車用液化天然氣氣瓶自增壓裝置的設計優化分析

趙偉

摘要：近年來，節能環保理念深入人心，國家積極實施國家能源政策，液化天然氣憑借自身生態、環保等優勢得到了迅速發展，LNG生產、使用愈發廣泛，其中最為常見的就是汽車燃料。LNG作為汽車燃料，符合經濟性、環保性的要求。文章從車用LNG燃料存儲結構入手，分析設置自增壓裝置三個情形后，深入探討車用液化天然氣氣瓶自增壓裝置的優化策略。

關鍵詞：車用；LNG；自增壓裝置；優化

前言：經濟迅速發展，人們對能源需求量與日俱增。天然氣作為一種優質燃料，具有高效、綠色等優勢，在車用燃料方面得到了長足發展，能夠逐步取代汽油、柴油，成為新興能源，為車輛良好運行奠定堅實的基礎。目前，車用液化天然氣氣瓶受自身具有絕熱性能的影響，無法實現全面推廣，因此要對氣瓶自增壓裝置進行優化設計，使得二者能夠相互配合，避免對生態環境構成污染[1]。

1、 車用LNG燃料存儲

使用LNG作為汽車燃料，與原來的汽車油箱具有異曲同工之妙。甲烷是天然氣主要成分，存儲壓<1.6MPa，常壓下，甲烷要在-162℃，才能夠達到液化狀態，LNG在氣瓶內存儲溫度介于-162℃～-125℃之間。為了避免液體存儲過程中出現氣化現象，氣瓶要進行特殊處理，使其具有絕熱保冷功效，并設計成雙層結構，以此來減少對外傳熱。

2、 設置自增壓裝置情形分析

第一，LNG氣瓶絕熱性能較好，通常情況下，LNG日靜態蒸發率為1.5%～3%。汽車在運行過程中，受到晃動、溫度等因素的影響，蒸發率也有所提升，但隨著消耗的增加，內部液體量也隨之減少，導致氣瓶內壓力下降，故要增加氣瓶自增壓設備，對剩余的氣體進行增壓處理，為汽車正常運行提供支持。

第二，就LNG加液站運行狀況而言，雖然國家明確要求加液站要具備飽和調節功能，但是為了基于自身經濟利益的考慮，避免損失，經營者并不愿意增加該設備，導致液體溫度低壓力偏低[2]。主要是飽和調整后，銷售的LNG液體也減少，當壓力升到一定程度，為了保證儲罐安全，要將蒸發掉的氣體進行排放處理，導致LNG損失?；诖?，可以增壓氣瓶，加液時，能夠將氣瓶氣相進行冷卻處理，導致氣瓶壓力下降。

第三，一般情況下，氣瓶使用一段時間后需要更換閥門、密封件等處理，要將氣相壓力排放掉，而經過維護后，氣瓶內沒有壓力，需要安裝自增壓裝置。當前對于增加該裝置的觀點主要有兩種：一是國家審查、型式試驗機構認可的，二是用戶、車輛廠商實際情況出發，增加自增壓裝置。對此，本文主要認可第二種觀點。綜上來看，設置自增壓裝置對于推廣液化天然氣具有重要推動作用，能夠逐步取代原本汽油燃料，減少對生態環境的污染，且能夠為車輛運行提供充足的動力。

3、 車用LNG氣瓶自增壓裝置優化設計

現階段，自增壓裝置主要有四種，具體來說：一是經典自增壓，能夠將LNG引出，經過氣化器處理之后，再次返回到氣瓶氣相空間當中，完成增壓目標。二是電加熱型自增壓，在氣瓶內部設置電加熱元件，并配合相應的電源。三是回氣增壓，能夠將氣化的返回到氣瓶內，對液體進行加熱處理后，能夠再次進入到發動機系統當中，從而為汽車運行提供支持。四是利用真空壓力進行控制，避免氣瓶出現泄漏現象。其中第二種結構簡單、且操作難度較小，應用范圍較廣。LNG氣瓶經典型自增壓裝置如圖1。當氣瓶內的壓力低于標準值，調壓閥自動啟動，在液位差的推動下，將液體推入到氣瓶氣相當中，達到增壓目的。達到預期的壓力后，調壓閥將會切換到關閉狀態當中，實現自動化控制，滿足車輛運行需求，提高對LNG的高效控制[3]。

經典型自增壓在運行中，主要借助靜液柱壓力流動，在管路、閥門中出現蒸發現象，且管路、閥門位置不會出現高點，使得液體流動速度決定自增壓速度。

4.1增壓液體引出管

針對車用LNG氣瓶自增壓裝置氣化器與氣瓶液相之間，通過管路進行連接，液體進入后，會借助液柱靜壓力，實現對液體的輸送。由于筒體夾層空間偏小，其內膽固定端設置在分配頭端下方。在此基礎上，液體能夠從內膽底部引出，且具有柔性特征，能夠避免內膽與外殼之間壓力不同而產生應力，從而提高增壓液位高度。

圖1車用LNG氣瓶自增壓流程

4.2安裝閥門

車輛加液、維修等過程都需要增加處理，否則車輛沒有驅動力無法正常啟動，或者出現熄火現象。故要通過增壓處理，才能夠促使液體保持流通。增壓LNG出氣瓶保持在低溫狀態當中，進入增壓管道后會出現氣化現象，在氣相之間保持流動，需要考慮管路當中是否存在高點，并形成了無法消除氣相空間，影響增壓速度，嚴重情況下，無法保持流動性。

安裝閥門原則如下，不能夠由于閥門安裝狀態導致液相無法連接，在具體增壓中，要按照具體情況進行調壓處理，氣瓶壓力從0到0.5MPa僅需要5min左右。行駛時，由于氣瓶壓力較大，且存在壓力裕量，故增壓反應較為迅速，并不會出現壓力偏低情況。

4.3增壓器管路

LNG進入氣化器之后，要借助液柱靜壓力，并考慮閥門安裝情況予以調整。由氣化器換熱速度、流動阻力決定LNG在管路當中的位置。在實踐中，一旦出現液位偏低情況，極有可能引發液體進入管路，氣化不完全，液體會隨之蒸發。要想實現對上述情況予以優化，可以在管路的高點位置增加支管，將其中的氣相進行清除處理，然后提高增壓速度。

一般情況下，為了減少氣瓶冷量遭受到損失，不增加分配頭上管口數量，自增壓裝置回氣瓶管道要與安全閥有機整合到一起。由于此次優化，將安全閥安裝在分配頭上，為了避免氣瓶液位高于安全閥，LNG液體進入安全閥，會造成閥門起跳，無法保證裝置正常運行。對此，也要將氣相回氣瓶增壓管路提升到頂部位置，然后向下布置分配頭，隨后進入到氣瓶當中。隨著科學技術不斷發展，針對自增壓裝置的優化我們要積極引入更多先進技術，進一步優化其性能，為液化天然氣推廣和普及提供更多支持。

結論：根據上文所述，隨著天然氣清潔能源不斷推廣和發展，車用LNG氣瓶要進行相應的調整和優化，使其能夠在動力不足情況下，增加壓力，為車輛運行提供驅動力。本文從車用LNG氣瓶使用情況分析了增加自增壓裝置的必要性，并從三個方面探討了優化策略，即將增壓取液口位置放低，當液位低于標準時，依舊能夠進行增壓處理。

參考文獻：

[1]何潤民，王徑，等.川渝地區車用LNG市場前景與發展策略分析[J].天然氣技術與經濟，2016，5（4）：42-43.

[2]顧安忠，魯雪生，等.液化天然氣技術[M].北京：機械工業出版社，2015：248-249.

[3]劉瀟.低碳經濟助力液化天然氣汽車發展的優勢、存在問題和發展趨勢[J].上海節能.2016，（09）：491-497.endprint