车用液化天然气气瓶自增压装置的设计优化分析

赵伟

摘要：近年来，节能环保理念深入人心，国家积极实施国家能源政策，液化天然气凭借自身生态、环保等优势得到了迅速发展，LNG生产、使用愈发广泛，其中最为常见的就是汽车燃料。LNG作为汽车燃料，符合经济性、环保性的要求。文章从车用LNG燃料存储结构入手，分析设置自增压装置三个情形后，深入探讨车用液化天然气气瓶自增压装置的优化策略。

关键词：车用；LNG；自增压装置；优化

前言：经济迅速发展，人们对能源需求量与日俱增。天然气作为一种优质燃料，具有高效、绿色等优势，在车用燃料方面得到了长足发展，能够逐步取代汽油、柴油，成为新兴能源，为车辆良好运行奠定坚实的基础。目前，车用液化天然气气瓶受自身具有绝热性能的影响，无法实现全面推广，因此要对气瓶自增压装置进行优化设计，使得二者能够相互配合，避免对生态环境构成污染[1]。

1、 车用LNG燃料存储

使用LNG作为汽车燃料，与原来的汽车油箱具有异曲同工之妙。甲烷是天然气主要成分，存储压<1.6MPa，常压下，甲烷要在-162℃，才能够达到液化状态，LNG在气瓶内存储温度介于-162℃～-125℃之间。为了避免液体存储过程中出现气化现象，气瓶要进行特殊处理，使其具有绝热保冷功效，并设计成双层结构，以此来减少对外传热。

2、 设置自增压装置情形分析

第一，LNG气瓶绝热性能较好，通常情况下，LNG日静态蒸发率为1.5%～3%。汽车在运行过程中，受到晃动、温度等因素的影响，蒸发率也有所提升，但随着消耗的增加，内部液体量也随之减少，导致气瓶内压力下降，故要增加气瓶自增壓设备，对剩余的气体进行增压处理，为汽车正常运行提供支持。

第二，就LNG加液站运行状况而言，虽然国家明确要求加液站要具备饱和调节功能，但是为了基于自身经济利益的考虑，避免损失，经营者并不愿意增加该设备，导致液体温度低压力偏低[2]。主要是饱和调整后，销售的LNG液体也减少，当压力升到一定程度，为了保证储罐安全，要将蒸发掉的气体进行排放处理，导致LNG损失。基于此，可以增压气瓶，加液时，能够将气瓶气相进行冷却处理，导致气瓶压力下降。

第三，一般情况下，气瓶使用一段时间后需要更换阀门、密封件等处理，要将气相压力排放掉，而经过维护后，气瓶内没有压力，需要安装自增压装置。当前对于增加该装置的观点主要有两种：一是国家审查、型式试验机构认可的，二是用户、车辆厂商实际情况出发，增加自增压装置。对此，本文主要认可第二种观点。综上来看，设置自增压装置对于推广液化天然气具有重要推动作用，能够逐步取代原本汽油燃料，减少对生态环境的污染，且能够为车辆运行提供充足的动力。

3、 车用LNG气瓶自增压装置优化设计

现阶段，自增压装置主要有四种，具体来说：一是经典自增压，能够将LNG引出，经过气化器处理之后，再次返回到气瓶气相空间当中，完成增压目标。二是电加热型自增压，在气瓶内部设置电加热元件，并配合相应的电源。三是回气增压，能够将气化的返回到气瓶内，对液体进行加热处理后，能够再次进入到发动机系统当中，从而为汽车运行提供支持。四是利用真空压力进行控制，避免气瓶出现泄漏现象。其中第二种结构简单、且操作难度较小，应用范围较广。LNG气瓶经典型自增压装置如图1。当气瓶内的压力低于标准值，调压阀自动启动，在液位差的推动下，将液体推入到气瓶气相当中，达到增压目的。达到预期的压力后，调压阀将会切换到关闭状态当中，实现自动化控制，满足车辆运行需求，提高对LNG的高效控制[3]。

经典型自增压在运行中，主要借助静液柱压力流动，在管路、阀门中出现蒸发现象，且管路、阀门位置不会出现高点，使得液体流动速度决定自增压速度。

4.1增压液体引出管

针对车用LNG气瓶自增压装置气化器与气瓶液相之间，通过管路进行连接，液体进入后，会借助液柱静压力，实现对液体的输送。由于筒体夹层空间偏小，其内胆固定端设置在分配头端下方。在此基础上，液体能够从内胆底部引出，且具有柔性特征，能够避免内胆与外壳之间压力不同而产生应力，从而提高增压液位高度。

图1车用LNG气瓶自增压流程

4.2安装阀门

车辆加液、维修等过程都需要增加处理，否则车辆没有驱动力无法正常启动，或者出现熄火现象。故要通过增压处理，才能够促使液体保持流通。增压LNG出气瓶保持在低温状态当中，进入增压管道后会出现气化现象，在气相之间保持流动，需要考虑管路当中是否存在高点，并形成了无法消除气相空间，影响增压速度，严重情况下，无法保持流动性。

安装阀门原则如下，不能够由于阀门安装状态导致液相无法连接，在具体增压中，要按照具体情况进行调压处理，气瓶压力从0到0.5MPa仅需要5min左右。行驶时，由于气瓶压力较大，且存在压力裕量，故增压反应较为迅速，并不会出现压力偏低情况。

4.3增压器管路

LNG进入气化器之后，要借助液柱静压力，并考虑阀门安装情况予以调整。由气化器换热速度、流动阻力决定LNG在管路当中的位置。在实践中，一旦出现液位偏低情况，极有可能引发液体进入管路，气化不完全，液体会随之蒸发。要想实现对上述情况予以优化，可以在管路的高点位置增加支管，将其中的气相进行清除处理，然后提高增压速度。

一般情况下，为了减少气瓶冷量遭受到损失，不增加分配头上管口数量，自增压装置回气瓶管道要与安全阀有机整合到一起。由于此次优化，将安全阀安装在分配头上，为了避免气瓶液位高于安全阀，LNG液体进入安全阀，会造成阀门起跳，无法保证装置正常运行。对此，也要将气相回气瓶增压管路提升到顶部位置，然后向下布置分配头，随后进入到气瓶当中。随着科学技术不断发展，针对自增压装置的优化我们要积极引入更多先进技术，进一步优化其性能，为液化天然气推广和普及提供更多支持。

结论：根据上文所述，随着天然气清洁能源不断推广和发展，车用LNG气瓶要进行相应的调整和优化，使其能够在动力不足情况下，增加压力，为车辆运行提供驱动力。本文从车用LNG气瓶使用情况分析了增加自增压装置的必要性，并从三个方面探讨了优化策略，即将增压取液口位置放低，当液位低于标准时，依旧能够进行增压处理。

参考文献：

[1]何润民，王径，等.川渝地区车用LNG市场前景与发展策略分析[J].天然气技术与经济，2016，5（4）：42-43.

[2]顾安忠，鲁雪生，等.液化天然气技术[M].北京：机械工业出版社，2015：248-249.

[3]刘潇.低碳经济助力液化天然气汽车发展的优势、存在问题和发展趋势[J].上海节能.2016，（09）：491-497.endprint