车用LNG气瓶检测站天然气回收装置设计

黄光明,林永伦,赵文杰,蔡青青

(深圳市质量安全检验检测研究院,广东 深圳 518000)

1 前 言

液化天然气(Liquefied Natural Gas简称LNG)的主要成分是甲烷。LNG无色、无味、无毒且无腐蚀性,其体积约为同量气态天然气体积的1/625,LNG的重量仅为同体积水的45%左右。LNG是当今世界公认的清洁能源,具有热值高、燃烧充分、价格低、运输经济性及安全性好的特点,受到广大用户的青睐。20世纪80年代,德国、加拿大、美国及法国等多个国家开始研究车用LNG气瓶,90年代技术逐渐成熟,不断进行小规模推广。目前LNG汽车已在全世界推广使用,并占有一定的市场份额。以LNG为燃料的汽车广受用户及政府支持[1]。

2 典型车用LNG气瓶结构及技术参数

储存汽车发动机燃料LNG的装置为焊接绝热气瓶,也称低温绝热气瓶,此气瓶构造设计有双层真空结构。内胆用来储存低温液态的LNG(常压下饱和温度达到-161℃),在其外壁缠有多层绝热材料,具有超强的隔热性能,夹层(两层容器之间的空间)被抽成高真空,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。车用LNG气瓶结构图如图1所示。

1. 气瓶接口阀门;2. 气瓶内容器;3. 液位传感器;4. 绝热被;5. 气瓶外容器

国外车用LNG气瓶生产厂家主要有美国查特深冷工程系统有限公司、美国泰莱华顿公司,国内有张家港中集圣达因低温装备有限公司、张家港富瑞特种装备股份有限公司等。中国在此领域起步晚,但发展迅速。现该气瓶主要用于出租车、公交车、牵引车、抑尘车、大巴车、水泥搅拌车、货柜车等多种车型,已深入到国民经济和生活方方面面。表1为美国查特深冷工程系统有限公司车用LNG气瓶参数。

表1 美国查特深冷工程系统有限公司车用LNG气瓶技术参数

3 车用LNG气瓶定期检验及现状

随着LNG汽车的广泛应用,车用LNG气瓶存量越来越多。气瓶设备因损坏、事故等愈发的老旧,其安全性和稳定性等问题愈发突出,因此针对低温绝热气瓶,依据TSG 23—2021《气瓶安全技术规程》[2]和GB/T 34347—2017《低温绝热气瓶定期检验与评定》要求[3]对车用LNG气瓶进行定期检验,检验周期不超过3 a。

检验项目:外部检查、安全附件检查、阀门及管路检查、固定装置检查、气密性试验、静态蒸发率检测。检验前,一般会为用户提前向检验机构申报汽车气瓶定期检验,检验机构对汽车及气瓶出厂合格证书、安全附件证书、最近一次检验报告、最近一次检验周期内日常检查记录审查通过后,用户将待检车辆驶至检测站进行在线检验。

检验员通过目测或借助窥视镜进行外部检查、阀门管路检查及固定装置检查,防止气瓶假冒翻新、凹陷过大、任意改装、绷带松动、结露结霜等。

进行气密性试验时,根据检验标准GB/T 34347—2017《低温绝热气瓶定期检验与评定》、GB/T 12137—2015《气瓶气密性试验方法》[4],气瓶在公称工作压力下稳压1 min,利用不含油脂的检查液涂抹检验无泄漏的即为合格。但气瓶进站检验时,一般气瓶的压力都在0.6～1.0 MPa,根据制造厂家及气瓶的不同,车用气瓶的公称工作压力一般为1.37 MPa和1.59 MPa。所以需要增压后再进行气密性试验,由于自增压器自身的限制,无法将其升至公称工作压力,通常检验员的应对方法如下:1. 利用外接氮气对其增压至公称工作压力,这种方式虽然增压效率高,但是操作过程中存在不安全因素;2. 利用车用气瓶内剩余LNG的自然蒸发进行增压,此方式增压效率慢,通常需要2～5 d时间;3. 要求用户在送检前,先把待检汽车开至加气站增压至公称工作压力。这些应对方式不但费时费力且存在不安全因素,无论是对于检测机构还是用户来说,都是苦不堪言的。

气密性试验完毕后,进入下一检验项目:静态蒸发率检测。由于车用气瓶拆装不方便,依据GB/T 34347—2017《低温绝热气瓶定期检验与评定》中的第5.8节、GB/T 18443.5—2010《真空绝热深冷设备性能试验方法 第5部分:静态蒸发率测量》[5]中的流量法规定,静态蒸发率检测前必须将瓶内压力降至0(即常压),静置48 h后方可连接设备进行静态蒸发率测试。将公称容积为450 L的气瓶在公称工作压力下通过排空阀进行排空,产生的噪音对监测站内工作人员及50 m范围内的人员都会造成影响。同时,阀门全开,将一个气瓶从公称工作压力泄压至0且无噪音约需要3 h,对外排放的天然气约占气瓶的10%,约20 kg。直接排放天然气不仅造成了能源浪费,而且天然气中含量最大的甲烷会被地球臭氧层的臭氧氧化,发生一系列化学反应后促使臭氧分解,破坏臭氧层,导致全球变暖。

静态蒸发率检测完成后拆除检验设备,将气瓶增压后方可启动发动机,驾驶汽车离开检测站。但平时的检测工作中往往出现汽车自带增压器故障或者增压器失效的情况,有时需要放置一周方能缓慢增压至发动机启动所需压力。如遇紧急情况汽车需要尽快发动驶离,可能出现由拖车将其拉至加气站增压的尴尬场面,这些情况往往会引发用户的投诉及不满,影响检验服务质量。

4 气瓶检测站一体化天然气排放回收装置设计方案

根据上述车用LNG气瓶检测站检验工作遇到的问题和难点,现设计一套设备装置,以满足气瓶快速增压、天然气排放(BOG)回收的需求。设计思路为:将检验过程中浪费的天然气回收至储气容器A内,通过泵(防爆)将容器A内的天然气抽出增压后存储在高压容器B内,容器B内压力可设置在10 MPa,其出口可连接多个受检气瓶的排空阀,出口设有减压阀、调节阀。为车辆增压至公称工作压力或者发动机启动压力。但是A/B容器的容积都是有限的,不可能无限制的容纳天然气,必须考虑到天然气超压问题,如果超压通过安全阀对空排则同样浪费资源及污染环境,此法不可行。由于液体比气体的密度大,可将天然气液化,同时液化天然气可以重新利用。比对现存的液化方法,比较成熟的有以下方案[6]。

1. 膨胀液化:配套膨胀制冷机和压缩机,先将一种介质进行压缩,然后进入冷箱进行膨胀吸热制冷液化天然气。这种方法的缺陷是投资成本高、能耗高。

2. 再冷液化:天然气经过压缩机进行压缩,之后在冷凝器内与LNG混合液化。这种方法的缺点是能耗高。

3. 液氮换热液化:检测站内液氮通过换热器吸收天然气的热量气化,另一端则为回收的天然气放热液化。

通过对成本、空间以及能耗的综合考虑,现采用第三种方案。一般气瓶检测站进行杜瓦罐(立式低温绝热气瓶)定期检验时需要配备液氮。本装置通过增设换热器,使部分液氮在其内气化后用于杜瓦罐气密性试验。液氮吸收天然气的热量气化,使天然气液化,达到冷量用于回收液化天然气的目的。基于环保节能及缩小成本的考虑,使用液化装置的前提如下:1. 天然气回收B容器压力将快超限;2. 杜瓦罐需要进行气密性试验时,对于增压泵的选择,可以考虑配备内燃机,其燃烧天然气驱动增压泵,减少其他能源消耗。如图2所示,通过管路将低压容器A、高压容器B、液化容器C、增压泵、换热器连接。将受检车用LNG气瓶排气回收至低压容器A,待压力平衡后,打开定制内燃机进气阀启动内燃机,通过内燃机带动增压泵,将低压容器A内天然气压缩后输送至高压容器B。此泵预设出口最高车用LNG压力,达到最高压力时自动停机(或手动停机)。高压容器B内的天然气可通过增压管路进入气瓶增压,或者进入换热器内,液氮气化时吸收大量的天然气热量,使天然气凝结成液化天然气,液化天然气流进液化容器C,由液氮罐引出进入换热器的液氮气化成氮气进入杜瓦罐检验区。液态管路装设保温棉等保温设施,以减少漏热气化。液化容器C内储存的液化天然气可作为科研项目燃料或充装介质,也可对受检车用LNG气瓶进行充装等。

图2 检测站一体化天然气回收装置

装置实施后,检验过程如下:进入检验区的车用LNG气瓶通过管路连接,直接使用增压管线使天然气快速增压至工作压力(例如1.59 MPa)即可进行气密性试验及其他项目检查;完毕后连接回收管路进行泄压,静置后准备进行静态蒸发率测试;静态蒸发率测试完毕后,连接增压管路进行增压直至达到汽车发动机燃料使用压力(如0.8 MPa),汽车即可驶离检测站。根据需要还可为车载气瓶充装一定量的液化天然气,过程方便快捷。该装置长期停用后恢复使用前必须进行置换、检漏。

设备装置配置方面,增压泵可采用防爆类型双级双作用冷媒增压泵,使用以天然气为燃料的内燃机带动增压泵,管路配置排空装置及安全泄放装置。低压容器A可选用容积为4 m3的立式储气罐,工作压力为2 MPa;高压容器可选用容积为3 m3的立式储气罐,工作压力为10 MPa。液化容器C为LNG低温储罐,可选用立式,容积为4 m3,工作压力为1.6 MPa,型号为JCL-4/1.6。笔者单位气瓶检测站整套设备管路铺设基于原有车用LNG气瓶定期检验场所,将杜瓦罐定期检验区及液氮罐合理有效地利用起来,一起搭建增泄压及回收系统。成本方面包括采购铺设管路、保温材料、阀门及安全附件和根据地形、区域定制3个容器罐及增压泵等,综合费用不超过20万元。基于安全方面考虑,该系统装置需安装在空旷区域,以防止天然气泄漏引起火灾、人员窒息等,设备需定期维护保养。如非敞开式区域,必要时装设天然气检测报警仪,并配套相关安全设施。

5 法律依据

随着国家经济的高速增长,能源消耗同样巨大,给社会环境造成了严重影响。金山银山不如绿水青山,人们对节能环保越来越重视。各地政府对环境保护问题采取了各种措施及办法,对污染环境的企业进行重点督查。在特种设备行业中,国家相关法律法规对特种设备的制造、经营、使用、检验检测等环节的节能环保提出了要求。

如《高耗能特种设备节能监督管理办法》第三十一条规定:从事高耗能特种设备能效测试的检验检测机构,应当按照《特种设备安全监察条例》以及特种设备安全技术规范等有关规范和标准的要求,依法进行高耗能特种设备能效测试工作。

《特种设备安全监察条例》第八条规定:国家鼓励推行科学的管理方法,采用先进技术,提高特种设备安全性能和管理水平,增强特种设备生产、使用单位防范事故的能力,对取得显著成绩的单位和个人,给予奖励。国家鼓励特种设备节能技术的研究、开发、示范和推广,促进特种设备节能技术创新和应用。特种设备生产、使用单位和特种设备检验检测机构,应当保证必要的安全和节能投入。

6 结 论

针对车用LNG气瓶定期检验遇到的增压速度慢、排放浪费、污染环境、检验时间跨度长的问题,用不超过20万人民币的成本搭建了气瓶检测站固定式一体化增泄压及天然气回收系统,一劳永逸地解决了LNG气瓶检验时产生的噪音危害,并避免了检验过程中的能源浪费,减少了天然气的排放,减少了对臭氧层的破坏。同时在车用LNG气瓶检验工作中克服了增压效率低、检验时间过长的问题,实现了经济效益和环保效益双赢。同时也表明,对于这种检验工作中遇到的难点问题的攻克也是相关科研院所、企事业单位研究人员科研工作和创新方向。