
LNG-90V
LNG-119V
LNG-150V
公稱容積/L
270
340
450
570
外徑/mm
660
660
660
660
外形長度/mm
1320
1555
1930
2346
空質(zhì)量/kg
177
202
241
284
主安全閥泄放壓力/MPa
1.59
1.59
1.59
1.59
副安全閥泄放壓力/MPa
2.07
2.07
2.07
2.07
    美國查特深冷工程系統(tǒng)有限公司(Chart Industries Inc.)是全球深冷和低溫設(shè)備行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，為廣大的深冷和低溫設(shè)備用戶提供標(biāo)準(zhǔn)化及客戶定制的產(chǎn)品和系統(tǒng)方案。該公司生產(chǎn)的LNG車載氣瓶技術(shù)參數(shù)見表3。
表3 美國查特深冷工程系統(tǒng)有限公司LNG車載氣瓶技術(shù)參數(shù)
型號(hào)
HLNG-52
HLNG-52
HLNG-63
HLNG-72
HLNG-97
HLNG-100
HLNG-119
HLNG-150
外徑/mm
510
660
610
660
61O
660
660
660
外形長度/mm
1450
1020
1270
1270
1800
1630
1910
2290
有效容積/L
174
178
223
250
333
341
409
511
公稱容積/L
197
197
238
273
367
379
450
568
空質(zhì)量/kg
111
134
125
159
200
190
229
279
滿質(zhì)量/kg
184
208
218
263
339
333
400
493
   俄羅斯JSC Cryogenmash是世界級(jí)低溫設(shè)備專業(yè)制造商，俄羅斯低溫工程領(lǐng)導(dǎo)者，從事低溫設(shè)備研究、開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、安裝、培訓(xùn)和服務(wù)工作，并承接交鑰匙工程。
   ② 國內(nèi)
   國內(nèi)企業(yè)也加快了LNG車載氣瓶的開發(fā)步伐。2002年8月，四川某公司55L車用低溫絕熱氣瓶試制成功；同月，配備該型車載氣瓶的樣車(羚羊SC7101 LNG/汽油兩用燃料轎車)順利通過國家重型汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心燃?xì)馄嚈z驗(yàn)室檢驗(yàn)[6]。2002年12月底，開發(fā)出35、55L的LNG車載氣瓶并成功打入市場。
    張家港某公司已與多家企業(yè)建立了長期的合作關(guān)系。該公司生產(chǎn)的LNG車載氣瓶的規(guī)格有275、335、375、450L，技術(shù)參數(shù)見表4。
    北京某公司是國內(nèi)最大的鋼瓶生產(chǎn)企業(yè)。該公司生產(chǎn)的LNG車載氣瓶規(guī)格有265、285、340、378、400、450L，技術(shù)參數(shù)見表5、6。
表4 張家港某公司LNG車載氣瓶技術(shù)參數(shù)(不帶自增壓裝置)
型號(hào)
CDPW500-275-1.59
CDPW600-335-1.59
CDPW600-375-1.59
CDPW600-450-1.59
外形尺寸[(長/mm)×(寬/mm)×(高/mm)]
1740×600×625
1570×700×740
1720×700×740
1970×700×740
有效容積/L
247
300
337
405
空質(zhì)量/kg
185
225
260
305
最大充液質(zhì)量/kg
105
127
143
172
安全閥泄放壓力/MPa
1.59
1.59
1.59
1.59
表5 HPDI T4型LNG車載氣瓶技術(shù)參數(shù)
型號(hào)
HPDI T4
公稱容積/L
265
378
450
有效容積/L
230
322
394
規(guī)格
Φ660.4×1472
Φ660.4×1875
Φ660.4×2143
空質(zhì)量/kg
226
277
312
最大充液質(zhì)量/kg
97
136
167
日蒸發(fā)率(LNG)/%
＜1.4
＜1.2
＜1.0
最高工作壓力/MPa
1.45
1.45
1.45
液位計(jì)形式
電容指示
電容指示
電容指示
表6 CDPW600型LNG車載氣瓶技術(shù)參數(shù)
型號(hào)
CDPW600-285-1.451
CDPW600-340-1.451
CDPW600-400-1.451
公稱容積/L
285
340
400
有效容積/L
254
303
356
規(guī)格
Φ660.4×1595
Φ660.4×1790
Φ660.4×2000
空質(zhì)量/kg
227
249
272
最大充液質(zhì)量/kg
108
128
152
日蒸發(fā)率(LNG)/%
＜1.8
＜1.7
＜1.5
最高工作壓力/MPa
1.45
1.45
1.45
液位計(jì)形式
電容指示
電容指示
電容指示
張家港某低溫裝備公司是國內(nèi)第一家設(shè)計(jì)和制造LNG車載氣瓶的企業(yè)。公司生產(chǎn)的LNG車載氣瓶規(guī)格有：60、275、335、450L；采用高真空多層纏繞絕熱，工作壓力≤1.6MPa。公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的LNG車載氣瓶已經(jīng)在烏魯木齊、貴陽等城市大量應(yīng)用，其中在烏魯木齊已經(jīng)使用近7年。
寧波某公司是專業(yè)生產(chǎn)壓力容器的企業(yè)，也是浙江省最大的壓力容器制造企業(yè)，在國內(nèi)行業(yè)中有一定知名度。公司生產(chǎn)的LNG車載氣瓶規(guī)格有175、195L等。
2.2 應(yīng)用
    LNG車載氣瓶在國外已逐步用于汽車、火車、船舶和飛機(jī)等交通工具。1985年10月，美國伯靈頓北方鐵路在從明尼阿普利斯到威斯康星的蘇必利爾的路段使用以LNG車載氣瓶為燃料箱的列車。此后美國、俄羅斯、比利時(shí)、芬蘭、德國、荷蘭、挪威、法國、西班牙、英國等國家都有LNG車載氣瓶投入使用的報(bào)道，歐洲的梅賽德斯一奔馳公司、曼公司、Messer公司、寶馬公司開發(fā)的新型汽車上也競相使用了LNG車載氣瓶。據(jù)稱日產(chǎn)、福特兩大集團(tuán)也正全力以赴開發(fā)以LNG車載氣瓶為燃料箱的汽車。LNG車載氣瓶應(yīng)用市場前景廣闊，主要集中在轎車、公交車、重型汽車等。
    ① LNG車載氣瓶應(yīng)用于轎車。早在1987年，莫斯科就有400多輛安裝有LNG車載氣瓶的轎車在運(yùn)行。2005年，我國貴陽市公交總公司和貴州大學(xué)進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)合作，利用舊車開始實(shí)施LNG車載氣瓶的安裝改造。2006年10月，國內(nèi)首臺(tái)裝有LNG車載氣瓶的試驗(yàn)轎車面世并載客運(yùn)營，自此貴陽出租車開始批量改造，首開全國在用車改造使用LNG車載氣瓶供氣的先河。截至2007年1月，貴陽市公交總公司成功改裝200輛LNG轎車，一次充滿LNG，測試運(yùn)行485km。表7為某公司生產(chǎn)的轎車用LNG車載氣瓶參數(shù)。
表7 轎車系列LNG車載氣瓶參數(shù)(工作壓力為1.6MPa)
公稱容積/L
有效容積/L
日蒸發(fā)率/%
空質(zhì)量/kg
40
36
3.6
46
62
55
3.1
58
70
63
3.0
62
111
100
2.8
84
    ② LNG車載氣瓶應(yīng)用于公交車。21世紀(jì)初，上海交通大學(xué)承擔(dān)了上海市液化天然氣公交車相關(guān)項(xiàng)目的開發(fā)研究工作，并成功通過技術(shù)驗(yàn)收。2003年，北京市利用國外技術(shù)在城市公交車上成功實(shí)施了LNG車載氣瓶供氣示范項(xiàng)目，驗(yàn)證了LNG車載氣瓶作為燃料箱的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性和相對(duì)于CNGV的優(yōu)勢(shì)。隨后，烏魯木齊、長沙、?？?、湛江等城市也已開始城市公交車使用LNG的示范應(yīng)用，還有一些城市也在進(jìn)行LNG車載氣瓶的可行性研究工作[7]。2009年4月底，湛江市100輛LNG公交車已安全行駛總里程達(dá)719×104km，車輛完好率為96.9%，與同運(yùn)營線路同品牌同規(guī)格的柴油公交車相比，燃料費(fèi)用下降26.3%，發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油費(fèi)用下降50%，尾氣排放除一項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于國Ⅲ未達(dá)國Ⅳ外，其余指標(biāo)均優(yōu)于國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。表8為某公司生產(chǎn)的公交車用LNG車載氣瓶參數(shù)。
表8 公交車系列LNG車載氣瓶參數(shù)(工作壓力為1.6MPa)
公稱容積/L
有效容積/L
日蒸發(fā)率/%
質(zhì)量/kg
200
180
1.9
170
240
215
1.9
188
275
240
1.9
210
373
335
1.6
280
456
410
1.5
320
    ③ LNG車載氣瓶應(yīng)用于重型卡車。早在2005年和2006年，陜西重汽和華菱汽車就把LNG重型卡車推向市場。東風(fēng)商用車、中國重汽、上汽依維柯紅巖、陜西重汽、華菱等多家主流重型卡車企業(yè)都已經(jīng)生產(chǎn)有帶LNG車載氣瓶的重型卡車產(chǎn)品。
2.3 LNG車載氣瓶的特點(diǎn)
   ① 經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)
   LNG溫度在-162℃左右，壓力約為0.1MPa，密度約為423kg/m3，氣化后體積約為液態(tài)體積的600～624倍，同容積LNG車載氣瓶盛裝量(質(zhì)量)是CNG的2.5倍。國外大型LNG貨車車載氣瓶一次加氣可連續(xù)行駛1000～1300km，非常適合長距離運(yùn)輸。國內(nèi)410L車載氣瓶加氣一次在市區(qū)可連續(xù)行駛400～500km，在高速公路加氣一次可連續(xù)行駛約700km?？梢奓NG汽車與現(xiàn)有的CNG、LPG汽車相比，大大提升了車輛續(xù)駛里程[8]。如珠海廣通汽車有限公司10.5m空調(diào)公交車采用335L的LNG車載氣瓶，一次充裝可續(xù)行530～550km。
    ② 安全性
    LNG的燃點(diǎn)為650℃，爆炸極限為5%～15%，氣化后密度較小，稍有泄漏會(huì)立即揮發(fā)擴(kuò)散；而LPG燃點(diǎn)為466℃，爆炸極限為2.4%～9.5%，氣化后密度大于空氣，泄漏后不易擴(kuò)散；汽油燃點(diǎn)為427℃，爆炸極限為1.0%～7.6%；柴油燃點(diǎn)為260℃，爆炸極限為0.5%～4.1%[8～9]?？梢娧b載LNG車載氣瓶的汽車比LPG、汽油、柴油汽車更安全。
    ③ 環(huán)保性
    LNG中甲烷含量(摩爾分?jǐn)?shù))在90%以上，且脫除了硫和水分，其組成比CNG更純凈，與燃油車相比，裝載LNG車載氣瓶的汽車有害物質(zhì)排放量降低約85%左右，被稱為真正的環(huán)保汽車。
   ④ 可實(shí)現(xiàn)無排放加氣
 實(shí)施無氣體排放加氣后，可有效減少天然氣氣體的泄放，節(jié)省了燃料，同時(shí)減少了發(fā)生火災(zāi)的可能[10]。以國內(nèi)為例，查特深冷工程系統(tǒng)(常州)有限公司推出了適用無排放加氣的LNG車載氣瓶系列產(chǎn)品，其加氣時(shí)間約為常規(guī)排放加氣時(shí)間的1/4。
   ⑤ 可用于車輛制冷
   利用LNG還可以改變以往汽車空調(diào)的設(shè)計(jì)思路。目前汽車空調(diào)裝置是基于壓縮式制冷原理開發(fā)的，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、控制繼電器、電子真空閥、加熱器、轉(zhuǎn)速真空穩(wěn)定器、過濾干燥器、電機(jī)以及風(fēng)扇等，這些裝置都需要汽車發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，必然降低汽車的有效功率。如果將LNG車載氣瓶內(nèi)的LNG用作燃料的同時(shí)又利用其氣化釋放的冷量來制冷和冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)，將大大提高汽車的效能。
3 LNG車載氣瓶結(jié)構(gòu)及操作原理
3.1 結(jié)構(gòu)
    LNG車載氣瓶的作用是儲(chǔ)存并供給燃料。當(dāng)LNGV工作時(shí)，LNG車載氣瓶中的液化天然氣在自身壓力作用下，從液體管道中流出，經(jīng)燃料切斷閥和過流閥進(jìn)入氣化器內(nèi)被加熱氣化，供汽車使用。
    LNG車載氣瓶由內(nèi)膽、外殼、絕熱結(jié)構(gòu)、支撐系統(tǒng)和剛性組件等組成。內(nèi)膽用以盛裝LNG，內(nèi)部有加注噴淋管、液位探頭等。外殼和內(nèi)膽之間是密閉的真空絕熱夾套，夾套采用高真空多層絕熱，又稱超級(jí)絕熱。外殼保護(hù)內(nèi)膽并對(duì)整個(gè)瓶體起支撐作用，具有高強(qiáng)度及良好絕熱性能的支承系統(tǒng)將內(nèi)膽懸掛在外殼之內(nèi)；支承結(jié)構(gòu)多采用軸向支撐固定內(nèi)膽。在移動(dòng)或運(yùn)輸過程中，內(nèi)膽容易發(fā)生振蕩，尤其對(duì)于滿液的LNG車載氣瓶，裝載的LNG自重所引發(fā)的支撐臂的彎曲不可被忽略，最大應(yīng)力主要出現(xiàn)在頸管與內(nèi)封頭連接處[4]。
3.2 操作原理
    開啟增壓閥，氣瓶底部液體通過增壓盤管與外殼內(nèi)壁進(jìn)行熱交換，轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡驼魵?，?jīng)組合調(diào)壓閥回到氣瓶氣相空間以增加氣瓶內(nèi)壓力。在使用過程中增壓閥可以一直處于開啟狀態(tài)，其管道是否流通由組合調(diào)壓閥來控制，當(dāng)氣瓶內(nèi)部壓力達(dá)到組合調(diào)壓閥設(shè)定壓力后，增壓系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉，使用結(jié)束后，手動(dòng)關(guān)閉增壓閥。進(jìn)液閥和出液閥用以控制低溫液體的充灌和排放，可通過專門軟管與閥前快速接頭相接，進(jìn)行對(duì)氣瓶的充灌和排放。排放閥與氣瓶氣相空間相連，開啟此閥可釋放氣瓶內(nèi)氣體使壓力降低。氣瓶液位計(jì)采用抗振、抗污染的電容式液位計(jì)，可有效防止過量充裝。
4 設(shè)計(jì)
    LNG車載氣瓶采用臥式雙圓筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽允許的最大盛液容積取0.9倍的公稱容積；內(nèi)膽的組成最多不超過3部分，即采用縱縫1條、環(huán)縫2條的結(jié)構(gòu)。
    水壓試驗(yàn)壓力為工作壓力的2倍，氣壓試驗(yàn)壓力為工作壓力的1.8倍，安全閥開啟壓力為工作壓力的1.1～1.2倍，爆破片爆破壓力不大于工作壓力的2倍。
5 安全性能試驗(yàn)
    LNG車載氣瓶在生產(chǎn)完成后，須通過一系列安全性能試驗(yàn)，包括振動(dòng)試驗(yàn)、火燒試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)等。
5.1 振動(dòng)試驗(yàn)
    振動(dòng)試驗(yàn)主要模擬檢驗(yàn)LNG車載氣瓶在汽車運(yùn)行條件下，內(nèi)膽與外殼的支撐結(jié)構(gòu)、管道系統(tǒng)等附件的耐久性。振動(dòng)試驗(yàn)前氣瓶中充裝與裝滿LNG等質(zhì)量的液氮，氣瓶處于完全冷卻狀態(tài)，壓力(表壓)為0MPa。振動(dòng)加速度為3g(g為重力加速度)，振動(dòng)方向?yàn)槠嚽斑M(jìn)方向的垂直方向。振動(dòng)完畢后，任何部位不得出現(xiàn)泄漏，靜置30min以上氣瓶外殼沒有結(jié)露或結(jié)霜現(xiàn)象為合格。
5.2 火燒試驗(yàn)
    火燒試驗(yàn)考察在汽車發(fā)生火災(zāi)情況下LNG車載氣瓶絕熱系統(tǒng)性能的安全可靠性。試驗(yàn)前氣瓶中充裝與裝滿LNG等質(zhì)量的液氮。試驗(yàn)采用天然氣(或液化石油氣)為燃料，在臥放的氣瓶正下部布置燃?xì)夤艿篮腿紵b置，保證氣瓶最低點(diǎn)距燃燒裝置120～130mm。燃燒裝置大小應(yīng)足以使氣瓶的主體邊緣完全置于火焰之中，因此燃燒裝置長度至少超出氣瓶在水平面投影長度100mm，寬度至少超出氣瓶在水平面投影寬度100mm，但超出長度均不大于200mm。保證足夠燃燒時(shí)間，氣瓶在規(guī)定時(shí)間內(nèi)安全閥不起跳為合格。
5.3 跌落試驗(yàn)
    跌落試驗(yàn)?zāi)M在汽車發(fā)生翻車情況下檢驗(yàn)LNG車載氣瓶受沖擊后的完整性。跌落試驗(yàn)包括對(duì)氣瓶最關(guān)鍵部位(自行指定，如封頭、簡體等，管道系統(tǒng)端除外)進(jìn)行10m高的跌落試驗(yàn)和對(duì)管道系統(tǒng)端3m高的跌落試驗(yàn)。跌落試驗(yàn)前，氣瓶應(yīng)裝滿與LNG等質(zhì)量的液氮，氣瓶處于完全冷卻狀態(tài)，壓力(表壓)為0MPa，地面為混凝土地面。跌落試驗(yàn)完畢后的1h內(nèi)，氣瓶外殼沒有結(jié)露或結(jié)霜現(xiàn)象為合格。
6 結(jié)語
    LNG車載氣瓶作為LNG汽車燃料系統(tǒng)的核心裝備，兼具成本低、充裝使用方便、體積小、自重輕、充裝量大、氣液純凈、運(yùn)輸裝卸方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，其研制開發(fā)為推廣和發(fā)展LNG汽車奠定基礎(chǔ)，對(duì)節(jié)約能源、改善城市大氣質(zhì)量具有重要意義。
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(本文作者：馬小紅1 陳叔平1 任永平1 何鋒杰2 1.蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院 甘肅蘭州 730050；2.常州市恒天不銹鋼有限公司 江蘇常州 213022)