車載LNG氣瓶絕熱性能便攜式測試方法研究

李小金，馬鳳英，秦麗麗，李正清，蔡宇宏，王 毅

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

近年來，以液化天然氣（LNG）為燃料的動力汽車得到快速推廣和大范圍應(yīng)用。LNG燃料被儲存在110 K的低溫容器中，該容器屬于特種設(shè)備，由于存儲的LNG為易燃易爆介質(zhì)，因此低溫絕熱與儲運是LNG汽車的關(guān)鍵技術(shù)。LNG燃料氣瓶在密閉儲存的過程中，由于不可避免地存在漏熱，液體會不斷蒸發(fā)造成容器內(nèi)壓力上升，最終導(dǎo)致氣體泄漏[1]。故而在其運行過程中的性能監(jiān)測受到了密切關(guān)注。

雖然車載LNG氣瓶出廠前根據(jù)相關(guān)檢測和判別標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)進(jìn)行了嚴(yán)格檢測。比如TSG R0009—2009《車用氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求對氣瓶進(jìn)行定期檢驗[2]，TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中也對車用焊接絕熱氣瓶定期檢驗提出要求[3]。但氣瓶在長期使用的過程中絕熱性能會變差甚至不合格，存在使用安全隱患[4]。特別是隨著車用LNG氣瓶市場保有量的增加和使用年限的增長，這種安全隱患也越發(fā)明顯。

1 現(xiàn)有測試方法分析

車載氣瓶屬于低溫液體儲罐的范疇。低溫液體儲罐主要性能指標(biāo)有蒸發(fā)率、真空度、真空夾層漏率及真空夾層漏放氣速率等。在眾多指標(biāo)中，儲罐蒸發(fā)率能夠較為直觀地反映儲罐在使用時的保冷性能，是衡量其絕熱性能最重要的技術(shù)參數(shù)[5]。

GB∕T18443.5—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗方法第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測量》規(guī)定，靜態(tài)蒸發(fā)率為深冷儲運設(shè)備在額定充滿率下，靜置達(dá)到熱平衡后，24 h自然蒸發(fā)損失的深冷液體質(zhì)量與內(nèi)容器有效容積下深冷液體質(zhì)量的百分比[6]。該標(biāo)準(zhǔn)介紹了測量靜態(tài)蒸發(fā)率的三種方法：流量計法、稱重法和表面溫度法。稱重法需要拆卸氣瓶，通過稱重測量蒸發(fā)氣體質(zhì)量來計算靜態(tài)蒸發(fā)率；表面溫度法是通過測量溫度差來獲取低溫容器的總漏熱量從而計算出靜態(tài)蒸發(fā)率。與稱重法相比，表面溫度法雖然可以實現(xiàn)不拆卸在線監(jiān)測，但由于測溫元件存在測量誤差及端部接管處復(fù)雜的傳熱特性，很難計算出精確的漏熱量，導(dǎo)致此種方法的測量精度比較低。與前兩種測試方法相比，流量計法通過測量蒸發(fā)氣體的流量計算出靜態(tài)蒸發(fā)率，具有很高的測量精度。

傳統(tǒng)的流量計法以質(zhì)量流量計為基礎(chǔ)。流量計法的測量原理是：利用流量計作為主要測量儀器，通過統(tǒng)計測量期間內(nèi)的質(zhì)量流量和平均溫度等參數(shù)來計算靜態(tài)蒸發(fā)率。由于外部熱量漏入而導(dǎo)致低溫液體氣化產(chǎn)生的氣體量，需要充分考慮溫度平衡、自然壓力平衡、環(huán)境大氣壓波動等影響因素，標(biāo)準(zhǔn)要求用該方法測量時靜止時間不少于48 h，測量時間不少于24 h，因而造成測試時間過長，嚴(yán)重影響了數(shù)量急速增加的車載氣瓶的檢測效率，對于商業(yè)運行的重型卡車和公交車將帶來較大的經(jīng)濟損失。

本文基于車載LNG氣瓶結(jié)構(gòu)原理，在特定的壓力下累計計算通過氣瓶排氣口的質(zhì)量流量，得到測試壓力下的實際蒸發(fā)率及反應(yīng)氣瓶的絕熱性能，為LNG車載氣瓶的高效率檢測提供一種新途徑。

2 測試原理及方法

2.1 測試原理

考慮到車載氣瓶所使用天然氣的主要成分為CH4和少量的 C2H6、C3H8、C4H10等，其中 CH4體積占85%～94%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他組分，因此，LNG的物理特性與CH4非常相似。由此做簡化，以CH4的密度、氣化潛熱、氣化溫度來代替LNG的相關(guān)特性進(jìn)行計算[7?9]。對于車載LNG氣瓶，靜態(tài)蒸發(fā)率α20與日蒸發(fā)率α0的關(guān)系為式（1）[6]：

式中：α0為日蒸發(fā)率，%∕d；Ts為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下飽和液體溫度，K；T1為試驗時平均環(huán)境溫度，K；T2為實驗壓力下飽和液體溫度，K；hVAP為實驗壓力下飽和液體的氣化潛熱，kJ∕kg；hN為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下飽和液體的氣化潛熱，kJ∕kg。

日蒸發(fā)率α0可表示為式（2）所示形式：

式中：ψ為氣體質(zhì)量流量計校準(zhǔn)系數(shù)；φ為氣瓶充滿率；ρ1為測試壓力下飽和液體的密度，kg∕m3；V為被測車載氣瓶有效容積，m3；qm為平均日蒸發(fā)量，kg∕d。

平均日蒸發(fā)量qm按式（3）計算：

式中：t為測試時長，min；ρg為標(biāo)準(zhǔn) 大氣壓（101.325 kPa）、273.15 K下氣體密度，kg∕m3；Vc為質(zhì)量流量計測試期間的氣體累計流量，m3。

為了分析實驗壓力下飽和液體的氣化潛熱hVAP與飽和溫度T2對靜態(tài)蒸發(fā)率α20的影響，通過以下公式計算：

根據(jù)式（1）～（5）可得：

由式（6）可知，氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率可表示為測試流量Vc、氣化潛熱修正因子k（hVAP）以及溫度修正因子f（T2）綜合影響的結(jié)果。

2.2 測試方法

實驗所采用的裝置如圖1所示，裝置由伴熱管道、溫度傳感器、層流質(zhì)量流量計、壓力控制器和連接管道組成。層流質(zhì)量流量計相比熱式質(zhì)量流量計，其測量溫度的下限可以延伸至?10℃，上限延伸至50℃，有效降低了對伴熱管道功率和控制精度的要求。伴熱管道中的溫度傳感器實時監(jiān)測管路溫度，若環(huán)境溫度較低時，氣體在進(jìn)入質(zhì)量流量計之前通過伴熱管道加熱至?10～50℃。ALICAT層流壓差式質(zhì)量流量計和ALICAT 31系列壓力控制器通過伴熱管道安裝在氣瓶放空閥接口處，以實現(xiàn)流量的測量與壓力的控制。測試前，參照GB∕T 34347?2017《低溫絕熱氣瓶定期檢驗與評價》[10]中對車用氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率檢驗的規(guī)定，用質(zhì)量流量計法對氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率進(jìn)行測試，并以此靜態(tài)蒸發(fā)率作為比對，得出不同壓力下的測試誤差。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment device

3 測試結(jié)果分析

在理論分析的基礎(chǔ)上，為了驗證該測試方法的可行性，基于上述數(shù)學(xué)模型，以某一車載氣瓶為實驗對象，氣瓶有效容積450 L，當(dāng)?shù)卮髿鈮?.085 MPa，測試期間平均環(huán)境溫度22℃，充滿率90%。分別在0.085 MPa、0.300 MPa、0.500 MPa、0.800MPa 壓力下進(jìn)行了靜態(tài)蒸發(fā)率的測試。

表1給出了氣化潛熱修正因子k（hVAP）、溫度修正因子f（T2）以及氣化潛熱與溫度綜合修正因子k（hVAP）f（T2）計算結(jié)果。

表1 不同測試壓力下修正因子的計算結(jié)果Tab.1 Calculation result of the correction factor at the different test pressure

從表1可以看出，環(huán)境溫度為一定值時，氣瓶壓力從大氣壓到0.800 MPa的范圍內(nèi)，氣化潛熱修正因子k（hVAP）隨氣瓶壓力的增加而逐漸下降，溫度修正因子f（T2）隨氣瓶壓力的增加而逐漸升高，但k（hVAP）f（T2）的乘積保持基本不變，且最大誤差為2.06%。因此，在誤差容許的范圍內(nèi)，不同壓力下的靜態(tài)蒸發(fā)率測量可視為相應(yīng)期間內(nèi)對流量的測量。

圖2是在不同壓力下得到的流量測試曲線，測試方法為：待系統(tǒng)穩(wěn)定以后每隔10 min記錄一次環(huán)境平均溫度，并根據(jù)流量計測試的累計流量得到對應(yīng)時間內(nèi)的平均流量值。按GB∕T 18443.5—2010標(biāo)準(zhǔn)要求測試得到的氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率為1.62%∕d。

圖2 不同壓力下的流量測試曲線Fig.2 Test curves of percentage loss of product per day under the different pressure

當(dāng)氣瓶壓力處于0.300 MPa、0.500 MPa、0.800 MPa時，由式（6）可以計算得出平均靜態(tài)蒸發(fā)率分別為1.61%∕d、1.60%∕d和1.49%∕d，相比國標(biāo)測試法得到的測試誤差分別為0.5%、1.23%和8%。由此分析可知，車載LNG使用單位可以利用此方法監(jiān)控壓力低于0.500 MPa下LNG氣瓶的絕熱性能。

4 結(jié)論

對車載LNG氣瓶壓力和靜態(tài)蒸發(fā)率的實驗研究表明，當(dāng)氣瓶的工作壓力低于0.800 MPa時，可以通過定壓方法有效反映氣瓶的絕熱性能。在車載氣瓶的實際使用和日常管理過程中，在測試精度要求不高的前提下，便攜式測試方法可在短時間內(nèi)實現(xiàn)氣瓶絕熱性能的安全評價，不僅能夠判斷氣瓶的絕熱性能，而且還能夠大幅度縮短測試時間，并通過預(yù)測估計，為車載氣瓶生產(chǎn)和使用單位的氣瓶日常管理提出相應(yīng)的使用建議與警示。