温度对车载CNG储气罐加气量影响的研究

甄 杨，王锡钢，于劲竹

（天津市计量监督检测科学研究院，天津 300192）

近年来，伴随着我国经济的迅速发展，能源作为经济发展的促进剂的需求愈加剧烈，而天然气作为清洁能源具有环境负效应小、安全性好、对发动机工作有利、资源丰富等优势，在国内的使用越来越广泛，越来越多的汽车开始使用压缩天然气CNG作为车用燃料，进而伴随而来的是给车辆进行加气的加气机类产品的需求越来越大，我国加气机产业也得到了迅速发展．目前我国已建成的加气站约有7000余座，共计近3万台加气机，依照我国统计与规划，2012年我国天然气燃料汽车已有100×104辆，使用天然气总量达到160×108m3，代替了 640×104t柴油，天然气汽车总量到2020年时更将达到300×104辆[1-3]。随着CNG产业的发展，越来越多的CNG加气机的计量检定相关问题也逐渐出现在计量部门面前。

1 CNG加气机及其检定

1.1 CNG加气机的主要工作原理

压缩天然气加气机，是将CNG充装进储气容器，并且自身带有计量和计价等装置的专用仪器。它主要部件包括了质量流量计、加气枪、快速切断阀、电子计控器等，共同组成了CNG累积量测量系统[4]。加气机中还包括辅助装置和附加装置。辅助装置是用以实现加气机特殊功能的设备，可以与电子计控器整合为一体，主要有IC卡预付费功能、打印功能等。附加装置主要由加气枪、高压软管、拉断阀、压力传感器等部分组成，是用以保证正确测量及安全操作的部件或装置[5]。

图1 CNG加气机Fig.1 CNG dispensers

作为加气机的主要组成部分，质量流量计是加气机用来进行气体流量计量的部件，是用于连续测量压缩天然气气体累积量的仪表。加气机所选用的质量流量计是科里奥利质量流量计，其原理是以科里奥利力为基础，在其传感器内部布置有两根平行的T状振动管道，在流量计的中部布置有驱动线圈，在流量计的两端安装，当激励电压由变送器输出到驱动线圈上时，振动管开始做往复周期振动，CNG流经振动管，就会在振动管上产生科氏力效应，此时，两根振动管开始扭转振动，拾振线圈上将会输出两组不同相位的信号，这两个信号差与流经传感器的CNG的质量成比例关系，进而可以得出流经振动管的CNG质量流量[6-8]。

图2 质量流量计Fig.2 Mass flowmeter

按照中国《计量法》的规定，CNG加气机属于贸易结算类计量器具，应依法纳入强制管理范围，因此，依据国家计量检定规程JJG 996—2012《压缩天然气加气机检定规程》，计量部门需每半年对CNG加气机进行周期强制检定[9-10]。

1.2 CNG加气机的在线检定

检定过程如图3所示，选用计量准确度较高的高压科里奥利气体质量流量计作为标准表，并将其安装在CNG加气机检定装置内，将被检加气机的加气枪与检定装置连接，将检定装置的加气枪与被加气车辆的储气罐连接，连接完毕后进行加气，记录被检加气机与检定装置中的累积加气量，分析被检加气机的计量误差。

图3 标准表法气体流量标准装置工作原理示意Fig.3 Working principle diagram of master meter method of gas flow standard device

如图4所示为CNG加气机的在线检定，计量检定人员通过笔记本电脑中CNG加气机检定软件实时在线观测被检加气机的检测数据，当检测过程完成后，记录被检加气机的示值误差以及充装压力等信息。图5为单次检定完成后检定软件保存的数据曲线图。

在CNG加气机工作和检测过程中，一个普遍发生的现象是环境温度低时 （尤其是北方进入冬季）比环境温度高时（例如夏季秋季）同一辆车同一个车载储气罐其加气到20 MPa时所加气的累积量要多，从而可能会引起司机的误解，怀疑加气站“缺斤短两”，或者加气机的计量准确度出现偏差。在检测过程中，时常会遇到出租车司机以及加气站相关工作人员对该类现象的疑问，为了解开该类疑问，尝试从影响加气量的直接因素——环境温度角度去分析该类现象产生的原因。

图4 CNG加气机的在线检定Fig.4 On-line verification of CNG dispensers

图5 CNG加气机单次检定数据采集Fig.5 Data graph of the single verification of the CNG dispenser

2 环境温度对CNG加气机的加气量的影响的理论分析

通常人们认为理想气体遵循状态方程pV=nRT，而在实际使用中，理想气体是不存在的，无符合该方程的理想气体。试验表明，只有在高温、低压状态下，实际气体才可近似接近于理想气体状态。而CNG作为一种高压状态下的气体，其气体状态不能用理想气体状态方程来分析。而在低温高压条件下，任何气体的状态方程都会出现明显的偏差，而且温度越低、压力越高，这种偏差程度就越大。这时引入带压损因子修正的气体状态方程：

式中：p为理想气体压强，Pa；V为理想气体体积，m3；Z为压缩因子，量纲为1；n为气体物质的量，mol；R 为理想气体常数，为 8.314 Pa·m3·K-1·mol；T 为理想气体的热力学温度，K。

Z称为压缩因子，其表示对实际气体进行压缩的难易程度，由式（1）可得出 Z=pV/nRT=pVm/RT（Vm为气体的摩尔体积），即 Z=Vm（真实）/Vm（理想）。 理想气体状态下，任何温度压力下Z恒等于1。当Z＞1时，说明理想气体的Vm比同样条件下真实气体的Vm小，真实气体难于压缩；当Z＜1时，说明理想气体的Vm比同样条件下真实气体的Vm大，真实气体易于压缩[11]。气体压缩因子Z的数值不仅随着所处的状态，如压力、温度的变化而变化，不同种类的气体的压缩因子亦不同，同种类的气体如CNG介质的压缩因子，也会随着组分的变化而变化。我国于1999年12月颁布实施了国家标准GB/T 17747—1999《天然气压缩因子的计算》，采用国际标准化组织（ISO）天然气技术委员会推荐的AGA8-92DC和SGERG-88状态方程为基础的计算方法。下面以一组特定组分的天然气计算其在不同温度、压力下的压缩系数以及摩尔质量和密度等信息[12]。

表1 相同压力不同温度条件下天然气压缩因子Z计算表Tab.1 Compression coefficient under different temperature and same pressure

图6 固定压力下压缩因子与温度关系Fig.6 Diagram of compression factor and temperature under the same pressure

由图6可以看出，当达到相同的充装压力条件时，伴随着温度的升高，天然气的压缩因子也在增大，换言之，即环境温度越低，天然气压缩因子越小，进而充装结束时充装体积量越大。

3 压缩空气充装验证试验

由于环境温度对加气量影响试验是多次重复性试验，且单次试验完成后需要对试验介质进行排放以便进行下一次试验，因此使用CNG作为试验介质较为昂贵、浪费且存在安全隐患，因此，我们选用压缩空气作为本次环境温度影响试验的试验介质，验证试验理论并推理出环境温度对CNG储罐加气量的影响。

3.1 储气罐容积标定试验

为了首先排除车载储罐标称容积的误差对充装CNG体积量的影响，用二等金属量器对常见的标称为100 L和80 L的车载CNG储气罐进行标定，以验证储气罐容积的准确性。分别选取100 L和80 L储气罐各6个进行标定试验。

表2 CNG储罐标定数据Tab.2 CNG tank calibration data

由上表可知，CNG储气罐经水标定后实际体积与其标称值相差不大，误差均在±1 L以内。

以充装压力 p=20 MPa，V=0.1 m3，T=40 ℃举例，40℃时压缩因子 Z天然气=0.77760，计算过程如下：由pV=ZnRT得出n=988.896 mol，进而充气质量 m=Mn=19.344 kg，最终得出充气体积 V=m/ρ=23.70 m3。

即100 L储气罐温度40℃充装压力达到20 MPa时，可充装标准状况下天然气体积为23.70 m3。其他温度下的天然气充气计算过程相同。

气罐体积差异以及温度对加气量的影响理论计算结果如表3所示。

表3 气罐体积差异以及温度对CNG加气量的影响Tab.3 Gas tank volume’s difference and the effect of temperature on the amount of filling gas CNG gas filling

图7 100 L储气罐充装温度与充装体积关系Fig.7 Relation diagram of the temperature and filling volume of 100 L gas tank

由图7可见，由于储罐体积实际变量不超过标称值的±1 L，所以由于储罐体积不一样而造成的充装天然气量的影响变化量应该不超过0.3 m3。

3.2 环境温度对储气罐影响试验

首先需要了解一个客观充装现象，就是在给储气罐充装气体的时候，罐体的温度会升高，这是因为在气体快速被压缩的情况下，外界对气体做功，外界对气体内部释放能量，气体分子之间距离变小，进而分子之间的碰撞更加激烈，从而产生热量，气体温度升高，进而在充装结束时，储气罐罐体的温度会升高，出现“温手”或“烫手”的现象。

本试验选用6个100 L储气罐，用空气压缩机对其进行充装试验，储气罐口用精密压力表观测充装压力，充装压力20MPa，充装结束时温度估计为60℃（实际罐内温度无法测出），经称重此时充装空气质量分别为 19.4 kg、19.4 kg、19.2 kg、19.5 kg、19.1 kg、19.5 kg。 由式（2）：

式中：Vm为气体的摩尔体积，任意1 mol气体的体积为 22.4 L，即 22.4 L/mol，M空气=29 g/mol，计算出各储气罐充装体积如表4所示。

表4 储气罐充装压缩空气质量与体积Tab.4 Quality and volume of the filling compressed air of gas tank

以储气罐1为例，该罐气体经一晚冷却，第二天早晨试验环境温度为15℃，假设认为该罐内气体经过一晚上的冷却换热与环境温度相等也为15℃，按照带压缩因子修正的气体状态方程pV=ZnRT（式中 p=20 MPa，V=0.1 m3，n=19.4 kg×1000/29 g/mol=668.97 mol，经查表得知在压力 20 MPa，温度 300 K条件下，压缩因子 Z空气=1.0326）计算，此时罐内压力应为 p=16262406.9 Pa≈16.26 MPa， 用精密压力表重新测得其罐内压力为16.25 MPa，与计算结果基本一致，这验证了理论分析结果。（需说明，计算时气罐内压力作为未知量，温度10℃下的空气压缩因子无现成可用数据，选用20MPa，300K条件下，压缩因子Z空气=1.0326作为最相近的数值进行运算）

4 结语

本文分析了造成环境温度低时比环境温度高时对同一个车载储气罐加气到20 MPa时所加气的累积量要多的现象原因，温度对CNG压缩因子产生影响进而影响了加气量的大小。首先分析了储气罐标称容积差异对充装气体累计量大小的影响，其影响因素很小；其次，通过引入带压缩因子修正的理想气体状态方程pV=ZnRT，从理论上分析了环境温度对充装CNG累积量的影响，得出了当最终充装压力一定时，罐内充装温度升高其充装体积量减小的结论．而产生该种现象的原因可能在以下两方面：环境温度低直接影响CNG的压缩因子，温度越低，CNG压缩因子越小，加气子站的撬车在充装CNG时充装量就比夏季秋季要高；车载储罐在加气时，储罐温度随着加气过程不断升高，而外界环境温度较低，罐体在不断散热，在最终达到20 MPa充装压力时罐体的温度要比夏季秋季要低，进而可以充装进去更多的CNG。为了更加完善压缩空气充装验证试验，在以后的试验过程中，可以考虑在储气罐壁的内外侧安装贴片温度传感器，以便准确的测得充装过程中以及冷却后储气罐内的压缩空气温度。

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