車用液化天然氣供氣系統(tǒng)工藝與設(shè)備

天然氣汽車被稱為綠色環(huán)保汽車，近年來在國(guó) I內(nèi)外發(fā)展迅速。世界上已有70多個(gè)國(guó)家擁有天然孽氣汽車，天然氣汽車總量超過850×10⁴輛，并且以1年均30％的速度增長(zhǎng)，天然氣汽車加氣站則超過了12 000座。截至2008年底，國(guó)內(nèi)超過120座城市已經(jīng)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(dá)1 000余座。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(jīng)濟(jì)、續(xù)駛里程長(zhǎng)、環(huán)保性能更優(yōu)等特點(diǎn)；LNG汽車加氣站建站投資少，占地少，無需大型動(dòng)力設(shè)備，運(yùn)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(yùn)輸，建站不受天然氣管網(wǎng)限制，便于規(guī)模化推廣。國(guó)外LNG汽車已經(jīng)產(chǎn)品化，在美國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)均有應(yīng)用。美國(guó)在LNG車用技術(shù)上處于領(lǐng)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(yùn)車輛，尤其是長(zhǎng)途車輛。從美國(guó)和歐洲的趨勢(shì)看，各國(guó)的天然氣汽車的研制重心已經(jīng)由CNG汽車轉(zhuǎn)向LNG汽車。我國(guó)LNG產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，已形成自主生產(chǎn)和進(jìn)口相結(jié)合的發(fā)展道路。隨著我國(guó)第一個(gè)LNG接收終端——深圳大鵬LNG接收終端的成功運(yùn)行，國(guó)內(nèi)已經(jīng)批準(zhǔn)實(shí)施了10余個(gè)LNG接收站工程，另有超過20個(gè)在建及規(guī)劃中的項(xiàng)目，主要集中在廣東、福建、浙江、海南、河北等沿海省份，為發(fā)展LNG汽車提供了氣源保障。發(fā)展LNG汽車是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和環(huán)保的需要，也是未來天然氣汽車發(fā)展的理想途徑。

    液化天然氣汽車動(dòng)力系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)和車用 LNG供氣系統(tǒng)組成。車用LNG供氣系統(tǒng)是LNG汽車的核心部分，主要由車用LNG氣瓶、車用氣化器、穩(wěn)壓閥、燃?xì)夤┙o裝置、穩(wěn)壓罐、安全裝置等組成。液化天然氣通過管路系統(tǒng)進(jìn)入氣化器后，由發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水加熱氣化成氣體，經(jīng)過穩(wěn)壓閥，使壓力降至適合發(fā)動(dòng)機(jī)的需要；再通過穩(wěn)壓罐經(jīng)電磁閥供給發(fā)動(dòng)機(jī)。

車用LNG供氣系統(tǒng)具有自增壓、穩(wěn)壓供氣、過壓保護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)向發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)天然氣。其基本要求為：能在發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)可靠，怠速運(yùn)行穩(wěn)定；車用LNG氣瓶?jī)?nèi)壓力始終比發(fā)動(dòng)機(jī)要求的進(jìn)氣壓力高0．2 MPa以上；管路設(shè)計(jì)合理，調(diào)節(jié)方便，供氣管路上的穩(wěn)壓閥出口設(shè)定壓力比發(fā)動(dòng)機(jī)要求的進(jìn)氣壓力高0.05—0.10 MPa；液位和壓力顯示系統(tǒng)靈敏，準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)。

    車用LNG氣瓶是LNG汽車供氣系統(tǒng)的重要組成部分，屬于小型移動(dòng)式真空絕熱低溫容器，主要由內(nèi)膽、外殼、絕熱結(jié)構(gòu)、支撐系統(tǒng)和附件等組成。內(nèi)膽設(shè)計(jì)溫度為一196℃，設(shè)計(jì)壓力為2.5 MPa，****允許工作壓力為1.6 MPa，內(nèi)部設(shè)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(hù)內(nèi)膽并對(duì)整體起支撐作用，外殼和內(nèi)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(dǎo)率的鋁箔等絕熱材料。在夾套間設(shè)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(shí)，都有良好的夾套空間真空度。LNG氣瓶所有的管路、閥件都設(shè)置在氣瓶的一端，并用保護(hù)罩進(jìn)行保護(hù)。

    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(jí)不得低于LNG氣瓶的****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 d安全閥不開啟；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(shí)間。④在滿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。汽車在運(yùn)行過程中，由于劇烈顛簸、沖擊而使氣瓶?jī)?nèi)膽與外殼之間容易發(fā)生相對(duì)位移和結(jié)構(gòu)變形，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�性，要求LNG氣瓶具有良好的抗沖擊性能。

    車用氣化器是將LNG氣化并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況自動(dòng)調(diào)節(jié)氣化量然后供給發(fā)動(dòng)機(jī)工作的裝置。一般采用水浴式氣化器，以發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)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(shí)改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能。水浴式氣化器是一種典型的小型管殼式結(jié)構(gòu)，串聯(lián)在發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水對(duì)LNG進(jìn)行加熱氣化。發(fā)動(dòng)機(jī)工作在不同工況下，流經(jīng)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(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)計(jì))。小型車lO m³／h左右．大型車或重型車30 m^’／h左右。②氣化器出口溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水達(dá)到正常水溫(80—90℃)時(shí)，氣化器出口的天然氣溫度在5～30 ⁰C。③汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC／T 245--2002《壓縮天然氣汽車專用裝置和安裝要求》規(guī)定，氣化器應(yīng)安裝在氣瓶和發(fā)動(dòng)機(jī)之間，靠近發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管和振動(dòng)較小的位置，但不應(yīng)直接安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上。，④氣化器一般水平放置，冷卻水的流向應(yīng)與LNG的流向一致，熱水進(jìn)出口應(yīng)在上方，避免形成氣阻。

  燃?xì)夤┙o裝置是指氣化器后的燃?xì)夤┙o和控制裝置，包括穩(wěn)壓閥、混合器和電磁閥等。當(dāng)氣瓶?jī)?nèi)液體溫度升高時(shí)，氣瓶壓力升高，安裝在氣化器和電磁閥之間的穩(wěn)壓閥將天然氣降至穩(wěn)壓閥的設(shè)定壓力，從而保證進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的天然氣滿足發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)要求。混合器是一種利用文丘里原理，保證空氣、燃料在靜態(tài)與動(dòng)態(tài)下均能按正確比例混合的機(jī)械裝置，混合器能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化，增減混合氣的供應(yīng)量，以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)、怠速、加速等不同運(yùn)行工況下正常運(yùn)行的需要，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?xì)�，�?shí)現(xiàn)燃?xì)獾目刂坪涂烧{(diào)，應(yīng)確保車輛總電源處于接通狀態(tài)而發(fā)動(dòng)機(jī)沒有啟動(dòng)時(shí)，燃?xì)夤苈啡匀惶幱陉P(guān)閉狀態(tài)。

    一般情況下天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)不能直接接受車用 LNG氣瓶****允許工作壓力的天然氣，在給發(fā)動(dòng)機(jī)供氣之前應(yīng)對(duì)氣化器產(chǎn)生的天然氣進(jìn)行調(diào)壓。因此需要在供氣管路上配置穩(wěn)壓閥，將氣化器產(chǎn)生的天然氣壓力調(diào)到車用壓力0.4一1.O MPa，使供氣壓力和流量在發(fā)動(dòng)機(jī)要求的范圍內(nèi)。壓縮天然氣(cNG)由于壓力高需采用三級(jí)調(diào)壓，而LNG采用一級(jí)調(diào)壓就可以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)要求。

穩(wěn)壓閥工作溫度為一196～+120 cc，出口壓力范圍為0.3—1.0 MPa，規(guī)格依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)用氣流量要求決定，出口壓力可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)要求設(shè)定。

安全裝置主要由主安全閥、副安全閥、壓力表、液位計(jì)(由信號(hào)轉(zhuǎn)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?jī)?nèi)膽設(shè)計(jì)有兩級(jí)安全閥，在超壓時(shí)起到雙重保護(hù)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(shè)定值比主安全閥高，在主安全閥失效或發(fā)生堵塞時(shí)，副安全閥啟動(dòng)。氣瓶采用電容式液位計(jì)，該系統(tǒng)由傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器和顯示儀表組成。根據(jù)氣瓶?jī)?nèi)的液面高度產(chǎn)生一個(gè)成線性比例的電信號(hào)，并傳送給信號(hào)轉(zhuǎn)換器，再由信號(hào)轉(zhuǎn)換器傳送給顯示儀表。過流閥的作用是當(dāng)下游(主要指氣化器之后)供氣管路一旦發(fā)生破裂或斷開事故時(shí)，LNG流量超過設(shè)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(tǒng)檢修或車輛長(zhǎng)期停駛時(shí)用來排盡氣瓶?jī)?nèi)殘存的燃料。放空口一般設(shè)置在車輛外廓的最高點(diǎn)，且遠(yuǎn)離火源和蓄電池等部件。止回閥用于防止流體反向流動(dòng)。各種閥門要求固定牢靠，密封性能良好，開閉靈活有效。

    LNG用作車用燃料，儲(chǔ)存過程中由于外界熱量的傳人使得車用LNG氣瓶?jī)?nèi)壓力持續(xù)升高，最終將導(dǎo)致LNG過度排放，氣瓶?jī)?nèi)LNG組成也會(huì)逐漸變重，繼而影響發(fā)動(dòng)機(jī)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(tǒng)。

    過冷工藝車用供氣系統(tǒng)：車用氣瓶?jī)?nèi)儲(chǔ)存低飽和壓力的過冷LNG(壓力為0.345 MPa)，同等容積所攜帶的燃料量大，LNG汽車的續(xù)駛里程遠(yuǎn)，但為了達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)所需輸送壓力(0.4～1.0 MPa)，通常需要增設(shè)增壓系統(tǒng)來達(dá)到所需的工作壓力，使系統(tǒng)更為復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性變差。

飽和工藝車用供氣系統(tǒng)：車用氣瓶?jī)?nèi)儲(chǔ)存飽和壓力的飽和LNG(壓力為0.758 MPa)，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(gè)節(jié)約閥來自動(dòng)控制車用氣瓶的壓力，無須增加液體增壓設(shè)備。當(dāng)車用氣瓶壓力高于節(jié)約閥的設(shè)定值時(shí)，節(jié)約閥打開，LNG蒸氣優(yōu)先輸出；當(dāng)車用氣瓶壓力低于節(jié)約閥的設(shè)定值時(shí)，節(jié)約閥關(guān)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(jiǎn)單、可靠、操作方便，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于過冷工藝車用LNG供氣工藝，在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的LNG汽車上得到了大量運(yùn)用。

如果發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間不運(yùn)行，LNG吸熱氣化導(dǎo)致車用LNG氣瓶?jī)?nèi)壓力超過****允許工作壓力，此時(shí)主安全閥(設(shè)定壓力為1.6 MPa)打開，超壓氣體經(jīng)阻火器后排放至大氣。如果主安全閥故障導(dǎo)致無法打開，車用LNG氣瓶?jī)?nèi)壓力會(huì)繼續(xù)升高至副安全閥的設(shè)定壓力(2．5 MPa)，副安全閥打開釋放壓力。當(dāng)壓力逐漸降低到各安全閥設(shè)定的壓力值后，安全閥將自動(dòng)關(guān)閉。另外，在系統(tǒng)檢修或車輛長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí)可通過放空閥排盡氣瓶?jī)?nèi)殘存氣體。

    LNG加注技術(shù)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(dòng)放空閥排放車用LNG氣瓶?jī)?nèi)的氣體，以降低車用LNG氣瓶?jī)?nèi)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(shù)越來越受到市場(chǎng)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(chǔ)罐相連，其他管路都與外界無連接的加注過程。無排放LNG加注采用效果較優(yōu)的軸心頂部單管直噴結(jié)構(gòu)(見圖1)，減少充裝阻力，可使氣瓶?jī)?nèi)膽中的部分氣相被LNG液化，以保持充裝過程中內(nèi)膽氣相壓力的相對(duì)穩(wěn)定性。當(dāng)大量飽和液體LNG從低溫儲(chǔ)罐進(jìn)入車用LNG氣瓶時(shí)，加進(jìn)去的LNG直接吸收車用LNG氣瓶?jī)?nèi)氣體的熱量，使瓶?jī)?nèi)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。

無損儲(chǔ)存是低溫液體儲(chǔ)運(yùn)的一個(gè)過程。低溫液體的儲(chǔ)存溫度低，與周圍環(huán)境有較大的溫差，低溫液體吸熱后蒸發(fā)，為了減少蒸發(fā)氣體的消耗，在儲(chǔ)運(yùn)過程中，所有的閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，這就是無損儲(chǔ)存ⅢJ。液化天然氣的溫度與環(huán)境溫度可相差120 K以上，因此在其儲(chǔ)運(yùn)過程中對(duì)熱量的傳人極其敏感。隨著熱量的逐漸傳人，當(dāng)液化天然氣的溫度高于氣瓶?jī)?nèi)壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)，LNG會(huì)蒸發(fā)導(dǎo)致氣瓶壓力升高較快，當(dāng)壓力超過安全限定壓力，則安全閥開啟，大量?jī)?chǔ)存氣體被泄放。打開，車用LNG氣瓶?jī)?nèi)壓力會(huì)繼續(xù)升高至副安全閥的設(shè)定壓力(2.5 MPa)，副安全閥打開釋放壓力。當(dāng)壓力逐漸降低到各安全閥設(shè)定的壓力值后，安全閥將自動(dòng)關(guān)閉。另外，在系統(tǒng)檢修或車輛長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí)可通過放空閥排盡氣瓶?jī)?nèi)殘存氣體。

    LNG加注技術(shù)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(dòng)放空閥排放車用LNG氣瓶?jī)?nèi)的氣體，以降低車用LNG氣瓶?jī)?nèi)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(shù)越來越受到市場(chǎng)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(chǔ)罐相連，其他管路都與外界無連接的加注過程。無排放LNG加注采用效果較優(yōu)的軸心頂部單管直噴結(jié)構(gòu)(見圖1)，減少充裝阻力，可使氣瓶?jī)?nèi)膽中的部分氣相被LNG液化，以保持充裝過程中內(nèi)膽氣相壓力的相對(duì)穩(wěn)定性。當(dāng)大量飽和液體LNG從低溫儲(chǔ)罐進(jìn)入車用LNG氣瓶時(shí)，加進(jìn)去的LNG直接吸收車用LNG氣瓶?jī)?nèi)氣體的熱量，使瓶?jī)?nèi)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。

    無損儲(chǔ)存是低溫液體儲(chǔ)運(yùn)的一個(gè)過程。低溫液體的儲(chǔ)存溫度低，與周圍環(huán)境有較大的溫差，低溫液體吸熱后蒸發(fā)，為了減少蒸發(fā)氣體的消耗，在儲(chǔ)運(yùn)過程中，所有的閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，這就是無損儲(chǔ)存ⅢJ。液化天然氣的溫度與環(huán)境溫度可相差120 K以上，因此在其儲(chǔ)運(yùn)過程中對(duì)熱量的傳人極其敏感。隨著熱量的逐漸傳人，當(dāng)液化天然氣的溫度高于氣瓶?jī)?nèi)壓力所對(duì)應(yīng)的飽和溫度時(shí)，LNG會(huì)蒸發(fā)導(dǎo)致氣瓶壓力升高較快，當(dāng)壓力超過安全限定壓力，則安全閥開啟，大量?jī)?chǔ)存氣體被泄放。