車用液化天然氣儲罐

LNG車用瓶結構分為儲罐內容器、儲罐外容器、儲罐接口閥門、LNG液位傳感器和絕熱被。LNG車用瓶瓶體結構示意圖見圖。

儲罐是一種儲存LNG的高真空絕熱容器，主體結構含內膽和外膽，中間為真空和絕熱保溫型式。目前內膽設定的最高工作壓力為1.59MPa，計算壓力按2倍最高工作壓力取值。在內膽外壁纏繞由玻璃纖維紙和光潔的鋁箔組成的多層絕熱材料，多層材料在高真空條件下具有熱導率低、隔熱性能高、重量輕的特點。夾層中配有氧化鈀、分子篩等以延長真空使用壽命。外殼設計主要用于與內膽形成夾層空間，用于保障內膽的到達最好的絕熱效果，效果越好，LNG在儲罐內儲存的時間就越長。

儲罐內膽與外殼采用了軸向組合支撐(一端固定、一端滑移)，可以保證儲罐在運行中不會因為顛沖而使內膽與外殼之間發(fā)生相對位移和結構變形，以及內膽因充裝了液化天然氣后冷縮而拉斷支撐及管線的現象。

儲罐所有的外部管路、管路附件都設置在儲罐的一端，并用環(huán)保環(huán)或保護罩進行防護。管路系統(tǒng)的設置能夠滿足液化天然氣的充裝和供給。

內膽設置了兩級安全閥(管路系統(tǒng)中，LNG車用瓶管路系統(tǒng)圖如圖)會在內膽超壓時起到保護的作用。在超壓情況下主安全閥(Svp，開啟壓力為1.9MPa)首先打開，其作用泄放由于絕熱層和支撐正常的漏熱損失導致的壓力上升、或真空遭破壞以及在失火條件下的加速漏熱導致的壓力上升。副安全閥(Svs，開啟壓力為2.41MPa)的壓力設定比主安全閥高，在主安全閥失效或發(fā)生堵塞時，副安全閥啟動。

在夾層超壓條件下，外殼的保護是通過一個環(huán)形的真空塞來實現的。正常情況下，真空塞被大氣壓壓緊在真空塞座內，使大氣與夾層空間隔絕，保證夾層的真空度。由于低溫液體或蒸汽受熱后體積變化比較大，即使少量的低溫液體或蒸汽泄漏進入夾層，也會導致夾層壓力迅速升高。當夾層壓力超過0.17MPa(表壓)左右，真空塞將會打開泄壓。

管路系統(tǒng)中設置了經濟閥(Er)，在使用過程中(長時間停駛除外)經濟閥能夠優(yōu)先使用儲罐內膽頂部由于自然蒸發(fā)被汽化而形成的天然氣蒸汽，從而降低儲罐內部壓力，使得只要在使用儲罐的壓力就不會升至安全閥的開啟壓力，因而不用放空，減少經濟損失。同時還設置了過流閥(Ef)，當外部管路發(fā)生破裂，管路流量大于設定值時，過流閥自動關閉，當關閉過流閥前的液體使用閥后，過流閥自動回位。通過過流閥自動關閉，從而可以有效避免危險的發(fā)生。

管路系統(tǒng)中還設置了自增壓系統(tǒng)。自增壓系統(tǒng)包括:增壓截止閥(PV)、增壓調壓閥(PBr)、增壓盤管(Pr)及相應的管路。根據汽車需要用氣量來設定增壓調壓閥的開啟壓力，當儲罐內壓力低于這一設定值時，增壓調壓閥自動開啟，瓶內液化天然氣進入帶翅片的增壓盤管內，與空氣熱交換變?yōu)闅怏w，通過增壓回氣口返回瓶內，實現儲罐自增壓的目的，當壓力達到或高于自增壓調節(jié)閥設定壓力時，增壓調壓閥自動關閉，自增壓暫停。該系統(tǒng)使用方便，只需出廠時預先設置好增壓調壓閥開啟壓力，保持增壓截止閥為開啟狀態(tài)即可，裝車后無需人為刻意的操作。

液化天然氣汽車改裝結構主要由LNG車用瓶、水浴式汽化器、組合式調壓閥、發(fā)動機系統(tǒng)組成。

水浴式汽化器主要利用發(fā)動機循環(huán)冷卻水通過熱傳遞，把液化天然氣加熱汽化，使天然氣達到滿足發(fā)動機使用溫度、流量要求。組合式調壓閥主要作用是將汽化后的天然氣進行減壓，使之滿足發(fā)動機的使用壓力要求，達到降壓穩(wěn)壓的作用。緩沖罐的作用除具備緩沖功能外還可以儲存一定量的氣體備用。當汽車功率較大，啟動時需要較多的天然氣時，可以在管路降壓調節(jié)閥后配備一只緩沖罐。如果受到汽車安裝空間的限制，汽車功率不大且供氣管路的長度(其作用相當于緩沖罐)滿足需要時，可以不配備緩沖罐。

該流程中還需配備安全閥，安全閥的開啟壓力需小于該系統(tǒng)配件中的最小工作壓力。

電磁閥的作用是當發(fā)動機點火開關關閉或處于次要位置、以及發(fā)動機熄火點火開關仍處于開啟狀態(tài)時，閥門處于關閉狀態(tài)能夠阻止天然氣流向發(fā)動機，防止天然氣泄漏。

與石油相比，汽車使用天然氣可以減少NO排放約25%，NO90%，減少NO排放40%減少SO2和煙塵顆粒物排放達100%，不含鉛、苯等致癌物質。相對石油來說，使用天然氣作為汽車燃料，在減少碳排放方面具有極高的性價比。同時，天然氣汽車比普通汽柴油汽車降低噪音30%~50%，大大提高了城市生活和環(huán)境質量。

隨著油價高企和人力成本的上升，交通運輸企業(yè)運營成本不斷增加，特別是城際客運行業(yè)，成本高企和天路發(fā)展的沖擊已經讓客運公司運營如履薄冰，使用天然氣(主要是LNG)作為替代燃料已經成為企業(yè)節(jié)能降本的利器。

汽車天然氣充裝形態(tài)分為LNG汽車和壓縮天然氣(CNG)汽車2種。

1)CNG

①儲存壓力高(20MPa)，有一定危險性;

②車用鋼瓶自重大，一次攜帶燃料少，續(xù)駛里程短(150km左右);

③CNG加氣站占地多，且有噪音污染，城市布站困難;

④一定規(guī)模的CNG加氣站不能脫離天然氣管網建設，難以網絡化布點。

2)LNG

①儲存壓力低，容器相對輕巧，儲存量大，儲運安全方便;

②能量密度高，加注時間快，續(xù)駛里程長(600~800km);

③LNG加氣站占地面積小，施工簡單，投資少，動力設備能耗低，運行成本低;

④LNG有專用槽車運輸，建站不受天然氣管網制約，便于場站布局;

⑤對于城市燃氣運營，一定程度上替代CNG可保障管道用戶供氣。

由于LNG儲存壓力低，LNG車用儲罐所需壁厚薄，盛裝LNG后的儲罐整體重量較輕，LNG氣化比大，續(xù)駛能力強，目前輕重量型客車、大型貨車已基本淘汰CNG形式的改裝，而改用LNG形式，出于安全考慮，目前小型轎車還未采用LNG改裝形式。

隨著近年來液化天然氣(LNG)工業(yè)的大發(fā)展，作為清潔的石化能源，LNG因其運輸方便、使用靈活、不受管網制約等特點，終端應用領域越來越廣闊，LNG在交通運輸行業(yè)的應用具有安全、環(huán)保、整車續(xù)駛里程長、環(huán)保效益與經濟效益明顯等優(yōu)勢;在全世界呼吁綠色環(huán)保、節(jié)能減排的大背景下，以LNG作為汽車用燃料的期盼越來越高。國家積極推廣實施節(jié)能減排和以氣代油政策，有效推動了天然氣作為交通運輸替代燃料的使用和發(fā)展。在此背景下，汽車用LNG儲罐具有廣闊的發(fā)展和使用空間。

車用LNG瓶操作過程中潛在危害主要來自其物理性質:

1、LNG在標準狀態(tài)下具有極低的溫度:-162℃;

2、具有很大的氣液體積比，如減壓措施不當，將導致壓力迅速升高。LNG的氣液體積比大致為:625:1;

3、天然氣是易燃性氣體(燃點650°C)和窒息性氣體;

4、在密閉空間可能產生爆炸(空氣中可燃極限5~15%)。

1、檢漏

可以用便攜式甲烷探測器對車輛的燃氣系統(tǒng)天然氣泄漏點進行檢查(應遵照探測器制造商的說明書正確使用)。為確保車輛正常運行，應定期的進行系統(tǒng)檢漏，如果發(fā)現漏點應立即進行維修。在一些特殊條件下用探測器難以準確判斷泄漏點時，可以借助肥皂液檢查漏點。

(1)管路泄露

①警告:一旦燃料泄漏，就存在安全隱患，所以供氣系統(tǒng)發(fā)現有泄漏時車輛要立即停止行駛，遠離火種，由專業(yè)維修人員進行維修;

②關閉儲罐氣相閥及出液閥;

③對漏點進行嚴格維修，復檢;

④確認完全修復后，才能繼續(xù)行駛。

(2)儲罐組件泄露

①如果在氣相回路發(fā)現漏點，必須在開始維修之前將儲罐內的壓力放空至零;

②如果在液相回路發(fā)現漏點，則必須將瓶內液體排盡后才能開始維修 ;

2、常見故障與維修

在有NG或LNG的現場內工作時，需具有如下安全常識:

1、使LNG設備遠離火焰或電火花;

2、在LNG設備維修、充裝、存儲的地區(qū)不允許煙火進入;

3、在充裝有LNG的設備上工作時需戴護目鏡、臉罩、絕熱手套;

4、在拆卸零件維修時需給LNG瓶排空、卸壓、置換;

5、所有進入盛裝LNG儲罐現場人員均應穿能防火和防靜電的工作服及工作鞋;

6、操作人員應培訓上崗;

7、儲罐在不使用時，操作人員應關好所有閥門;

8、安全閥的出口應連接入安全外部排泄系統(tǒng)。

1、應急處理人員的著裝要求

皮膚或眼睛接觸到液化天然氣會導致類似燒傷的冷灼傷，注意不要使其濺落或溢出。要對眼睛、皮膚等易與液體接觸的部位進行保護;要戴上防護鏡或面套，建議戴上易于脫下的防護手套和長套袖，保護胳膊;要穿上無箍口長褲，褲管要蓋住鞋子，以擋住溢出的液體。應急處理人員的衣服應為棉制，最好是沒有口袋也沒有卷起的部分。嚴禁穿戴可能引起靜電的化纖衣物，腳部應穿沒有鐵釘的皮鞋。

2、處于火災環(huán)境時

應及時關閉所有與氣、液相相通的閥門。當閥門無法關閉或泄漏處無法堵塞時，切不可用水直接噴淋液體泄漏處，推薦使用干粉(最好是碳酸鉀)滅火器。應急處理人員應經過對液化天然氣引發(fā)的火災使用干粉滅火器的訓練。

3、內容器意外泄漏時

此時，因內部液體泄漏而使內容器處于過剩壓力狀態(tài)下，將會導致并造成事故，應盡快小心地將瓶內的液體排放出來。在條件許可的情況下，應盡快將損壞的瓶轉移至無明火、易燃物以及無行人通過的場所進行應急處理。

4、處于閥門凍住時

若閥門凍住，應使用清潔無油的溫水或熱氮氣解凍后，方可操作。不得用錘或其他物件敲擊。

1、常規(guī)充裝

汽車液化天然氣的充裝是通過一根獨立的軟管完成。首先將加氣槍與加液口連接，然后啟動加氣機充液開關，液化天然氣將通過連接軟管等進入儲罐內膽。通過內膽頂部進液管對瓶內(BOG)進行再液化降低瓶內壓力，使充液快速完成。充裝閥是一個單向閥，充液時液體在壓力作用下自動打開，無需手動開關。當充液達到額定量時，充液自動停止。單向閥節(jié)關閉。其作用機理是當噴孔背壓迅速升高并與充液壓力平衡，壓力達到加氣機設定的停止壓力，此時加氣機停止充液。

2、回氣充裝

汽車液化天然氣的充裝是通過兩根軟管完成。首先將加氣槍與加液口連接，然后將回氣槍與回氣口連接，打開氣相閥，啟動加氣機充液開關，液化天然氣將通過連接軟管等進入儲罐內膽。儲罐內部NG通過回氣口回到加氣站儲罐中，降低瓶內壓力，使充液快速完成。

3、熱瓶充裝

通常我們將首次充裝LNG前和停止工作兩周以上的瓶稱為"熱瓶"。下面是熱瓶充裝程序:

1、首先向瓶內充入大約50L的LNG，靜置，在瓶內LNG氣化升壓的過程中，瓶內膽也得到冷卻;

2、當瓶內壓力達到正常工作壓力后，進行系統(tǒng)的檢漏;

3、通過回氣口排放NG降低壓力后即可按常規(guī)充裝程序進行操作。

LNG的主要成分是甲烷，它被冷卻至-160I℃左右的溫度，并在高壓下作為低溫液體儲存。作為一種低溫液化氣體燃料，LNG的危險性有別于汽油柴油等傳統(tǒng)車輛燃料。LNG儲存在高絕熱性能的儲罐中，當它一旦被加熱到環(huán)境溫度氣化，體積會增大到液體時的600倍左右，而天然氣在空氣中的濃度達到5%~15%時就可燃，因此即使少量的液體泄漏也會引起大量燃燒。這種高膨脹率的特性還會在燃料管路堵塞時導致管道內形成極高的壓力，使得管路和發(fā)動機無法運行。同時與低溫液體和低溫燃料管路接觸都會引起低溫凍傷。因此使用LNG作為車輛燃料，除了與傳統(tǒng)燃料相同需要遠離明火和高溫之外，還要保持設備區(qū)域的良好通風，以防止泄漏時甲烷氣體的累積。在LNG系統(tǒng)上工作時，要保護眼睛和外露的皮膚。

從而，低溫液體燃料的加注也不同于傳統(tǒng)車輛燃料。在LNG加注站，空的儲罐應在幾分鐘內完成加滿過程，盡可能縮短低溫液體與環(huán)境的接觸時間，減少因外界傳熱使燃料氣化而引起的壓力升高。同時，為了避免燃料浪費和燃料泄漏后可能產生的火災隱患，無氣體排放的低溫液體燃料加注過程是最理想的。

一個低溫儲罐，無論絕熱多好，可是在周圍環(huán)境和低溫液體之間都會有熱量的漏入，時間一長，低溫液體將會變熱，這會導致低溫液體膨脹，使儲罐內壓力增大。當壓力達到臨界值時，安全閥會起跳釋放儲罐內的壓力。如果不提供LNG液體隨時間而受熱膨脹的空間，LNG儲罐的維持時間會很短。因此，允許的最大充滿率即有效容積，不應超過總容積的90%。為了避免無氣體排放的超量加注，應在燃料罐內設置防加滿裝置。利用一個容積為燃料罐總容積10%的空腔，通過小孔與燃料罐氣相頂部連通，當燃料罐壓力開始升高流量下降時，燃料罐主罐已經加滿，開始有少量液體進入空腔，此時應立即關閉加注閥門。這樣加注結束后，可利用空腔來平衡LNG燃料受熱引起的壓力升高。這樣，即使車輛不運行，LNG車用儲罐也將有一個星期的儲存時間。

目前各種規(guī)格的LNG儲罐已經在公共交通車輛和重型卡車等大中型車輛中使用和推廣，與LNG加注站配合，使用方便控制簡單，并起到了環(huán)保和節(jié)能的作用。相信在不久的未來，隨著我國清潔能源的推廣和環(huán)境保護的促進，車用LNG儲罐將會有更大的市場空間。