LNG汽車氣瓶選型設(shè)計

羅峰，趙峰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

LNG汽車氣瓶選型設(shè)計

羅峰，趙峰

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

∶由于天然氣儲量大、價格便宜，作為燃料產(chǎn)生的污染小，天然氣重卡近年來發(fā)展迅速，尤其以能量密度大的LNG為主。目前LNG重卡廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸行業(yè)的各個細(xì)分市場，扮演著越來越重要的角色，因此氣瓶的選型設(shè)計尤為重要。

∶LNG；卡；細(xì)分市場；續(xù)駛里程；選型；設(shè)計

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.023

CLC NO.: U473.2+1Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-62-03

引言

重型卡車市場歷來有國民經(jīng)濟(jì)的“晴雨表”和經(jīng)濟(jì)宏觀政策與行業(yè)法規(guī)的“風(fēng)向標(biāo)”之說。由此可見，宏觀經(jīng)濟(jì)走勢與重型卡車市場關(guān)聯(lián)度極大。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷增長，汽車產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展，但同時也帶來了石油燃料的日益減少和環(huán)境污染等問題。天然氣是優(yōu)質(zhì)清潔燃料，儲量大，價格便宜，污染小，因此被認(rèn)為是汽車的最佳替代燃料。天然氣卡車有CNG（壓縮天然氣）汽車和LNG（液化天然氣）汽車兩種。其中LNG能量密度大,續(xù)駛里程長，因此LNG卡車近年來發(fā)展較快。

1、LNG氣瓶選型

目前天然氣重卡主要應(yīng)用于以下一些細(xì)分市場：

(1)快遞運(yùn)輸：大于1000公里的干線物流，一般車貨總重＜35噸，快遞、輕拋貨物運(yùn)輸，常用車速80-90km/h；以260-290馬力發(fā)動機(jī)，4×2輕量化牽引車為主，平均氣耗24kg/100公里。

(2)日用工業(yè)品運(yùn)輸：運(yùn)輸里程為500至3000公里，高速及等級路面為主；總重≤55噸，日用工業(yè)品、冷鏈運(yùn)輸，常用車速70-90Km/h；以380-430馬力發(fā)動機(jī)，6×2/6×4輕量化牽引車為主，平均氣耗35kg/100公里。

(3)危化品運(yùn)輸：危化品主銷車型以成品油、液化天然氣、化工原料等運(yùn)輸為主，車貨總重不超49噸，公路標(biāo)載運(yùn)輸，存在超載現(xiàn)象；車速70-80Km/h，以380馬力發(fā)動機(jī)，6×2/6 ×4輕量化牽引車為主，平均氣耗36kg/100公里。

(4)煤炭運(yùn)輸：500至2000公里中途及短途標(biāo)載運(yùn)輸，高速及等級路面為主，總重55噸，煤炭運(yùn)輸與普貨運(yùn)輸交叉；發(fā)動機(jī)為336-380馬力，行業(yè)內(nèi)主要以6×2車型為主，6×4車型為輔，平均氣耗32kg/100公里。

(5)重載運(yùn)輸：運(yùn)輸里程為200至1000公里，以國道、低等級公路為主；固定線路、砂石料、鐵粉鋼材短途運(yùn)輸。以400-420馬力發(fā)動機(jī)，6×4加強(qiáng)版、超強(qiáng)版牽引車為主，平均氣耗38kg/100公里。

氣瓶進(jìn)行選型時要綜合考慮各方面因素，首先考慮的就是車輛使用的細(xì)分市場類型及行駛里程。根據(jù)以上對各細(xì)分市場的描述，我們可以看到各個細(xì)分市場所使用的車輛類型、發(fā)動機(jī)、行駛里程及平均氣耗數(shù)據(jù)都有明顯的區(qū)別，因此對氣瓶的選型也必各不相同。運(yùn)輸里程較短的優(yōu)選配置單氣瓶，若選擇多瓶則會導(dǎo)致整車重量的增加，進(jìn)而使得燃料消耗增大。由于目前國內(nèi)LNG加氣站的布局還處于初步階段，各地的LNG氣站并不是很多，因此長途運(yùn)輸應(yīng)選擇配置雙氣瓶或三氣瓶，以確保運(yùn)輸過程中燃料供給充足。

目前氣瓶行業(yè)已趨于成熟，各廠家能夠提供多種容積氣瓶供選擇。根據(jù)氣瓶容積計算出續(xù)駛里程，再根據(jù)車輛行駛里程來選擇氣瓶。

續(xù)駛里程為：

其中，為LNG氣瓶充裝率；

為LNG氣瓶使用率；

為液態(tài)LNG密度；

為LNG氣瓶容積；

為車輛氣耗。

現(xiàn)可以選用的氣瓶容積見表1：

表1　氣瓶容積

以日用工業(yè)品運(yùn)輸為例，采用6×2/6×4輕量化牽引車，平均氣耗35kg/100公里。LNG密度=0.426kg/L，氣瓶的充裝率為90%，假定氣瓶使用率為80%，則450L氣瓶的續(xù)駛里程為：

日用工業(yè)品為中長途運(yùn)輸，一般運(yùn)輸里程為1000公里以上，則選擇雙450L氣瓶較好。

2、LNG氣瓶基本要求

車用LNG 氣瓶必須滿足以下基本要求：①LNG氣瓶所有附件工作壓力等級不得低于LNG 氣瓶的最大允許工作壓力。②絕熱性能可靠，日蒸發(fā)率小于2%，至少可帶液靜置7 d 安全閥不開啟。③具有合適的液體充裝率。由于外界不可避免有熱量傳入，或者由于運(yùn)行中的晃動，蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體也不能任意排放，因此必須保證LNG 氣瓶有足夠的氣相空間，使壓力升高不致過快，以保證LNG 氣瓶的安全靜置時間。④在滿足絕熱性能的前提下，支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡化且必須有足夠的強(qiáng)度。⑤具有良好的抗沖擊性能。汽車在運(yùn)行過程中，由于劇烈顛簸、沖擊而使氣瓶內(nèi)膽與外殼之間容易發(fā)生相對位移和結(jié)構(gòu)變形，而LNG 加注時的沖擊力也容易引起內(nèi)膽的晃動，為了保證運(yùn)輸?shù)陌踩裕驦NG 氣瓶具有良好的抗沖擊性能。⑥液位和壓力指示靈敏、準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)。

3、設(shè)計

3.1產(chǎn)品概況

以450L氣瓶為例，本產(chǎn)品為車載液化天然氣氣瓶，其存儲介質(zhì)為液化天然氣，設(shè)計溫度為-196℃，最高工作壓力為1.59MPa，公稱容積為450L，其絕熱方式采用高真空多層纏繞式。內(nèi)外膽采用奧氏體不銹鋼，管路采用不銹鋼無縫鋼管。

3.2設(shè)計依據(jù)

（1）《車用氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（2）GB 24159-2009《焊接絕熱氣瓶》

3.3設(shè)計參數(shù)的確定

3.3.1直徑選取

參照GB 24159-2009《焊接絕熱氣瓶》，氣瓶公稱容積V和推薦的公稱直徑D按表2的規(guī)定：

表2　公稱容積及推薦采用的公稱直徑

考慮焊接絕熱氣瓶閥門管路系統(tǒng)操作的方便性、燃料盛裝的最大化、汽車行駛里程的最大化等因素，取內(nèi)膽內(nèi)直徑Ф600mm，外殼內(nèi)直徑Ф650mm。

3.3.2主體材料的選取

根據(jù)介質(zhì)使用溫度的要求以及GB 24159-2009《焊接絕熱氣瓶》的要求，選用06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼板，或國外基本與國內(nèi)06Cr19Ni10等同的304、SUS304不銹鋼鋼板。絕熱材料及吸附材料應(yīng)采用阻燃材料。

3.3.3最高工作壓力

由于液化天然氣汽車發(fā)動機(jī)使用燃料的壓力一般小于1.0MPa，考慮到液化天然氣氣瓶使用的安全性，因此將最高工作壓力設(shè)計為1.59MPa。

3.3.4充裝系數(shù)

由于低溫液體的特殊性且《氣瓶安全監(jiān)察規(guī)程》未規(guī)定焊接氣瓶的充裝系數(shù)。因此，車用液化天然氣氣瓶實際上是一種低溫壓力容器，因此根據(jù)國內(nèi)低溫液體貯槽（最大充滿率不大于95%），國外焊接氣瓶的現(xiàn)狀和氣瓶容積大的特殊性，按照GB 24159-2009《焊接絕熱氣瓶》的要求，取車用液化天然氣氣瓶的充裝系數(shù)為90%。并且氣瓶設(shè)置防過量充裝裝置，保證任何情況下充裝液體容積不大于公稱容積的95%。

3.3.5氣壓試驗壓力

按Q/DS-001《車用液化天然氣氣瓶》規(guī)定，內(nèi)膽氣壓試驗壓力為內(nèi)膽工作壓力的2倍，即Ph=1.59×2=3.18MPa。

3.3.6外殼設(shè)計壓力

雖然外殼封頭與筒體僅受因夾層抽空產(chǎn)生的外部大氣壓-0.1MPa，但是為了保證氣瓶外殼具有一定的強(qiáng)度，按照D0T4L規(guī)定，外殼的設(shè)計壓力為-0.21MPa。

3.3.7設(shè)計溫度

因為液化天然氣的最低飽和溫度為-162℃，氣瓶內(nèi)膽的設(shè)計溫度參照液氮最低飽和溫度為-196℃，設(shè)計溫度取-196℃；外殼處于環(huán)境狀態(tài)工作，因此外殼的工作溫度為環(huán)境溫度。

3.3.8腐蝕裕度

工作介質(zhì)為液化天然氣，對06Cr19Ni10、304、SUS304不銹鋼鋼板無腐蝕傾向，故取腐蝕裕度為0mm。

3.3.9內(nèi)膽許用壁應(yīng)力

按GB 24159-2009《焊接絕熱氣瓶》規(guī)定，內(nèi)膽許用壁應(yīng)力選取。由于多數(shù)板材的抗拉強(qiáng)度 Rem≥530MPa,Rp0.2≥265MPa，對焊接工藝評定調(diào)整保證內(nèi)膽屈服強(qiáng)度≥265MPa，故可取內(nèi)膽許用壁應(yīng)力σ≤265×0.85= 225.25MPa。

3.3.10殼體厚度負(fù)偏差C1

按GB/T709的規(guī)定：4.0mm不銹鋼板的厚度負(fù)偏差C1 =0.3mm。

3.3.11安全閥開啟壓力

按GB 24159-2009《焊接絕熱氣瓶》的規(guī)定，第一級安全閥的開啟壓力取1.59MPa，第二級安全閥的開啟壓力取2.41MPa。

4、管路系統(tǒng)

管路系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)具備充液、出液、自動和手動泄壓、緊急情況下限流、壓力顯示、液位顯示等基本功能。管路系統(tǒng)閥門宜標(biāo)明介質(zhì)流向，并且截止閥應(yīng)標(biāo)明開啟和關(guān)閉方向。管路系統(tǒng)及其部件所用的密封件不得與所盛裝的液化天然氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且能夠承受盛裝介質(zhì)的低溫。

4.1充液管路

充液管路上宜設(shè)有充液接頭。充液接頭應(yīng)具有阻止氣瓶內(nèi)的液體或氣體流向外部的功能，接頭應(yīng)帶有防灰塵作用的防塵蓋。如果不設(shè)置充液接頭，則應(yīng)當(dāng)設(shè)置截止閥、螺紋堵頭或者采用法蘭等密封結(jié)構(gòu)，保證充液完畢后及使用過程中介質(zhì)不外泄。

4.2出液管路

出液管路及管路上的接頭、閥門的通徑大小、安裝位置、安裝方式等應(yīng)能夠滿足排出能力的要求。出液管路應(yīng)設(shè)有截止閥、防過流裝置。防過流裝置安裝在出液管路液體側(cè)末端、汽化器前端之間，并且應(yīng)滿足在其后部的燃料供給管路發(fā)生大量泄漏、破裂、斷裂等情況下能夠自動關(guān)閉。

4.3泄壓管路

泄壓管路應(yīng)與氣瓶內(nèi)膽氣相空間直接相通，且管路通徑應(yīng)滿足安全泄放的要求。泄壓管路分為自動泄壓（安全閥開啟泄壓）和手動泄壓。氣瓶安裝在汽車上時應(yīng)將泄壓管路的出口接引至車輛的安全位置排放。充裝時如果需要泄壓，嚴(yán)禁直接對大氣排放，可以排放回加氣站內(nèi)的容器。

4.4安全閥

內(nèi)膽應(yīng)設(shè)置至少兩只安全閥，安全閥入口接管應(yīng)各自與內(nèi)膽氣相空間直接連通。每只安全閥的排放能力應(yīng)能單獨(dú)滿足安全泄放的要求。安全閥前不應(yīng)裝設(shè)截止閥。氣瓶不應(yīng)裝設(shè)爆破片。主安全閥的開啟壓力不大于公稱工作壓力的1.2倍，副安全閥的開啟壓力不大于公稱工作壓力的1.8倍。

4.5壓力表

壓力表量程為公稱工作壓力的1.5～3倍，精度不低于2.5級。壓力表進(jìn)口管路應(yīng)與內(nèi)膽氣相空間直接連通。

4.6液位計

每只氣瓶應(yīng)設(shè)置液位計，液位計應(yīng)有顯示液位的信號輸出，并傳至汽車的駕駛室，且當(dāng)剩余燃料為氣瓶內(nèi)膽有效容積的5%時有警示功能。

4.7氣瓶內(nèi)應(yīng)具有足夠的安全空間，充裝飽和蒸汽壓為0.8MPa（表壓，下同）的LNG，且安全閥的排放壓力為1.6MPa時，安全空間至少應(yīng)為內(nèi)膽總?cè)莘e的10%。對于允許充裝飽和蒸汽壓低于0.8MPa的LNG的氣瓶，則應(yīng)根據(jù)LNG的充裝壓力和安全閥開啟壓力下的密度差來設(shè)計安全空間的容積。

4.8氣瓶應(yīng)具備自動限充功能。無論瓶內(nèi)殘留的LNG量多少，在氣瓶再次充裝時，均應(yīng)保證瓶內(nèi)的實際安全空間與設(shè)計值相符。

5、結(jié)語

LNG氣瓶作為LNG汽車供給系統(tǒng)的核心設(shè)備，具有充裝使用方便，充裝量大、續(xù)駛里程長、安全可靠等優(yōu)點。其設(shè)計與開發(fā)為發(fā)展LNG汽車打下基礎(chǔ)，對節(jié)約能源、治理環(huán)境污染、改善城市大氣質(zhì)量具有重要意義。

[1] 馬小紅.LNG車載氣瓶2011.09.

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Gas cylinder's type selection and design of the LNG automobile

Luo Feng, Zhao Feng
（Shaan xi Heavy-Duty Automobile Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710200）

Because of the Natural gas reserves big,the price is cheap, and as a fuel pollution from small, gas truck has been developing rapidly in recent years, especially in the energy density of LNG. The current LNG truck is widely applied in the transportation industry in each market segment, plays a more and more important role, so the cylinder type selection design is particularly important.

LNG; Truck; Market segment; Driving range; Type selection; Design

∶U473.2+1

∶A

∶1671-7988 (2016)09-62-03

羅峰（1985-），男，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司。主要從事商用汽車底盤設(shè)計方面的研究。