車用LNG氣瓶絕熱性能在線監(jiān)測與評價方法

胡杭健，石 坤，周云奕

(中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

0 引言

車用LNG低溫絕熱氣瓶(簡稱LNG氣瓶)在為液化天然氣汽車提供燃料的同時，也關(guān)系車輛及乘客的安全，其中絕熱性能是影響LNG氣瓶安全的關(guān)鍵要素。目前，國內(nèi)LNG氣瓶多采用高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)，表征絕熱性能的主要參數(shù)有真空度、靜態(tài)蒸發(fā)率、維持時間等，但由于LNG氣瓶上沒有安裝真空規(guī)管，無法對真空度直接檢測，所以實際檢驗中一般通過測試LNG氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率，來判斷其絕熱性能[1-3]。

此外，我國在LNG氣瓶檢驗方面還存在一些問題：一是對LNG氣瓶定期檢驗方法、評測手段等有待進一步提升；二是LNG氣瓶檢驗效率低、周期長、成本高，給車輛使用帶來極大不便[4]；三是現(xiàn)行的拆卸式的檢驗方式會給氣瓶、閥門及其管路附件帶來設(shè)備損壞風險[5-6]。

1 在線監(jiān)測裝置與系統(tǒng)

該課題通過設(shè)計、開發(fā)車用LNG氣瓶絕熱性能在線監(jiān)測裝置，并結(jié)合傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)，搭建車用LNG氣瓶安全健康遠程管理平臺[7]。該平臺通過采集LNG氣瓶主要狀態(tài)參數(shù)，并進行傳輸與分析，研究LNG氣瓶絕熱性能在線檢驗及風險預警的方法[8]。

1.1 數(shù)據(jù)采集裝置

該裝置可實時采集氣瓶壓力、氣相溫度、液相溫度、液位、流量、質(zhì)量等參數(shù)[9]，并將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺進行處理分析。裝置實物見圖1。

圖1 LNG氣瓶數(shù)據(jù)集成與監(jiān)測裝置Fig.1 Cylinder data integration and monitoring device

1.2 系統(tǒng)平臺建設(shè)

通過SQL Server數(shù)據(jù)庫及開源的MySQL等建立相關(guān)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)平臺。該平臺可對上述LNG氣瓶監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時展示；對歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與處理分析；還可以對超閾值數(shù)據(jù)進行風險預警。圖2示出該裝置的系統(tǒng)框架圖。

圖2 系統(tǒng)框架圖Fig.2 System framework diagram

2 低溫絕熱氣瓶性能測試試驗

2.1 靜態(tài)蒸發(fā)率測量試驗

參照GB/T 18443.5—2010 《真空絕熱深冷設(shè)備性能測試方法 第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測量》對氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率進行多組測量。選用一支LNG 500 L氣瓶和一支400 L氣瓶作為試驗瓶，試驗介質(zhì)使用液氮，按不同的充裝率從90%依次減少10%[10]至10%，測量相應的靜態(tài)蒸發(fā)率，測量時，同時使用氣體流量計法和稱重法，數(shù)據(jù)記錄間隔為1 h。

依據(jù)GB/T 18443.5—2010中8.1.2節(jié)氣體質(zhì)量流量計測量和8.1.3節(jié)稱重法測量時，給出的公式計算測試蒸發(fā)率a0。依據(jù)GB/T 18443.5—2010中8.2.1節(jié)的公式計算高真空多層絕熱靜態(tài)蒸發(fā)率a20。將裝置采集得到的數(shù)據(jù)代入公式計算得到不同有效充裝率下的靜態(tài)蒸發(fā)率，結(jié)果見圖3。

圖3 不同有效充裝率下靜態(tài)蒸發(fā)率對比曲線Fig.3 Comparison curves of static evaporation rates at different filling rates

基于以上試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率隨有效充裝率的減少而降低。究其原因，是由于有效充裝率越低、液氮液位越低，與氣瓶內(nèi)膽接觸面積越小、熱量交換越少，故而靜態(tài)蒸發(fā)率越低[11]。此外，由于氣瓶放空閥和進液口無法完全密閉和流量計測量靈敏度不足等原因，存在氮氣逸出無法監(jiān)測的現(xiàn)象，導致稱重法的測量值結(jié)果大于流量法的測量值[12]。

2.2 維持時間測量試驗

參照GB/T 18443.7—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能測試方法 第7部分：維持時間測量》對氣瓶進行維持時間測量，分析得到不同充裝率的維持時間與升壓速率的變化規(guī)律。試驗從30%充裝率開始，每次增加10%容量直至90%，安全閥起跳壓力設(shè)定為1.9 MPa[13]。試驗場景見圖4。

圖4 試驗過程場景Fig.4 The scene of the test process

將在不同充裝率下采集得到的數(shù)據(jù)繪制出氣瓶壓力隨時間變化的曲線，如圖5所示。

圖5 氣瓶不同充裝率壓力隨時間的變化曲線Fig.5 Change curve of cylinder pressure with different filling rates

嘗試多種線型對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，其中擬合效果最好的是以自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)(y=aebx)，最終擬合結(jié)果如圖6所示。其中，從左至右的曲線依次為30%～90%有效充裝率下維持時間測量過程中的氣瓶升壓曲線。

圖6 氣瓶不同充裝率壓力隨時間的變化的擬合曲線Fig.6 Fitting curves for change of cylinder pressure with different filling rates

試驗中維持時間與有效充裝率的關(guān)系如圖7所示，當有效充裝率在30%～80%之間時，維持時間隨有效充裝率的增加而延長；當有效充裝率等于90%時，維持時間出現(xiàn)縮短。此處采用三次函數(shù)(y=p1x3+p2x2+p3x+p4)對試驗數(shù)據(jù)進行擬合并得到如圖8所示的結(jié)果，圖7對應圖8中0.3～0.9區(qū)間。其中，表示擬合效果的確定系數(shù)R2=0.9928。說明三次函數(shù)可較好地描述維持時間與充裝率之間的關(guān)系。結(jié)合進一步的分析和推導可得，對于500 L氣瓶，當有效充裝率低于約3%時，即使液氮完全氣化充滿整個氣瓶，根據(jù)理想氣體方程計算可得，室溫下(25 ℃)氣瓶內(nèi)的壓強低于1.9 MPa，不足以使安全閥起跳，即維持時間趨于無窮大。這與擬合曲線中x逐漸趨于0，維持時間不斷增大的結(jié)果一致[14]。

圖7 維持時間與有效充裝率關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve of holding time with different filling rate

圖8 維持時間與有效充裝率關(guān)系擬合曲線Fig.8 Fitting curve for the relationship between holding time and effective filling rate

針對有效充裝率大于80%后，維持時間隨有效充裝率增大而減小的轉(zhuǎn)折點，有待通過進一步試驗驗證。

2.3 氣瓶破壞真空度維持時間測量試驗

GB/T 18442.3—2019《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第3部分：設(shè)計》規(guī)定，氣瓶真空度完好的判定條件為充裝液氮后，真空度小于0.05 Pa。試驗通過向真空夾層中充裝氮氣，使試驗起始真空度大于0.05 Pa。模擬氣瓶真空度在一定程度失效的情況下，氣瓶壓力隨時間變化的規(guī)律，為氣瓶失效預警提供數(shù)據(jù)與理論支撐[15]。

試驗中氣瓶的有效充裝率為80%，氣瓶真空度隨時間的變化曲線如圖9所示。

圖9 破壞真空度后真空度隨時間變化曲線Fig.9 Change curve of vacuum degree with time after vacuum breaking

圖中0點為液氮充裝完成時刻，豎直虛線表示完成靜置過程開始維持時間測量時刻。通過試驗發(fā)現(xiàn)，從液氮充裝至試驗結(jié)束的整個過程中，氣瓶真空度一直處于動態(tài)變化過程。在靜置的57 h內(nèi)，夾層真空度持續(xù)降低；在維持時間測量過程中，真空度隨時間的增加而持續(xù)升高。

試驗過程中破壞真空度前后氣瓶內(nèi)壓力隨時間的變化對比曲線如圖10所示。本試驗著重對維持時間測量前150 h部分進行擬合。采用以自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)(y=aebx)對原始數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結(jié)果如圖11所示。

圖10 破壞真空度前后氣瓶壓力隨時間的變化曲線Fig.10 Change curve of cylinder pressure with time before and after vacuum breaking

圖11 破壞真空度前后氣瓶壓力隨時間變化擬合曲線Fig.11 Fitting curve of cylinder pressure before and after vacuum insulation loss

擬合公式的一階導數(shù)表達式為y′=abebx，在實際中，y為氣瓶的壓力，x為時間，x取某一定值，則y′為這一時刻氣瓶壓力隨時間的變化率。

在真空度有一定程度破壞的情況下，維持時間在8～72 h內(nèi)，真空度破壞前后的氣瓶升壓速率存在明顯的差異，且逐漸增大，最小為5.61%，最大為9.49%(見表1)，這個可以作為80%充裝率LNG氣瓶的絕熱性能的評價指標，以此類推，可以通過系列試驗獲得其他充裝率下的升壓速率差值。這個差值可以作為LNG絕熱性能的評價指標(還要做LNG與液氮的轉(zhuǎn)換)，并通過測量升級速率的辦法替代傳統(tǒng)的拆卸檢驗[16]。

表1 臨界真空度下氣瓶壓力隨時間變化的升壓速率Tab.1 Pressure increase rate for the change of cylinder pressure with time before and after vacuum breaking

3 結(jié)語

(1)LNG氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率隨有效充裝率的減少而降低；維持時間與充裝率呈現(xiàn)三次函數(shù)變化特征。

(2)LNG氣瓶的升壓速率變化可以反映設(shè)備真空度的異常，對應不同的充裝率和時間有不同的臨界值，為不拆卸檢驗提供充分的依據(jù)和可能性。

(3)提出了LNG氣瓶在線監(jiān)測的思路與方法，結(jié)合LNG氣瓶狀態(tài)的智能分析和遠程診斷預警，有望解決LNG氣瓶全天候的動態(tài)安全保障問題。