車用液化天然氣氣瓶自增壓裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

趙偉

摘要：近年來，節(jié)能環(huán)保理念深入人心，國家積極實(shí)施國家能源政策，液化天然氣憑借自身生態(tài)、環(huán)保等優(yōu)勢得到了迅速發(fā)展，LNG生產(chǎn)、使用愈發(fā)廣泛，其中最為常見的就是汽車燃料。LNG作為汽車燃料，符合經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性的要求。文章從車用LNG燃料存儲結(jié)構(gòu)入手，分析設(shè)置自增壓裝置三個情形后，深入探討車用液化天然氣氣瓶自增壓裝置的優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：車用；LNG；自增壓裝置；優(yōu)化

前言：經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人們對能源需求量與日俱增。天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)燃料，具有高效、綠色等優(yōu)勢，在車用燃料方面得到了長足發(fā)展，能夠逐步取代汽油、柴油，成為新興能源，為車輛良好運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，車用液化天然氣氣瓶受自身具有絕熱性能的影響，無法實(shí)現(xiàn)全面推廣，因此要對氣瓶自增壓裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得二者能夠相互配合，避免對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成污染[1]。

1、 車用LNG燃料存儲

使用LNG作為汽車燃料，與原來的汽車油箱具有異曲同工之妙。甲烷是天然氣主要成分，存儲壓<1.6MPa，常壓下，甲烷要在-162℃，才能夠達(dá)到液化狀態(tài)，LNG在氣瓶內(nèi)存儲溫度介于-162℃～-125℃之間。為了避免液體存儲過程中出現(xiàn)氣化現(xiàn)象，氣瓶要進(jìn)行特殊處理，使其具有絕熱保冷功效，并設(shè)計(jì)成雙層結(jié)構(gòu)，以此來減少對外傳熱。

2、 設(shè)置自增壓裝置情形分析

第一，LNG氣瓶絕熱性能較好，通常情況下，LNG日靜態(tài)蒸發(fā)率為1.5%～3%。汽車在運(yùn)行過程中，受到晃動、溫度等因素的影響，蒸發(fā)率也有所提升，但隨著消耗的增加，內(nèi)部液體量也隨之減少，導(dǎo)致氣瓶內(nèi)壓力下降，故要增加氣瓶自增壓設(shè)備，對剩余的氣體進(jìn)行增壓處理，為汽車正常運(yùn)行提供支持。

第二，就LNG加液站運(yùn)行狀況而言，雖然國家明確要求加液站要具備飽和調(diào)節(jié)功能，但是為了基于自身經(jīng)濟(jì)利益的考慮，避免損失，經(jīng)營者并不愿意增加該設(shè)備，導(dǎo)致液體溫度低壓力偏低[2]。主要是飽和調(diào)整后，銷售的LNG液體也減少，當(dāng)壓力升到一定程度，為了保證儲罐安全，要將蒸發(fā)掉的氣體進(jìn)行排放處理，導(dǎo)致LNG損失?；诖?，可以增壓氣瓶，加液時，能夠?qū)馄繗庀噙M(jìn)行冷卻處理，導(dǎo)致氣瓶壓力下降。

第三，一般情況下，氣瓶使用一段時間后需要更換閥門、密封件等處理，要將氣相壓力排放掉，而經(jīng)過維護(hù)后，氣瓶內(nèi)沒有壓力，需要安裝自增壓裝置。當(dāng)前對于增加該裝置的觀點(diǎn)主要有兩種：一是國家審查、型式試驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可的，二是用戶、車輛廠商實(shí)際情況出發(fā)，增加自增壓裝置。對此，本文主要認(rèn)可第二種觀點(diǎn)。綜上來看，設(shè)置自增壓裝置對于推廣液化天然氣具有重要推動作用，能夠逐步取代原本汽油燃料，減少對生態(tài)環(huán)境的污染，且能夠?yàn)檐囕v運(yùn)行提供充足的動力。

3、 車用LNG氣瓶自增壓裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，自增壓裝置主要有四種，具體來說：一是經(jīng)典自增壓，能夠?qū)NG引出，經(jīng)過氣化器處理之后，再次返回到氣瓶氣相空間當(dāng)中，完成增壓目標(biāo)。二是電加熱型自增壓，在氣瓶內(nèi)部設(shè)置電加熱元件，并配合相應(yīng)的電源。三是回氣增壓，能夠?qū)饣姆祷氐綒馄績?nèi)，對液體進(jìn)行加熱處理后，能夠再次進(jìn)入到發(fā)動機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，從而為汽車運(yùn)行提供支持。四是利用真空壓力進(jìn)行控制，避免氣瓶出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。其中第二種結(jié)構(gòu)簡單、且操作難度較小，應(yīng)用范圍較廣。LNG氣瓶經(jīng)典型自增壓裝置如圖1。當(dāng)氣瓶內(nèi)的壓力低于標(biāo)準(zhǔn)值，調(diào)壓閥自動啟動，在液位差的推動下，將液體推入到氣瓶氣相當(dāng)中，達(dá)到增壓目的。達(dá)到預(yù)期的壓力后，調(diào)壓閥將會切換到關(guān)閉狀態(tài)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)自動化控制，滿足車輛運(yùn)行需求，提高對LNG的高效控制[3]。

經(jīng)典型自增壓在運(yùn)行中，主要借助靜液柱壓力流動，在管路、閥門中出現(xiàn)蒸發(fā)現(xiàn)象，且管路、閥門位置不會出現(xiàn)高點(diǎn)，使得液體流動速度決定自增壓速度。

4.1增壓液體引出管

針對車用LNG氣瓶自增壓裝置氣化器與氣瓶液相之間，通過管路進(jìn)行連接，液體進(jìn)入后，會借助液柱靜壓力，實(shí)現(xiàn)對液體的輸送。由于筒體夾層空間偏小，其內(nèi)膽固定端設(shè)置在分配頭端下方。在此基礎(chǔ)上，液體能夠從內(nèi)膽底部引出，且具有柔性特征，能夠避免內(nèi)膽與外殼之間壓力不同而產(chǎn)生應(yīng)力，從而提高增壓液位高度。

圖1車用LNG氣瓶自增壓流程

4.2安裝閥門

車輛加液、維修等過程都需要增加處理，否則車輛沒有驅(qū)動力無法正常啟動，或者出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。故要通過增壓處理，才能夠促使液體保持流通。增壓LNG出氣瓶保持在低溫狀態(tài)當(dāng)中，進(jìn)入增壓管道后會出現(xiàn)氣化現(xiàn)象，在氣相之間保持流動，需要考慮管路當(dāng)中是否存在高點(diǎn)，并形成了無法消除氣相空間，影響增壓速度，嚴(yán)重情況下，無法保持流動性。

安裝閥門原則如下，不能夠由于閥門安裝狀態(tài)導(dǎo)致液相無法連接，在具體增壓中，要按照具體情況進(jìn)行調(diào)壓處理，氣瓶壓力從0到0.5MPa僅需要5min左右。行駛時，由于氣瓶壓力較大，且存在壓力裕量，故增壓反應(yīng)較為迅速，并不會出現(xiàn)壓力偏低情況。

4.3增壓器管路

LNG進(jìn)入氣化器之后，要借助液柱靜壓力，并考慮閥門安裝情況予以調(diào)整。由氣化器換熱速度、流動阻力決定LNG在管路當(dāng)中的位置。在實(shí)踐中，一旦出現(xiàn)液位偏低情況，極有可能引發(fā)液體進(jìn)入管路，氣化不完全，液體會隨之蒸發(fā)。要想實(shí)現(xiàn)對上述情況予以優(yōu)化，可以在管路的高點(diǎn)位置增加支管，將其中的氣相進(jìn)行清除處理，然后提高增壓速度。

一般情況下，為了減少氣瓶冷量遭受到損失，不增加分配頭上管口數(shù)量，自增壓裝置回氣瓶管道要與安全閥有機(jī)整合到一起。由于此次優(yōu)化，將安全閥安裝在分配頭上，為了避免氣瓶液位高于安全閥，LNG液體進(jìn)入安全閥，會造成閥門起跳，無法保證裝置正常運(yùn)行。對此，也要將氣相回氣瓶增壓管路提升到頂部位置，然后向下布置分配頭，隨后進(jìn)入到氣瓶當(dāng)中。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，針對自增壓裝置的優(yōu)化我們要積極引入更多先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化其性能，為液化天然氣推廣和普及提供更多支持。

結(jié)論：根據(jù)上文所述，隨著天然氣清潔能源不斷推廣和發(fā)展，車用LNG氣瓶要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化，使其能夠在動力不足情況下，增加壓力，為車輛運(yùn)行提供驅(qū)動力。本文從車用LNG氣瓶使用情況分析了增加自增壓裝置的必要性，并從三個方面探討了優(yōu)化策略，即將增壓取液口位置放低，當(dāng)液位低于標(biāo)準(zhǔn)時，依舊能夠進(jìn)行增壓處理。

參考文獻(xiàn)：

[1]何潤民，王徑，等.川渝地區(qū)車用LNG市場前景與發(fā)展策略分析[J].天然氣技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2016，5（4）：42-43.

[2]顧安忠，魯雪生，等.液化天然氣技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：248-249.

[3]劉瀟.低碳經(jīng)濟(jì)助力液化天然氣汽車發(fā)展的優(yōu)勢、存在問題和發(fā)展趨勢[J].上海節(jié)能.2016，（09）：491-497.endprint