車用LNG氣瓶檢測(cè)站天然氣回收裝置設(shè)計(jì)

黃光明,林永倫,趙文杰,蔡青青

(深圳市質(zhì)量安全檢驗(yàn)檢測(cè)研究院,廣東 深圳 518000)

1 前 言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas簡(jiǎn)稱LNG)的主要成分是甲烷。LNG無色、無味、無毒且無腐蝕性,其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/625,LNG的重量僅為同體積水的45%左右。LNG是當(dāng)今世界公認(rèn)的清潔能源,具有熱值高、燃燒充分、價(jià)格低、運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性及安全性好的特點(diǎn),受到廣大用戶的青睞。20世紀(jì)80年代,德國、加拿大、美國及法國等多個(gè)國家開始研究車用LNG氣瓶,90年代技術(shù)逐漸成熟,不斷進(jìn)行小規(guī)模推廣。目前LNG汽車已在全世界推廣使用,并占有一定的市場(chǎng)份額。以LNG為燃料的汽車廣受用戶及政府支持[1]。

2 典型車用LNG氣瓶結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

儲(chǔ)存汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料LNG的裝置為焊接絕熱氣瓶,也稱低溫絕熱氣瓶,此氣瓶構(gòu)造設(shè)計(jì)有雙層真空結(jié)構(gòu)。內(nèi)膽用來儲(chǔ)存低溫液態(tài)的LNG(常壓下飽和溫度達(dá)到-161℃),在其外壁纏有多層絕熱材料,具有超強(qiáng)的隔熱性能,夾層(兩層容器之間的空間)被抽成高真空,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)輸車輛在行駛時(shí)所產(chǎn)生的相關(guān)外力。車用LNG氣瓶結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1. 氣瓶接口閥門;2. 氣瓶內(nèi)容器;3. 液位傳感器;4. 絕熱被;5. 氣瓶外容器

國外車用LNG氣瓶生產(chǎn)廠家主要有美國查特深冷工程系統(tǒng)有限公司、美國泰萊華頓公司,國內(nèi)有張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司、張家港富瑞特種裝備股份有限公司等。中國在此領(lǐng)域起步晚,但發(fā)展迅速?，F(xiàn)該氣瓶主要用于出租車、公交車、牽引車、抑塵車、大巴車、水泥攪拌車、貨柜車等多種車型,已深入到國民經(jīng)濟(jì)和生活方方面面。表1為美國查特深冷工程系統(tǒng)有限公司車用LNG氣瓶參數(shù)。

表1 美國查特深冷工程系統(tǒng)有限公司車用LNG氣瓶技術(shù)參數(shù)

3 車用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)及現(xiàn)狀

隨著LNG汽車的廣泛應(yīng)用,車用LNG氣瓶存量越來越多。氣瓶設(shè)備因損壞、事故等愈發(fā)的老舊,其安全性和穩(wěn)定性等問題愈發(fā)突出,因此針對(duì)低溫絕熱氣瓶,依據(jù)TSG 23—2021《氣瓶安全技術(shù)規(guī)程》[2]和GB/T 34347—2017《低溫絕熱氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定》要求[3]對(duì)車用LNG氣瓶進(jìn)行定期檢驗(yàn),檢驗(yàn)周期不超過3 a。

檢驗(yàn)項(xiàng)目:外部檢查、安全附件檢查、閥門及管路檢查、固定裝置檢查、氣密性試驗(yàn)、靜態(tài)蒸發(fā)率檢測(cè)。檢驗(yàn)前,一般會(huì)為用戶提前向檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)申報(bào)汽車氣瓶定期檢驗(yàn),檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)汽車及氣瓶出廠合格證書、安全附件證書、最近一次檢驗(yàn)報(bào)告、最近一次檢驗(yàn)周期內(nèi)日常檢查記錄審查通過后,用戶將待檢車輛駛至檢測(cè)站進(jìn)行在線檢驗(yàn)。

檢驗(yàn)員通過目測(cè)或借助窺視鏡進(jìn)行外部檢查、閥門管路檢查及固定裝置檢查,防止氣瓶假冒翻新、凹陷過大、任意改裝、繃帶松動(dòng)、結(jié)露結(jié)霜等。

進(jìn)行氣密性試驗(yàn)時(shí),根據(jù)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34347—2017《低溫絕熱氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定》、GB/T 12137—2015《氣瓶氣密性試驗(yàn)方法》[4],氣瓶在公稱工作壓力下穩(wěn)壓1 min,利用不含油脂的檢查液涂抹檢驗(yàn)無泄漏的即為合格。但氣瓶進(jìn)站檢驗(yàn)時(shí),一般氣瓶的壓力都在0.6～1.0 MPa,根據(jù)制造廠家及氣瓶的不同,車用氣瓶的公稱工作壓力一般為1.37 MPa和1.59 MPa。所以需要增壓后再進(jìn)行氣密性試驗(yàn),由于自增壓器自身的限制,無法將其升至公稱工作壓力,通常檢驗(yàn)員的應(yīng)對(duì)方法如下:1. 利用外接氮?dú)鈱?duì)其增壓至公稱工作壓力,這種方式雖然增壓效率高,但是操作過程中存在不安全因素;2. 利用車用氣瓶內(nèi)剩余LNG的自然蒸發(fā)進(jìn)行增壓,此方式增壓效率慢,通常需要2～5 d時(shí)間;3. 要求用戶在送檢前,先把待檢汽車開至加氣站增壓至公稱工作壓力。這些應(yīng)對(duì)方式不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力且存在不安全因素,無論是對(duì)于檢測(cè)機(jī)構(gòu)還是用戶來說,都是苦不堪言的。

氣密性試驗(yàn)完畢后,進(jìn)入下一檢驗(yàn)項(xiàng)目:靜態(tài)蒸發(fā)率檢測(cè)。由于車用氣瓶拆裝不方便,依據(jù)GB/T 34347—2017《低溫絕熱氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定》中的第5.8節(jié)、GB/T 18443.5—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法 第5部分:靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量》[5]中的流量法規(guī)定,靜態(tài)蒸發(fā)率檢測(cè)前必須將瓶內(nèi)壓力降至0(即常壓),靜置48 h后方可連接設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)試。將公稱容積為450 L的氣瓶在公稱工作壓力下通過排空閥進(jìn)行排空,產(chǎn)生的噪音對(duì)監(jiān)測(cè)站內(nèi)工作人員及50 m范圍內(nèi)的人員都會(huì)造成影響。同時(shí),閥門全開,將一個(gè)氣瓶從公稱工作壓力泄壓至0且無噪音約需要3 h,對(duì)外排放的天然氣約占?xì)馄康?0%,約20 kg。直接排放天然氣不僅造成了能源浪費(fèi),而且天然氣中含量最大的甲烷會(huì)被地球臭氧層的臭氧氧化,發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)后促使臭氧分解,破壞臭氧層,導(dǎo)致全球變暖。

靜態(tài)蒸發(fā)率檢測(cè)完成后拆除檢驗(yàn)設(shè)備,將氣瓶增壓后方可啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),駕駛汽車離開檢測(cè)站。但平時(shí)的檢測(cè)工作中往往出現(xiàn)汽車自帶增壓器故障或者增壓器失效的情況,有時(shí)需要放置一周方能緩慢增壓至發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需壓力。如遇緊急情況汽車需要盡快發(fā)動(dòng)駛離,可能出現(xiàn)由拖車將其拉至加氣站增壓的尷尬場(chǎng)面,這些情況往往會(huì)引發(fā)用戶的投訴及不滿,影響檢驗(yàn)服務(wù)質(zhì)量。

4 氣瓶檢測(cè)站一體化天然氣排放回收裝置設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述車用LNG氣瓶檢測(cè)站檢驗(yàn)工作遇到的問題和難點(diǎn),現(xiàn)設(shè)計(jì)一套設(shè)備裝置,以滿足氣瓶快速增壓、天然氣排放(BOG)回收的需求。設(shè)計(jì)思路為:將檢驗(yàn)過程中浪費(fèi)的天然氣回收至儲(chǔ)氣容器A內(nèi),通過泵(防爆)將容器A內(nèi)的天然氣抽出增壓后存儲(chǔ)在高壓容器B內(nèi),容器B內(nèi)壓力可設(shè)置在10 MPa,其出口可連接多個(gè)受檢氣瓶的排空閥,出口設(shè)有減壓閥、調(diào)節(jié)閥。為車輛增壓至公稱工作壓力或者發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓力。但是A/B容器的容積都是有限的,不可能無限制的容納天然氣,必須考慮到天然氣超壓?jiǎn)栴},如果超壓通過安全閥對(duì)空排則同樣浪費(fèi)資源及污染環(huán)境,此法不可行。由于液體比氣體的密度大,可將天然氣液化,同時(shí)液化天然氣可以重新利用。比對(duì)現(xiàn)存的液化方法,比較成熟的有以下方案[6]。

1. 膨脹液化:配套膨脹制冷機(jī)和壓縮機(jī),先將一種介質(zhì)進(jìn)行壓縮,然后進(jìn)入冷箱進(jìn)行膨脹吸熱制冷液化天然氣。這種方法的缺陷是投資成本高、能耗高。

2. 再冷液化:天然氣經(jīng)過壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮,之后在冷凝器內(nèi)與LNG混合液化。這種方法的缺點(diǎn)是能耗高。

3. 液氮換熱液化:檢測(cè)站內(nèi)液氮通過換熱器吸收天然氣的熱量氣化,另一端則為回收的天然氣放熱液化。

通過對(duì)成本、空間以及能耗的綜合考慮,現(xiàn)采用第三種方案。一般氣瓶檢測(cè)站進(jìn)行杜瓦罐(立式低溫絕熱氣瓶)定期檢驗(yàn)時(shí)需要配備液氮。本裝置通過增設(shè)換熱器,使部分液氮在其內(nèi)氣化后用于杜瓦罐氣密性試驗(yàn)。液氮吸收天然氣的熱量氣化,使天然氣液化,達(dá)到冷量用于回收液化天然氣的目的。基于環(huán)保節(jié)能及縮小成本的考慮,使用液化裝置的前提如下:1. 天然氣回收B容器壓力將快超限;2. 杜瓦罐需要進(jìn)行氣密性試驗(yàn)時(shí),對(duì)于增壓泵的選擇,可以考慮配備內(nèi)燃機(jī),其燃燒天然氣驅(qū)動(dòng)增壓泵,減少其他能源消耗。如圖2所示,通過管路將低壓容器A、高壓容器B、液化容器C、增壓泵、換熱器連接。將受檢車用LNG氣瓶排氣回收至低壓容器A,待壓力平衡后,打開定制內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣閥啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī),通過內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)增壓泵,將低壓容器A內(nèi)天然氣壓縮后輸送至高壓容器B。此泵預(yù)設(shè)出口最高車用LNG壓力,達(dá)到最高壓力時(shí)自動(dòng)停機(jī)(或手動(dòng)停機(jī))。高壓容器B內(nèi)的天然氣可通過增壓管路進(jìn)入氣瓶增壓,或者進(jìn)入換熱器內(nèi),液氮?dú)饣瘯r(shí)吸收大量的天然氣熱量,使天然氣凝結(jié)成液化天然氣,液化天然氣流進(jìn)液化容器C,由液氮罐引出進(jìn)入換熱器的液氮?dú)饣傻獨(dú)膺M(jìn)入杜瓦罐檢驗(yàn)區(qū)。液態(tài)管路裝設(shè)保溫棉等保溫設(shè)施,以減少漏熱氣化。液化容器C內(nèi)儲(chǔ)存的液化天然氣可作為科研項(xiàng)目燃料或充裝介質(zhì),也可對(duì)受檢車用LNG氣瓶進(jìn)行充裝等。

圖2 檢測(cè)站一體化天然氣回收裝置

裝置實(shí)施后,檢驗(yàn)過程如下:進(jìn)入檢驗(yàn)區(qū)的車用LNG氣瓶通過管路連接,直接使用增壓管線使天然氣快速增壓至工作壓力(例如1.59 MPa)即可進(jìn)行氣密性試驗(yàn)及其他項(xiàng)目檢查;完畢后連接回收管路進(jìn)行泄壓,靜置后準(zhǔn)備進(jìn)行靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)試;靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)試完畢后,連接增壓管路進(jìn)行增壓直至達(dá)到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料使用壓力(如0.8 MPa),汽車即可駛離檢測(cè)站。根據(jù)需要還可為車載氣瓶充裝一定量的液化天然氣,過程方便快捷。該裝置長期停用后恢復(fù)使用前必須進(jìn)行置換、檢漏。

設(shè)備裝置配置方面,增壓泵可采用防爆類型雙級(jí)雙作用冷媒增壓泵,使用以天然氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)增壓泵,管路配置排空裝置及安全泄放裝置。低壓容器A可選用容積為4 m3的立式儲(chǔ)氣罐,工作壓力為2 MPa;高壓容器可選用容積為3 m3的立式儲(chǔ)氣罐,工作壓力為10 MPa。液化容器C為LNG低溫儲(chǔ)罐,可選用立式,容積為4 m3,工作壓力為1.6 MPa,型號(hào)為JCL-4/1.6。筆者單位氣瓶檢測(cè)站整套設(shè)備管路鋪設(shè)基于原有車用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)場(chǎng)所,將杜瓦罐定期檢驗(yàn)區(qū)及液氮罐合理有效地利用起來,一起搭建增泄壓及回收系統(tǒng)。成本方面包括采購鋪設(shè)管路、保溫材料、閥門及安全附件和根據(jù)地形、區(qū)域定制3個(gè)容器罐及增壓泵等,綜合費(fèi)用不超過20萬元?；诎踩矫婵紤],該系統(tǒng)裝置需安裝在空曠區(qū)域,以防止天然氣泄漏引起火災(zāi)、人員窒息等,設(shè)備需定期維護(hù)保養(yǎng)。如非敞開式區(qū)域,必要時(shí)裝設(shè)天然氣檢測(cè)報(bào)警儀,并配套相關(guān)安全設(shè)施。

5 法律依據(jù)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速增長,能源消耗同樣巨大,給社會(huì)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。金山銀山不如綠水青山,人們對(duì)節(jié)能環(huán)保越來越重視。各地政府對(duì)環(huán)境保護(hù)問題采取了各種措施及辦法,對(duì)污染環(huán)境的企業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)督查。在特種設(shè)備行業(yè)中,國家相關(guān)法律法規(guī)對(duì)特種設(shè)備的制造、經(jīng)營、使用、檢驗(yàn)檢測(cè)等環(huán)節(jié)的節(jié)能環(huán)保提出了要求。

如《高耗能特種設(shè)備節(jié)能監(jiān)督管理辦法》第三十一條規(guī)定:從事高耗能特種設(shè)備能效測(cè)試的檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu),應(yīng)當(dāng)按照《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》以及特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范等有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求,依法進(jìn)行高耗能特種設(shè)備能效測(cè)試工作。

《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》第八條規(guī)定:國家鼓勵(lì)推行科學(xué)的管理方法,采用先進(jìn)技術(shù),提高特種設(shè)備安全性能和管理水平,增強(qiáng)特種設(shè)備生產(chǎn)、使用單位防范事故的能力,對(duì)取得顯著成績的單位和個(gè)人,給予獎(jiǎng)勵(lì)。國家鼓勵(lì)特種設(shè)備節(jié)能技術(shù)的研究、開發(fā)、示范和推廣,促進(jìn)特種設(shè)備節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用。特種設(shè)備生產(chǎn)、使用單位和特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu),應(yīng)當(dāng)保證必要的安全和節(jié)能投入。

6 結(jié) 論

針對(duì)車用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)遇到的增壓速度慢、排放浪費(fèi)、污染環(huán)境、檢驗(yàn)時(shí)間跨度長的問題,用不超過20萬人民幣的成本搭建了氣瓶檢測(cè)站固定式一體化增泄壓及天然氣回收系統(tǒng),一勞永逸地解決了LNG氣瓶檢驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的噪音危害,并避免了檢驗(yàn)過程中的能源浪費(fèi),減少了天然氣的排放,減少了對(duì)臭氧層的破壞。同時(shí)在車用LNG氣瓶檢驗(yàn)工作中克服了增壓效率低、檢驗(yàn)時(shí)間過長的問題,實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益雙贏。同時(shí)也表明,對(duì)于這種檢驗(yàn)工作中遇到的難點(diǎn)問題的攻克也是相關(guān)科研院所、企事業(yè)單位研究人員科研工作和創(chuàng)新方向。