LNG 供给系统增压提升研究

王岗，钟小康，王凤蛟

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

前言

国内加液站提供压力0.4MPa～0.6MPa、温度为-132℃～-138℃的LNG 液体，不满足LNG 车辆发动机进气压力要求，针对该问题，LNG 供给系统自带增压设备，对LNG 气瓶气相进行增压。液化天然气汽车供应燃料为压缩天然气，气瓶压力决定了车辆是否正常运行。影响燃气进气压力的主要因素为LNG 气瓶压力。依据热力学原理：LNG 气瓶压力即为当前气瓶内胆饱和液体温度相对应的压力。此时气瓶增压的方式有两种，一种为增加液体温度后升压但速度较慢；另一种为仅增加气瓶气相空间压力速度快。国内现有主流的增压方式为仅增加气瓶气相空间压力提升气瓶压力，来满足发动机使用。

当气瓶压力低于发动机许用压力时，此时车辆动力不足和不能启动，气瓶需要增压。增压时间和增压速率为影响液化天然气汽车竞争力因素之一，因此降低增压时间和提升增压速率非常有必要。

后置1000L 大容积LNG 气瓶因其容积大、自重轻、续驶里程长等优点，完全替换原有的后置LNG 双500L 系统，成为液化天然气汽车主流配置。气瓶容积增大，增压设备未加大，增压速率降低，增压时间延长，影响了用户体验，降低了液化天然气汽车的竞争力。故LNG 供给系统提升增压速率、降低增压时间，迫在眉睫。

1 LNG 气瓶增压提升

1.1 LNG 气瓶增压原理简介

LNG 气瓶增压装置由增压截止阀14、增压阀13、增压盘管6 等部件组成。在增压时，需要保证除增压截止阀14和放空截止阀21 开启，气瓶和增压管路可以形成一个密闭的循环空间。开启增压截止阀14，低温液体通过增压阀13，然后经过自增压盘管6 被加热成饱和蒸汽，通过放空截止阀21后，进入气瓶气相空间（气瓶顶部）。由于液化天然气的液气比较大，输出较少的液体会变成大量的蒸汽，同时在密闭的循环空间，增加的气体体积远远大于输出的液体体积，再有气体具有可压缩性，从而使得气瓶的压力升高。当气瓶压力升至需要的压力（增压阀的设定压力）时，增压阀13 自动关闭，气瓶压力不再升高，压力维持稳定。具体原理见图1。

图1 LNG 系统原理图

图2 增压阀结构

增压阀主要用于LNG 气瓶增压装置，作为LNG 气瓶增压装置的控制装置。在出厂时增压阀设定压力已调整到位，若增压阀关闭压力与设定压力不一致，可通过调整增压阀调节螺钉8，调整增压阀的设定压力。增压阀出口（OUT）压力低于设定压力时，弹簧2 受力降低后伸长，使膜片7 下移顶开阀瓣6，阀瓣弹簧5 压缩。LNG 由进口（IN）入，经阀瓣6 缝隙，由出口（OUT）出后，进增压盘管，液体气化后，进入气瓶，气瓶压力升高。随着增压阀的使用，压力作用在膜片上，阀瓣弹簧5 伸长，推动阀瓣6 随之向关闭方向移动，当压力超过设定压力，阀瓣6 关闭，停止增压。当随着气瓶内压力降低，在膜片弹簧2 作用下膜片7 下移，阀瓣弹簧5压缩，阀瓣6 随之向开启方向移动，阀瓣开启给气瓶升压。增压阀结构见图2。

2 LNG 增压阀增压速率提升分析

现今LNG 气瓶内胆和外胆之间增压连接管外径为14mm，内径为10mm，此规格再增大，会导致瓶体安全隐患大。通过分析增压阀阀体结构（见图3），影响增压阀速率的主要因素为阀体的进出接口通径（φ2）和阀瓣直径（φ1）、开启高度（H），以及流道的结构。通常增大阀体的进出接口通径和阀瓣的直径、开启高度，以及优化流道的结构可提升增压速率。阀体通径最大10mm 即为极限，阀瓣的直径（φ1）、开启高度（H），以及流道结构，应尽可能不降低液体流动的速度。

图3 增压阀阀体结构

通过对比分析市场中三种主流增压阀在不同的入口流速、压力和阀瓣开启高度下，导致出口压降的差异，得出最优的增压速率提升方案。分析条件见表1、阀体结构见图3、阀体参数见表2。

表1 分析条件表

表2 阀体参数表

图4 液体流向

在不同流速下，通过对比三种增压阀液体流向（见图4）和出口压降情况（见表三），得出初始压力对增压阀的流阻影响较小。其中C 型增压阀液体流动时通过阀瓣的折弯角度较小，在两个不同速度下的出口压降均小于其他两种增压阀。

表3 出口压降表

3 增压阀增压速率试验对比

三种增压阀在环境温度相差±2℃，增压阀增压压力调整为1.0MPa，其他部件相同的情况下，1000 L 气瓶液量在30%±2%时气瓶由0.45MPa 升至0.9MPa 增压时间。其中增压阀A 从0.45MPa 升至0.9MPa 增压时间85 分钟，增压阀B从0.45MPa 升至0.9MPa 增压时间65 分钟，增压阀C 从0.45MPa 升至0.9MPa 增压时间60 分钟，具体增压曲线见图5。

图5 增压曲线图

4 结论

上述三种增压阀流阻CAE 分析和气瓶增压速率试验对比，得出通过增大增压阀进出口通径、阀瓣直径以及内部流道的结构可大幅降低气瓶增压时间，减少司机的因气瓶压力低的等待时间，提升液化天然气汽车的竞争力。