LNG车载气瓶

摘 要

摘要：介绍了LNG车载气瓶的结构及操作原理，列举了国内外主要厂家生产的LNG车载气瓶技术参数及其在轿车、公交车、重型卡车中的应用情况，指出了在经济、安全、环保、无排放加气及
摘要：介绍了LNG车载气瓶的结构及操作原理，列举了国内外主要厂家生产的LNG车载气瓶技术参数及其在轿车、公交车、重型卡车中的应用情况，指出了在经济、安全、环保、无排放加气及兼用于车辆制冷方面的优势。介绍了车载气瓶的振动试验、火烧试验、跌落试验方法。
关键词：LNG车栽气瓶；LNG汽车；绝热设备；低温设备；LNG汽车供气系统
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
    液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称LNG)是当今世界公认的清洁能源。它热值高、燃烧充分、价格低，运输经济性及安全性好，深受广大用户欢迎。以LNG为燃料的液化天然气汽车(Liquefied Natural Gas Vehicle，简称LNGV)已投入运行。LNG车载气瓶作为LNGV车载燃料系统的关键部分，也受到广泛关注，一些研究机构、企业、高校加大了研发的力度[1～3]。常规的LNG车载气瓶工作压力≤1.6MPa，国际市场价格为1000～5000美元[4]。它一般采用卧式，高真空多层绝热，容积不超过600L，目前国内市场上较多见的有45、160、175、200、335、375、410、450L。
2 LNG车载气瓶发展现状及应用
2.1 发展现状
    ① 国外
    LNG车载气瓶于20世纪80年代在美国、加拿大、德国和法国等国开始研究，至20世纪90年代初技术已趋成熟，并开始小规模推广。目前全世界约有逾1×104辆装有LNG车载气瓶的汽车在运行，拥有LNGV最多的国家是美国、日本、俄罗斯和加拿大[5]。表1为美国LNG车载气瓶技术指标。
    国外LNG车载气瓶生产厂家主要有美国泰莱华顿公司(Taylor Wharton)、美国查特深冷工程系统有限公司(Chart Industries Inc.)和俄罗斯JSC Cryogenmash等。
    美国泰莱华顿公司是世界上专门从事研究开发气体控制设备的最大跨国厂商，该公司生产的LNG车载气瓶规格齐全，LNG保存期长，方便使用，深受各国用户欢迎。泰莱华顿公司生产的LNG车载气瓶规格参数见表2。
表1 美国LNG车载气瓶技术指标
型号
LNG-72V
LNG-90V
LNG-119V
LNG-150V
公称容积/L
272.5
340.7
450.5
567.8
外径/mm
660.4
660.4
660.4
660.4
外形长度/mm
1320.8
1555.8
1930.4
2346.3
空质量/kg
158.8
183.7
222.3
265.4
最大工作压力/MPa
1.59
1.59
1.59
1.59
主安全阀泄放压力/MPa
1.59
1.59
1.59
1.59
副安全阀泄放压力/MPa
2.41
2.41
2.41
2.41
表2 美国泰莱华顿公司LNG车载气瓶规格参数
型号
LNG-72V
LNG-90V
LNG-119V
LNG-150V
公称容积/L
270
340
450
570
外径/mm
660
660
660
660
外形长度/mm
1320
1555
1930
2346
空质量/kg
177
202
241
284
主安全阀泄放压力/MPa
1.59
1.59
1.59
1.59
副安全阀泄放压力/MPa
2.07
2.07
2.07
2.07
    美国查特深冷工程系统有限公司(Chart Industries Inc.)是全球深冷和低温设备行业的领导者，为广大的深冷和低温设备用户提供标准化及客户定制的产品和系统方案。该公司生产的LNG车载气瓶技术参数见表3。
表3 美国查特深冷工程系统有限公司LNG车载气瓶技术参数
型号
HLNG-52
HLNG-52
HLNG-63
HLNG-72
HLNG-97
HLNG-100
HLNG-119
HLNG-150
外径/mm
510
660
610
660
61O
660
660
660
外形长度/mm
1450
1020
1270
1270
1800
1630
1910
2290
有效容积/L
174
178
223
250
333
341
409
511
公称容积/L
197
197
238
273
367
379
450
568
空质量/kg
111
134
125
159
200
190
229
279
满质量/kg
184
208
218
263
339
333
400
493
   俄罗斯JSC Cryogenmash是世界级低温设备专业制造商，俄罗斯低温工程领导者，从事低温设备研究、开发、设计、制造、安装、培训和服务工作，并承接交钥匙工程。
   ② 国内
   国内企业也加快了LNG车载气瓶的开发步伐。2002年8月，四川某公司55L车用低温绝热气瓶试制成功；同月，配备该型车载气瓶的样车(羚羊SC7101 LNG/汽油两用燃料轿车)顺利通过国家重型汽车质量监督检验中心燃气汽车检验室检验[6]。2002年12月底，开发出35、55L的LNG车载气瓶并成功打入市场。
    张家港某公司已与多家企业建立了长期的合作关系。该公司生产的LNG车载气瓶的规格有275、335、375、450L，技术参数见表4。
    北京某公司是国内最大的钢瓶生产企业。该公司生产的LNG车载气瓶规格有265、285、340、378、400、450L，技术参数见表5、6。
表4 张家港某公司LNG车载气瓶技术参数(不带自增压装置)
型号
CDPW500-275-1.59
CDPW600-335-1.59
CDPW600-375-1.59
CDPW600-450-1.59
外形尺寸[(长/mm)×(宽/mm)×(高/mm)]
1740×600×625
1570×700×740
1720×700×740
1970×700×740
有效容积/L
247
300
337
405
空质量/kg
185
225
260
305
最大充液质量/kg
105
127
143
172
安全阀泄放压力/MPa
1.59
1.59
1.59
1.59
表5 HPDI T4型LNG车载气瓶技术参数
型号
HPDI T4
公称容积/L
265
378
450
有效容积/L
230
322
394
规格
Φ660.4×1472
Φ660.4×1875
Φ660.4×2143
空质量/kg
226
277
312
最大充液质量/kg
97
136
167
日蒸发率(LNG)/%
＜1.4
＜1.2
＜1.0
最高工作压力/MPa
1.45
1.45
1.45
液位计形式
电容指示
电容指示
电容指示
表6 CDPW600型LNG车载气瓶技术参数
型号
CDPW600-285-1.451
CDPW600-340-1.451
CDPW600-400-1.451
公称容积/L
285
340
400
有效容积/L
254
303
356
规格
Φ660.4×1595
Φ660.4×1790
Φ660.4×2000
空质量/kg
227
249
272
最大充液质量/kg
108
128
152
日蒸发率(LNG)/%
＜1.8
＜1.7
＜1.5
最高工作压力/MPa
1.45
1.45
1.45
液位计形式
电容指示
电容指示
电容指示
张家港某低温装备公司是国内第一家设计和制造LNG车载气瓶的企业。公司生产的LNG车载气瓶规格有：60、275、335、450L；采用高真空多层缠绕绝热，工作压力≤1.6MPa。公司设计生产的LNG车载气瓶已经在乌鲁木齐、贵阳等城市大量应用，其中在乌鲁木齐已经使用近7年。
宁波某公司是专业生产压力容器的企业，也是浙江省最大的压力容器制造企业，在国内行业中有一定知名度。公司生产的LNG车载气瓶规格有175、195L等。
2.2 应用
    LNG车载气瓶在国外已逐步用于汽车、火车、船舶和飞机等交通工具。1985年10月，美国伯灵顿北方铁路在从明尼阿普利斯到威斯康星的苏必利尔的路段使用以LNG车载气瓶为燃料箱的列车。此后美国、俄罗斯、比利时、芬兰、德国、荷兰、挪威、法国、西班牙、英国等国家都有LNG车载气瓶投入使用的报道，欧洲的梅赛德斯一奔驰公司、曼公司、Messer公司、宝马公司开发的新型汽车上也竞相使用了LNG车载气瓶。据称日产、福特两大集团也正全力以赴开发以LNG车载气瓶为燃料箱的汽车。LNG车载气瓶应用市场前景广阔，主要集中在轿车、公交车、重型汽车等。
    ① LNG车载气瓶应用于轿车。早在1987年，莫斯科就有400多辆安装有LNG车载气瓶的轿车在运行。2005年，我国贵阳市公交总公司和贵州大学进行产学研优势互补合作，利用旧车开始实施LNG车载气瓶的安装改造。2006年10月，国内首台装有LNG车载气瓶的试验轿车面世并载客运营，自此贵阳出租车开始批量改造，首开全国在用车改造使用LNG车载气瓶供气的先河。截至2007年1月，贵阳市公交总公司成功改装200辆LNG轿车，一次充满LNG，测试运行485km。表7为某公司生产的轿车用LNG车载气瓶参数。
表7 轿车系列LNG车载气瓶参数(工作压力为1.6MPa)
公称容积/L
有效容积/L
日蒸发率/%
空质量/kg
40
36
3.6
46
62
55
3.1
58
70
63
3.0
62
111
100
2.8
84
    ② LNG车载气瓶应用于公交车。21世纪初，上海交通大学承担了上海市液化天然气公交车相关项目的开发研究工作，并成功通过技术验收。2003年，北京市利用国外技术在城市公交车上成功实施了LNG车载气瓶供气示范项目，验证了LNG车载气瓶作为燃料箱的技术经济可行性和相对于CNGV的优势。随后，乌鲁木齐、长沙、海口、湛江等城市也已开始城市公交车使用LNG的示范应用，还有一些城市也在进行LNG车载气瓶的可行性研究工作[7]。2009年4月底，湛江市100辆LNG公交车已安全行驶总里程达719×104km，车辆完好率为96.9%，与同运营线路同品牌同规格的柴油公交车相比，燃料费用下降26.3%，发动机润滑油费用下降50%，尾气排放除一项指标优于国Ⅲ未达国Ⅳ外，其余指标均优于国Ⅳ标准。表8为某公司生产的公交车用LNG车载气瓶参数。
表8 公交车系列LNG车载气瓶参数(工作压力为1.6MPa)
公称容积/L
有效容积/L
日蒸发率/%
质量/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车载气瓶应用于重型卡车。早在2005年和2006年，陕西重汽和华菱汽车就把LNG重型卡车推向市场。东风商用车、中国重汽、上汽依维柯红岩、陕西重汽、华菱等多家主流重型卡车企业都已经生产有带LNG车载气瓶的重型卡车产品。
2.3 LNG车载气瓶的特点
   ① 经济优势
   LNG温度在-162℃左右，压力约为0.1MPa，密度约为423kg/m3，气化后体积约为液态体积的600～624倍，同容积LNG车载气瓶盛装量(质量)是CNG的2.5倍。国外大型LNG货车车载气瓶一次加气可连续行驶1000～1300km，非常适合长距离运输。国内410L车载气瓶加气一次在市区可连续行驶400～500km，在高速公路加气一次可连续行驶约700km。可见LNG汽车与现有的CNG、LPG汽车相比，大大提升了车辆续驶里程[8]。如珠海广通汽车有限公司10.5m空调公交车采用335L的LNG车载气瓶，一次充装可续行530～550km。
    ② 安全性
    LNG的燃点为650℃，爆炸极限为5%～15%，气化后密度较小，稍有泄漏会立即挥发扩散；而LPG燃点为466℃，爆炸极限为2.4%～9.5%，气化后密度大于空气，泄漏后不易扩散；汽油燃点为427℃，爆炸极限为1.0%～7.6%；柴油燃点为260℃，爆炸极限为0.5%～4.1%[8～9]。可见装载LNG车载气瓶的汽车比LPG、汽油、柴油汽车更安全。
    ③ 环保性
    LNG中甲烷含量(摩尔分数)在90%以上，且脱除了硫和水分，其组成比CNG更纯净，与燃油车相比，装载LNG车载气瓶的汽车有害物质排放量降低约85%左右，被称为真正的环保汽车。
   ④ 可实现无排放加气
 实施无气体排放加气后，可有效减少天然气气体的泄放，节省了燃料，同时减少了发生火灾的可能[10]。以国内为例，查特深冷工程系统(常州)有限公司推出了适用无排放加气的LNG车载气瓶系列产品，其加气时间约为常规排放加气时间的1/4。
   ⑤ 可用于车辆制冷
   利用LNG还可以改变以往汽车空调的设计思路。目前汽车空调装置是基于压缩式制冷原理开发的，其结构复杂，具有蒸发器、压缩机、冷凝器、控制继电器、电子真空阀、加热器、转速真空稳定器、过滤干燥器、电机以及风扇等，这些装置都需要汽车发动机提供动力，必然降低汽车的有效功率。如果将LNG车载气瓶内的LNG用作燃料的同时又利用其气化释放的冷量来制冷和冷却发动机，将大大提高汽车的效能。
3 LNG车载气瓶结构及操作原理
3.1 结构
    LNG车载气瓶的作用是储存并供给燃料。当LNGV工作时，LNG车载气瓶中的液化天然气在自身压力作用下，从液体管道中流出，经燃料切断阀和过流阀进入气化器内被加热气化，供汽车使用。
    LNG车载气瓶由内胆、外壳、绝热结构、支撑系统和刚性组件等组成。内胆用以盛装LNG，内部有加注喷淋管、液位探头等。外壳和内胆之间是密闭的真空绝热夹套，夹套采用高真空多层绝热，又称超级绝热。外壳保护内胆并对整个瓶体起支撑作用，具有高强度及良好绝热性能的支承系统将内胆悬挂在外壳之内；支承结构多采用轴向支撑固定内胆。在移动或运输过程中，内胆容易发生振荡，尤其对于满液的LNG车载气瓶，装载的LNG自重所引发的支撑臂的弯曲不可被忽略，最大应力主要出现在颈管与内封头连接处[4]。
3.2 操作原理
    开启增压阀，气瓶底部液体通过增压盘管与外壳内壁进行热交换，转变为饱和蒸气，经组合调压阀回到气瓶气相空间以增加气瓶内压力。在使用过程中增压阀可以一直处于开启状态，其管道是否流通由组合调压阀来控制，当气瓶内部压力达到组合调压阀设定压力后，增压系统自动关闭，使用结束后，手动关闭增压阀。进液阀和出液阀用以控制低温液体的充灌和排放，可通过专门软管与阀前快速接头相接，进行对气瓶的充灌和排放。排放阀与气瓶气相空间相连，开启此阀可释放气瓶内气体使压力降低。气瓶液位计采用抗振、抗污染的电容式液位计，可有效防止过量充装。
4 设计
    LNG车载气瓶采用卧式双圆筒结构，内胆允许的最大盛液容积取0.9倍的公称容积；内胆的组成最多不超过3部分，即采用纵缝1条、环缝2条的结构。
    水压试验压力为工作压力的2倍，气压试验压力为工作压力的1.8倍，安全阀开启压力为工作压力的1.1～1.2倍，爆破片爆破压力不大于工作压力的2倍。
5 安全性能试验
    LNG车载气瓶在生产完成后，须通过一系列安全性能试验，包括振动试验、火烧试验、跌落试验等。
5.1 振动试验
    振动试验主要模拟检验LNG车载气瓶在汽车运行条件下，内胆与外壳的支撑结构、管道系统等附件的耐久性。振动试验前气瓶中充装与装满LNG等质量的液氮，气瓶处于完全冷却状态，压力(表压)为0MPa。振动加速度为3g(g为重力加速度)，振动方向为汽车前进方向的垂直方向。振动完毕后，任何部位不得出现泄漏，静置30min以上气瓶外壳没有结露或结霜现象为合格。
5.2 火烧试验
    火烧试验考察在汽车发生火灾情况下LNG车载气瓶绝热系统性能的安全可靠性。试验前气瓶中充装与装满LNG等质量的液氮。试验采用天然气(或液化石油气)为燃料，在卧放的气瓶正下部布置燃气管道和燃烧装置，保证气瓶最低点距燃烧装置120～130mm。燃烧装置大小应足以使气瓶的主体边缘完全置于火焰之中，因此燃烧装置长度至少超出气瓶在水平面投影长度100mm，宽度至少超出气瓶在水平面投影宽度100mm，但超出长度均不大于200mm。保证足够燃烧时间，气瓶在规定时间内安全阀不起跳为合格。
5.3 跌落试验
    跌落试验模拟在汽车发生翻车情况下检验LNG车载气瓶受冲击后的完整性。跌落试验包括对气瓶最关键部位(自行指定，如封头、简体等，管道系统端除外)进行10m高的跌落试验和对管道系统端3m高的跌落试验。跌落试验前，气瓶应装满与LNG等质量的液氮，气瓶处于完全冷却状态，压力(表压)为0MPa，地面为混凝土地面。跌落试验完毕后的1h内，气瓶外壳没有结露或结霜现象为合格。
6 结语
    LNG车载气瓶作为LNG汽车燃料系统的核心装备，兼具成本低、充装使用方便、体积小、自重轻、充装量大、气液纯净、运输装卸方便、安全可靠等优点，其研制开发为推广和发展LNG汽车奠定基础，对节约能源、改善城市大气质量具有重要意义。
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(本文作者：马小红1 陈叔平1 任永平1 何锋杰2 1.兰州理工大学 石油化工学院 甘肃兰州 730050；2.常州市恒天不锈钢有限公司 江苏常州 213022)