车用液化天然气供气系统工艺与设备

摘 要

摘要：车用LNG供气系统主要由车用LNG气瓶、车用气化器、燃气供给装置、稳压阀、安全装置组成。阐述了车用LNG供气系统原理、要求、各设备功能及其技术条件，介绍了车用LNG供气系
摘要：车用LNG供气系统主要由车用LNG气瓶、车用气化器、燃气供给装置、稳压阀、安全装置组成。阐述了车用LNG供气系统原理、要求、各设备功能及其技术条件，介绍了车用LNG供气系统的供气工艺、过压保护等关键技术。
关键词：LNG汽车；车用LNG供气系统；LNG气瓶
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
   天然气汽车被称为绿色环保汽车，近年来在国内外发展迅速。世界上已有70多个国家拥有天然气汽车，天然气汽车总量超过850×104辆，并且以年均30%的速度增长，天然气汽车加气站则超过了12000座。截至2008年底，国内超过120座城市已经推广使用天然气汽车，拥有天然气汽车约40×104辆，天然气汽车加气站达1000余座[1～3]。天然气汽车主要有LNG汽车、CNG汽车和吸附天然气(ANG)汽车。LNG汽车与其他类型天然气汽车相比，具有安全、经济、续驶里程长、环保性能更优等特点；LNG汽车加气站建站投资少，占地少，无需大型动力设备，运行成本低，加气站无噪声，加气与汽油、柴油一样快捷；LNG可用专用槽车运输，建站不受天然气管网限制，便于规模化推广[4～6]。国外LNG汽车已经产品化，在美国、日本、澳大利亚等国均有应用。美国在LNG车用技术上处于领先地位，从推广车型来看，LNG不仅适用于城市公交车，也适用于出租车和大型货运车辆，尤其是长途车辆。从美国和欧洲的趋势看，各国的天然气汽车的研制重心已经由CNG汽车转向LNG汽车[7]。我国LNG产业发展势头强劲，已形成自主生产和进口相结合的发展道路。随着我国第一个LNG接收终端——深圳大鹏LNG接收终端的成功运行，国内已经批准实施了10余个LNG接收站工程，另有超过20个在建及规划中的项目[8]，主要集中在广东、福建、浙江、海南、河北等沿海省份，为发展LNG汽车提供了气源保障。发展LNG汽车是我国能源结构调整和环保的需要，也是未来天然气汽车发展的理想途径。
2 车用LNG供气系统原理与要求
    液化天然气汽车动力系统主要由发动机和车用LNG供气系统组成。车用LNG供气系统是LNG汽车的核心部分，主要由车用LNG气瓶、车用气化器、稳压阀、燃气供给装置、稳压罐、安全装置等组成[9～10]。液化天然气通过管路系统进入气化器后，由发动机的冷却水加热气化成气体，经过稳压阀，使压力降至适合发动机的需要；再通过稳压罐经电磁阀供给发动机。图1为车用LNG供气系统原理。
 

    车用LNG供气系统具有自增压、稳压供气、过压保护等功能，实现向发动机供应天然气。其基本要求为[11]：能在发动机各种工况下提供合适浓度的混合气；天然气与空气混合均匀；低温起动可靠，怠速运行稳定；车用LNG气瓶内压力始终比发动机要求的进气压力高0.2MPa以上；管路设计合理，调节方便，供气管路上的稳压阀出口设定压力比发动机要求的进气压力高0.05～0.10MPa；液位和压力显示系统灵敏，准确，抗干扰能力强。
3 车用LNG供气系统
3.1 车用LNG气瓶
    车用LNG气瓶是LNG汽车供气系统的重要组成部分，属于小型移动式真空绝热低温容器，主要由内胆、外壳、绝热结构、支撑系统和附件等组成。内胆设计温度为-196℃，设计压力为2.5MPa，最大允许工作压力为1.6MPa，内部设有液体喷淋管、液体排出管、气体排出管等装置，外壁上缠绕多层绝热层。外壳保护内胆并对整体起支撑作角，外壳和内胆之间是密闭的真空夹套空间，夹套间填充了具有高绝热性能的玻璃棉和低热导率的铝箔等绝热材料。在夹套间设置了低温吸附剂和常温吸附剂，可保证气瓶不论在低温使用或是常温闲置时，都有良好的夹套空间真空度。LNG气瓶所有的管路、阀件都设置在气瓶的一端，并用保护罩进行保护。
    车用LNG气瓶必须满足以下基本要求：①LNG气瓶所有附件工作压力等级不得低于LNG气瓶的最大允许工作压力。②绝热性能可靠，日蒸发率小于2%，至少可带液静置7d安全阀不开启[10]；③具有合适的液体充装率。由于外界不可避免有热量传入，或者由于运行中的晃动，蒸发产生的气体也不能任意排放，因此必须保证LNG气瓶有足够的气相空间，使压力升高不致过快，以保证LNG气瓶的安全静置时间。④在满足绝热性能的前提下，支撑结构应尽量简化且必须有足够的强度。⑤具有良好的抗冲击性能。汽车在运行过程中，由于剧烈颠簸、冲击而使气瓶内胆与外壳之间容易发生相对位移和结构变形，而LNG加注时的冲击力也容易引起内胆的晃动，为了保证运输的安全性，要求LNG气瓶具有良好的抗冲击性能。
3.2 车用气化器
    车用气化器是将LNG气化并根据发动机工况自动调节气化量然后供给发动机工作的装置，、一般采用水浴式气化器，以发动机循环冷却水做热源(少量即可)，既能气化LNG，又能有效利用废热，同时改善发动机性能。水浴式气化器是一种典型的小型管壳式结构，串联在发动机冷却水回路上。为避免气化器出口天然气温度过高，采用顺流换热方式，利用发动机冷却水对LNG进行加热气化、发动机工作在不同工况下，流经气化器的燃料流量也将随之变化，这种流量的变化主要依赖于LNG气瓶和气化器出口的压力差。随着发动机负荷的增加，该压力差也将随之增加，从而使天然气流量也增加，反之亦然。
   气化器具有良好的换热性能并能供给足够的热量，需满足以下基本要求：①气化量(以标准状态计)。小型车10m3/h左右，大型车或重型车30m3/h左右。②气化器出口温度。发动机的冷却水达到正常水温(80～90℃)时，气化器出口的天然气温度在5～30℃。③汽车行业标准QC/T 245—2002《压缩天然气汽车专用装置和安装要求》规定，气化器应安装在气瓶和发动机之间，靠近发动机进气管和振动较小的位置，但不应直接安装在发动机上。④气化器一般水平放置，冷却水的流向应与LNG的流向一致，热水进出口应在上方，避免形成气阻。
3.3 燃气供给装置
    燃气供给装置是指气化器后的燃气供给和控制装置，包括稳压阀、混合器和电磁阀等。当气瓶内液体温度升高时，气瓶压力升高，安装在气化器和电磁阀之间的稳压阀将天然气降至稳压阀的设定压力，从而保证进入发动机的天然气满足发动机技术要求。混合器是一种利用文丘里原理，保证空气、燃料在静态与动态下均能按正确比例混合的机械装置，混合器能根据发动机转速和负荷的变化，增减混合气的供应量，以适应发动机在起动、怠速、加速等不同运行工况下正常运行的需要[12～13]，混合器一般安装于空气滤清器的空气管路上。电磁阀主要用来通断燃气，实现燃气的控制和可调，应确保车辆总电源处于接通状态而发动机没有启动时，燃气管路仍然处于关闭状态。
3.4 稳压阀
   一般情况下天然气发动机不能直接接受车用LNG气瓶最大允许工作压力的天然气，在给发动机供气之前应对气化器产生的天然气进行调压。因此需要在供气管路上配置稳压阀，将气化器产生的天然气压力调到车用压力0.4～1.0MPa，使供气压力和流量在发动机要求的范围内。压缩天然气(CNG)由于压力高需采用三级调压，而LNG采用一级调压就可以达到发动机技术要求。
   稳压阀工作温度为-196～+120℃，出口压力范围为0.3～1.0MPa，规格依据发动机用气流量要求决定，出口压力可根据发动机要求设定。
3.5 安全装置
   安全装置主要由主安全阀、副安全阀、压力表、液位计(由信号转换器和液位显示器组成)、过流阀、放空阀和止回阀等组成。气瓶内胆设计有两级安全阀，在超压时起到双重保护的作用。在超压情况下首先打开的是主安全阀，副安全阀的压力设定值比主安全阀高，在主安全阀失效或发生堵塞时，副安全阀启动。气瓶采用电容式液位计，该系统由传感器、信号转换器和显示仪表组成。根据气瓶内的液面高度产生一个成线性比例的电信号，并传送给信号转换器，再由信号转换器传送给显示仪表。过流阀的作用是当下游(主要指气化器之后)供气管路一旦发生破裂或断开事故时，LNG流量超过设定值，过流阀迅速切断气路，避免LNG大量外泄。放空阀是在系统检修或车辆长期停驶时用来排尽气瓶内残存的燃料。放空口一般设置在车辆外廓的最高点，且远离火源和蓄电池等部件。止回阀用于防止流体反向流动。各种阀门要求固定牢靠，密封性能良好，开闭灵活有效。
4 车用LNG供气系统关键技术
4.1 供气工艺
    LNG用作车用燃料，储存过程中由于外界热量的传入使得车用LNG气瓶内压力持续升高，最终将导致LNG过度排放，气瓶内LNG组成也会逐渐变重，继而影响发动机的性能和寿命。为了解决压力控制和燃料输送问题，通常采用过冷工艺和饱和工艺车用供气系统[14]。
    过冷工艺车用供气系统：车用气瓶内储存低饱和压力的过冷LNG(压力为0.345MPa)，同等容积所携带的燃料量大，LNG汽车的续驶里程远，但为了达到发动机系统所需输送压力(0.4～1.0MPa)，通常需要增设增压系统来达到所需的工作压力，使系统更为复杂，经济性变差。
    饱和工艺车用供气系统：车用气瓶内储存饱和压力的饱和LNG(压力为0.758MPa)，液体密度小于过冷LNG的密度，单位容积携带的燃料略少。通常采用一个节约阀来自动控制车用气瓶的压力，无须增加液体增压设备。当车用气瓶压力高于节约阀的设定值时，节约阀打开，LNG蒸气优先输出；当车用气瓶压力低于节约阀的设定值时，节约阀关闭，只有LNG饱和液体流出。饱和工艺车用LNG供气工艺因其工艺简单、可靠、操作方便，经济性优于过冷工艺车用LNG供气工艺，在国内现有的LNG汽车上得到了大量运用。
4.2 过压保护
    如果发动机长时间不运行，LNG吸热气化导致车用LNG气瓶内压力超过最大允许工作压力，此时主安全阀(设定压力为1.6MPa)打开，超压气体经阻火器后排放至大气。如果主安全阀故障导致无法打开，车用LNG气瓶内压力会继续升高至副安全阀的设定压力(2.5MPa)，副安全阀打开释放压力[15]。当压力逐渐降低到各安全阀设定的压力值后，安全阀将自动关闭。另外，在系统检修或车辆长时间不用时可通过放空阀排尽气瓶内残存气体。
4.3 加注技术
    LNG加注技术分排放加注和无排放加注。排放加注是利用车用LNG气瓶上手动放空阀排放车用LNG气瓶内的气体，以降低车用LNG气瓶内的压力，加快加注速度。
    鉴于排放加注的种种不利因素，无排放加注技术越来越受到市场的青睐。无排放加注是指在加注过程中只有加注管路与低温储罐相连，其他管路都与外界无连接的加注过程[16]。无排放LNG加注采用效果较优的轴心顶部单管直喷结构(见图1)，减少充装阻力，可使气瓶内胆中的部分气相被LNG液化，以保持充装过程中内胆气相压力的相对稳定性。当大量饱和液体LNG从低温储罐进入车用LNG气瓶时，加进去的LNG直接吸收车用LNG气瓶内气体的热量，使瓶内压力降低，减少车用LNG气瓶顶部气相空间，从而提高了加气速度。
4.4 无损储存
    无损储存是低温液体储运的一个过程。低温液体的储存温度低，与周围环境有较大的温差，低温液体吸热后蒸发，为了减少蒸发气体的消耗，在储运过程中，所有的阀门处于关闭状态，这就是无损储存[17]。液化天然气的温度与环境温度可相差120K以上，因此在其储运过程中对热量的传入极其敏感。随着热量的逐渐传入，当液化天然气的温度高于气瓶内压力所对应的饱和温度时，LNG会蒸发导致气瓶压力升高较快，当压力超过安全限定压力，则安全阀开启，大量储存气体被泄放。
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(本文作者：吴北民1 陈叔平1 殷劲松2 谢福寿1 姚淑婷1 1.兰州理工大学石油化工学院 甘肃兰州730050；2.张家港富瑞特种装备股份有限公司 江苏张家港 215637)