關(guān)于液化天然氣作為車用燃料產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的思考

羅　勤羅志偉許文曉

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.全國(guó)天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)秘書處 3.中國(guó)石油天然氣與管道分公司

關(guān)于液化天然氣作為車用燃料產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的思考

羅勤1,2羅志偉3許文曉1,2

1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.全國(guó)天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)秘書處 3.中國(guó)石油天然氣與管道分公司

羅勤等.關(guān)于液化天然氣作為車用燃料產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的思考.天然氣工業(yè)，2016,36(5):87-91.

LNG組分隨時(shí)間變化的特性是其他車用燃料所不具有的，為了使LNG作為車輛燃料能滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)要求的最低烴類含量，需要制訂一份控制和管理LNG組分變化的標(biāo)準(zhǔn)文件，給出交付LNG燃料時(shí)判斷其是否達(dá)到車輛發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)指標(biāo)和使用期限。為此，簡(jiǎn)要介紹了美國(guó)國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)（SAE International）于2011年7月發(fā)布的J 2699 —2011《液化天然氣車用燃料SAE信息報(bào)告》[Liquefied Natural Gas (LNG) Vehicle Fuel SAE Information Report]，闡述了LNG的“老化”特性，以及作為車用燃料的“再加注時(shí)間”概念及其計(jì)算方法。通過(guò)分析，提出了將C2+等沸點(diǎn)較高的烴類組分先期從LNG或從LNG原料天然氣中通過(guò)某種方式深度分離脫除的設(shè)想，同時(shí)建議制訂更適用于提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率的《車用液化天然氣》產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，從而更好地促進(jìn)液化天然氣作為車用燃料在我國(guó)的推廣和應(yīng)用。

液化天然氣 車用燃料 產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 車輛發(fā)動(dòng)機(jī) 安全運(yùn)轉(zhuǎn) “老化”特性 再加注時(shí)間 推廣應(yīng)用

液化提高了天然氣的能量密度，從而降低了其在汽車上的存儲(chǔ)體積。因此，LNG是一種有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的汽車燃料[1]。LNG中主要含烴類組分，這一點(diǎn)與管輸天然氣不同。LNG中甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮?dú)獾暮孔兓前l(fā)動(dòng)機(jī)制造中重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)直接影響車輛發(fā)動(dòng)機(jī)和加氣站的運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)LNG用于汽車燃料時(shí)，是在極低溫度和相對(duì)較低的壓力下儲(chǔ)存的。作為燃料，LNG從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的儲(chǔ)罐轉(zhuǎn)移至運(yùn)輸槽罐，從運(yùn)輸槽罐至本地的加氣站，然后再加注到汽車油箱的多次轉(zhuǎn)移極為常見(jiàn)。每次轉(zhuǎn)移和存儲(chǔ)期間，均有熱量傳入LNG而造成燃料蒸發(fā)，從而使LNG組分發(fā)生變化。LNG組分隨時(shí)間變化的特性是其他車用燃料所不具有的，為了使LNG作為車輛燃料滿足汽車發(fā)動(dòng)機(jī)要求的最低烴類含量，需要制訂一份控制和管理LNG組成變化的標(biāo)準(zhǔn)文件，給出交付LNG燃料時(shí)判斷其是否達(dá)到車輛發(fā)動(dòng)機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)指標(biāo)和使用期限。

1　國(guó)內(nèi)外液化天然氣作為車用燃料的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制訂情況

美國(guó)的國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)（SAE International，原譯為美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)）于2011年7月發(fā)布了J 2699—2011《液化天然氣車用燃料SAE信息報(bào)告》（Liquefied Natural Gas Vehicle Fuel SAE Information Report），這是目前了解到的國(guó)際上唯一介紹液化天然氣作為車用燃料的產(chǎn)品報(bào)告[1]。該報(bào)告指出液化天然氣作為車用燃料使用時(shí)，LNG生產(chǎn)者應(yīng)提供滿足加利福利亞大氣資源委員會(huì)CARB（California Air Resources Board）制訂的《壓縮天然氣規(guī)范》中要求的燃料組分（表1）[2]和“再加注時(shí)間”（“dispense by”date），即LNG在使用時(shí)其品質(zhì)始終滿足CARB要求的時(shí)間，超過(guò)該“再加注時(shí)間”，燃料組成可能危害發(fā)動(dòng)機(jī)排放的性能、質(zhì)量保證和可靠性，必須重新加注。

表1　美國(guó)加利福利亞大氣資源委員會(huì)CARB 商業(yè)CNG要求表

美國(guó)腐蝕與材料協(xié)會(huì)（ASTM）目前正在組織制訂液化天然氣和壓縮天然氣作為車用燃料的氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)ASTM WK 40094《作為車用燃料的壓縮天然氣CNG和液化天然氣LNG氣質(zhì)指標(biāo)》Specifi cation for Compressed (CNG) and Liquid Natural Gas (LNG) as a Motor Vehicle Fuel，具體細(xì)節(jié)不詳。

美國(guó)防火協(xié)會(huì)（NFPA）于2002年發(fā)布了NFPA 57《液化天然氣(LNG)車用燃料系統(tǒng)規(guī)范》（2002版）Liquefied Natural Gas (LNG) Vehicular Fuel Systems Code 2002 Edition，并于2006年重新發(fā)布了新版[3]。該規(guī)范規(guī)定了液化天然氣(LNG)車用燃料系統(tǒng)加注設(shè)施防止火災(zāi)或爆炸采取的合理保護(hù)措施，適用于儲(chǔ)罐容積不超過(guò)265 m3的各種類型液化天然氣（LNG）車用燃料系統(tǒng)加注設(shè)施，以及LNG-CNG轉(zhuǎn)化設(shè)施的設(shè)計(jì)、安裝、操作和維護(hù)。該規(guī)范沒(méi)有涉及對(duì)LNG作為車用燃料的氣質(zhì)要求。

我國(guó)修改采用NFPA 57制訂了GB/T 26980—2011《液化天然氣(LNG)車用燃料系統(tǒng)加注規(guī)范》[4]。在2000年發(fā)布實(shí)施了強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18047《車用壓縮天然氣》，對(duì)車用壓縮天然氣的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法進(jìn)行了規(guī)定，適用于壓力不高于25 MPa、作為車用燃料的壓縮天然氣[5]。GB 18047—2000中給出的壓縮天然氣技術(shù)要求如表2所示。至今，我國(guó)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）均未制訂液化天然氣作為車用燃料的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

表2　GB 18047—2000中規(guī)定的壓縮天然氣技術(shù)指標(biāo)表

2　美國(guó)SAE J 2699—2011《液化天然氣車用燃料SAE信息報(bào)告》簡(jiǎn)介

2.1范圍和要求

SAE J 2699—2011《液化天然氣車用燃料SAE信息報(bào)告》適用于用作汽車燃料的液化天然氣（LNG）。其要求LNG生產(chǎn)商在銷售LNG時(shí)向用戶提供LNG組成（表3）及其“再加注時(shí)間”等數(shù)據(jù)和信息。在該SAE J 2699報(bào)告中給出了一些假設(shè)和計(jì)算方法，使生產(chǎn)者可以根據(jù)LNG產(chǎn)品的最初組成和假設(shè)的蒸發(fā)率計(jì)算未來(lái)某一時(shí)間的組成和“再加注時(shí)間”?！霸偌幼r(shí)間”是指用戶提供燃料不再符合加利福利亞大氣資源委員會(huì)CARB《壓縮天然氣規(guī)范》規(guī)定的最低烴類含量要求的日期，不符合此要求的燃料可能會(huì)危害發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能、質(zhì)量保證或可靠性。

表3　LNG車用燃料組成表

SAE J 2699報(bào)告指出，加利福利亞大氣資源委員會(huì)CARB制訂的《壓縮天然氣規(guī)范》中對(duì)燃料組成的要求是針對(duì)壓縮天然氣，不是針對(duì)液化天然氣。然而，不管以CNG、還是以LNG形式注入發(fā)動(dòng)機(jī)的天然氣，對(duì)所有發(fā)動(dòng)機(jī)制造商而言質(zhì)其質(zhì)量的要求都是一致的。因?yàn)長(zhǎng)NG的氮?dú)夂客ǔ１菴NG低很多，水和加臭劑在LNG液化過(guò)程中均被脫除，所以表1中CNG對(duì)氮?dú)夂?、水和加臭劑的要求并不適用于LNG。

2.2LNG的“老化”（Weathering）特性及對(duì)燃料質(zhì)量的影響

SAE J 2699報(bào)告指出，CNG在交付至加氣站、通過(guò)加氣機(jī)、進(jìn)入汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)程中，其組分基本上是相同的（盡管壓縮前、壓縮過(guò)程中或壓縮后可能脫除水和雜質(zhì)粒子），然而LNG的組成由于其具有“老化”（Weathering）特性，則會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。“老化”，即選擇性蒸發(fā)過(guò)程，是指當(dāng)環(huán)境熱量傳遞至儲(chǔ)罐內(nèi)時(shí)，不同組成的氣體被釋放出來(lái)，從而使儲(chǔ)罐內(nèi)LNG組分發(fā)生改變。沸點(diǎn)最低的氣體組分，例如氮?dú)夂图淄?，最先從液相蒸發(fā)到氣相，是老化中最先被釋放的組分。這一特性提高了沸點(diǎn)較高組分（乙烷、丙烷和其他重?zé)N）在儲(chǔ)罐內(nèi)液相中的含量，從而直接導(dǎo)致燃料的組成發(fā)生變化。尤其是LNG中的氮?dú)庾钕日舭l(fā)，使儲(chǔ)罐內(nèi)液面之上的氣體燃料對(duì)于正常的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒而言過(guò)“貧”（富含氮?dú)猓??！袄匣边€受LNG儲(chǔ)罐傳熱效率、飽和方法及車輛燃料用量的影響。

在LNG交付至加氣站或加注到汽車內(nèi)時(shí)，其組成可能符合或高于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)質(zhì)量的要求，但當(dāng)其進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，其組成可能會(huì)變得不符合要求。SAE J 2699報(bào)告指出LNG車輛和加氣站不宜存在有嚴(yán)重的老化行為，需通過(guò)燃料維護(hù)程序控制LNG的組成變化，以維持輸送至車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體燃料組分始終保持一致。

2.3燃料中的重?zé)N組分對(duì)甲烷値和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的影響

SAE J 2699報(bào)告中還指出，燃料中的重?zé)N組分會(huì)使甲烷値（對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃料天然氣抗爆震性能的量度。甲烷値100代表純甲烷的抗爆震性能，約等于馬達(dá)法辛烷值140）降低，從而降低燃料的抗爆震性能。含重?zé)N（例如乙烷、丙烷和丁烷）較多燃料的甲烷値（或辛烷值）比高甲烷含量的燃料低。燃燒高甲烷值燃料的開(kāi)環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒甲烷値較低的燃料時(shí)，燃料會(huì)發(fā)生爆炸（發(fā)動(dòng)機(jī)爆震），就像高壓縮汽油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒低辛烷值燃料時(shí)一樣，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)遭受嚴(yán)重的機(jī)械損壞。閉環(huán)運(yùn)作和爆震傳感器可使發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)更寬范圍的燃料，然而，老式或開(kāi)環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)需確保其發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料是合適組分的天然氣，否則需針對(duì)所使用的燃料校準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)。

2.4“再加注時(shí)間”圖和LNG燃料“再加注時(shí)間”的確定方法

SAE J 2699報(bào)告中指出，“再加注時(shí)間”由在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到車用燃料規(guī)定的氣體最大或最小允許量來(lái)確定。按照如下假設(shè)：①?gòu)腖NG在生產(chǎn)設(shè)施處加載至油罐拖車，至在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒，一旦達(dá)到安全壓力并啟動(dòng)放空，每天的蒸發(fā)速率為1%（LNG在各種運(yùn)輸拖車、加注站和汽車油箱的儲(chǔ)罐內(nèi)蒸發(fā)，這些儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的最大蒸發(fā)速率均小于1%）；②LNG加注至車輛儲(chǔ)罐到其被使用的時(shí)間長(zhǎng)度為1周；③從LNG最初被加注至LNG運(yùn)輸車開(kāi)始，僅被轉(zhuǎn)移至其他儲(chǔ)罐2次。如果產(chǎn)品的轉(zhuǎn)移超過(guò)2次，那么每多1次轉(zhuǎn)移，LNG“再加注時(shí)間”必須減少1周。SAE J 2699報(bào)告給出了各個(gè)烴類組分的“再加注時(shí)間”圖（圖1～4）。因此，“再加注時(shí)間”可以通過(guò)將燃料中的甲烷、乙烷、C3+和C6+含量與給出的“再加注時(shí)間”圖進(jìn)行對(duì)比即可確定。注意的是圖1～4未考慮壓力升高的時(shí)間。同時(shí)，由于氮?dú)獾恼舭l(fā)溫度最低，將會(huì)在LNG中其他氣體蒸發(fā)之前蒸發(fā)，則“再加注時(shí)間”不適用于氮?dú)狻?/p>

圖1　甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)與時(shí)間的組成變化圖

圖2　乙烷摩爾分?jǐn)?shù)與時(shí)間的組成變化圖

圖3　C3～C5摩爾分?jǐn)?shù)與時(shí)間的組成變化圖

圖4　C6+摩爾分?jǐn)?shù)與時(shí)間的組成變化圖

2.5對(duì)LNG加氣站和LNG車輛運(yùn)營(yíng)方的建議

SAE J 2699報(bào)告給出了對(duì)LNG加氣站和LNG車輛運(yùn)營(yíng)方的建議，以幫助加氣站設(shè)計(jì)人員和運(yùn)營(yíng)方保證加注的LNG燃料滿足消費(fèi)者的要求。

2.5.1 LNG加氣站運(yùn)營(yíng)方

監(jiān)控“再加注時(shí)間”及LNG的使用或銷售，或在其質(zhì)量過(guò)期之前添加LNG是LNG加氣站運(yùn)營(yíng)方的責(zé)任?？刂苾?chǔ)罐內(nèi)壓力上升的最佳措施是定期向罐內(nèi)加注LNG并進(jìn)行交付。LNG加氣站設(shè)計(jì)時(shí)宜根據(jù)預(yù)期的使用考慮合適尺寸的儲(chǔ)罐，并避免放空。

2.5.2 LNG汽車運(yùn)營(yíng)方

低溫儲(chǔ)罐配備的減壓閥，可以使儲(chǔ)罐維持恒定壓力，從而導(dǎo)致儲(chǔ)存的LNG發(fā)生老化。因此，LNG汽車運(yùn)營(yíng)方應(yīng)控制系統(tǒng)內(nèi)壓力上升。最佳措施就是定期使用車輛。車輛運(yùn)行過(guò)程中燃料的常規(guī)消耗會(huì)使壓力得以控制。另外就是在存儲(chǔ)間隔之間另外加注LNG燃料，確保壓力不會(huì)上升。該方法假定加氣站儲(chǔ)罐內(nèi)的燃料溫度和壓力遠(yuǎn)低于汽車上存儲(chǔ)的燃料。被注入的低溫燃料越多，壓力下降的效果就越好。

汽車運(yùn)營(yíng)方還應(yīng)通過(guò)燃料加注程序和計(jì)劃控制燃料熱量發(fā)生損失，即要求在使用燃料前才立即將燃料加注至汽車存儲(chǔ)系統(tǒng)。

燃料加注程序和計(jì)劃示例，如果一輛汽車的運(yùn)行時(shí)間在7 d之內(nèi)，或汽車燃料少于一半，則在下次使用之前需要重新加注LNG。

3　認(rèn)識(shí)、設(shè)想和建議

1）SAE J 2699報(bào)告中指出，車用燃料中的重?zé)N組分會(huì)使甲烷值降低，從而降低燃料的抗爆震性能。LNG的“老化”特性，使對(duì)LNG用作車用燃料時(shí)的品質(zhì)控制較為復(fù)雜。稍有疏忽，即會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。所以，如果將C2+沸點(diǎn)較高的烴類組分先期從LNG或從LNG原料天然氣中通過(guò)某種方式深度分離脫除，則可以提高甲烷值，提高燃料的抗爆震性能，同時(shí)能更有效地控制LNG的“老化”，使燃料維護(hù)程序簡(jiǎn)單化，從而提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的耐受性和普適性，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造成本，減少LNG生產(chǎn)商、LNG加注運(yùn)營(yíng)商和LNG汽車使用者在質(zhì)量控制方面的投入。

2）現(xiàn)有不同產(chǎn)地和來(lái)源的LNG，由于C2+沸點(diǎn)較高的烴類組分濃度范圍差別較大，造成發(fā)熱量值變化較大，故通常采用能量計(jì)量。而深度分離脫除C2+沸點(diǎn)較高的烴類組分后的LNG，發(fā)熱量值較為恒定，可以采用體積計(jì)量，使貿(mào)易交接設(shè)施和管理相對(duì)簡(jiǎn)單，投入減少。

3）我國(guó)以LNG作為汽車燃料已經(jīng)開(kāi)始投入使用，然而缺乏標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行規(guī)范要求。GB 18047《車用壓縮天然氣》沒(méi)有對(duì)甲烷等烴類組成含量給出具體要求。因此，建議相關(guān)部門和標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)組織開(kāi)展研究，制訂更適用于提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率的《車用液化天然氣》產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

[1] SAE International. SAE J 2699 Liquefi ed natural gas (LNG) vehicle fuel[S]. Warrendate: SAE International, 2011.

[2] California Air Resources Board. 13 CCR § 2292.5 Specifi cations for compressed natural gas[S]. Sacramento: CARB, 1993.

[3] National Fire Protection Association. NFPA 57 Liquefi ed natural gas (LNG) vehicular fuel systems code[S]. Quincy: NFPA, 2006.

[4] 中國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB/T 26980液化天然氣(LNG)車用燃料系統(tǒng)加注規(guī)范[S].北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2011. General Administration of Quality Supervision Inspection and Quarantine of the People's Republic of China & Standardization Administration of the People's Republic of China. GB/T 26980 Liquefied natural gas (LNG) vehicular fueling systems code[S]. Beijing: China Standards Press, 2011.

[5] 中國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). GB 18047車用壓縮天然氣[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2000. General Administration of Quality Supervision Inspection and Quarantine of the People's Republic of China & Standardization Administration of the People's Republic of China. GB 18047 Compressed natural gas as vehicle fuel[S]. Beijing: China Standards Press, 2000.

（修改回稿日期 2016-03-15編 輯 何明）

Quality standards of LNG used as a vehicle fuel

Luo Qin1,2, Luo Zhiwei3, Xu Wenxiao1,2
(1. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company, Chengdu, Sichuan 646002, China; 2. Secretariat of China Natural Gas Standardization Technology Committee, Chengdu, Sichuan 610213, China; 3. PetroChina Natural Gas and Pipeline Company, Langfang, Hebei 065000, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 5, pp.87-91,5/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Components of liquefied natural gas (LNG) may change with time. This unique feature makes it different from other vehicle fuels. In order to ensure that LNG as a vehicle fuel can satisfy the requirements of automobile engines for the minimum hydrocarbon content, it is necessary to develop a standard document for control and management over changes in components of LNG. By using the document, it is possible to determine if the delivered LNG has technical specifications and service life required for safe operations of automobile engines. This paper briefly reviewed the Liquefied Natural Gas (LNG) Vehicle Fuel SAE Information Report (J 2699-2011) issued by SAE International in July 2011, which highlights LNG’s property of weathering, the concept of “dispense by date” and the calculation method. Through relevant analyses, it was proposed to remove components with higher boiling points (ethane and other higher hydrocarbons) from LNG or LNG raw natural gas in early stages. In addition, it was proposed to develop a product quality standard, i.e. LNG as a Vehicle Fuel, to enhance the efficiency of automobile engines, so as to facilitate the promotion and application of LNG as a vehicle fuel in China.

Liquefied natural gas (LNG); Vehicle fuel; Product quality standard; Automobile engine; Safe operation; Property of weathering; Dispense by date;Popularization and application

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.05.013

羅勤，女，1968年生，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士；一直從事天然氣質(zhì)量與計(jì)量技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化及推廣應(yīng)用工作；從1999年至今擔(dān)任全國(guó)天然氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員兼常務(wù)秘書，組織了50余項(xiàng)天然氣產(chǎn)品和分析測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制修訂。地址：（610213）四川省成都市天府新區(qū)華陽(yáng)天研路218號(hào)。電話：13880569308。ORCID:0000-0003-4120-3229。E-mail:luoq@petrochina.com.cn