液化天然气汽车专用装置安全技术分析
2021-10-09唐昆鹏兰楠陈万应张德福
唐昆鹏 兰楠 陈万应 张德福
摘要： 随着我国天然气汽车工业技术的快速发展和液化天然气（LNG）绿色环保、能量密度大、续航里程长等优点，LNG汽车的相关技术研究备受瞩目。本文从LNG汽车的工作原理和其专用装置的结构、功能出发，全面介绍了LNG汽车潜在的整车及相关专用装置的安全技术，并进行科学、客观的分析，为生产企业提供相应的技术支撑服务，对天然气汽车的健康和持续发展提供一定建议与指导。
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.
关键词： LNG;專用装置;安全技术
Key words： LNG;special device;security technology
中图分类号：U461.91 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0045-02
1 概述
据统计，2018年全球LNG贸易量达3.2亿吨，同比增长约10%，占全球天然气贸易量的36%。未来全球LNG消费将快速增长，预计2015-2035年间年均增速将达4%，为同期天然气消费增速的两倍。随着全球石油能源紧张以及能源逐步向低碳转型发展以及天然气开采和利用技术的进步，各大油气公司纷纷加大天然气投资力度，发展战略逐步向天然气业务倾斜。由于LNG因其运输简单方便、使用广泛、安全可靠等优点，LNG成为独立能源品种的趋势越来越明显，在国际能源舞台上发挥越来越重要的作用。相对于管道气的局限性和成本，LNG方便运输、机动灵活、安全高效，已逐渐成为当前最活跃的天然气供应形式。
2020年1～10月LNG汽车行业总量137万辆，较去年增长16.7%，全年累计超过150万。截止2019年已建成3846座LNG加气站，并以15%以上的增速逐年增加，2025年我国LNG加气站市场保有量将超过7700座，目前主销区域加气站布局的逐步完善，更有利于燃气车推广和发展。2019年，天津、山东、吉林、南京、山西、海南等10省市发布鼓励和推行天然气车辆政策，为天然气商用车发展创造新的历史发展机遇。与传统汽油车相比，汽车使用天然气可以减少NO2排放约25%，NO90%，减少NOX排放40%减少SO2和烟尘颗粒物排放达100%，不含铅、苯等致癌物质[1]。因此，LNG汽车的相关技术研究显得就更加重要，尤其在安全方面的技术就更引人瞩目了。
2 工作原理及专用装置介绍
2.1 LNG汽车相关工作原理
LNG汽车系统结构由储气瓶、阀门、管路、汽化器等零部件组成，其结构示意图如图1所示，各零部件编号及名称见表1。
LNG汽车的工作原理主要分加注燃料和发动机工作两个方面：
一，加注燃料时，液化天然气通过装有止回阀的加气口⑩加注至储气罐中，止回阀的作用是在加气后关闭加气口，防止天然气泄漏引发危险。主泄压阀⑥位于加注管上，其出口主要通向通风管，将空间受限的排气引至安全通风位置。辅助泄压阀⑦位于单独的排气管路上，其压力设置值较高，并配备一个专用排气盖。压力表、手动排气阀④和接头位于同一管路上。罐压调节器⑤位于将排气管与液体提取装置连接在一起的管路上，它的功能是当罐内压力增加时，将部分气体输送到液体提取装置。
二，发动机工作时，储气罐中的液态燃料经来自发动机中的循环冷却水在热交换器⑨中发生热量交换气化成气态燃料为发动机提供动力。当管路中的流速过大时，溢流阀③工作使燃料停止流动。气体温度传感器采集气体的温度，当采集到较低温度时，该信号发送到发动机电子控制单元（ECU），经ECU处理后向驾驶员发送信号或启动可能的其他安全措施。自动燃料截止阀仅在发动机点火时打开，在特定危险情况下关闭。压力调节器降低气体压力，防止罐中的压力过高而无法发挥发动机燃料喷射系统的功能。
2.2 LNG汽车专用装置
LNG汽车应装配独立的LNG专用装置，主要由储气部件、供气部件、加注部件、安全部件组成。储气部件是用于储存LNG的气瓶及其附件，供气部件是用于输送气态和液态天然气的管路及各种管路上的装置，加注部件是用于加注LNG的加注口、回气口及连接装置，安全部件是用于保证系统安全的燃气泄漏报警系统、气瓶防护装置和汽车导静电橡胶拖地带。
3 专用装置安全技术分析
LNG汽车专用装置的安全性技术主要体现在以下三个方面：
①车用储气瓶安全技术。车用储气瓶的安全技术主要体现在是储气瓶本身结构和安装要求。LNG汽车储气瓶是一种储存LNG的高真空绝热容器，目前常见的有钢瓶、玻璃纤维瓶等，其主体结构含内胆、外胆，中间为真空和绝热保温型式。如钢瓶采用双层夹套容器，在内胆外壁缠绕数十层高绝热性能的铝箔+玻璃纤维纸，并在夹套间进行高真空技术处理，使钢瓶可达到超级绝热性能[2]。在内胆外壁一般缠绕着多层绝热材料，在高真空条件下具有导热率低、重量轻、隔热性能高的特点。内胆与外胆之间设计有夹层，夹层中配有氧化钯、分子筛等材料用以延长真空使用寿命。储气瓶最大的不安全因素是储罐内最低温度可达-162℃的低温液体，如何确保其不外泄是问题的关键[3]。储气瓶生产厂家在设计时应考虑较苛刻环境条件，需通过一系列安全性能试验验证，包括振动试验、高低温、火烧试验、跌落试验等具破坏性试验;生产时严格按照生产工艺要求和相关标准执行，并能出厂时提供有效的合格证明和相关证书。储气瓶还应配置相应的安全阀以保证当储气瓶出现紧急故障时能够确保安全。
LNG的爆炸极限是5%～15%，极易气化且气化后密度较小，因此储气瓶的安装应不允许安装在驾驶室、载人空间、发动机舱、可移动的货箱或封闭式货箱内，应保证储气瓶及燃气管路的安装空间与大气有效接通。
②燃气管路安全技术。燃气管路起着连接储气瓶与发动机桥梁的作用，主要由汽化器、电磁阀、减压阀和过滤器组成，其安全性是保证燃料供气系统安全可靠工作的重要环节，这就要求所有管路的设计、生产、安装、验收严格按照相关专业要求以确保不会出现燃料泄漏事故。
燃气管路一般安装有对燃气系统控制和安全作用的阀，阀门安全可靠工作、检查维修方便等对燃气系统起着关键作用。刚性管路应走向合理，不与相邻部件产生碰撞和摩擦。管路应远离高温部件。由于发动机在工作时排气温度最高可达到610℃，而且燃烧后组分中含有水蒸气、硫化物等易腐蚀气体，因此部件管路应避开如排气管、增压器等温度较高的热源以及整车电磁阀、机械电源总阀等可能产生电弧的地方，管路及接头与发动机排气管距离≥100mm，当距离在100mm～200mm时，应设置可靠固定的隔热装置，与传动轴距离应≥100mm。特别是高压管路及接头不宜直接安装在驾驶室或载人车厢内，如需要应设置安全可靠的隔离和防护装置，以确保驾驶室或载人车厢在紧急情况下安全。
③安全部件安全技术。LNG汽车上一个重要安全零部件是燃气泄漏报警装置，装置中的探测器能够实时监控燃气泄漏的浓度，必要时进行报警提醒，避免造成财产损失和危害生命安全。该装置工作原理大致为气敏传感器在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附天然气的气敏薄膜，当该气敏薄膜與待测气体相互作用，使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移。气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同，波频率信号转化为电信号，进而检测、监控、报警。对于不同的系统部件应根据其安装位置的不同采取相应的防护措施，可以利用车体本身的防护结构，也可以加装防护栏，保险杠、隔板，护罩等，以防止直接的机械碰撞或路面碎石的伤害。
4 结束语
液化天然气产业正处于大发展阶段，LNG汽车的发展备受关注，其安全更涉及到社会公共安全问题。从企业严格安全生产管理和安全技术的研究源头出发，建立一套液化天然气汽车研发、生产、检验、市场监督、定期检验与强制保养等一系列科学有效管理过程与方法机制，使液化天然气汽车成为更加安全的燃料汽车。
参考文献：
[1]简文龙.汽车用液化天然气气瓶的组成及工作原理[J].能源研究与管理（研究与探讨），2015（3）：44-46.
[2]毕伟.LNG汽车应用可行性及技术路径研究[J].上海煤气（应用），2011（1）：20-24.
[3]罗东晓.天然气汽车的安全性分析[J].上海煤气（应用），2007（2）：26-29.
