关于液化天然气作为车用燃料产品质量标准的思考

罗　勤罗志伟许文晓

1.中国石油西南油气田公司天然气研究院 2.全国天然气标准化技术委员会秘书处 3.中国石油天然气与管道分公司

关于液化天然气作为车用燃料产品质量标准的思考

罗勤1,2罗志伟3许文晓1,2

1.中国石油西南油气田公司天然气研究院 2.全国天然气标准化技术委员会秘书处 3.中国石油天然气与管道分公司

罗勤等.关于液化天然气作为车用燃料产品质量标准的思考.天然气工业，2016,36(5):87-91.

LNG组分随时间变化的特性是其他车用燃料所不具有的，为了使LNG作为车辆燃料能满足汽车发动机要求的最低烃类含量，需要制订一份控制和管理LNG组分变化的标准文件，给出交付LNG燃料时判断其是否达到车辆发动机安全运转的技术指标和使用期限。为此，简要介绍了美国国际自动机工程师学会（SAE International）于2011年7月发布的J 2699 —2011《液化天然气车用燃料SAE信息报告》[Liquefied Natural Gas (LNG) Vehicle Fuel SAE Information Report]，阐述了LNG的“老化”特性，以及作为车用燃料的“再加注时间”概念及其计算方法。通过分析，提出了将C2+等沸点较高的烃类组分先期从LNG或从LNG原料天然气中通过某种方式深度分离脱除的设想，同时建议制订更适用于提高汽车发动机工作效率的《车用液化天然气》产品质量标准，从而更好地促进液化天然气作为车用燃料在我国的推广和应用。

液化天然气 车用燃料 产品质量标准 车辆发动机 安全运转 “老化”特性 再加注时间 推广应用

液化提高了天然气的能量密度，从而降低了其在汽车上的存储体积。因此，LNG是一种有实际应用价值的汽车燃料[1]。LNG中主要含烃类组分，这一点与管输天然气不同。LNG中甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮气的含量变化是发动机制造中重要的设计参数，同时直接影响车辆发动机和加气站的运转。

当LNG用于汽车燃料时，是在极低温度和相对较低的压力下储存的。作为燃料，LNG从生产现场的储罐转移至运输槽罐，从运输槽罐至本地的加气站，然后再加注到汽车油箱的多次转移极为常见。每次转移和存储期间，均有热量传入LNG而造成燃料蒸发，从而使LNG组分发生变化。LNG组分随时间变化的特性是其他车用燃料所不具有的，为了使LNG作为车辆燃料满足汽车发动机要求的最低烃类含量，需要制订一份控制和管理LNG组成变化的标准文件，给出交付LNG燃料时判断其是否达到车辆发动机安全运转的技术指标和使用期限。

1　国内外液化天然气作为车用燃料的产品标准制订情况

美国的国际自动机工程师学会（SAE International，原译为美国汽车工程师学会）于2011年7月发布了J 2699—2011《液化天然气车用燃料SAE信息报告》（Liquefied Natural Gas Vehicle Fuel SAE Information Report），这是目前了解到的国际上唯一介绍液化天然气作为车用燃料的产品报告[1]。该报告指出液化天然气作为车用燃料使用时，LNG生产者应提供满足加利福利亚大气资源委员会CARB（California Air Resources Board）制订的《压缩天然气规范》中要求的燃料组分（表1）[2]和“再加注时间”（“dispense by”date），即LNG在使用时其品质始终满足CARB要求的时间，超过该“再加注时间”，燃料组成可能危害发动机排放的性能、质量保证和可靠性，必须重新加注。

表1　美国加利福利亚大气资源委员会CARB 商业CNG要求表

美国腐蚀与材料协会（ASTM）目前正在组织制订液化天然气和压缩天然气作为车用燃料的气质标准ASTM WK 40094《作为车用燃料的压缩天然气CNG和液化天然气LNG气质指标》Specifi cation for Compressed (CNG) and Liquid Natural Gas (LNG) as a Motor Vehicle Fuel，具体细节不详。

美国防火协会（NFPA）于2002年发布了NFPA 57《液化天然气(LNG)车用燃料系统规范》（2002版）Liquefied Natural Gas (LNG) Vehicular Fuel Systems Code 2002 Edition，并于2006年重新发布了新版[3]。该规范规定了液化天然气(LNG)车用燃料系统加注设施防止火灾或爆炸采取的合理保护措施，适用于储罐容积不超过265 m3的各种类型液化天然气（LNG）车用燃料系统加注设施，以及LNG-CNG转化设施的设计、安装、操作和维护。该规范没有涉及对LNG作为车用燃料的气质要求。

我国修改采用NFPA 57制订了GB/T 26980—2011《液化天然气(LNG)车用燃料系统加注规范》[4]。在2000年发布实施了强制性国家标准GB 18047《车用压缩天然气》，对车用压缩天然气的技术要求和试验方法进行了规定，适用于压力不高于25 MPa、作为车用燃料的压缩天然气[5]。GB 18047—2000中给出的压缩天然气技术要求如表2所示。至今，我国和国际标准化组织（ISO）均未制订液化天然气作为车用燃料的产品质量标准。

表2　GB 18047—2000中规定的压缩天然气技术指标表

2　美国SAE J 2699—2011《液化天然气车用燃料SAE信息报告》简介

2.1范围和要求

SAE J 2699—2011《液化天然气车用燃料SAE信息报告》适用于用作汽车燃料的液化天然气（LNG）。其要求LNG生产商在销售LNG时向用户提供LNG组成（表3）及其“再加注时间”等数据和信息。在该SAE J 2699报告中给出了一些假设和计算方法，使生产者可以根据LNG产品的最初组成和假设的蒸发率计算未来某一时间的组成和“再加注时间”。“再加注时间”是指用户提供燃料不再符合加利福利亚大气资源委员会CARB《压缩天然气规范》规定的最低烃类含量要求的日期，不符合此要求的燃料可能会危害发动机排放性能、质量保证或可靠性。

表3　LNG车用燃料组成表

SAE J 2699报告指出，加利福利亚大气资源委员会CARB制订的《压缩天然气规范》中对燃料组成的要求是针对压缩天然气，不是针对液化天然气。然而，不管以CNG、还是以LNG形式注入发动机的天然气，对所有发动机制造商而言质其质量的要求都是一致的。因为LNG的氮气含量通常比CNG低很多，水和加臭剂在LNG液化过程中均被脱除，所以表1中CNG对氮气含量、水和加臭剂的要求并不适用于LNG。

2.2LNG的“老化”（Weathering）特性及对燃料质量的影响

SAE J 2699报告指出，CNG在交付至加气站、通过加气机、进入汽车和发动机的过程中，其组分基本上是相同的（尽管压缩前、压缩过程中或压缩后可能脱除水和杂质粒子），然而LNG的组成由于其具有“老化”（Weathering）特性，则会随时间发生变化。“老化”，即选择性蒸发过程，是指当环境热量传递至储罐内时，不同组成的气体被释放出来，从而使储罐内LNG组分发生改变。沸点最低的气体组分，例如氮气和甲烷，最先从液相蒸发到气相，是老化中最先被释放的组分。这一特性提高了沸点较高组分（乙烷、丙烷和其他重烃）在储罐内液相中的含量，从而直接导致燃料的组成发生变化。尤其是LNG中的氮气最先蒸发，使储罐内液面之上的气体燃料对于正常的发动机燃烧而言过“贫”（富含氮气）。“老化”还受LNG储罐传热效率、饱和方法及车辆燃料用量的影响。

在LNG交付至加气站或加注到汽车内时，其组成可能符合或高于汽车发动机对质量的要求，但当其进入发动机时，其组成可能会变得不符合要求。SAE J 2699报告指出LNG车辆和加气站不宜存在有严重的老化行为，需通过燃料维护程序控制LNG的组成变化，以维持输送至车辆发动机的气体燃料组分始终保持一致。

2.3燃料中的重烃组分对甲烷値和汽车发动机的影响

SAE J 2699报告中还指出，燃料中的重烃组分会使甲烷値（对内燃机燃料天然气抗爆震性能的量度。甲烷値100代表纯甲烷的抗爆震性能，约等于马达法辛烷值140）降低，从而降低燃料的抗爆震性能。含重烃（例如乙烷、丙烷和丁烷）较多燃料的甲烷値（或辛烷值）比高甲烷含量的燃料低。燃烧高甲烷值燃料的开环发动机在燃烧甲烷値较低的燃料时，燃料会发生爆炸（发动机爆震），就像高压缩汽油发动机燃烧低辛烷值燃料时一样，此时发动机会遭受严重的机械损坏。闭环运作和爆震传感器可使发动机适应更宽范围的燃料，然而，老式或开环发动机需确保其发动机的燃料是合适组分的天然气，否则需针对所使用的燃料校准发动机的控制系统。

2.4“再加注时间”图和LNG燃料“再加注时间”的确定方法

SAE J 2699报告中指出，“再加注时间”由在最短时间内达到车用燃料规定的气体最大或最小允许量来确定。按照如下假设：①从LNG在生产设施处加载至油罐拖车，至在发动机内燃烧，一旦达到安全压力并启动放空，每天的蒸发速率为1%（LNG在各种运输拖车、加注站和汽车油箱的储罐内蒸发，这些储罐设计的最大蒸发速率均小于1%）；②LNG加注至车辆储罐到其被使用的时间长度为1周；③从LNG最初被加注至LNG运输车开始，仅被转移至其他储罐2次。如果产品的转移超过2次，那么每多1次转移，LNG“再加注时间”必须减少1周。SAE J 2699报告给出了各个烃类组分的“再加注时间”图（图1～4）。因此，“再加注时间”可以通过将燃料中的甲烷、乙烷、C3+和C6+含量与给出的“再加注时间”图进行对比即可确定。注意的是图1～4未考虑压力升高的时间。同时，由于氮气的蒸发温度最低，将会在LNG中其他气体蒸发之前蒸发，则“再加注时间”不适用于氮气。

图1　甲烷的摩尔分数与时间的组成变化图

图2　乙烷摩尔分数与时间的组成变化图

图3　C3～C5摩尔分数与时间的组成变化图

图4　C6+摩尔分数与时间的组成变化图

2.5对LNG加气站和LNG车辆运营方的建议

SAE J 2699报告给出了对LNG加气站和LNG车辆运营方的建议，以帮助加气站设计人员和运营方保证加注的LNG燃料满足消费者的要求。

2.5.1 LNG加气站运营方

监控“再加注时间”及LNG的使用或销售，或在其质量过期之前添加LNG是LNG加气站运营方的责任。控制储罐内压力上升的最佳措施是定期向罐内加注LNG并进行交付。LNG加气站设计时宜根据预期的使用考虑合适尺寸的储罐，并避免放空。

2.5.2 LNG汽车运营方

低温储罐配备的减压阀，可以使储罐维持恒定压力，从而导致储存的LNG发生老化。因此，LNG汽车运营方应控制系统内压力上升。最佳措施就是定期使用车辆。车辆运行过程中燃料的常规消耗会使压力得以控制。另外就是在存储间隔之间另外加注LNG燃料，确保压力不会上升。该方法假定加气站储罐内的燃料温度和压力远低于汽车上存储的燃料。被注入的低温燃料越多，压力下降的效果就越好。

汽车运营方还应通过燃料加注程序和计划控制燃料热量发生损失，即要求在使用燃料前才立即将燃料加注至汽车存储系统。

燃料加注程序和计划示例，如果一辆汽车的运行时间在7 d之内，或汽车燃料少于一半，则在下次使用之前需要重新加注LNG。

3　认识、设想和建议

1）SAE J 2699报告中指出，车用燃料中的重烃组分会使甲烷值降低，从而降低燃料的抗爆震性能。LNG的“老化”特性，使对LNG用作车用燃料时的品质控制较为复杂。稍有疏忽，即会对发动机的性能产生负面影响。所以，如果将C2+沸点较高的烃类组分先期从LNG或从LNG原料天然气中通过某种方式深度分离脱除，则可以提高甲烷值，提高燃料的抗爆震性能，同时能更有效地控制LNG的“老化”，使燃料维护程序简单化，从而提高汽车发动机的耐受性和普适性，减少发动机的设计和制造成本，减少LNG生产商、LNG加注运营商和LNG汽车使用者在质量控制方面的投入。

2）现有不同产地和来源的LNG，由于C2+沸点较高的烃类组分浓度范围差别较大，造成发热量值变化较大，故通常采用能量计量。而深度分离脱除C2+沸点较高的烃类组分后的LNG，发热量值较为恒定，可以采用体积计量，使贸易交接设施和管理相对简单，投入减少。

3）我国以LNG作为汽车燃料已经开始投入使用，然而缺乏标准对其产品质量进行规范要求。GB 18047《车用压缩天然气》没有对甲烷等烃类组成含量给出具体要求。因此，建议相关部门和标准化技术委员会组织开展研究，制订更适用于提高汽车发动机工作效率的《车用液化天然气》产品质量标准。

[1] SAE International. SAE J 2699 Liquefi ed natural gas (LNG) vehicle fuel[S]. Warrendate: SAE International, 2011.

[2] California Air Resources Board. 13 CCR § 2292.5 Specifi cations for compressed natural gas[S]. Sacramento: CARB, 1993.

[3] National Fire Protection Association. NFPA 57 Liquefi ed natural gas (LNG) vehicular fuel systems code[S]. Quincy: NFPA, 2006.

[4] 中国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 26980液化天然气(LNG)车用燃料系统加注规范[S].北京: 中国标准出版社, 2011. General Administration of Quality Supervision Inspection and Quarantine of the People's Republic of China & Standardization Administration of the People's Republic of China. GB/T 26980 Liquefied natural gas (LNG) vehicular fueling systems code[S]. Beijing: China Standards Press, 2011.

[5] 中国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB 18047车用压缩天然气[S]. 北京: 中国标准出版社, 2000. General Administration of Quality Supervision Inspection and Quarantine of the People's Republic of China & Standardization Administration of the People's Republic of China. GB 18047 Compressed natural gas as vehicle fuel[S]. Beijing: China Standards Press, 2000.

（修改回稿日期 2016-03-15编 辑 何明）

Quality standards of LNG used as a vehicle fuel

Luo Qin1,2, Luo Zhiwei3, Xu Wenxiao1,2
(1. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company, Chengdu, Sichuan 646002, China; 2. Secretariat of China Natural Gas Standardization Technology Committee, Chengdu, Sichuan 610213, China; 3. PetroChina Natural Gas and Pipeline Company, Langfang, Hebei 065000, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 5, pp.87-91,5/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Components of liquefied natural gas (LNG) may change with time. This unique feature makes it different from other vehicle fuels. In order to ensure that LNG as a vehicle fuel can satisfy the requirements of automobile engines for the minimum hydrocarbon content, it is necessary to develop a standard document for control and management over changes in components of LNG. By using the document, it is possible to determine if the delivered LNG has technical specifications and service life required for safe operations of automobile engines. This paper briefly reviewed the Liquefied Natural Gas (LNG) Vehicle Fuel SAE Information Report (J 2699-2011) issued by SAE International in July 2011, which highlights LNG’s property of weathering, the concept of “dispense by date” and the calculation method. Through relevant analyses, it was proposed to remove components with higher boiling points (ethane and other higher hydrocarbons) from LNG or LNG raw natural gas in early stages. In addition, it was proposed to develop a product quality standard, i.e. LNG as a Vehicle Fuel, to enhance the efficiency of automobile engines, so as to facilitate the promotion and application of LNG as a vehicle fuel in China.

Liquefied natural gas (LNG); Vehicle fuel; Product quality standard; Automobile engine; Safe operation; Property of weathering; Dispense by date;Popularization and application

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.05.013

罗勤，女，1968年生，教授级高级工程师，博士；一直从事天然气质量与计量技术研发、标准化及推广应用工作；从1999年至今担任全国天然气标准化技术委员会委员兼常务秘书，组织了50余项天然气产品和分析测试技术标准制修订。地址：（610213）四川省成都市天府新区华阳天研路218号。电话：13880569308。ORCID:0000-0003-4120-3229。E-mail:luoq@petrochina.com.cn