液化天然气（LNG）汽车综述

2012-08-29文代志

装备制造技术 2012年7期

文代志，陆军

（柳州五菱汽车工业有限公司，广西柳州 545007）

作为汽车燃料的液化天然气（Liquefied Natural Gas），简称LNG，以其热值高、污染少、储运方便等特点，已逐步得到了推广应用。

天然气汽车以环保效益明显、使用经济性较好、推广应用成本较低、安全性有保障、气源较丰富等优点，已为世界所重视，是国内节能减排的主要代用燃料汽车之一。而随着我国沿海20 多座LNG 接受站建成后，接受处理LNG 能力近7 000 万t，并且我国现已建成LNG 液化工厂30 余座，年液化能力500 万t，可供20多万辆汽车使用；同时在西气东输一线、二线、中石化上海线相继建成的情况下，管输天然气不断发展，这些都为发展LNG 汽车奠定了良好的资源基础。

1 LNG 的特点

LNG 是天然气的一种特殊的存在形态，它是对含90%以上甲烷（CH4）的天然气进行脱烃、脱硫、脱水、清除CO2等净化处理后，再实施低温冷凝等一系列处理（主要利用膨胀制冷工艺），使天然气中的甲烷成分在–162℃时液化分离，常压状态下液化形成LNG 的主导成分。

LNG 的物理参数见表1。由于各地方的LNG 不尽相同，所以物理特性参数必须以LNG 供应商的为准。

（1）LNG 通过深冷前的净化处理，几乎除掉了天然气中的全部杂质，深冷净化处理过程中，又分离出不同液化点的重烃类成分和其他气体成分，因此LNG 的纯度很高。LNG 燃料成分的单一性和一致性、可靠性热值和辛烷值高，有利于发动机压缩比等设计参数的确定，避免了乙烷、丙烷等成分的爆燃对发动机及其部件造成的不良影响。LNG 不含硫和机油，低碳，对排放和环境有利。

表1 LNG 的物理参数

（2）LNG 的能量密度是CNG 的3 倍，这表明LNG 储存效率更高，可以使车辆获得较长的行驶里程，或者说在相同行驶里程的情况下，可以使车辆的总质量更小，从而比使用CNG 有更好的燃料经济性。同时储存效率高，也使LNG 更利于运输，扩大了LNG 使用的地域范围。

（3）LNG 的储气瓶为具有绝热夹层的压力气瓶，储存温度约为–162 ℃，储存压力稍高于1.0 MPa，相比CNG 通常以20～25 MPa 的高压储存在高压气瓶中，LNG 常压低温绝热储存，比高压储存的容器更安全，且相对于CNG 的高压钢瓶，LNG 储气瓶总质量降低很多。

（4）使用LNG 可以充分利用其低温特性，降低混合气的温度，从而降低燃烧温度，提高发动机的热效率，同时降低NOx 的排放。

（5）LNG 安全性能好。LNG 燃点为650 ℃，比汽、柴油、LPG 的着火点都要高，LNG 泄漏与空气混合的爆炸极限为5%～15%，相对密度为空气的一半，稍有泄漏，很快会在空气中挥发扩散。而LPG 的爆炸极限为2.4 % ～9.5 %，燃点为465 ℃，气化后密度大于空气，泄漏后不易挥发扩散；汽油的爆炸极限为1.0%～7.6%，燃点为427 ℃；柴油的爆炸极限为0.5%～4.1%，燃点为260 ℃。因此，LNG 汽车比LPG 汽车、汽柴油汽车使用起来更安全。

（6）LNG 运输方便。液态的LNG 便于经济可靠地远距离运输，建设LNG 汽车加气站不受天然气管网的制约，只要找到LNG 气源，就可以建站。

（7）在同等热值条件下，LNG 比汽油、柴油价格便宜20%～30%，使用LNG 作为汽车燃料，将大大降低汽车的运行成本。

2 LNG 汽车的燃料系统

LNG 汽车的主要核心部件，由LNG 汽车发动机和燃料系统构成，其中燃料系统主要由LNG 储气瓶总成、储气瓶附件、气化器和燃料加注系统等组成。

车用LNG 储气瓶，是作为一种低温绝热压力容器，设计有双层（真空）结构。内胆用来储存低温液态的LNG，在其外壁缠有多层绝热材料，具有超强的隔热性能，同时夹套（两层容器之间的空间）被抽成高真空，共同形成良好的绝热系统。外壳和支撑系统的设计，能够承受运输车辆在行驶时所产生的相关外力。内胆设计有两级安全阀，在超压时起到保护作用。在超压情况下，首先打开主安全阀开启压力为1.75 MPa，副安全阀开启压力为2.9 MPa，设定压力较主安全阀高，在主安全阀失灵或发生故障时，副安全阀工作，这样使气瓶使用确保安全。外壳在内部超压条件下的保护，是通过一个环形的真空塞来实现的。如果内胆发生泄漏（导致夹套压力超高），夹层压力达到0.1～0.2 MPa，真空塞将自动打开泄压。当真空塞发生泄漏或真空破坏，使绝热能力下降或失效，这时可能发生外壳“冒汗”或结霜现象。当然，在与气瓶连接的管道末端，出现结霜或凝水现象是正常的。

储气瓶附件主要有：进液单向阀、岀液截止阀、过流阀、压力表、一级安全阀、二级安全阀（手动放空阀）、气相阀、经济阀、真空塞、液位计的传感器及连接管路等。

LNG 在储气瓶中，以低温的液态和气态形式储存，能够以纯液态形式或气液混合形式从气瓶中被放出，通过汽化器将其加热成为气体。汽化器安装在气瓶和发动机之间。汽化器与发动机冷却水系统相连，冷却液流经汽化器壳程并对盘管进行加温。汽化器本身不会使LNG 燃料压力增加。汽化器一般包括稳压器和（水浴式）增压器，当LNG 进入汽化器，来自发动机的高温冷却液将其气化，并加热转化为0.5～0.8 MPa 的气体供给发动机。

燃料加注系统包括有：加液口、回气口、气瓶压力指示表、调压后压力指示表及其管路等，一般会将这些零件集成于一块面板上（即加液面板），以便操作。

3 LNG 汽车的充装

LNG 汽车的充装，首先要在使用前，确保所有的管路连接可靠，并检漏检验确认合格后方能进行。其充装方式主要有以下3 种：

3.1 常规充装

LNG 汽车燃料的充装，是通过一根独立软管完成的。充液时，首先将瓶内压力泄放回收（降到0.7～0.8 MPa），将加气枪与（车用LNG 气瓶）加液口快速接头连接，然后启动加气机充液开关，LNG 将通过连接软管，进入气瓶内胆。液体通过安装在内胆顶部的进液管注入。采取这种充液方式的目的，是降低气瓶顶部压力、对瓶内存留的LNG 闪蒸气（BOG）进行再液化回收，以避免放空损失。充装阀是一个单向阀，充液时液体在压力作用下，自动进入气瓶，无需手动开关。当液位达到额定位置时，充液自动停止。其作用原理是当LNG 液体漫过顶部进液管时，管口背压迅速升高并与充液压力平衡，压力达到加气机设定的停止压力（约1.2 MPa），此时加气机停止充液。

3.2 放空充装

可以从增压型气瓶（或LNG 槽车）向车用LNG气瓶中充装LNG，用一根充装软管，将增压型气瓶和车用LNG 气瓶加液口相连后，即可开始充液。当车用LNG 气瓶中的压力升高时，打开放空阀进行放空，但是必须确保增压型气瓶和车用LNG 气瓶的气体饱和压力，不低于发动机所需的工作压力。连续充装直到LNG 从放空阀溢出，依次关闭放空阀和增压型气瓶充液阀，并卸下充液软管。

3.3 热瓶充装

通常将首次充装LNG 前和停止工作两周以上的车用LNG 气瓶称为“热瓶”。热瓶的充装，按照以下程序进行：

首先向瓶内充入大约15 L 的LNG，静置，在瓶内LNG 气化升压的过程中，气瓶内胆也得到冷却；当瓶内压力达到正常工作压力后，进行系统的检漏；通过放空降低压力后，即可按常规充装程序进行操作。

4 LNG 汽车的运行及维护注意事项

4.1 运行操作注意事项

LNG 汽车的运行操作程序，一般应注意以下数点：

（1）每天行车之前必须检查气瓶与托架、供气装置与安装梁之间固定是否牢固，燃气设备的状态是否完好，所有气管的连接处是否漏气，检查各传感器接头是否有松动现象。

（2）检查完毕后先打开气瓶放空阀、然后缓慢打开出液阀（一般开启3-4 圈即可）。打开各阀门时要将阀门完全打开后要回拧一圈，以防阀门被卡住。停车后先关闭出液阀，放空阀可处在常开状态。若停车时间超过两天，则需关闭放空阀，每天检查一下气瓶压力，若高于1.5MPa，则应泄压。瓶内压力过高时一定要开启放空阀放空泄压，应尽量避免安全阀的频繁开启。

（3）发动机启动后怠速运行30 s，检查机油压力和水温是否正常。

（4）单燃料气体发动机在环境温度较低的情况下起动后短时间内可能发现排气管冒白烟或有水滴冒出，这属于正常现象，原因是NG 中H 含量较多，故最终燃烧产物中H2O 较多，在低温时不能汽化，形成白烟或水滴。随着排温升高，白烟和水滴将消失。

（5）其余使用操作及注意事项与使用汽油燃料时相同。

4.2 燃料系统维护注意事项

LNG 汽车（燃料系统）的维护，应注意以下事项：

（1）LNG 燃料系统的定期维护与修理，应在有关资质认证部门取得合格证书的专业的维修厂（场）进行。

（2）执行LNG 车辆燃料系统维护和修理的技工，须经过专业培训，并取得培训合格证，其他人员不得擅自维修。

（3）维修场地严禁吸烟，场内应有防火消防措施。如气瓶已充气，车辆与周围明火距离不得小于10 m。

（4）维修车辆时，严禁敲击或碰撞气瓶、减压阀、管线、及各种阀体。

（5）在车辆维护和故障排除过程中，如涉及燃气装置的管路接头、阀门、仪表、减压装置的拆装、调整等作业时，维修人员应首先断开蓄电池供电电路（若需要进行电焊操作时，则必须拆除总电源正负极），关闭总气阀与瓶阀，待卸压后方可拆卸故障部位。

（6）如果难以准确诊断困难，在保证车辆周围10 m 内无明火的前提下，允许开启总气阀进行带压检查。漏气部位明确后，应立即关闭总气阀和全部瓶阀，待卸压后方可拆卸、维修。

（7）排除供气系统故障时，必须关闭总气阀和全部瓶阀，进行管路卸压，严禁在带压状态下进行修理作业。

（8）应严格检查卡套是否完好无损。高压管线、卡套接头只能更换新的，不允许重复使用。在维修好后，应采用气体检测仪或肥皂水进行泄漏检验。

（9）在拆检管路和各种接头后，必须对管路进行吹管处理，防止燃气管路内进入沙尘。

（10）在冲洗车辆时，应特别注意避开发动机电控系统部件，如火花塞、点火线圈、喷射阀等。

5 安全防护及应急处理方案

（1）LNG 汽车的操作过程中的潜在危害，主要来自LNG 的物理性质。因LNG 在环境大气压下，具有极低的温度（-162 ℃），皮肤或眼睛接触到液化天然气，会导致类似烧伤的冷灼伤。LNG 具有很大的气液体积比，如果减压措施不当，将导致压力迅速升高。天然气是窒息性、易燃性气体，因此在有LNG 或NG的现场内工作时，需具有必要的安全常识，远离火焰或电火花；在LNG 相关系统维修、充装、存储的地区，不允许烟火进入；在有LNG 的场所工作时，需戴护目镜、脸罩、绝热手套；在拆卸零件维修时，需给LNG 气瓶排空、卸压、置换；进入盛装LNG 气瓶现场人员，均应穿能防火和防静电的工作服及工作鞋；操作人员应培训上岗；气瓶在不使用时，操作人员应关好所有阀门；安全阀的出口，应连接入安全外部排泄系统。

（2）应急处理人员的着装要求。要对眼睛、皮肤等易与液体接触的部位，进行保护；要戴上防护镜或面套，建议戴上易于脱下的防护手套和长套袖，保护胳膊；要穿上无箍口长裤，裤管要盖住鞋子，以挡住溢出的液体；应急处理人员的衣服，应为棉制，最好是没有口袋也没有卷起的部分；严禁穿戴可能引起静电的化纤衣物，脚部应穿没有铁钉的皮鞋。

（3）处于火灾环境时。应及时关闭所有与气、液相通的阀门。当阀门无法关闭或泄漏处无法堵塞时，切不可用水直接喷淋液体泄漏处，推荐使用干粉（最好是碳酸钾）灭火器。应急处理人员应经过对LNG 引发的火灾使用干粉灭火器的训练。

（4）内容器意外泄漏时。此时，因内部液体泄漏，而使内容器处于过剩压力状态下，将会导致并造成事故，应尽快小心地将瓶内的液体排放出来。在条件许可的情况下，应尽快将损坏的瓶转移至无明火、易燃物以及无行人通过的场所，进行应急处理。

（5）处于阀门冻住时。若阀门冻住，应使用清洁无油的温水或热氮气解冻后，方可操作。不得用锤或其他物件敲击。