液化天然气汽车（LNGV）技术及系统维护.pdf

3 9 O 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L GAS 液化天然气汽车 L NGV 技术及 系统维护 杨 尚宾 河 南 中原绿 能 高科 有 限责任 公 司 摘 要 液化天然气作为车用燃料 ， 具有环保 、 能量密度 大、 充装速度快及安全的特点。本文 针 对液化 天然 气的 的特点 ， 对液化 天 然气汽 车供 气工 艺及 系统 组成 进 行详 细介 绍 。并 结合 北 京 5 O 辆 L N G公交车在实际应用中存在的 问题 ， 对 系统维护 中影响车辆安全和 经济性能的储罐真空度 的现 场 维护 问题进 行 了阐述 。 关 键词 液化 天 然气汽 车 工艺 系统组 成 维护 DoI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ i ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 0 9 ． 0 5 ． 0 0 6 从全球范围看， 在发达国家石油消耗 中， 接近一 半 为汽 车消耗 ， 汽 车燃 料 已成 为 能 源 消耗 的主 要部 分 。国内情况是 ， 预计 在 2 0 1 0年全 国汽 车保有 量为 1 ． 8 l O 。 辆 ， 汽 车燃 油 需 要 量 将 达 到 2 ． 0 l O 。t ／ a[ 】 ] 。燃 油的大量 使用 ， 带来 的直接 影响是 城 市大 气 环境 日趋恶化 ， 环保 形势严 峻 。实践证 明 ， 城 市污 染 尤其是大城市环境 主要污染源来 自汽车尾气污染 ， 以北京 为例 ， 奥 运前 北 京 市 民几 乎 不 可能 在 晚 上看 到星星 ， 奥运期间通过采取单双号限行措施 ， 使北京 从 2 0 0 8 年 8月 1日至 9月 2 0日之 间 ， 北 京 的天 空 蓝天 白云 ， 晚上 也 可 以看 到久 违 的星 星 。 由此 可 看 出推广利用清洁燃料汽车对于改善居民生活环境， 改善大气污染 ， 构建和谐社会具有举足轻重的意义 。 天 然气 污染低 、 抗 爆 性 好 、 蕴藏 丰 富 ， 相 对 高 昂 的油价 ， 其 经济 性尤其 受到 广泛关 注和认 可 ， 并 得到 了大量 的推 广 。液 化 天 然 气 L NG 因其 独特 的生 产工艺， 使其作为汽车新型清洁能源， 与压缩天然气 c NG 相 比具有更高的环保价值， 是值得大力推广 的替代能源 。 1液化天然气汽车 I N G V 的特点 液化天然气是天然气的一种特殊存在状态 ， 是 将天然气净化后通过冷却而成的低温液体， 主要成 分为甲烷 ， 在大气压力下 ， L NG的沸腾温度约为 ～ 1 6 2 。 C。较 低的 沸腾 温度 要 求 液 化 天然 气 在 生产 过 程 中要进行脱水、 脱烃、 脱硫 、 脱 C Oz等净化处理 ， 因此 ， 与压缩 天然 气相 比， 液 化天 然气用 作汽 车燃料 时更洁 净 、 更 环 保 。 国 内部 分 使 用 L NG 公 交 车 的 城 市近几 年 的运行数 据显示 L NG公 交 车较 同档 次 柴油车节省能源 2 3 ～3 3 ， 尾气 C O 。 排放量下降 2 O ％左右 ， C O下降 9 O ％， 基本不含铅尘、 硫化物以 及苯类等有害物质_ 2 ] 。 少量的 L NG即可转换为大量的气体 ， 1个体积 的 L NG液体大约可转换 为 6 0 0个体积 的气体， 使 L NG作 为汽 车燃 料 时 具 有更 高 的能 量 密 度 。相 对 于 1 6 MP a的 C NG 而 言 ， L NG 的能 量 密度 提高 3 倍 ， 比 2 0 MP a的 C NG的能量密度提高 2 ． 5 倍 ， 比 2 5 MP a的 C NG提高 2倍口 ] 。L NG作为汽车燃料 ， 可增 加单位 体积 燃料 汽 车 的行驶 里 程 ， 同时 减 轻燃 料储罐 自重。以北京公交集团公 司客一分公司 3 1 5 车 队的 1 4 m L NG 铰接 公交 车 为例 ， 该 车用 美 国康 明斯公司 B 5 ． 9 1 9 5 G天然气单燃料发动机， 安装 低温燃料储罐一 只， 储罐容积 3 3 5 L， 空重 2 0 0 k g ， 一 次 充装 L NG燃 料 1 3 5 k g 1 9 0 r f t 。 NG ， 行 驶 里 程 可以达 4 5 0 k m， 而 3 1 5车 队对车辆 的调度里 程 每 天最大 3 0 0 k m， 每天充装一次燃料就能保证公交车 一 天 的用量 。 充装速 度快 ， 在 达 到相 同充 装 量 的情 况 下 ， L NG汽车 的充 装 速度 是 C NG 汽 车 的 3 ～5倍 。 L NG汽 车 的充装 速度一 般不 小于 1 8 0 L ／ rai n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 8 卷第5 期 液化天然气汽车 L NGV 技术及系统维护 2 L NGV 供气工艺 及系统组成 L NG用作车用燃料 ， 长期困扰的 2个技术问题 是如何解决压力控制和 液体输 送。L NG储存过 程 中压 力 持 续 升 高 将 导 致 过 度 排 放 ， 容 器 内 L NG 的 组 分也 会逐 渐 变重 ， 继 而影 响发 动机 的性能 和 寿命 。 围绕 这 两 个 问 题 的解 决 ， 可 以 将 车 用 L NG 技 术 分 成两 种 过 冷工 艺 和 饱 和 工 艺 。其 中过 冷 工 艺 车 用 供气系统， 需要增设 增压系统， 使系统更为复杂 ， 经 济性 能 变 差 ； 饱 和 工 艺 L NG 供 气 系 统 只需 采 用 一 个压 力调 压 阀和 提供 背压 的内置 单 向阀来 自动控 制 车用 储罐 的压 力 和 实 现燃 料 输送 ， 无 须 增 加 液 体 增 压设备。当储罐压 力高于经济 阀的设定值 时， 经济 阀打开 ， L NG蒸气优先输 出 ； 当储罐压力低 于设定 值时 ， 经济阀关闭 ， 只有 L NG饱和液体流出。 饱 和 工艺 车用 I ． NG 技 术 因其 工艺 简 单 、 可 靠 、 操 作方 便 ， 经济 性 能 优 于 过冷 工 艺 车 用 L NG 技 术， ， 使 其在 国 内现 有 的 L NGV 上 得到 了 大量 运用 。 L NGV 车用 燃 料 系 统 主要 由 L NG 储 罐 、 充 装 管 路 、 放 空 管路 、 供 气管 路 、 安 全 阀排 放 管路 、 液 位 系 统 、 过 滤器 及 电磁 阀控 制器 组 成 ， 如 图 1 所 示 。 2 ． 1车用液化天然气燃料储罐 车用 液化天然气储罐 是一种低温绝 热压力容 器 ， 设计 有 双层 真 空 结 构 。 内胆 用 来 储 存 低 温 液 化 天然 气 ， 在其外 壁 缠有 多 层绝 热材 料 ， 具有 超 强 的 隔热性能 ， 同时夹套 两层 容器之间的空问 被抽成 高 真空 ， 共 同形 成 良好 的 绝 热 系 统 。外 壳 和 支 撑 系 统 的设 计 能 够 承 受 车 辆 在 行 驶 时所 承 受 的 相 关 外 力 。 内胆 设 计 有 两 级 安 全 阀 在 超 压 时起 到 保 护 作 用 。在超 压情 况 下首 先 打 开 的是 主安 全 阀 开 启 压 力为 1 ． 5 9 MP a ， 用 于泄 放 因 绝 热 层 和 支 撑 正 常 漏 热 导 致 的压力 上 升 ， 同时 ， 也可 用 于真空 破 坏后及 火 灾 条 件下 加 速 漏 热 导 致 的 压 力 上 升 。二 级 安 全 阀 开启 压力 为 2 ． 4 1 MP a 的 压 力设 定 点 较 主 安 全 阀 高 ， 在 主安 全 阀失 效 或 发 生 堵 塞 时 ， 副 安 全 阀启 动 。 所有的管阀件都设置在气瓶 的一端 ， 并用护环或保 护 罩进 行 防护 。 2 ． 2供 气管 路 L NGV 供 气 管 路 主要 由汽 化 器 、 电磁 阀、 减 压 阀 和过 滤 器 组 成 ， 其 基 本 原 理 与 C NG 汽 车 相 同 。 根据 北京 公 交车 供气 系 统 的使 用 经 验 ， 在 汽化 器 之 前增 设三 通及 球 阀 能 带来 以下 两 个 方 面 的便 利 一 方 面在储罐及 相连配件维修需 要排净储罐 内燃料 时， 可以在不拆卸管路 的情况下通过球阀进行余液 回收 和 对 储 罐 进 行 氮 气 置 换 ； 另 一 方 面 在 L NG 车 辆 因燃料 耗尽 需要 救 援 时 ， 可 以 直接 在球 阀上 连 接 救 援气 源 。此 方法 简单 、 安 全 、 快捷 。 电磁 阀主 要 用来 通 断 燃 气 ， 实 现 燃 气 的控 制 和 可 调 ， 应确 保 车辆 总 电 源 处 于接 通 状 态 而发 动 机 没 有 启 动时 ， 燃气 通 路 仍 然 处 于关 闭状 态 ； 另 外 ， 应 确 保流体在一4 0 。C～7 0 。 C变化范围的良好控制 。实际 应 用 中使用 的控制 方式 有 高压 脉 冲信号 控制 ， 发 电 机 “ N” 级 电控制 ， 发 动机 E C U 直 接 控制 。使用 最 好 的是发动机 E C U 控制 ， 由此建议发 动机厂家在 生 产 天然 气发 动 机时 考虑 电磁 阀控 制 的 问题 。 燃 气供 给 时 ， 当储罐 压力 高 于经 济 阀设定 值时 ， 经 济 阀在 内置单 向阀 的共 同作用 下 打 开 ， L NG 蒸 气 优 先输 出 ； 当储 罐 压 力 低 于 设定 值 时 ， 经 济 阀关 闭 ， 只 有 L NG 饱 和液 体 流 出 ， 从 而 保 证 储 罐 压 力 始 终 保 持在 发动 机要 求 的范 围 内 ； 储 罐 的 出液 口设 置 过 流 阀 ， 以保 证在 供 给管 线 出现 燃 气 大 量 泄 漏 时及 时 切 断燃 气供 给 ； 当去往 发 动机 的燃 料 压 力 低 于设 定 值 时 ， 压 力 感应 器能 及 时发 出报 警 ， 以便及 时发 现 问 题避免车辆抛锚或者发生燃气供给事故。 3 I NGV 存 在的同题 L NGV车用储罐价格 高， 一只进 口钢瓶需要 6 万元 以上 ， 高昂 的价格使 L NG汽车一直得不到大 量推 广 ； 国产 气瓶 价 格便 宜但 没有 国家 标 准 ， 在 大城 市使 用得 不 到政府 许 可 ， 用 户 不敢 采用 ， 法 制法规 短 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油与天然气化工 CHEM J CAL ENGI NEERI NG OF OI L GAS 缺是 L NG 汽车发 展 的一 大 障 碍 ； L N G 汽 车 加气 站 没有相应 国家标准 ， 其建设是参照美国标准， 导致加 气 站消 防验收无 法 可循 ， 仍 然 采 用专 家 论 证会 的方 式 ， 导致 加气站 的管 理 、 运 营 没有 统 一 的标 准 ； 车 用 储 罐真空 度无法 长 期保 证 ， 一 旦 真空 度 降 低 导致 储 罐安 全附件 损坏加 快 ， 阀件仓接 头密 封变差 ， 车辆燃 料单耗会大幅度增大 ， 经济性和安全性都得不到保 证 ， 最终 导致用 户排斥 ， 根据北 京 L NG公交 车 的使 用经验 ， 一 只新 储 罐符 合 使 用要 求 的 真 空度 一 般 只 能保持 2年左右， 因此如何解决储罐真空度的维护 ， 是 L NG汽 车能否 安全 、 经 济运 营 的前 提 ， 也 是 L NG 汽车发 展 的瓶 颈 。 4 I N G 汽车系统维护 L NG汽 车 系统 维护 难度最 大 、 周 期 最长 的是 储 罐真空度维护。储罐真空度维护分为两种方法， 其 一 是把 储罐从 车上拆 下送 往钢瓶 生产 厂家进 行真 空 维护 ， 此方法 能使储 罐达 到较高 的真空 度 ， 但 劳动 强 度大、 周期长， 需要拆装和运输储罐 ， 维护一次储罐 真 空至少 需要 3 0 d时 间 ， 影 响用户 车 辆使 用 ， 实 际 操作 起来显 然不是 最快 捷 、 经 济 的方法 。北 京 L NG 科技 示范站 一直致 力于 储罐现 场真 空度维 护装置 的 研究 和开发 ， 现在 已经成 功 研 发 出一 套 现场 抽 真 空 装置 ， 该装置不需要把车用液化气瓶从车辆本体上 拆下 ， 维护一 次储罐 真空 最多需 要 7 d时 问 ， 现 在 已 经成 功为北 京 2 0辆 L N G 公交 车 现场 维护 了真空 。 L NGV现 场真空 维护装 置 主要 包 括 真空 泵组 1 ， 真 空计 4 ， 氮气 瓶 7 ， 抽 口工 装 8 ， 如 图 2 所 示 。 该装 置 利 用 加 热 系 统 将 L NG 车 用 瓶 内胆 升 温 ， 促 使储罐 夹层 缠 绕层 材 料尽 可能 多 地释 放 吸 附 的气体 ； 采用撬装式旋 片泵和罗茨泵相组合 的两级 抽 真 空 方 式 ， 使 车 用 储 罐 达 到 较 高 的 真 空度 0 ． 0 8 P a ； 在抽取过程 中， 装入一定数量的真空 吸附剂 ， 以 吸收 L NG车用瓶使用过程 中缠绕层释放的气体 ， 使气瓶在较长的时间内维持较高的真空度。 进行系统维护时利用加热后的氮气对储罐内胆 进行氮气置换和升温， 然后拆开与储罐相连的各管 线把储罐旋转到便于安装抽 口工装 的位置， 将加热 装置 的 出风 口和储罐 充 装 管 路相 连 ， 把 阀件拆 除作 为 出风 口， 同时 可避 免 阀件 在 高温 下 密封 失 效 。把 抽 口工装与储罐抽真空 口相连启动真空泵组 ， 等抽 口工装 内真 空度 与夹层 内真空 度接 近 的时候拔 出抽 口堵头 ， 对夹层连续抽取 4 h后进行氮气置换 ， 待夹 层压力与外界大气压力平衡时卸下抽 口工装 ， 从储 罐抽 真空 口投入 真 空 吸 附剂 ， 重 新 安 装抽 口工 装再 连续抽取 6 8 h ， 抽真空结束。抽真空时一定注意控 制 内胆加热 温度 不 能 超 过 1 0 0 。 C， 并 且 加 热 时 间不 能超 过 4 8 h ， 以免烧 坏 缠 绕层 。储 罐 内胆 氮 气 置换 速度一 定要 慢 ， 压 力一定 要低 。实践 证 明 ， 通过 此方 法 对储 罐进 行真 空维 护 后 ， 能 完 全 达到 出厂 时 的真 空 度 。 液化 天然 气汽 车系统 的其他 部分 故 障主要是 管 路 泄露 ， 因其维 护 时 间短 、 劳 动 强 度低 ， 只要 平 时 注 意检 查及 时维 护 ， 或 在车辆 进行保 养 时一起 维护 ， 一 般不会带来安全问题和影响使用 。 5系统展望 通 过北京 5 o辆公交 车 6年安 全运行 表 明 ， 液化 天然气汽车的安全性、 经济性都很显著， 国家职能部 门如能尽早制定 出液化天然气汽车及液化天然气加 气站 相关 技术规 范 ， 主要 配 件 国产 化 、 合 法 化 ， 加 上 国内越 来 越 多 的 液化 天然 气 资 源 ， 必 将 迎 来 L NG 汽车 的规模 化发 展 。 参 考 文 献 1苏欣 ， 杨君 ， 袁宗明 等． 我 国液化 天然 气汽车研究现状 [ J ] ． 天 然气 工业 ， 2 0 0 6 ， 8 1 4 5 1 4 8 2罗东 晓 ． 珠江三角洲地 区推广 液化天然 气汽 车的可行 性． 煤气与 热力 ，2 0 0 7 ， 2 7 6 3吴志新 ， 黎苏．液化天然气汽车的研究进展及存在 问题 收稿日 期 2 0 0 9 0 2 2 7 ； 收修改稿 2 0 0 9 0 4 --2 0 ； 编辑 康 莉 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m