液化天然气汽车的结构及发展完整版.docx

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液化天然气汽车的结构及发展完整版

编号：

TQC/K227

液化天然气汽车的结构及发展完整版

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　　一、液化天然气特点及其发展

　　 液化天然气（LNG）工业是天然气加工工业的重要组成部分，经过半个多世纪的开发和发展，形成了生产、储存、海运、接收、再汽化供应用户、冷量利用、调峰等一系列完整的工业，并已步入成熟期，这便为采用LNG作为汽车燃料提供了先决条件。

　　1.液化天然气的特点

　　液化天然气（LNG）是对地质开采的含90%以上甲烷（CH₄）的天然气气体通过“三脱”净化处理（脱水、脱烃、脱酸），实施液化处理而成，其主要成份为液体甲烷。

在液化处理过程中，主要采用的工艺是利用膨胀制冷工艺，使天然气气体中的甲烷成份在-162℃液化分离，形成液化天然气的主导成份。

液化后的体积比气态体积减少625倍左右。

　　LNG的分子量和H/C比均与CNG基本相同，只是LNG通过深冷前的预处理，几乎除尽了天然气中的全部杂质；而后的深冷液化处理通常又可分离出不同液化点的重烃类成份和其它气体成份。

因此，LNG实际上是纯度较高和获得良好净化的液体甲烷。

　　天然气液化作为天然气工程的处理途径之一，是由其独特的优点所决定的。

尽管天然气液化工艺比较复杂，但它良好的储运特性和使用性能，使其在天然气工业中占有重要地位。

天然气液化便于实现经济、可靠的运输，提高储运效率，减少占有体积；LNG汽化过程中释放大量的冷量，可以利用和回收，实现能量的转化利用；天然气低温液化还可以分离出极为有用的化工原料和燃料，使液化天然气成为一些化工产品的连带副产品，如氦气联产、氢气联产以及硫化氢联产等。

　　LNG可作为优质的车用燃料，与汽油相比，它具有辛烷值高，抗爆性好、燃烧完全、降低运输成本等优点；即使与压缩天然气（CNG）相比，它也具有储存效率高、加一次气行驶路程远，车装钢瓶压力小、质量轻等优点。

　　 另外，液化天然气（LNG）较汽油具有更高的安全性。

LNG的燃点为650℃，比汽油高230℃；LNG爆炸极限为4.7%～15%，汽油为1.0%～5%，高出2.5～4.7倍；LNG密度约为0.47kg/m³，汽油为0.7kg/m³，空气中扩散好于汽油，正是由于LNG所具有的低温性、轻质、易蒸发等显著特点，而使其具有良好的使用安全性。

　　液化天然气（LNG）与压缩天然气（CNG）和液化石油气（LPG）一样，作为气体燃料均被列为清洁燃料，特别是作为汽车发动机的燃料一直被推荐使用，减少城市污染有利于环境保护。

　　 2.液化天然气汽车的发展状况

　　液化天然气在国外始予40年代，到60年代美、英、法、德技术装备的发展水平较先进，生产、储运、使用等技术逐步完善配套。

70年代以来，世界上已建成投产LNG大型装置160多套，液化生产能力7000多万吨，年平均产量以20%的速度增长，其中阿尔及利亚、印度、马来西亚、文莱、澳大利亚、利比亚等国的出口总量已占国际天然气贸易量的25%以上。

所以，世界上普遍认为，液化天然气工业是当代天然气工业的革命，具有左右国际燃料贸易的能力。

目前，国内液化天然气产业正处于起步阶段，只有个别小型的试验装置，但有发展潜力。

　　目前，世界上LNG作为汽车燃料仍处于试验推广阶段，尚未广泛使用。

如前苏联将LNG用于铁路运输和飞机，也是处于试验阶段，通过试验证实LNG汽车使用性能和安全性均可达到汽车运行要求。

　　近10年来，美国在LNG汽车开发方面有明显的进展，以美国海德里拉公司（HYDRARIGINC.）为例，其本部在沃思堡（PORTWORTH），该公司具有低温设备的生产经验，如液氮的生产、储运及其设备。

在90年代初，它开拓了LNG业务，进行液化天然气的可行性和性能研究，承担了近10个天然气汽车（NGV）项目，并签订了相当数量（有小型、重型汽车）的LNG汽车改型合同。

从其整体实力看，在美国同类公司里处于领先地位，具有天然气液化、储存、运输等装置，并具有LNG的充装汽化、汽车改制以及销售等一整套技术和经验；并且该公司已获得美国有关LNG/CNG转换的专利权。

　　LNG在国外不仅已开始替代柴油和汽油用于汽车，而且作为长途重质燃料（如在铁路和船运工业）也是很具有吸引力的。

LNG作为铁路机车运输的燃料，也在研究试用中，如美国西南研究院（SOUTHWESTRESEARCHINSTITUTE）研究试验用LNG作为燃料的铁路货运和客运机车。

同时，美国西南研究院还与美国通用汽车公司（GM）电动部合作研究天然气一柴油双燃料的机车发动机，并将用于铁路运输。

1985年10月，美国伯灵顿北方铁路从明尼阿波利斯到威斯康星的苏必利尔开出了第一列由液化天然气为燃料的列车。

该列车是由GM的GP-9型1961号试验机车及其“供应车”和一组混编货车等组成。

1961号机车点火采用少量柴油，在惰转和4挡之间，由于难以得到理想的空气—天然气比，故一直用柴油作燃料，此后换用天然气，直到8挡。

　　此后，美国和俄罗斯都有天然气机车问世，并有天然气机车投入运营的报道。

加拿大近期将把4000台左右的3600型内燃机车改造成为燃用LNG的机车。

德国、日本、澳大利亚等也正在积极进行天然气机车发动机的研制工作。

　　我国LNG汽车技术尚处于试验阶段，仍有一些技术需要开发研究，特别是天然气液化和储存应用技术。

目前国内有几家单位正在研制天然气汽车的LNG装置。

　　吉林油田与中国科学院低温实验中心合作研制了一套500L/h的LNG装置。

　　中科院低温实验中心与四川绵阳燃气集团公司合作研制了LNG-20型装置，每小时生产LNG18～20L，供LNG汽车用，另外还研制了一套300L/h的LNG液化装置并开始使用。

绵阳的第一台LNG东风车已行驶4000多公里，第二台LNG汽车也行驶2000多公里，应用情况良好。

　　开封深冷仪器厂曾用小型斯特林液化装置，生产少量LNG，供公共汽车使用，并对LNG汽车的燃料系统进行了研制。

1990年在开鲸市内有3辆公共汽车在公交路线上作了运营试验，行驶4000km。

　　长庆油田计划与中科院低温实验中心和四川空分设备厂合作开发研制一套日处理20000m³天然气、生产22.8m³LNG的天然气液化装置。

该装置生产的LNG将首先用于陕北气田的几个发电站及配套的运输车辆，并计划将来扩大生产后，将所生产的LNG运往西安、北京、太原等地用做LNG汽车燃料。

　　以上表明，LNG汽车在国内外均已受到人们的关注；并得到一定发展。

采用LNG作为汽车燃料，汽车排气污染可大大降低。

另外发展LNG产业，需要大量的耐低温、耐腐蚀的钢材、绝热的保温材料、先进的工艺设备、自动化控制仪表等，因此，LNG汽车的开发可促进冶金、电子、制冷、汽车等部门的共同发展，而且可促进能源开发利用及保护环境。

　　二、液化天然气汽车的结构

　　 液化天然气发动机与压缩天然气发动机的工作情况基本上是相同的，区别主要在于燃料储存的状态及储存容器的不同，LNG在低压低温绝热状态下储存。

另外，液化天然气蒸发变成气体时，吸收的热量较多，应采用可靠的蒸发气化系统。

　　液化天然气发动机的燃料供给系统包括：

LNG气瓶、阀门组件、调节器、管汇、压力泄放装置、蒸发器及电子控制系统等。

　　撒化大然气（LNG）是天然气在-162℃低温下液化，体积减小后储存于有绝热夹层的1.6MPa压力气瓶中，使用时以蒸发器，蒸发汽化后与空气混合进入燃烧室中。

CNG的主要缺点是高压气瓶较重，限制汽车携带较多体积的燃料，行驶里程不如装LNG的系统长，若行驶同样里程，气瓶装气的质量约差3倍左右，故使用CNG系统，需要较多、耗能较大的高压充气站。

LNG使用的优点是气瓶体积小、质量轻、可能携带的燃料多、行驶里程长。

缺点是制气加工与储存技术复杂，包括绝热、蒸发、储存及使用多方面，成本较高。

由于液化天然气的技术优势，目前美国、日本等国都很重视对液化天然气的使用与研究，实际投入使用的液化天然气汽车也逐渐增多。

LNG燃料供给系统的布置如图8—1所示。

液化天然气气瓶的特点是：

气瓶压力不高，一般略高于1.0MPa，但要求具有低温隔热绝缘的性能，这是由于天然气气体中主要成分是甲烷气体，在-162℃的低温下才被液化，因此，储存于气瓶内液化天然气的温度在-125～-162℃的范围内。

为了防止液化气的过早汽化，要求气瓶具有绝热性能，瓶内设有绝缘材料制成的夹层，绝缘材料要求具有低的导热系数与低的密度，夹层的厚度为100～200mm，气瓶的内层是由不锈钢制成的液体容器，夹层的外层由普通钢板焊接成形。

气瓶外部直径为0.5m、瓶长约1m，大约可以储存液化天然气80～90L。

气瓶的夹层也可以做成60mm的真空空隙气层，作为绝缘层使用。

液化天然气储存在气瓶的下部，约占有效容器的90%，瓶的上部约有10%的储气容积。

发动机运行时瓶内的天然气体液态与气态两种状态并存，当瓶内工作气压大于0.2MPa时，从瓶内流出的是上部的天然气蒸气，当工作压力小于0.2MPa时则由瓶的下部流出液态的天然气。

气瓶上也设有几种阀门，如液气充灌阀、输出阀、蒸气输出阀、最大充量液面指示器以及安全阀等。

从气瓶内流出的天然气蒸气都处于-125℃以下的低温，要经过加热器8（图8-1），从冷却系鼓风流中取得热量而汽化。

以液态流出的天然气则经过蒸发器由冷却水或废气中得到热量促使蒸发。

两者经自动转换阀10控制操纵后，流入滤清器13及两级减压器14，减压后的液化天然气通过低压管路16送入气体混合器18与空气混合后供发动机使用。

液化天然气经加热与蒸发以后得到的天然气气体的物理性质与压缩天然气固有的性质是一样的，因此在发动机上的调节与使用也是相同的。

　　该系统必须与发动机、底盘、加气站及用户的工作要求匹配。

美国汽车工程师协会要求以LNG为燃料的重载汽车在实际应用中应配备显示故障代码及结果分析的装置，操作者应了解燃料系统结构要求及技术条件、操作和维护要求及燃料箱检测方法等。

　　LNG气瓶必须具有足够的强度及保温性能。

以美国NKl200G型机车发动机所配备的LNG气瓶为例，它是由绝热材料包裹的可装运低温（-162℃）液化天然气的不锈钢罐体，绝热材料为玻璃纤维和铝箔交替分层，绝热层外侧为12.7mm高抗拉强度的碳素钢壁，此钢壁用以保护低温罐体免遭撞损。

同时，为了加强罐体绝热特性，在两层钢体间抽成真空。

燃料箱装在机车司机室下方转向架之间的一个坚固的框架内。

即使机车脱轨，该框架可支持着车体质量，以防止燃料箱被压碎或遭其它损坏，框架在应力试验中可承受1332.8kN的力和2g的加速度。

　　阀门组件压力泄放装置可使LNG气瓶内饱和蒸气的压力不超过最大压力，即LNG气瓶内气体压力的设定安全值（通常为1.6MPa左右）。

虽然LNG气瓶具有良好的绝热性能，但由于液化天然气与周围大气存在温差，LNG燃料总要吸收一部分热量，一部分LNG汽化，气瓶内气态天然气必须泄放掉，以保证瓶内压力不超过最大压力。

现在LNG气瓶设计为低压容器，以保持其储存LNG时具有比CNG气瓶更轻的质量。

由于LNG蒸发汽化中甲烷成分先行蒸发，导致汽化部分的甲烷含量比LNG液态中甲烷含量高，因此，在储存过程中由于具有较高甲烷含量的气态天然气的逐步蒸发释放，将导致LNG液态燃料中的甲烷含量的逐步降低及LNG质量的降低。

当LNG燃料中甲烷含量降低后，以LNG为燃料的汽车发动机易产生爆震现象，使发动机的性能受到影响，严重时易使发动机损坏。

　　因此，为了尽量避免由于LNG燃料蒸发泄放所带来的不利影响，应根据汽车的使用要求及LNG的蒸发损失速率选择适当大小的LNG气瓶，并且LNG汽车的燃料应迅速使用，以缩短LNG燃料的存储时间。

合适的LNG容器容积及LNG汽车的合理使用可确保LNG气瓶内压力不超过最大工作压力，降低由于瓶内压力超高和蒸发泄放带来的损失和危险。

　　蒸发器是液化天然气发动机燃料供给系统的关键部件之一。

多数蒸发器的加热介质采用冷却系统的冷却液，有的汽化器与排气管联接在一起，利用发动机的排气来加热液化天然气，使之迅速汽化。

　　美国NFPA57标准要求LNG汽车燃料系统的材料采用熔点在815.5℃以上、ASMEB31.3或API620标准附录中所列的金属材料。

应尽量少用材质不同的金属接头。

铜焊填料金属熔点应在537.8℃以上。

LNG容器只允许采用符合ASME和DOTspet·4L标准的容器，容器所有与LNG或冷蒸气接触的部分必须与LNG在化学和物理性质上相协调。

所有管汇必须符合ASMEB31.3的要求。

泵与压缩机应设有压力释放装置，以限制出口压力和机腔内压力，如装有转输泵，应设预冷过程。

充气阀应有支撑物，防止灰尘、杂物和水进入，并应耐腐蚀。

标准中还对车辆上容器的安装位置做了限制，包括在车厢内部或其它位置。

此外还对管路、阀门、调压器和仪表的完善做了要求。