LNG車載氣瓶

摘 要

摘要：介紹了LNG車載氣瓶的結構及操作原理，列舉了國內外主要廠家生產的LNG車載氣瓶技術參數及其在轎車、公交車、重型卡車中的應用情況，指出了在經濟、安全、環保、無排放加氣及
摘要：介紹了LNG車載氣瓶的結構及操作原理，列舉了國內外主要廠家生產的LNG車載氣瓶技術參數及其在轎車、公交車、重型卡車中的應用情況，指出了在經濟、安全、環保、無排放加氣及兼用于車輛制冷方面的優勢。介紹了車載氣瓶的振動試驗、火燒試驗、跌落試驗方法。
關鍵詞：LNG車栽氣瓶；LNG汽車；絕熱設備；低溫設備；LNG汽車供氣系統
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)是當今世界公認的清潔能源。它熱值高、燃燒充分、價格低，運輸經濟性及安全性好，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)已投入運行。LNG車載氣瓶作為LNGV車載燃料系統的關鍵部分，也受到廣泛關注，一些研究機構、企業、高校加大了研發的力度[1～3]。常規的LNG車載氣瓶工作壓力≤1.6MPa，國際市場價格為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，目前國內市場上較多見的有45、160、175、200、335、375、410、450L。
2 LNG車載氣瓶發展現狀及應用
2.1 發展現狀
    ① 國外
    LNG車載氣瓶于20世紀80年代在美國、加拿大、德國和法國等國開始研究，至20世紀90年代初技術已趨成熟，并開始小規模推廣。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車載氣瓶技術指標。
    國外LNG車載氣瓶生產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氣體控制設備的最大跨國廠商，該公司生產的LNG車載氣瓶規格齊全，LNG保存期長，方便使用，深受各國用戶歡迎。泰萊華頓公司生產的LNG車載氣瓶規格參數見表2。
表1 美國LNG車載氣瓶技術指標
型號
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車載氣瓶規格參數
型號
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有限公司(Chart Industries Inc.)是全球深冷和低溫設備行業的領導者，為廣大的深冷和低溫設備用戶提供標準化及客戶定制的產品和系統方案。該公司生產的LNG車載氣瓶技術參數見表3。
表3 美國查特深冷工程系統有限公司LNG車載氣瓶技術參數
型號
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
空質量/kg
111
134
125
159
200
190
229
279
滿質量/kg
184
208
218
263
339
333
400
493
   俄羅斯JSC Cryogenmash是世界級低溫設備專業制造商，俄羅斯低溫工程領導者，從事低溫設備研究、開發、設計、制造、安裝、培訓和服務工作，并承接交鑰匙工程。
   ② 國內
   國內企業也加快了LNG車載氣瓶的開發步伐。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量監督檢驗中心燃氣汽車檢驗室檢驗[6]。2002年12月底，開發出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建立了長期的合作關系。該公司生產的LNG車載氣瓶的規格有275、335、375、450L，技術參數見表4。
    北京某公司是國內最大的鋼瓶生產企業。該公司生產的LNG車載氣瓶規格有265、285、340、378、400、450L，技術參數見表5、6。
表4 張家港某公司LNG車載氣瓶技術參數(不帶自增壓裝置)
型號
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
空質量/kg
185
225
260
305
最大充液質量/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車載氣瓶技術參數
型號
HPDI T4
公稱容積/L
265
378
450
有效容積/L
230
322
394
規格
Φ660.4×1472
Φ660.4×1875
Φ660.4×2143
空質量/kg
226
277
312
最大充液質量/kg
97
136
167
日蒸發率(LNG)/%
＜1.4
＜1.2
＜1.0
最高工作壓力/MPa
1.45
1.45
1.45
液位計形式
電容指示
電容指示
電容指示
表6 CDPW600型LNG車載氣瓶技術參數
型號
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
規格
Φ660.4×1595
Φ660.4×1790
Φ660.4×2000
空質量/kg
227
249
272
最大充液質量/kg
108
128
152
日蒸發率(LNG)/%
＜1.8
＜1.7
＜1.5
最高工作壓力/MPa
1.45
1.45
1.45
液位計形式
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第一家設計和制造LNG車載氣瓶的企業。公司生產的LNG車載氣瓶規格有：60、275、335、450L；采用高真空多層纏繞絕熱，工作壓力≤1.6MPa。公司設計生產的LNG車載氣瓶已經在烏魯木齊、貴陽等城市大量應用，其中在烏魯木齊已經使用近7年。
寧波某公司是專業生產壓力容器的企業，也是浙江省最大的壓力容器制造企業，在國內行業中有一定知名度。公司生產的LNG車載氣瓶規格有175、195L等。
2.2 應用
    LNG車載氣瓶在國外已逐步用于汽車、火車、船舶和飛機等交通工具。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、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、寶馬公司開發的新型汽車上也競相使用了LNG車載氣瓶。據稱日產、福特兩大集團也正全力以赴開發以LNG車載氣瓶為燃料箱的汽車。LNG車載氣瓶應用市場前景廣闊，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行。2005年，我國貴陽市公交總公司和貴州大學進行產學研優勢互補合作，利用舊車開始實施LNG車載氣瓶的安裝改造。2006年10月，國內首臺裝有LNG車載氣瓶的試驗轎車面世并載客運營，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，測試運行485km。表7為某公司生產的轎車用LNG車載氣瓶參數。
表7 轎車系列LNG車載氣瓶參數(工作壓力為1.6MPa)
公稱容積/L
有效容積/L
日蒸發率/%
空質量/kg
40
36
3.6
46
62
55
3.1
58
70
63
3.0
62
111
100
2.8
84
    ② LNG車載氣瓶應用于公交車。21世紀初，上海交通大學承擔了上海市液化天然氣公交車相關項目的開發研究工作，并成功通過技術驗收。2003年，北京市利用國外技術在城市公交車上成功實施了LNG車載氣瓶供氣示范項目，驗證了LNG車載氣瓶作為燃料箱的技術經濟可行性和相對于CNGV的優勢。隨后，烏魯木齊、長沙、海口、湛江等城市也已開始城市公交車使用LNG的示范應用，還有一些城市也在進行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719×104km，車輛完好率為96.9%，與同運營線路同品牌同規格的柴油公交車相比，燃料費用下降26.3%，發動機潤滑油費用下降50%，尾氣排放除一項指標優于國Ⅲ未達國Ⅳ外，其余指標均優于國Ⅳ標準。表8為某公司生產的公交車用LNG車載氣瓶參數。
表8 公交車系列LNG車載氣瓶參數(工作壓力為1.6MPa)
公稱容積/L
有效容積/L
日蒸發率/%
質量/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都已經生產有帶LNG車載氣瓶的重型卡車產品。
2.3 LNG車載氣瓶的特點
   ① 經濟優勢
   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體積的600～624倍，同容積LNG車載氣瓶盛裝量(質量)是CNG的2.5倍。國外大型LNG貨車車載氣瓶一次加氣可連續行駛1000～1300km，非常適合長距離運輸。國內410L車載氣瓶加氣一次在市區可連續行駛400～500km，在高速公路加氣一次可連續行駛約700km。可見LNG汽車與現有的CNG、LPG汽車相比，大大提升了車輛續駛里程[8]。如珠海廣通汽車有限公司10.5m空調公交車采用335L的LNG車載氣瓶，一次充裝可續行530～550km。
    ② 安全性
    LNG的燃點為650℃，爆炸極限為5%～15%，氣化后密度較小，稍有泄漏會立即揮發擴散；而LPG燃點為466℃，爆炸極限為2.4%～9.5%，氣化后密度大于空氣，泄漏后不易擴散；汽油燃點為427℃，爆炸極限為1.0%～7.6%；柴油燃點為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 環保性
    LNG中甲烷含量(摩爾分數)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排放量降低約85%左右，被稱為真正的環保汽車。
   ④ 可實現無排放加氣
 實施無氣體排放加氣后，可有效減少天然氣氣體的泄放，節省了燃料，同時減少了發生火災的可能[10]。以國內為例，查特深冷工程系統(常州)有限公司推出了適用無排放加氣的LNG車載氣瓶系列產品，其加氣時間約為常規排放加氣時間的1/4。
   ⑤ 可用于車輛制冷
   利用LNG還可以改變以往汽車空調的設計思路。目前汽車空調裝置是基于壓縮式制冷原理開發的，其結構復雜，具有蒸發器、壓縮機、冷凝器、控制繼電器、電子真空閥、加熱器、轉速真空穩定器、過濾干燥器、電機以及風扇等，這些裝置都需要汽車發動機提供動力，必然降低汽車的有效功率。如果將LNG車載氣瓶內的LNG用作燃料的同時又利用其氣化釋放的冷量來制冷和冷卻發動機，將大大提高汽車的效能。
3 LNG車載氣瓶結構及操作原理
3.1 結構
    LNG車載氣瓶的作用是儲存并供給燃料。當LNGV工作時，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，經燃料切斷閥和過流閥進入氣化器內被加熱氣化，供汽車使用。
    LNG車載氣瓶由內膽、外殼、絕熱結構、支撐系統和剛性組件等組成。內膽用以盛裝LNG，內部有加注噴淋管、液位探頭等。外殼和內膽之間是密閉的真空絕熱夾套，夾套采用高真空多層絕熱，又稱超級絕熱。外殼保護內膽并對整個瓶體起支撐作用，具有高強度及良好絕熱性能的支承系統將內膽懸掛在外殼之內；支承結構多采用軸向支撐固定內膽。在移動或運輸過程中，內膽容易發生振蕩，尤其對于滿液的LNG車載氣瓶，裝載的LNG自重所引發的支撐臂的彎曲不可被忽略，最大應力主要出現在頸管與內封頭連接處[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壁進行熱交換，轉變為飽和蒸氣，經組合調壓閥回到氣瓶氣相空間以增加氣瓶內壓力。在使用過程中增壓閥可以一直處于開啟狀態，其管道是否流通由組合調壓閥來控制，當氣瓶內部壓力達到組合調壓閥設定壓力后，增壓系統自動關閉，使用結束后，手動關閉增壓閥。進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，進行對氣瓶的充灌和排放。排放閥與氣瓶氣相空間相連，開啟此閥可釋放氣瓶內氣體使壓力降低。氣瓶液位計采用抗振、抗污染的電容式液位計，可有效防止過量充裝。
4 設計
    LNG車載氣瓶采用臥式雙圓筒結構，內膽允許的最大盛液容積取0.9倍的公稱容積；內膽的組成最多不超過3部分，即采用縱縫1條、環縫2條的結構。
    水壓試驗壓力為工作壓力的2倍，氣壓試驗壓力為工作壓力的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
    LNG車載氣瓶在生產完成后，須通過一系列安全性能試驗，包括振動試驗、火燒試驗、跌落試驗等。
5.1 振動試驗
    振動試驗主要模擬檢驗LNG車載氣瓶在汽車運行條件下，內膽與外殼的支撐結構、管道系統等附件的耐久性。振動試驗前氣瓶中充裝與裝滿LNG等質量的液氮，氣瓶處于完全冷卻狀態，壓力(表壓)為0MPa。振動加速度為3g(g為重力加速度)，振動方向為汽車前進方向的垂直方向。振動完畢后，任何部位不得出現泄漏，靜置30min以上氣瓶外殼沒有結露或結霜現象為合格。
5.2 火燒試驗
    火燒試驗考察在汽車發生火災情況下LNG車載氣瓶絕熱系統性能的安全可靠性。試驗前氣瓶中充裝與裝滿LNG等質量的液氮。試驗采用天然氣(或液化石油氣)為燃料，在臥放的氣瓶正下部布置燃氣管道和燃燒裝置，保證氣瓶最低點距燃燒裝置120～130mm。燃燒裝置大小應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。保證足夠燃燒時間，氣瓶在規定時間內安全閥不起跳為合格。
5.3 跌落試驗
    跌落試驗模擬在汽車發生翻車情況下檢驗LNG車載氣瓶受沖擊后的完整性。跌落試驗包括對氣瓶最關鍵部位(自行指定，如封頭、簡體等，管道系統端除外)進行10m高的跌落試驗和對管道系統端3m高的跌落試驗。跌落試驗前，氣瓶應裝滿與LNG等質量的液氮，氣瓶處于完全冷卻狀態，壓力(表壓)為0MPa，地面為混凝土地面。跌落試驗完畢后的1h內，氣瓶外殼沒有結露或結霜現象為合格。
6 結語
    LNG車載氣瓶作為LNG汽車燃料系統的核心裝備，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、運輸裝卸方便、安全可靠等優點，其研制開發為推廣和發展LNG汽車奠定基礎，對節約能源、改善城市大氣質量具有重要意義。
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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 石油化工學院 甘肅蘭州 730050；2.常州市恒天不銹鋼有限公司 江蘇常州 213022)