液化天然氣汽車專用裝置安全技術(shù)分析

唐昆鵬 蘭楠 陳萬應(yīng) 張德福

摘要： 隨著我國天然氣汽車工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展和液化天然氣（LNG）綠色環(huán)保、能量密度大、續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，LNG汽車的相關(guān)技術(shù)研究備受矚目。本文從LNG汽車的工作原理和其專用裝置的結(jié)構(gòu)、功能出發(fā)，全面介紹了LNG汽車潛在的整車及相關(guān)專用裝置的安全技術(shù)，并進(jìn)行科學(xué)、客觀的分析，為生產(chǎn)企業(yè)提供相應(yīng)的技術(shù)支撐服務(wù)，對(duì)天然氣汽車的健康和持續(xù)發(fā)展提供一定建議與指導(dǎo)。

Abstract： With the rapid development of China's natural gas vehicle industry technology and liquefied natural gas （LNG） green environmental protection， high energy density， long range and other advantages， LNG vehicle related technology research has attracted much attention.This article from the working principle of LNG vehicle and its special device of the structure， function， this paper introduces the potential of LNG vehicle vehicle and related special equipment security technology， and scientific and objective analysis， provide corresponding technical support services for enterprises， for the healthy and sustainable development of natural gas vehicle provide some advice and guidance.

關(guān)鍵詞： LNG;專用裝置;安全技術(shù)

Key words： LNG;special device;security technology

中圖分類號(hào)：U461.91? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0045-02

1? 概述

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年全球LNG貿(mào)易量達(dá)3.2億噸，同比增長(zhǎng)約10%，占全球天然氣貿(mào)易量的36%。未來全球LNG消費(fèi)將快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2015-2035年間年均增速將達(dá)4%，為同期天然氣消費(fèi)增速的兩倍。隨著全球石油能源緊張以及能源逐步向低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展以及天然氣開采和利用技術(shù)的進(jìn)步，各大油氣公司紛紛加大天然氣投資力度，發(fā)展戰(zhàn)略逐步向天然氣業(yè)務(wù)傾斜。由于LNG因其運(yùn)輸簡(jiǎn)單方便、使用廣泛、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，LNG成為獨(dú)立能源品種的趨勢(shì)越來越明顯，在國際能源舞臺(tái)上發(fā)揮越來越重要的作用。相對(duì)于管道氣的局限性和成本，LNG方便運(yùn)輸、機(jī)動(dòng)靈活、安全高效，已逐漸成為當(dāng)前最活躍的天然氣供應(yīng)形式。

2020年1～10月LNG汽車行業(yè)總量137萬輛，較去年增長(zhǎng)16.7%，全年累計(jì)超過150萬。截止2019年已建成3846座LNG加氣站，并以15%以上的增速逐年增加，2025年我國LNG加氣站市場(chǎng)保有量將超過7700座，目前主銷區(qū)域加氣站布局的逐步完善，更有利于燃?xì)廛囃茝V和發(fā)展。2019年，天津、山東、吉林、南京、山西、海南等10省市發(fā)布鼓勵(lì)和推行天然氣車輛政策，為天然氣商用車發(fā)展創(chuàng)造新的歷史發(fā)展機(jī)遇。與傳統(tǒng)汽油車相比，汽車使用天然氣可以減少NO2排放約25%，NO90%，減少NOX排放40%減少SO2和煙塵顆粒物排放達(dá)100%，不含鉛、苯等致癌物質(zhì)[1]。因此，LNG汽車的相關(guān)技術(shù)研究顯得就更加重要，尤其在安全方面的技術(shù)就更引人矚目了。

2? 工作原理及專用裝置介紹

2.1 LNG汽車相關(guān)工作原理

LNG汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由儲(chǔ)氣瓶、閥門、管路、汽化器等零部件組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，各零部件編號(hào)及名稱見表1。

LNG汽車的工作原理主要分加注燃料和發(fā)動(dòng)機(jī)工作兩個(gè)方面：

一，加注燃料時(shí)，液化天然氣通過裝有止回閥的加氣口⑩加注至儲(chǔ)氣罐中，止回閥的作用是在加氣后關(guān)閉加氣口，防止天然氣泄漏引發(fā)危險(xiǎn)。主泄壓閥⑥位于加注管上，其出口主要通向通風(fēng)管，將空間受限的排氣引至安全通風(fēng)位置。輔助泄壓閥⑦位于單獨(dú)的排氣管路上，其壓力設(shè)置值較高，并配備一個(gè)專用排氣蓋。壓力表、手動(dòng)排氣閥④和接頭位于同一管路上。罐壓調(diào)節(jié)器⑤位于將排氣管與液體提取裝置連接在一起的管路上，它的功能是當(dāng)罐內(nèi)壓力增加時(shí)，將部分氣體輸送到液體提取裝置。

二，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，儲(chǔ)氣罐中的液態(tài)燃料經(jīng)來自發(fā)動(dòng)機(jī)中的循環(huán)冷卻水在熱交換器⑨中發(fā)生熱量交換氣化成氣態(tài)燃料為發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。當(dāng)管路中的流速過大時(shí)，溢流閥③工作使燃料停止流動(dòng)。氣體溫度傳感器采集氣體的溫度，當(dāng)采集到較低溫度時(shí)，該信號(hào)發(fā)送到發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（ECU），經(jīng)ECU處理后向駕駛員發(fā)送信號(hào)或啟動(dòng)可能的其他安全措施。自動(dòng)燃料截止閥僅在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)打開，在特定危險(xiǎn)情況下關(guān)閉。壓力調(diào)節(jié)器降低氣體壓力，防止罐中的壓力過高而無法發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)燃料噴射系統(tǒng)的功能。

2.2 LNG汽車專用裝置

LNG汽車應(yīng)裝配獨(dú)立的LNG專用裝置，主要由儲(chǔ)氣部件、供氣部件、加注部件、安全部件組成。儲(chǔ)氣部件是用于儲(chǔ)存LNG的氣瓶及其附件，供氣部件是用于輸送氣態(tài)和液態(tài)天然氣的管路及各種管路上的裝置，加注部件是用于加注LNG的加注口、回氣口及連接裝置，安全部件是用于保證系統(tǒng)安全的燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)、氣瓶防護(hù)裝置和汽車導(dǎo)靜電橡膠拖地帶。

3? 專用裝置安全技術(shù)分析

LNG汽車專用裝置的安全性技術(shù)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

①車用儲(chǔ)氣瓶安全技術(shù)。車用儲(chǔ)氣瓶的安全技術(shù)主要體現(xiàn)在是儲(chǔ)氣瓶本身結(jié)構(gòu)和安裝要求。LNG汽車儲(chǔ)氣瓶是一種儲(chǔ)存LNG的高真空絕熱容器，目前常見的有鋼瓶、玻璃纖維瓶等，其主體結(jié)構(gòu)含內(nèi)膽、外膽，中間為真空和絕熱保溫型式。如鋼瓶采用雙層夾套容器，在內(nèi)膽外壁纏繞數(shù)十層高絕熱性能的鋁箔+玻璃纖維紙，并在夾套間進(jìn)行高真空技術(shù)處理，使鋼瓶可達(dá)到超級(jí)絕熱性能[2]。在內(nèi)膽外壁一般纏繞著多層絕熱材料，在高真空條件下具有導(dǎo)熱率低、重量輕、隔熱性能高的特點(diǎn)。內(nèi)膽與外膽之間設(shè)計(jì)有夾層，夾層中配有氧化鈀、分子篩等材料用以延長(zhǎng)真空使用壽命。儲(chǔ)氣瓶最大的不安全因素是儲(chǔ)罐內(nèi)最低溫度可達(dá)-162℃的低溫液體，如何確保其不外泄是問題的關(guān)鍵[3]。儲(chǔ)氣瓶生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮較苛刻環(huán)境條件，需通過一系列安全性能試驗(yàn)驗(yàn)證，包括振動(dòng)試驗(yàn)、高低溫、火燒試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)等具破壞性試驗(yàn);生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，并能出廠時(shí)提供有效的合格證明和相關(guān)證書。儲(chǔ)氣瓶還應(yīng)配置相應(yīng)的安全閥以保證當(dāng)儲(chǔ)氣瓶出現(xiàn)緊急故障時(shí)能夠確保安全。

LNG的爆炸極限是5%～15%，極易氣化且氣化后密度較小，因此儲(chǔ)氣瓶的安裝應(yīng)不允許安裝在駕駛室、載人空間、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、可移動(dòng)的貨箱或封閉式貨箱內(nèi)，應(yīng)保證儲(chǔ)氣瓶及燃?xì)夤苈返陌惭b空間與大氣有效接通。

②燃?xì)夤苈钒踩夹g(shù)。燃?xì)夤苈菲鹬B接儲(chǔ)氣瓶與發(fā)動(dòng)機(jī)橋梁的作用，主要由汽化器、電磁閥、減壓閥和過濾器組成，其安全性是保證燃料供氣系統(tǒng)安全可靠工作的重要環(huán)節(jié)，這就要求所有管路的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、安裝、驗(yàn)收嚴(yán)格按照相關(guān)專業(yè)要求以確保不會(huì)出現(xiàn)燃料泄漏事故。

燃?xì)夤苈芬话惆惭b有對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)控制和安全作用的閥，閥門安全可靠工作、檢查維修方便等對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)起著關(guān)鍵作用。剛性管路應(yīng)走向合理，不與相鄰部件產(chǎn)生碰撞和摩擦。管路應(yīng)遠(yuǎn)離高溫部件。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)排氣溫度最高可達(dá)到610℃，而且燃燒后組分中含有水蒸氣、硫化物等易腐蝕氣體，因此部件管路應(yīng)避開如排氣管、增壓器等溫度較高的熱源以及整車電磁閥、機(jī)械電源總閥等可能產(chǎn)生電弧的地方，管路及接頭與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管距離≥100mm，當(dāng)距離在100mm～200mm時(shí)，應(yīng)設(shè)置可靠固定的隔熱裝置，與傳動(dòng)軸距離應(yīng)≥100mm。特別是高壓管路及接頭不宜直接安裝在駕駛室或載人車廂內(nèi)，如需要應(yīng)設(shè)置安全可靠的隔離和防護(hù)裝置，以確保駕駛室或載人車廂在緊急情況下安全。

③安全部件安全技術(shù)。LNG汽車上一個(gè)重要安全零部件是燃?xì)庑孤﹫?bào)警裝置，裝置中的探測(cè)器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控燃?xì)庑孤┑臐舛?，必要時(shí)進(jìn)行報(bào)警提醒，避免造成財(cái)產(chǎn)損失和危害生命安全。該裝置工作原理大致為氣敏傳感器在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附天然氣的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測(cè)氣體相互作用，使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時(shí)，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移。氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同，波頻率信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)而檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警。對(duì)于不同的系統(tǒng)部件應(yīng)根據(jù)其安裝位置的不同采取相應(yīng)的防護(hù)措施，可以利用車體本身的防護(hù)結(jié)構(gòu)，也可以加裝防護(hù)欄，保險(xiǎn)杠、隔板，護(hù)罩等，以防止直接的機(jī)械碰撞或路面碎石的傷害。

4? 結(jié)束語

液化天然氣產(chǎn)業(yè)正處于大發(fā)展階段，LNG汽車的發(fā)展備受關(guān)注，其安全更涉及到社會(huì)公共安全問題。從企業(yè)嚴(yán)格安全生產(chǎn)管理和安全技術(shù)的研究源頭出發(fā)，建立一套液化天然氣汽車研發(fā)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、市場(chǎng)監(jiān)督、定期檢驗(yàn)與強(qiáng)制保養(yǎng)等一系列科學(xué)有效管理過程與方法機(jī)制，使液化天然氣汽車成為更加安全的燃料汽車。

參考文獻(xiàn)：

[1]簡(jiǎn)文龍.汽車用液化天然氣氣瓶的組成及工作原理[J].能源研究與管理（研究與探討），2015（3）：44-46.

[2]畢偉.LNG汽車應(yīng)用可行性及技術(shù)路徑研究[J].上海煤氣（應(yīng)用），2011（1）：20-24.

[3]羅東曉.天然氣汽車的安全性分析[J].上海煤氣（應(yīng)用），2007（2）：26-29.