[科普中国]-车用液化天然气储罐

背景

随着近年来液化天然气(LNG)工业的大发展，作为清洁的石化能源，LNG因其运输方便、使用灵活、不受管网制约等特点，终端应用领域越来越广阔，LNG在交通运输行业的应用具有安全、环保、整车续驶里程长、环保效益与经济效益明显等优势；在全世界呼吁绿色环保、节能减排的大背景下，以LNG作为汽车用燃料的期盼越来越高。国家积极推广实施节能减排和以气代油政策，有效推动了天然气作为交通运输替代燃料的使用和发展。在此背景下，汽车用LNG储罐具有广阔的发展和使用空间。

概况与石油相比，汽车使用天然气可以减少NO排放约25%，NO90%，减少NO排放40%减少SO2和烟尘颗粒物排放达100%，不含铅、苯等致癌物质。相对石油来说，使用天然气作为汽车燃料，在减少碳排放方面具有极高的性价比。同时，天然气汽车比普通汽柴油汽车降低噪音30%~50%，大大提高了城市生活和环境质量。

随着油价高企和人力成本的上升，交通运输企业运营成本不断增加，特别是城际客运行业，成本高企和天路发展的冲击已经让客运公司运营如履薄冰，使用天然气(主要是LNG)作为替代燃料已经成为企业节能降本的利器。

汽车天然气充装形态分为LNG汽车和压缩天然气(CNG)汽车2种。

1)CNG

①储存压力高(20MPa)，有一定危险性；

②车用钢瓶自重大，一次携带燃料少，续驶里程短(150km左右)；

③CNG加气站占地多，且有噪音污染，城市布站困难；

④一定规模的CNG加气站不能脱离天然气管网建设，难以网络化布点。

2)LNG

①储存压力低，容器相对轻巧，储存量大，储运安全方便；

②能量密度高，加注时间快，续驶里程长(600~800km)；

③LNG加气站占地面积小，施工简单，投资少，动力设备能耗低，运行成本低；

④LNG有专用槽车运输，建站不受天然气管网制约，便于场站布局；

⑤对于城市燃气运营，一定程度上替代CNG可保障管道用户供气。

由于LNG储存压力低，LNG车用储罐所需壁厚薄，盛装LNG后的储罐整体重量较轻，LNG气化比大，续驶能力强，目前轻重量型客车、大型货车已基本淘汰CNG形式的改装，而改用LNG形式，出于安全考虑，目前小型轿车还未采用LNG改装形式。

结构及工作原理LNG车用瓶结构分为储罐内容器、储罐外容器、储罐接口阀门、LNG液位传感器和绝热被。LNG车用瓶瓶体结构示意图见图。

储罐是一种储存LNG的高真空绝热容器，主体结构含内胆和外胆，中间为真空和绝热保温型式。目前内胆设定的最高工作压力为1.59MPa，计算压力按2倍最高工作压力取值。在内胆外壁缠绕由玻璃纤维纸和光洁的铝箔组成的多层绝热材料，多层材料在高真空条件下具有热导率低、隔热性能高、重量轻的特点。夹层中配有氧化钯、分子筛等以延长真空使用寿命。外壳设计主要用于与内胆形成夹层空间，用于保障内胆的到达最好的绝热效果，效果越好，LNG在储罐内储存的时间就越长。

储罐内胆与外壳采用了轴向组合支撑(一端固定、一端滑移)，可以保证储罐在运行中不会因为颠冲而使内胆与外壳之间发生相对位移和结构变形，以及内胆因充装了液化天然气后冷缩而拉断支撑及管线的现象。

储罐所有的外部管路、管路附件都设置在储罐的一端，并用环保环或保护罩进行防护。管路系统的设置能够满足液化天然气的充装和供给。

内胆设置了两级安全阀(管路系统中，LNG车用瓶管路系统图如图)会在内胆超压时起到保护的作用。在超压情况下主安全阀(Svp，开启压力为1.9MPa)首先打开，其作用泄放由于绝热层和支撑正常的漏热损失导致的压力上升、或真空遭破坏以及在失火条件下的加速漏热导致的压力上升。副安全阀(Svs，开启压力为2.41MPa)的压力设定比主安全阀高，在主安全阀失效或发生堵塞时，副安全阀启动。

在夹层超压条件下，外壳的保护是通过一个环形的真空塞来实现的。正常情况下，真空塞被大气压压紧在真空塞座内，使大气与夹层空间隔绝，保证夹层的真空度。由于低温液体或蒸汽受热后体积变化比较大，即使少量的低温液体或蒸汽泄漏进入夹层，也会导致夹层压力迅速升高。当夹层压力超过0．17MPa(表压)左右，真空塞将会打开泄压。

管路系统中设置了经济阀(Er)，在使用过程中(长时间停驶除外)经济阀能够优先使用储罐内胆顶部由于自然蒸发被汽化而形成的天然气蒸汽，从而降低储罐内部压力，使得只要在使用储罐的压力就不会升至安全阀的开启压力，因而不用放空，减少经济损失。同时还设置了过流阀(Ef)，当外部管路发生破裂，管路流量大于设定值时，过流阀自动关闭，当关闭过流阀前的液体使用阀后，过流阀自动回位。通过过流阀自动关闭，从而可以有效避免危险的发生。

管路系统中还设置了自增压系统。自增压系统包括：增压截止阀(PV)、增压调压阀(PBr)、增压盘管(Pr)及相应的管路。根据汽车需要用气量来设定增压调压阀的开启压力，当储罐内压力低于这一设定值时，增压调压阀自动开启，瓶内液化天然气进入带翅片的增压盘管内，与空气热交换变为气体，通过增压回气口返回瓶内，实现储罐自增压的目的，当压力达到或高于自增压调节阀设定压力时，增压调压阀自动关闭，自增压暂停。该系统使用方便，只需出厂时预先设置好增压调压阀开启压力，保持增压截止阀为开启状态即可，装车后无需人为刻意的操作。1

供气系统流程液化天然气汽车改装结构主要由LNG车用瓶、水浴式汽化器、组合式调压阀、发动机系统组成。

水浴式汽化器主要利用发动机循环冷却水通过热传递，把液化天然气加热汽化，使天然气达到满足发动机使用温度、流量要求。组合式调压阀主要作用是将汽化后的天然气进行减压，使之满足发动机的使用压力要求，达到降压稳压的作用。缓冲罐的作用除具备缓冲功能外还可以储存一定量的气体备用。当汽车功率较大，启动时需要较多的天然气时，可以在管路降压调节阀后配备一只缓冲罐。如果受到汽车安装空间的限制，汽车功率不大且供气管路的长度（其作用相当于缓冲罐）满足需要时，可以不配备缓冲罐。

该流程中还需配备安全阀，安全阀的开启压力需小于该系统配件中的最小工作压力。

电磁阀的作用是当发动机点火开关关闭或处于次要位置、以及发动机熄火点火开关仍处于开启状态时，阀门处于关闭状态能够阻止天然气流向发动机，防止天然气泄漏。2

安全性车用LNG瓶操作过程中潜在危害主要来自其物理性质：

1、LNG在标准状态下具有极低的温度：-162℃；

2、具有很大的气液体积比，如减压措施不当，将导致压力迅速升高。LNG的气液体积比大致为：625：1；

3、天然气是易燃性气体（燃点650°C）和窒息性气体；

4、在密闭空间可能产生爆炸（空气中可燃极限5～15%）。

安全防护在有NG或LNG的现场内工作时，需具有如下安全常识：

1、使LNG设备远离火焰或电火花；

2、在LNG设备维修、充装、存储的地区不允许烟火进入；

3、在充装有LNG的设备上工作时需戴护目镜、脸罩、绝热手套；

4、在拆卸零件维修时需给LNG瓶排空、卸压、置换；

5、所有进入盛装LNG储罐现场人员均应穿能防火和防静电的工作服及工作鞋；

6、操作人员应培训上岗；

7、储罐在不使用时，操作人员应关好所有阀门；

8、安全阀的出口应连接入安全外部排泄系统。3

冲装1、常规充装

汽车液化天然气的充装是通过一根独立的软管完成。首先将加气枪与加液口连接，然后启动加气机充液开关，液化天然气将通过连接软管等进入储罐内胆。通过内胆顶部进液管对瓶内（BOG）进行再液化降低瓶内压力，使充液快速完成。充装阀是一个单向阀，充液时液体在压力作用下自动打开，无需手动开关。当充液达到额定量时，充液自动停止。单向阀节关闭。其作用机理是当喷孔背压迅速升高并与充液压力平衡，压力达到加气机设定的停止压力，此时加气机停止充液。

2、回气充装

汽车液化天然气的充装是通过两根软管完成。首先将加气枪与加液口连接，然后将回气枪与回气口连接，打开气相阀，启动加气机充液开关，液化天然气将通过连接软管等进入储罐内胆。储罐内部NG通过回气口回到加气站储罐中，降低瓶内压力，使充液快速完成。

3、热瓶充装

通常我们将首次充装LNG前和停止工作两周以上的瓶称为“热瓶”。下面是热瓶充装程序：

1、首先向瓶内充入大约50L的LNG，静置，在瓶内LNG气化升压的过程中，瓶内胆也得到冷却；

2、当瓶内压力达到正常工作压力后，进行系统的检漏；

3、通过回气口排放NG降低压力后即可按常规充装程序进行操作。3

维护保养1、检漏

可以用便携式甲烷探测器对车辆的燃气系统天然气泄漏点进行检查（应遵照探测器制造商的说明书正确使用）。为确保车辆正常运行，应定期的进行系统检漏，如果发现漏点应立即进行维修。在一些特殊条件下用探测器难以准确判断泄漏点时，可以借助肥皂液检查漏点。

（1）管路泄露

①警告：一旦燃料泄漏，就存在安全隐患，所以供气系统发现有泄漏时车辆要立即停止行驶，远离火种，由专业维修人员进行维修；

②关闭储罐气相阀及出液阀；

③对漏点进行严格维修，复检；

④确认完全修复后，才能继续行驶。

（2）储罐组件泄露

①如果在气相回路发现漏点，必须在开始维修之前将储罐内的压力放空至零；

②如果在液相回路发现漏点，则必须将瓶内液体排尽后才能开始维修 ；

2、常见故障与维修

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应急处理方案1、应急处理人员的着装要求

皮肤或眼睛接触到液化天然气会导致类似烧伤的冷灼伤，注意不要使其溅落或溢出。要对眼睛、皮肤等易与液体接触的部位进行保护；要戴上防护镜或面套，建议戴上易于脱下的防护手套和长套袖，保护胳膊；要穿上无箍口长裤，裤管要盖住鞋子，以挡住溢出的液体。应急处理人员的衣服应为棉制，最好是没有口袋也没有卷起的部分。严禁穿戴可能引起静电的化纤衣物，脚部应穿没有铁钉的皮鞋。

2、处于火灾环境时

应及时关闭所有与气、液相相通的阀门。当阀门无法关闭或泄漏处无法堵塞时，切不可用水直接喷淋液体泄漏处，推荐使用干粉（最好是碳酸钾）灭火器。应急处理人员应经过对液化天然气引发的火灾使用干粉灭火器的训练。

3、内容器意外泄漏时

此时，因内部液体泄漏而使内容器处于过剩压力状态下，将会导致并造成事故，应尽快小心地将瓶内的液体排放出来。在条件许可的情况下，应尽快将损坏的瓶转移至无明火、易燃物以及无行人通过的场所进行应急处理。

4、处于阀门冻住时

若阀门冻住，应使用清洁无油的温水或热氮气解冻后，方可操作。不得用锤或其他物件敲击。

应用LNG的主要成分是甲烷，它被冷却至-160I℃左右的温度，并在高压下作为低温液体储存。作为一种低温液化气体燃料，LNG的危险性有别于汽油柴油等传统车辆燃料。LNG储存在高绝热性能的储罐中，当它一旦被加热到环境温度气化，体积会增大到液体时的600倍左右，而天然气在空气中的浓度达到5%~15%时就可燃，因此即使少量的液体泄漏也会引起大量燃烧。这种高膨胀率的特性还会在燃料管路堵塞时导致管道内形成极高的压力，使得管路和发动机无法运行。同时与低温液体和低温燃料管路接触都会引起低温冻伤。因此使用LNG作为车辆燃料，除了与传统燃料相同需要远离明火和高温之外，还要保持设备区域的良好通风，以防止泄漏时甲烷气体的累积。在LNG系统上工作时，要保护眼睛和外露的皮肤。

从而，低温液体燃料的加注也不同于传统车辆燃料。在LNG加注站，空的储罐应在几分钟内完成加满过程，尽可能缩短低温液体与环境的接触时间，减少因外界传热使燃料气化而引起的压力升高。同时，为了避免燃料浪费和燃料泄漏后可能产生的火灾隐患，无气体排放的低温液体燃料加注过程是最理想的。

一个低温储罐，无论绝热多好，可是在周围环境和低温液体之间都会有热量的漏入，时间一长，低温液体将会变热，这会导致低温液体膨胀，使储罐内压力增大。当压力达到临界值时，安全阀会起跳释放储罐内的压力。如果不提供LNG液体随时间而受热膨胀的空间，LNG储罐的维持时间会很短。因此，允许的最大充满率即有效容积，不应超过总容积的90%。为了避免无气体排放的超量加注，应在燃料罐内设置防加满装置。利用一个容积为燃料罐总容积10%的空腔，通过小孔与燃料罐气相顶部连通，当燃料罐压力开始升高流量下降时，燃料罐主罐已经加满，开始有少量液体进入空腔，此时应立即关闭加注阀门。这样加注结束后，可利用空腔来平衡LNG燃料受热引起的压力升高。这样，即使车辆不运行，LNG车用储罐也将有一个星期的储存时间。1

目前各种规格的LNG储罐已经在公共交通车辆和重型卡车等大中型车辆中使用和推广，与LNG加注站配合，使用方便控制简单，并起到了环保和节能的作用。相信在不久的未来，随着我国清洁能源的推广和环境保护的促进，车用LNG储罐将会有更大的市场空间。3