LNG 供給系統增壓提升研究

王崗，鐘小康，王鳳蛟

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

國內加液站提供壓力0.4MPa～0.6MPa、溫度為-132℃～-138℃的LNG 液體，不滿足LNG 車輛發動機進氣壓力要求，針對該問題，LNG 供給系統自帶增壓設備，對LNG 氣瓶氣相進行增壓。液化天然氣汽車供應燃料為壓縮天然氣，氣瓶壓力決定了車輛是否正常運行。影響燃氣進氣壓力的主要因素為LNG 氣瓶壓力。依據熱力學原理：LNG 氣瓶壓力即為當前氣瓶內膽飽和液體溫度相對應的壓力。此時氣瓶增壓的方式有兩種，一種為增加液體溫度后升壓但速度較慢；另一種為僅增加氣瓶氣相空間壓力速度快。國內現有主流的增壓方式為僅增加氣瓶氣相空間壓力提升氣瓶壓力，來滿足發動機使用。

當氣瓶壓力低于發動機許用壓力時，此時車輛動力不足和不能啟動，氣瓶需要增壓。增壓時間和增壓速率為影響液化天然氣汽車競爭力因素之一，因此降低增壓時間和提升增壓速率非常有必要。

后置1000L 大容積LNG 氣瓶因其容積大、自重輕、續駛里程長等優點，完全替換原有的后置LNG 雙500L 系統，成為液化天然氣汽車主流配置。氣瓶容積增大，增壓設備未加大，增壓速率降低，增壓時間延長，影響了用戶體驗，降低了液化天然氣汽車的競爭力。故LNG 供給系統提升增壓速率、降低增壓時間，迫在眉睫。

1 LNG 氣瓶增壓提升

1.1 LNG 氣瓶增壓原理簡介

LNG 氣瓶增壓裝置由增壓截止閥14、增壓閥13、增壓盤管6 等部件組成。在增壓時，需要保證除增壓截止閥14和放空截止閥21 開啟，氣瓶和增壓管路可以形成一個密閉的循環空間。開啟增壓截止閥14，低溫液體通過增壓閥13，然后經過自增壓盤管6 被加熱成飽和蒸汽，通過放空截止閥21后，進入氣瓶氣相空間（氣瓶頂部）。由于液化天然氣的液氣比較大，輸出較少的液體會變成大量的蒸汽，同時在密閉的循環空間，增加的氣體體積遠遠大于輸出的液體體積，再有氣體具有可壓縮性，從而使得氣瓶的壓力升高。當氣瓶壓力升至需要的壓力（增壓閥的設定壓力）時，增壓閥13 自動關閉，氣瓶壓力不再升高，壓力維持穩定。具體原理見圖1。

圖1 LNG 系統原理圖

圖2 增壓閥結構

增壓閥主要用于LNG 氣瓶增壓裝置，作為LNG 氣瓶增壓裝置的控制裝置。在出廠時增壓閥設定壓力已調整到位，若增壓閥關閉壓力與設定壓力不一致，可通過調整增壓閥調節螺釘8，調整增壓閥的設定壓力。增壓閥出口（OUT）壓力低于設定壓力時，彈簧2 受力降低后伸長，使膜片7 下移頂開閥瓣6，閥瓣彈簧5 壓縮。LNG 由進口（IN）入，經閥瓣6 縫隙，由出口（OUT）出后，進增壓盤管，液體氣化后，進入氣瓶，氣瓶壓力升高。隨著增壓閥的使用，壓力作用在膜片上，閥瓣彈簧5 伸長，推動閥瓣6 隨之向關閉方向移動，當壓力超過設定壓力，閥瓣6 關閉，停止增壓。當隨著氣瓶內壓力降低，在膜片彈簧2 作用下膜片7 下移，閥瓣彈簧5壓縮，閥瓣6 隨之向開啟方向移動，閥瓣開啟給氣瓶升壓。增壓閥結構見圖2。

2 LNG 增壓閥增壓速率提升分析

現今LNG 氣瓶內膽和外膽之間增壓連接管外徑為14mm，內徑為10mm，此規格再增大，會導致瓶體安全隱患大。通過分析增壓閥閥體結構（見圖3），影響增壓閥速率的主要因素為閥體的進出接口通徑（φ2）和閥瓣直徑（φ1）、開啟高度（H），以及流道的結構。通常增大閥體的進出接口通徑和閥瓣的直徑、開啟高度，以及優化流道的結構可提升增壓速率。閥體通徑最大10mm 即為極限，閥瓣的直徑（φ1）、開啟高度（H），以及流道結構，應盡可能不降低液體流動的速度。

圖3 增壓閥閥體結構

通過對比分析市場中三種主流增壓閥在不同的入口流速、壓力和閥瓣開啟高度下，導致出口壓降的差異，得出最優的增壓速率提升方案。分析條件見表1、閥體結構見圖3、閥體參數見表2。

表1 分析條件表

表2 閥體參數表

圖4 液體流向

在不同流速下，通過對比三種增壓閥液體流向（見圖4）和出口壓降情況（見表三），得出初始壓力對增壓閥的流阻影響較小。其中C 型增壓閥液體流動時通過閥瓣的折彎角度較小，在兩個不同速度下的出口壓降均小于其他兩種增壓閥。

表3 出口壓降表

3 增壓閥增壓速率試驗對比

三種增壓閥在環境溫度相差±2℃，增壓閥增壓壓力調整為1.0MPa，其他部件相同的情況下，1000 L 氣瓶液量在30%±2%時氣瓶由0.45MPa 升至0.9MPa 增壓時間。其中增壓閥A 從0.45MPa 升至0.9MPa 增壓時間85 分鐘，增壓閥B從0.45MPa 升至0.9MPa 增壓時間65 分鐘，增壓閥C 從0.45MPa 升至0.9MPa 增壓時間60 分鐘，具體增壓曲線見圖5。

圖5 增壓曲線圖

4 結論

上述三種增壓閥流阻CAE 分析和氣瓶增壓速率試驗對比，得出通過增大增壓閥進出口通徑、閥瓣直徑以及內部流道的結構可大幅降低氣瓶增壓時間，減少司機的因氣瓶壓力低的等待時間，提升液化天然氣汽車的競爭力。