LNG汽車(chē)氣瓶的技術(shù)要求和工作原理

韓濤，祁增祿，康思宇，石亞鋒，延磊

LNG汽車(chē)氣瓶的技術(shù)要求和工作原理

韓濤，祁增祿，康思宇，石亞鋒，延磊

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

由于天然氣儲(chǔ)量大、價(jià)格便宜，作為燃料產(chǎn)生污染小，天然氣重卡近年來(lái)發(fā)展迅速，目前LNG重卡廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸行業(yè)的細(xì)分市場(chǎng)，扮演者越來(lái)越重要的角色，為了LNG汽車(chē)更好的發(fā)展，現(xiàn)對(duì)LNG汽車(chē)氣瓶的技術(shù)要求和工作原理進(jìn)行介紹和分析。

LNG；氣瓶；技術(shù)要求；工作原理

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-192-03

引言

重型卡車(chē)市場(chǎng)歷來(lái)有國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“晴雨表”和經(jīng)濟(jì)宏觀政策與行業(yè)法規(guī)的“風(fēng)向標(biāo)”之說(shuō)。由此可見(jiàn)，宏觀經(jīng)濟(jì)走勢(shì)與重型卡車(chē)市場(chǎng)關(guān)聯(lián)度極大。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展，但同時(shí)也帶來(lái)了石油燃料的日益減少和環(huán)境污染等問(wèn)題。天然氣是優(yōu)質(zhì)清潔燃料，儲(chǔ)量大，價(jià)格便宜，污染小，因此被認(rèn)為是汽車(chē)的最佳替代燃料。天然氣重卡有CNG（壓縮天然氣）汽車(chē)和LNG（液化天然氣）汽車(chē)兩種。其中LNG能量密度大，續(xù)駛里程長(zhǎng)，因此LNG卡車(chē)近年來(lái)發(fā)展較快。

1 液化天然氣的定義及物性參數(shù)

1）液化天然氣即為液態(tài)的天然氣 (Liquefied Natural Gas)，簡(jiǎn)稱(chēng)“LNG”。是天然氣經(jīng)過(guò)低溫冷凝等一系列處理，使天然氣在超低溫（-162°C）常壓狀態(tài)下液化，成為液化天然氣。

表1

2）液化天然氣的物性參數(shù)：液化天然氣基本是無(wú)色、無(wú)味的液體；對(duì)金屬?zèng)]有腐蝕性；不溶解于水，但在許多有機(jī)化合物以及氫氣和氧氣中是溶解的。

3）將天然氣歸類(lèi)到清潔能源類(lèi)，是因?yàn)樘烊粴馊紵龝r(shí)僅排放水和少量的二氧化碳粉塵和極微量的一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物：CH4＋2O2→ CO2＋2H2O。

4）液化天然氣的物理參數(shù)：如表1所示：

5）常用燃料物性參數(shù)與天然氣的比較：如下表所示：

表2

2 LNG氣瓶的組成

1）LNG車(chē)用氣瓶的結(jié)構(gòu)分為氣瓶?jī)?nèi)容器、氣瓶?jī)?nèi)容器、氣瓶接口閥門(mén)、LNG液位傳感器和絕緣被組成。

2）氣瓶是一種儲(chǔ)存LNG的高真空絕熱容器，主體結(jié)構(gòu)含內(nèi)膽和外膽，中間為真空和絕熱保溫形式。在內(nèi)膽外壁纏繞由玻璃纖維和光潔的鋁箔組成的多層絕熱材料，夾層中配有氧化鈀、分子篩等以延長(zhǎng)真空使用壽命。外殼設(shè)計(jì)主要用于與內(nèi)膽形成夾層空間，用于保障內(nèi)膽的到達(dá)最好的絕緣效果，效果越好，LNG在氣瓶?jī)?nèi)儲(chǔ)存的時(shí)間就越長(zhǎng)。

3）內(nèi)膽用來(lái)儲(chǔ)存低溫液態(tài)的LNG，在其外壁纏有多層絕熱材料，具有超強(qiáng)的隔熱性能，同時(shí)夾套（兩層容器之間的空間）被抽成高真空，共同形成良好的絕熱系統(tǒng)。外殼和支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠承受運(yùn)輸車(chē)輛在行駛時(shí)所產(chǎn)生的相關(guān)外力。

內(nèi)膽設(shè)計(jì)有兩級(jí)安全閥在超壓時(shí)起到保護(hù)作用，這樣使氣瓶使用確保安全。

3 LNG氣瓶技術(shù)要求

（1）車(chē)用LNG氣瓶必須滿(mǎn)足以下基本要求

① LNG氣瓶所有附件工作壓力等級(jí)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(fā)率小于2%；至少可帶液靜置7天安全閥不開(kāi)啟；

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(yùn)行中的晃動(dòng)，蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體也不能任意排放，因此必須保證LNG氣瓶有足夠上網(wǎng)氣相空間，是壓力升高不致過(guò)快，以保證LNG氣瓶的安裝靜置時(shí)間；

④ 在滿(mǎn)足絕熱性能的前提下，支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化且必須有足夠的強(qiáng)度；

⑤ 具有良好的抗沖擊性能，汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，由于劇烈顛簸、沖擊而使氣瓶?jī)?nèi)膽與外殼之間易發(fā)生相對(duì)位移和結(jié)構(gòu)變化，而LNG加注時(shí)的沖擊力也容易引起內(nèi)膽的晃動(dòng)，為了保證運(yùn)輸?shù)陌踩?，要求LNG氣瓶具有良好的抗沖擊性能；

⑥ 液位和壓力指示靈敏、準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)。

4 車(chē)用LNG系統(tǒng)的工作原理

（1）液化天然氣汽車(chē)燃料系統(tǒng)由氣瓶、汽化器、緩沖罐、自增壓系統(tǒng)、降壓調(diào)節(jié)閥（穩(wěn)壓器）、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)組成；閥門(mén)組件圖如下圖所示：

圖1

（2）汽化器主要是利用發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)冷卻水把液化天然氣進(jìn)行加熱汽化，使天然氣達(dá)到滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)使用溫度、流量要求。

（3）降壓調(diào)節(jié)閥（穩(wěn)壓器）主要作用是將汽化器汽化后的天然氣進(jìn)行減壓，使之滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壓力要求，且保持壓力穩(wěn)定。

（4）緩沖罐的作用是儲(chǔ)備一定量的氣體，以備不時(shí)之需。當(dāng)汽車(chē)功率較大，啟動(dòng)時(shí)需要較多的天然氣時(shí)，可以在降壓調(diào)節(jié)閥后配備一只緩沖罐。

（5）自增壓系統(tǒng)的作用通過(guò)自增壓管路熱能來(lái)增加氣瓶壓力。

（6）內(nèi)膽設(shè)置了兩級(jí)安全閥（管路系統(tǒng)中）會(huì)在內(nèi)膽超壓時(shí)起到保護(hù)的作用。在超壓情況下主安全閥(Svs)（開(kāi)啟壓力為1.59MPa）首先打開(kāi)，其作用泄放由于絕熱層和支撐正常的漏熱損失導(dǎo)致的壓力上升、或真空遭破壞后以及在失火條件下的加速漏熱導(dǎo)致的壓力上升。副安全閥(Svp)（開(kāi)啟壓力為2.41MPa）的壓力設(shè)定比主安全閥高，在主安全閥失效或發(fā)生堵塞時(shí)，副安全閥啟動(dòng)。

圖2 流程圖代號(hào)意義

（7）在夾層超壓條件下，外殼的保護(hù)是通過(guò)一個(gè)環(huán)形的真空塞來(lái)實(shí)現(xiàn)的。正常情況下，真空塞被大氣壓壓緊在真空塞座內(nèi)，使大氣與夾層空間隔絕，保證夾層的真空度。由于低溫液體或蒸汽受熱后體積變化比較大，即使少量的低溫液體或蒸汽泄漏進(jìn)入夾層，也會(huì)導(dǎo)致夾層壓力迅速升高。當(dāng)夾層壓力超過(guò)0.17MPa（表壓）左右，真空塞將會(huì)打開(kāi)泄壓。

（8）設(shè)置了經(jīng)濟(jì)閥(Er)，在使用過(guò)程中（長(zhǎng)時(shí)間停駛除外）經(jīng)濟(jì)閥能夠優(yōu)先使用氣瓶?jī)?nèi)膽頂部由于自然蒸發(fā)被汽化而形成的天然氣蒸汽，從而降低氣瓶?jī)?nèi)部的壓力，使得只要在使用氣瓶的壓力就不會(huì)升至安全閥的開(kāi)啟壓力，因而不用放空。

還設(shè)置了過(guò)流閥（Ef），當(dāng)外部管路發(fā)生破裂，管路流量大于設(shè)定值時(shí)，過(guò)流閥自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)關(guān)閉過(guò)流閥前的液體使用閥后，過(guò)流閥自動(dòng)回位。通過(guò)過(guò)流閥自動(dòng)關(guān)閉，從而可以有效避免次生危險(xiǎn)的發(fā)生。

圖3 LNG汽車(chē)氣瓶原理流程圖

（9）整套系統(tǒng)中的獨(dú)到之處是設(shè)置了自增壓系統(tǒng)。自增壓系統(tǒng)包括：增壓截止閥（Pv）、增壓調(diào)節(jié)閥（PBr) 、自增壓盤(pán)管（Pr）及相應(yīng)的管路。該系統(tǒng)能夠保證且穩(wěn)定地提供氣瓶的正常供液壓力和流量的要求，僅僅通過(guò)與空氣進(jìn)行熱交換，而不需額外的能源。穩(wěn)定的壓力是通過(guò)調(diào)節(jié)增壓調(diào)節(jié)閥來(lái)控制的，當(dāng)氣瓶頂部的壓力低于增壓調(diào)節(jié)閥設(shè)定的壓力（也就是系統(tǒng)需要的壓力）時(shí)，液化天然氣通過(guò)增壓截止閥和增壓調(diào)節(jié)閥后進(jìn)入自增壓盤(pán)管與空氣進(jìn)行熱交換，液體變成蒸汽回到氣瓶的頂部。由于液化天然氣的液氣比較大，因此使得壓力升高。當(dāng)壓力等于增壓調(diào)節(jié)閥的壓力后，增壓調(diào)節(jié)閥自動(dòng)關(guān)閉，氣瓶壓力不再繼續(xù)升高。

4 結(jié)語(yǔ)

LNG氣瓶作為L(zhǎng)NG汽車(chē)供給系統(tǒng)的核心設(shè)備，具有充裝使用方便，充裝量大，續(xù)駛里程長(zhǎng)，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)要求和工作原理為發(fā)展LNG汽車(chē)打下基礎(chǔ)，對(duì)節(jié)約能源，治理環(huán)境污染，改善城市大氣質(zhì)量具有重要意義。

[1] 顧安忠.液化天然氣技術(shù)手冊(cè).2010.

[2] 馬小紅.LNG車(chē)載氣瓶 2011.09.

[3] 羅峰,趙峰.LNG汽車(chē)氣瓶選型設(shè)計(jì)2016.09.

[4] 阿里.古巴提.天然氣汽車(chē)應(yīng)用技術(shù)研究2014.09.

Technical requirements and Working Principle of Liquefied Natural Gas Cylinder for Automoiles

Han Tao, Qi Zenglu, Kang Siyu, Shi Yafeng, Yan Lei
（Shaanxi Heavy-Duty Automobile Co, Ltd, Shaanxi Xi'an 710200）

Because of the Natural gas reserves big,the price is cheap, and as a fuel pollution from small, gas truck has been developing rapidly in recent years, especially in the energy density of LNG The current LNG truck is widely applied in the transportation industry in each market segment, plays a more and more important role, In order to the better development of LNG vehicle, Now the technical requirement and working principle of LNG vehicle cylinder is instroduced and analyzed.

LNG; Gas cylinder; Technical requirements; Working Principle

U469.7

A

1671-7988 (2017)16-192-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.067

韓濤，就職于陜西重型汽車(chē)有限公司。