車用液化天然氣供氣系統工藝與設備

摘 要

摘要：車用LNG供氣系統主要由車用LNG氣瓶、車用氣化器、燃氣供給裝置、穩壓閥、安全裝置組成。闡述了車用LNG供氣系統原理、要求、各設備功能及其技術條件，介紹了車用LNG供氣系
摘要：車用LNG供氣系統主要由車用LNG氣瓶、車用氣化器、燃氣供給裝置、穩壓閥、安全裝置組成。闡述了車用LNG供氣系統原理、要求、各設備功能及其技術條件，介紹了車用LNG供氣系統的供氣工藝、過壓保護等關鍵技術。
關鍵詞：LNG汽車；車用LNG供氣系統；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保汽車，近年來在國內外發展迅速。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，國內超過120座城市已經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、經濟、續駛里程長、環保性能更優等特點；LNG汽車加氣站建站投資少，占地少，無需大型動力設備，運行成本低，加氣站無噪聲，加氣與汽油、柴油一樣快捷；LNG可用專用槽車運輸，建站不受天然氣管網限制，便于規模化推廣[4～6]。國外LNG汽車已經產品化，在美國、日本、澳大利亞等國均有應用。美國在LNG車用技術上處于領先地位，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由CNG汽車轉向LNG汽車[7]。我國LNG產業發展勢頭強勁，已形成自主生產和進口相結合的發展道路。隨著我國第一個LNG接收終端——深圳大鵬LNG接收終端的成功運行，國內已經批準實施了10余個LNG接收站工程，另有超過20個在建及規劃中的項目[8]，主要集中在廣東、福建、浙江、海南、河北等沿海省份，為發展LNG汽車提供了氣源保障。發展LNG汽車是我國能源結構調整和環保的需要，也是未來天然氣汽車發展的理想途徑。
2 車用LNG供氣系統原理與要求
    液化天然氣汽車動力系統主要由發動機和車用LNG供氣系統組成。車用LNG供氣系統是LNG汽車的核心部分，主要由車用LNG氣瓶、車用氣化器、穩壓閥、燃氣供給裝置、穩壓罐、安全裝置等組成[9～10]。液化天然氣通過管路系統進入氣化器后，由發動機的冷卻水加熱氣化成氣體，經過穩壓閥，使壓力降至適合發動機的需要；再通過穩壓罐經電磁閥供給發動機。圖1為車用LNG供氣系統原理。
 

    車用LNG供氣系統具有自增壓、穩壓供氣、過壓保護等功能，實現向發動機供應天然氣。其基本要求為[11]：能在發動機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，怠速運行穩定；車用LNG氣瓶內壓力始終比發動機要求的進氣壓力高0.2MPa以上；管路設計合理，調節方便，供氣管路上的穩壓閥出口設定壓力比發動機要求的進氣壓力高0.05～0.10MPa；液位和壓力顯示系統靈敏，準確，抗干擾能力強。
3 車用LNG供氣系統
3.1 車用LNG氣瓶
    車用LNG氣瓶是LNG汽車供氣系統的重要組成部分，屬于小型移動式真空絕熱低溫容器，主要由內膽、外殼、絕熱結構、支撐系統和附件等組成。內膽設計溫度為-196℃，設計壓力為2.5MPa，最大允許工作壓力為1.6MPa，內部設有液體噴淋管、液體排出管、氣體排出管等裝置，外壁上纏繞多層絕熱層。外殼保護內膽并對整體起支撐作角，外殼和內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率的鋁箔等絕熱材料。在夾套間設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、閥件都設置在氣瓶的一端，并用保護罩進行保護。
    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，或者由于運行中的晃動，蒸發產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，支撐結構應盡量簡化且必須有足夠的強度。⑤具有良好的抗沖擊性能。汽車在運行過程中，由于劇烈顛簸、沖擊而使氣瓶內膽與外殼之間容易發生相對位移和結構變形，而LNG加注時的沖擊力也容易引起內膽的晃動，為了保證運輸的安全性，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氣化并根據發動機工況自動調節氣化量然后供給發動機工作的裝置，、一般采用水浴式氣化器，以發動機循環冷卻水做熱源(少量即可)，既能氣化LNG，又能有效利用廢熱，同時改善發動機性能。水浴式氣化器是一種典型的小型管殼式結構，串聯在發動機冷卻水回路上。為避免氣化器出口天然氣溫度過高，采用順流換熱方式，利用發動機冷卻水對LNG進行加熱氣化、發動機工作在不同工況下，流經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。隨著發動機負荷的增加，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(以標準狀態計)。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。發動機的冷卻水達到正常水溫(80～90℃)時，氣化器出口的天然氣溫度在5～30℃。③汽車行業標準QC/T 245—2002《壓縮天然氣汽車專用裝置和安裝要求》規定，氣化器應安裝在氣瓶和發動機之間，靠近發動機進氣管和振動較小的位置，但不應直接安裝在發動機上。④氣化器一般水平放置，冷卻水的流向應與LNG的流向一致，熱水進出口應在上方，避免形成氣阻。
3.3 燃氣供給裝置
    燃氣供給裝置是指氣化器后的燃氣供給和控制裝置，包括穩壓閥、混合器和電磁閥等。當氣瓶內液體溫度升高時，氣瓶壓力升高，安裝在氣化器和電磁閥之間的穩壓閥將天然氣降至穩壓閥的設定壓力，從而保證進入發動機的天然氣滿足發動機技術要求。混合器是一種利用文丘里原理，保證空氣、燃料在靜態與動態下均能按正確比例混合的機械裝置，混合器能根據發動機轉速和負荷的變化，增減混合氣的供應量，以適應發動機在起動、怠速、加速等不同運行工況下正常運行的需要[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氣，實現燃氣的控制和可調，應確保車輛總電源處于接通狀態而發動機沒有啟動時，燃氣管路仍然處于關閉狀態。
3.4 穩壓閥
   一般情況下天然氣發動機不能直接接受車用LNG氣瓶最大允許工作壓力的天然氣，在給發動機供氣之前應對氣化器產生的天然氣進行調壓。因此需要在供氣管路上配置穩壓閥，將氣化器產生的天然氣壓力調到車用壓力0.4～1.0MPa，使供氣壓力和流量在發動機要求的范圍內。壓縮天然氣(CNG)由于壓力高需采用三級調壓，而LNG采用一級調壓就可以達到發動機技術要求。
   穩壓閥工作溫度為-196～+120℃，出口壓力范圍為0.3～1.0MPa，規格依據發動機用氣流量要求決定，出口壓力可根據發動機要求設定。
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。氣瓶內膽設計有兩級安全閥，在超壓時起到雙重保護的作用。在超壓情況下首先打開的是主安全閥，副安全閥的壓力設定值比主安全閥高，在主安全閥失效或發生堵塞時，副安全閥啟動。氣瓶采用電容式液位計，該系統由傳感器、信號轉換器和顯示儀表組成。根據氣瓶內的液面高度產生一個成線性比例的電信號，并傳送給信號轉換器，再由信號轉換器傳送給顯示儀表。過流閥的作用是當下游(主要指氣化器之后)供氣管路一旦發生破裂或斷開事故時，LNG流量超過設定值，過流閥迅速切斷氣路，避免LNG大量外泄。放空閥是在系統檢修或車輛長期停駛時用來排盡氣瓶內殘存的燃料。放空口一般設置在車輛外廓的最高點，且遠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供氣系統關鍵技術
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氣瓶內壓力持續升高，最終將導致LNG過度排放，氣瓶內LNG組成也會逐漸變重，繼而影響發動機的性能和壽命。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[14]。
    過冷工藝車用供氣系統：車用氣瓶內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汽車的續駛里程遠，但為了達到發動機系統所需輸送壓力(0.4～1.0MPa)，通常需要增設增壓系統來達到所需的工作壓力，使系統更為復雜，經濟性變差。
    飽和工藝車用供氣系統：車用氣瓶內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。通常采用一個節約閥來自動控制車用氣瓶的壓力，無須增加液體增壓設備。當車用氣瓶壓力高于節約閥的設定值時，節約閥打開，LNG蒸氣優先輸出；當車用氣瓶壓力低于節約閥的設定值時，節約閥關閉，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，經濟性優于過冷工藝車用LNG供氣工藝，在國內現有的LNG汽車上得到了大量運用。
4.2 過壓保護
    如果發動機長時間不運行，LNG吸熱氣化導致車用LNG氣瓶內壓力超過最大允許工作壓力，此時主安全閥(設定壓力為1.6MPa)打開，超壓氣體經阻火器后排放至大氣。如果主安全閥故障導致無法打開，車用LNG氣瓶內壓力會繼續升高至副安全閥的設定壓力(2.5MPa)，副安全閥打開釋放壓力[15]。當壓力逐漸降低到各安全閥設定的壓力值后，安全閥將自動關閉。另外，在系統檢修或車輛長時間不用時可通過放空閥排盡氣瓶內殘存氣體。
4.3 加注技術
    LNG加注技術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氣瓶內的氣體，以降低車用LNG氣瓶內的壓力，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加注采用效果較優的軸心頂部單管直噴結構(見圖1)，減少充裝阻力，可使氣瓶內膽中的部分氣相被LNG液化，以保持充裝過程中內膽氣相壓力的相對穩定性。當大量飽和液體LNG從低溫儲罐進入車用LNG氣瓶時，加進去的LNG直接吸收車用LNG氣瓶內氣體的熱量，使瓶內壓力降低，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的一個過程。低溫液體的儲存溫度低，與周圍環境有較大的溫差，低溫液體吸熱后蒸發，為了減少蒸發氣體的消耗，在儲運過程中，所有的閥門處于關閉狀態，這就是無損儲存[17]。液化天然氣的溫度與環境溫度可相差120K以上，因此在其儲運過程中對熱量的傳入極其敏感。隨著熱量的逐漸傳入，當液化天然氣的溫度高于氣瓶內壓力所對應的飽和溫度時，LNG會蒸發導致氣瓶壓力升高較快，當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.蘭州理工大學石油化工學院 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)