溫度對(duì)車載CNG儲(chǔ)氣罐加氣量影響的研究

甄 楊，王錫鋼，于勁竹

（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院，天津 300192）

近年來，伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的促進(jìn)劑的需求愈加劇烈，而天然氣作為清潔能源具有環(huán)境負(fù)效應(yīng)小、安全性好、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作有利、資源豐富等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)的使用越來越廣泛，越來越多的汽車開始使用壓縮天然氣CNG作為車用燃料，進(jìn)而伴隨而來的是給車輛進(jìn)行加氣的加氣機(jī)類產(chǎn)品的需求越來越大，我國(guó)加氣機(jī)產(chǎn)業(yè)也得到了迅速發(fā)展．目前我國(guó)已建成的加氣站約有7000余座，共計(jì)近3萬臺(tái)加氣機(jī)，依照我國(guó)統(tǒng)計(jì)與規(guī)劃，2012年我國(guó)天然氣燃料汽車已有100×104輛，使用天然氣總量達(dá)到160×108m3，代替了 640×104t柴油，天然氣汽車總量到2020年時(shí)更將達(dá)到300×104輛[1-3]。隨著CNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來越多的CNG加氣機(jī)的計(jì)量檢定相關(guān)問題也逐漸出現(xiàn)在計(jì)量部門面前。

1 CNG加氣機(jī)及其檢定

1.1 CNG加氣機(jī)的主要工作原理

壓縮天然氣加氣機(jī)，是將CNG充裝進(jìn)儲(chǔ)氣容器，并且自身帶有計(jì)量和計(jì)價(jià)等裝置的專用儀器。它主要部件包括了質(zhì)量流量計(jì)、加氣槍、快速切斷閥、電子計(jì)控器等，共同組成了CNG累積量測(cè)量系統(tǒng)[4]。加氣機(jī)中還包括輔助裝置和附加裝置。輔助裝置是用以實(shí)現(xiàn)加氣機(jī)特殊功能的設(shè)備，可以與電子計(jì)控器整合為一體，主要有IC卡預(yù)付費(fèi)功能、打印功能等。附加裝置主要由加氣槍、高壓軟管、拉斷閥、壓力傳感器等部分組成，是用以保證正確測(cè)量及安全操作的部件或裝置[5]。

圖1 CNG加氣機(jī)Fig.1 CNG dispensers

作為加氣機(jī)的主要組成部分，質(zhì)量流量計(jì)是加氣機(jī)用來進(jìn)行氣體流量計(jì)量的部件，是用于連續(xù)測(cè)量壓縮天然氣氣體累積量的儀表。加氣機(jī)所選用的質(zhì)量流量計(jì)是科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，其原理是以科里奧利力為基礎(chǔ)，在其傳感器內(nèi)部布置有兩根平行的T狀振動(dòng)管道，在流量計(jì)的中部布置有驅(qū)動(dòng)線圈，在流量計(jì)的兩端安裝，當(dāng)激勵(lì)電壓由變送器輸出到驅(qū)動(dòng)線圈上時(shí)，振動(dòng)管開始做往復(fù)周期振動(dòng)，CNG流經(jīng)振動(dòng)管，就會(huì)在振動(dòng)管上產(chǎn)生科氏力效應(yīng)，此時(shí)，兩根振動(dòng)管開始扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，拾振線圈上將會(huì)輸出兩組不同相位的信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)差與流經(jīng)傳感器的CNG的質(zhì)量成比例關(guān)系，進(jìn)而可以得出流經(jīng)振動(dòng)管的CNG質(zhì)量流量[6-8]。

圖2 質(zhì)量流量計(jì)Fig.2 Mass flowmeter

按照中國(guó)《計(jì)量法》的規(guī)定，CNG加氣機(jī)屬于貿(mào)易結(jié)算類計(jì)量器具，應(yīng)依法納入強(qiáng)制管理范圍，因此，依據(jù)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 996—2012《壓縮天然氣加氣機(jī)檢定規(guī)程》，計(jì)量部門需每半年對(duì)CNG加氣機(jī)進(jìn)行周期強(qiáng)制檢定[9-10]。

1.2 CNG加氣機(jī)的在線檢定

檢定過程如圖3所示，選用計(jì)量準(zhǔn)確度較高的高壓科里奧利氣體質(zhì)量流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表，并將其安裝在CNG加氣機(jī)檢定裝置內(nèi)，將被檢加氣機(jī)的加氣槍與檢定裝置連接，將檢定裝置的加氣槍與被加氣車輛的儲(chǔ)氣罐連接，連接完畢后進(jìn)行加氣，記錄被檢加氣機(jī)與檢定裝置中的累積加氣量，分析被檢加氣機(jī)的計(jì)量誤差。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)表法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置工作原理示意Fig.3 Working principle diagram of master meter method of gas flow standard device

如圖4所示為CNG加氣機(jī)的在線檢定，計(jì)量檢定人員通過筆記本電腦中CNG加氣機(jī)檢定軟件實(shí)時(shí)在線觀測(cè)被檢加氣機(jī)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)過程完成后，記錄被檢加氣機(jī)的示值誤差以及充裝壓力等信息。圖5為單次檢定完成后檢定軟件保存的數(shù)據(jù)曲線圖。

在CNG加氣機(jī)工作和檢測(cè)過程中，一個(gè)普遍發(fā)生的現(xiàn)象是環(huán)境溫度低時(shí) （尤其是北方進(jìn)入冬季）比環(huán)境溫度高時(shí)（例如夏季秋季）同一輛車同一個(gè)車載儲(chǔ)氣罐其加氣到20 MPa時(shí)所加氣的累積量要多，從而可能會(huì)引起司機(jī)的誤解，懷疑加氣站“缺斤短兩”，或者加氣機(jī)的計(jì)量準(zhǔn)確度出現(xiàn)偏差。在檢測(cè)過程中，時(shí)常會(huì)遇到出租車司機(jī)以及加氣站相關(guān)工作人員對(duì)該類現(xiàn)象的疑問，為了解開該類疑問，嘗試從影響加氣量的直接因素——環(huán)境溫度角度去分析該類現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

圖4 CNG加氣機(jī)的在線檢定Fig.4 On-line verification of CNG dispensers

圖5 CNG加氣機(jī)單次檢定數(shù)據(jù)采集Fig.5 Data graph of the single verification of the CNG dispenser

2 環(huán)境溫度對(duì)CNG加氣機(jī)的加氣量的影響的理論分析

通常人們認(rèn)為理想氣體遵循狀態(tài)方程pV=nRT，而在實(shí)際使用中，理想氣體是不存在的，無符合該方程的理想氣體。試驗(yàn)表明，只有在高溫、低壓狀態(tài)下，實(shí)際氣體才可近似接近于理想氣體狀態(tài)。而CNG作為一種高壓狀態(tài)下的氣體，其氣體狀態(tài)不能用理想氣體狀態(tài)方程來分析。而在低溫高壓條件下，任何氣體的狀態(tài)方程都會(huì)出現(xiàn)明顯的偏差，而且溫度越低、壓力越高，這種偏差程度就越大。這時(shí)引入帶壓損因子修正的氣體狀態(tài)方程：

式中：p為理想氣體壓強(qiáng)，Pa；V為理想氣體體積，m3；Z為壓縮因子，量綱為1；n為氣體物質(zhì)的量，mol；R 為理想氣體常數(shù)，為 8.314 Pa·m3·K-1·mol；T 為理想氣體的熱力學(xué)溫度，K。

Z稱為壓縮因子，其表示對(duì)實(shí)際氣體進(jìn)行壓縮的難易程度，由式（1）可得出 Z=pV/nRT=pVm/RT（Vm為氣體的摩爾體積），即 Z=Vm（真實(shí)）/Vm（理想）。 理想氣體狀態(tài)下，任何溫度壓力下Z恒等于1。當(dāng)Z＞1時(shí)，說明理想氣體的Vm比同樣條件下真實(shí)氣體的Vm小，真實(shí)氣體難于壓縮；當(dāng)Z＜1時(shí)，說明理想氣體的Vm比同樣條件下真實(shí)氣體的Vm大，真實(shí)氣體易于壓縮[11]。氣體壓縮因子Z的數(shù)值不僅隨著所處的狀態(tài)，如壓力、溫度的變化而變化，不同種類的氣體的壓縮因子亦不同，同種類的氣體如CNG介質(zhì)的壓縮因子，也會(huì)隨著組分的變化而變化。我國(guó)于1999年12月頒布實(shí)施了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17747—1999《天然氣壓縮因子的計(jì)算》，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）天然氣技術(shù)委員會(huì)推薦的AGA8-92DC和SGERG-88狀態(tài)方程為基礎(chǔ)的計(jì)算方法。下面以一組特定組分的天然氣計(jì)算其在不同溫度、壓力下的壓縮系數(shù)以及摩爾質(zhì)量和密度等信息[12]。

表1 相同壓力不同溫度條件下天然氣壓縮因子Z計(jì)算表Tab.1 Compression coefficient under different temperature and same pressure

圖6 固定壓力下壓縮因子與溫度關(guān)系Fig.6 Diagram of compression factor and temperature under the same pressure

由圖6可以看出，當(dāng)達(dá)到相同的充裝壓力條件時(shí)，伴隨著溫度的升高，天然氣的壓縮因子也在增大，換言之，即環(huán)境溫度越低，天然氣壓縮因子越小，進(jìn)而充裝結(jié)束時(shí)充裝體積量越大。

3 壓縮空氣充裝驗(yàn)證試驗(yàn)

由于環(huán)境溫度對(duì)加氣量影響試驗(yàn)是多次重復(fù)性試驗(yàn)，且單次試驗(yàn)完成后需要對(duì)試驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行排放以便進(jìn)行下一次試驗(yàn)，因此使用CNG作為試驗(yàn)介質(zhì)較為昂貴、浪費(fèi)且存在安全隱患，因此，我們選用壓縮空氣作為本次環(huán)境溫度影響試驗(yàn)的試驗(yàn)介質(zhì)，驗(yàn)證試驗(yàn)理論并推理出環(huán)境溫度對(duì)CNG儲(chǔ)罐加氣量的影響。

3.1 儲(chǔ)氣罐容積標(biāo)定試驗(yàn)

為了首先排除車載儲(chǔ)罐標(biāo)稱容積的誤差對(duì)充裝CNG體積量的影響，用二等金屬量器對(duì)常見的標(biāo)稱為100 L和80 L的車載CNG儲(chǔ)氣罐進(jìn)行標(biāo)定，以驗(yàn)證儲(chǔ)氣罐容積的準(zhǔn)確性。分別選取100 L和80 L儲(chǔ)氣罐各6個(gè)進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。

表2 CNG儲(chǔ)罐標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab.2 CNG tank calibration data

由上表可知，CNG儲(chǔ)氣罐經(jīng)水標(biāo)定后實(shí)際體積與其標(biāo)稱值相差不大，誤差均在±1 L以內(nèi)。

以充裝壓力 p=20 MPa，V=0.1 m3，T=40 ℃舉例，40℃時(shí)壓縮因子 Z天然氣=0.77760，計(jì)算過程如下：由pV=ZnRT得出n=988.896 mol，進(jìn)而充氣質(zhì)量 m=Mn=19.344 kg，最終得出充氣體積 V=m/ρ=23.70 m3。

即100 L儲(chǔ)氣罐溫度40℃充裝壓力達(dá)到20 MPa時(shí)，可充裝標(biāo)準(zhǔn)狀況下天然氣體積為23.70 m3。其他溫度下的天然氣充氣計(jì)算過程相同。

氣罐體積差異以及溫度對(duì)加氣量的影響理論計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 氣罐體積差異以及溫度對(duì)CNG加氣量的影響Tab.3 Gas tank volume’s difference and the effect of temperature on the amount of filling gas CNG gas filling

圖7 100 L儲(chǔ)氣罐充裝溫度與充裝體積關(guān)系Fig.7 Relation diagram of the temperature and filling volume of 100 L gas tank

由圖7可見，由于儲(chǔ)罐體積實(shí)際變量不超過標(biāo)稱值的±1 L，所以由于儲(chǔ)罐體積不一樣而造成的充裝天然氣量的影響變化量應(yīng)該不超過0.3 m3。

3.2 環(huán)境溫度對(duì)儲(chǔ)氣罐影響試驗(yàn)

首先需要了解一個(gè)客觀充裝現(xiàn)象，就是在給儲(chǔ)氣罐充裝氣體的時(shí)候，罐體的溫度會(huì)升高，這是因?yàn)樵跉怏w快速被壓縮的情況下，外界對(duì)氣體做功，外界對(duì)氣體內(nèi)部釋放能量，氣體分子之間距離變小，進(jìn)而分子之間的碰撞更加激烈，從而產(chǎn)生熱量，氣體溫度升高，進(jìn)而在充裝結(jié)束時(shí)，儲(chǔ)氣罐罐體的溫度會(huì)升高，出現(xiàn)“溫手”或“燙手”的現(xiàn)象。

本試驗(yàn)選用6個(gè)100 L儲(chǔ)氣罐，用空氣壓縮機(jī)對(duì)其進(jìn)行充裝試驗(yàn)，儲(chǔ)氣罐口用精密壓力表觀測(cè)充裝壓力，充裝壓力20MPa，充裝結(jié)束時(shí)溫度估計(jì)為60℃（實(shí)際罐內(nèi)溫度無法測(cè)出），經(jīng)稱重此時(shí)充裝空氣質(zhì)量分別為 19.4 kg、19.4 kg、19.2 kg、19.5 kg、19.1 kg、19.5 kg。 由式（2）：

式中：Vm為氣體的摩爾體積，任意1 mol氣體的體積為 22.4 L，即 22.4 L/mol，M空氣=29 g/mol，計(jì)算出各儲(chǔ)氣罐充裝體積如表4所示。

表4 儲(chǔ)氣罐充裝壓縮空氣質(zhì)量與體積Tab.4 Quality and volume of the filling compressed air of gas tank

以儲(chǔ)氣罐1為例，該罐氣體經(jīng)一晚冷卻，第二天早晨試驗(yàn)環(huán)境溫度為15℃，假設(shè)認(rèn)為該罐內(nèi)氣體經(jīng)過一晚上的冷卻換熱與環(huán)境溫度相等也為15℃，按照帶壓縮因子修正的氣體狀態(tài)方程pV=ZnRT（式中 p=20 MPa，V=0.1 m3，n=19.4 kg×1000/29 g/mol=668.97 mol，經(jīng)查表得知在壓力 20 MPa，溫度 300 K條件下，壓縮因子 Z空氣=1.0326）計(jì)算，此時(shí)罐內(nèi)壓力應(yīng)為 p=16262406.9 Pa≈16.26 MPa， 用精密壓力表重新測(cè)得其罐內(nèi)壓力為16.25 MPa，與計(jì)算結(jié)果基本一致，這驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。（需說明，計(jì)算時(shí)氣罐內(nèi)壓力作為未知量，溫度10℃下的空氣壓縮因子無現(xiàn)成可用數(shù)據(jù)，選用20MPa，300K條件下，壓縮因子Z空氣=1.0326作為最相近的數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算）

4 結(jié)語

本文分析了造成環(huán)境溫度低時(shí)比環(huán)境溫度高時(shí)對(duì)同一個(gè)車載儲(chǔ)氣罐加氣到20 MPa時(shí)所加氣的累積量要多的現(xiàn)象原因，溫度對(duì)CNG壓縮因子產(chǎn)生影響進(jìn)而影響了加氣量的大小。首先分析了儲(chǔ)氣罐標(biāo)稱容積差異對(duì)充裝氣體累計(jì)量大小的影響，其影響因素很??；其次，通過引入帶壓縮因子修正的理想氣體狀態(tài)方程pV=ZnRT，從理論上分析了環(huán)境溫度對(duì)充裝CNG累積量的影響，得出了當(dāng)最終充裝壓力一定時(shí)，罐內(nèi)充裝溫度升高其充裝體積量減小的結(jié)論．而產(chǎn)生該種現(xiàn)象的原因可能在以下兩方面：環(huán)境溫度低直接影響CNG的壓縮因子，溫度越低，CNG壓縮因子越小，加氣子站的撬車在充裝CNG時(shí)充裝量就比夏季秋季要高；車載儲(chǔ)罐在加氣時(shí)，儲(chǔ)罐溫度隨著加氣過程不斷升高，而外界環(huán)境溫度較低，罐體在不斷散熱，在最終達(dá)到20 MPa充裝壓力時(shí)罐體的溫度要比夏季秋季要低，進(jìn)而可以充裝進(jìn)去更多的CNG。為了更加完善壓縮空氣充裝驗(yàn)證試驗(yàn)，在以后的試驗(yàn)過程中，可以考慮在儲(chǔ)氣罐壁的內(nèi)外側(cè)安裝貼片溫度傳感器，以便準(zhǔn)確的測(cè)得充裝過程中以及冷卻后儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓縮空氣溫度。

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