液化天然气汽车技术及存在问题探讨

1、收稿日期 :2003-11-19作者简介 :王彦超 (1970- , 男 , 本科毕业 , 工程师。液化天然气汽车技术及存在问题探讨王彦超 1, 魏广荣 1, 姜秀丽 2, 武少国 1(1. 河南中原绿能高科有限责任公司 , 濮阳 457001;2. 中原石化总厂 , 濮阳 457061摘 要 :推广和应用液化天然气汽车 (LNG V 是降低汽车排放污染的有效途径 , 文章介绍了 LNG 的理化特性 、 安 全性 、 LNG V 车载燃料系统和 LNG V 加气站技术 , 对 LNG V 在实际应用中存在的问题作了一些探讨 。 关键词 :液化天然气汽车 ; LNG V 加气站 ; 问题 ; 探

2、讨中图分类号 : 文献标识码 :A 文章编号 :1004-3950(2003 01-Discussion on the technology of WANG Yan 2chao 1, WEI G 1, li 2, WU Shao 2guo 1(1. Henan Zhongyuan G High 2C ompany , Puyang 457001, China ;Plant , Puyang 457001, China Abstract :G as (LNG V is the effective approach to lower the pollution discharged by ve 2

3、hicles. This physical and chemical characteristic of LNG, the safety of LNG, the fuel system carried in LNG V and the of LNG V refilling stations. It als o discusses the problems in the utilization of LNG V. K ey w ords :liquefied natural gas vehicle ; LNG V refilling stations ; problems ; discussio

4、n1 前 言我国石油资源短缺 , 而天然气资源丰富 , 天然 气是世界上公认的清洁燃料 , 推广应用天然气汽 车是降低汽车发动机排放 、 改善能源利用结构的 有效措施之一 。 我国各大城市中汽车尾气排放占 整个大气污染的 70%以上 , 因此许多省市都制定 了发展天然气汽车的规划 , 大力推广应用天然气 汽车 。 四川 、 重庆 、 西安 、 北京 、 济南 、 濮阳 、 开封等 地已有大量的压缩天然气汽车 (C NG V 在运行 , 为 缓解城市大气污染起到了积极的作用 。 但在实际 运行过程中也反映出 C NG V 续驶里程短 、 加气站 过分依赖天然气管网 、 占地多 、 投资大 、 运

5、行费用 高等缺点 , 制约了 C NG V 的规模化发展 。而液化 天然气汽车 (LNG V 则克服了 C NG V 的缺点 , 它具 有汽车续驶里程长 ,LNG V 加气站建站不受天然 气管网制约 , 占地少 、 投资小 、 运行费用低等突出 优点 , 易于实现规模化发展 。 LNG V 在国外有大 量的实际应用 , 相关技术已经成熟 , 国内在 90年 代开始进行 LNG V 技术的研究 , 中原油田研制的LNG V 进行了一系列的运行试验 , 取得了较为理想的运行效果 。2 LNG 的理化特性天然气的组成主要是甲烷 , 还有其他的烃类 气体如乙烷 、 丙烷和丁烷及微量的 C O 2、 N

6、 2和 H 2O等 。 LNG 是天然气冷却到沸点 (大气压力下为 -162以下的物质 。在液化过程中 , 非烃类组分 及一些非甲烷烃类通常要被除去 , 因而 LNG 的组 分比 C NG 的组分更纯净 。表 1所示为中原油田 LNG 工厂的 LNG 产品组分 。可以看出经过液化后 , 甲烷含量得到进一步的提高 , 达到 96%以上 , 而我国许多气田生产的天然气中甲烷的含量低于 90%, 因此天然气液化可以除去天然气中的杂质和重烃成分 , 给发动机提供了稳定的可控制的空 燃比 , 使发动机的工作性能得到优化 , 发动机燃烧 平稳 , 节省了燃料消耗 。 同时 , 低杂质含量的燃料 容易满足发

7、动机废气排放的要求 , 而且 LNG 不象 C NG 具有压缩副产品 , 如机油和碳粒 , 这些压缩副产品容易损坏或堵塞发动机组件 。新能源及工艺- -E NERGY E NGI NEERI NG2003表 1 中原油田 LNG 工厂的 LNG 产品组分组分 C C C iC nC iC nC C N 含量 m ol %96. 032. 880. 690. 180. 090. 030. 020. 010. 08 LNG 的能量密度分别为汽 、 柴油的 67%和 59%, 但与 C NG 相比能量密度却得到大幅度提 高 :LNG的能力密度是 16MPa 下 C NG 能量密度的 3倍 , 是 2

8、0MPa 下 C NG 能量密度的 2. 5倍 , 是 25MPa 下 C NG 能量密度的 2倍 , 因而可以粗略估 计 ,LNG V 的续驶里程至少为 C NG V 续驶里程的 2倍 , 基本解决了 C NG V 续驶里程短的问题 。实际 车载燃料的能量密度见表 2。表 2 几种汽车燃料的储存能量密度燃 料 汽 油 LNG CNG 钢制 气瓶容器容积 /L容器质量 /kg 7. 755562燃料质量 /kg 35136. 8燃料低热值 /k J kg -145. 249. 849. 849. 8容器储存总热值 /M J 1220. 41743647. 4338. 6储存能量密度 /M J

9、L -133. 924. 97. 197. 16 LNG (以纯甲烷计算 的物性参数见表 3。 LNG 的常压沸点为 -162 , 因此需要低温保存 ; 其辛烷值高达 130(M ON , 具有比汽 、 柴油 、 LPG 更 好的抗爆性能 ; 气 、 液体积比为 634 1, 能量密度 较大 , 有利于提高车载储备能力 , 增加汽车的续驶 里程 。表 3 LNG 的物性参数 3常压沸点 / -162热值 /k J m 338500液体密度 /kg m 3424辛烷值 (M ON 130汽化潜热 /k J kg -15116341注 :热值为 101. 325kPa 、 20 下 , 密度、 汽

10、化潜热为常压下表 4LNG (以纯甲烷 计算 。可以看出随 着 , 汽化潜热降LNG 的 安 全 性 主 要 表 现 :LNG 的 燃 点 为 650 , 比汽 、 柴油的燃点高 , 点火能也高于汽柴 油 , 所以比汽 、 柴油更难点燃 ;LNG 的爆炸极限为 4. 7%15%, -106. 7 以上的 LNG 蒸汽比空气 轻 , 因而稍有泄漏立即挥发飞散 , 难以形成遇火燃 烧爆炸的浓度 。无论是 LNG 还是它的蒸汽都很 难在一个开放的环境下爆炸 。表 4 LNG 在不同压力下的饱和温度 、 密度 、 汽化潜热LNG 的量和速率有直接关系 。对少量泄漏 , 大气条件和 LNG 压力都对蒸汽

11、云大小和泄漏面积起一定作用。 对足够大的泄漏 , 所形成的稠密蒸汽云将随着蒸汽的飘移 , 吸收地表热量而扩散到大气中。 风的大小也会影响其在大气中的扩散速度。4 LNG 车载燃料系统LNG 车载燃料系统由 LNG 车用储罐 、 汽化 器 、 减压调压阀 、 混合器 、 控制系统及安全系统等 组成 , 图 1为中原油田开发的 LNG 车载燃料系统 的流程图 。 LNG 车用储罐采用双层金属加真空多 层缠绕绝热技术 , 日蒸发率在 2%以内 , 可保证 7 14d 不发生放气现象 ,LNG 储罐的液位 、 压力由 液位压力计计量 , 液位计为电容式液位计 。 LNG V 工作时 , 车用储罐内的

12、LNG 在其自身饱和压力 ( 约 0. 5MPa 的驱动下离开储罐 , 通过低温截止阀 和过流阀进入 LNG 汽化器 。汽化器采用发动机 冷却水作热源 , 由控制系统根据发动机工况调节 其汽化量 。 汽化后的天然气经减压调压阀后进入 发动机混合器 , 供汽车使用 。图 1 LNG V 车载燃料系统5 LNG V 加气站LNG V 加气站的主要设备有 LNG 储槽 、 低温 泵 、 蒸发器 、 售气机 、 控制系统和安全系统等 , 流程 类似于普通的加油站 , 图 2为中原油田引进的已 投产的国内第一座 LNG V 加气站流程图 。 LNG 储 新能源及工艺 2003 能源工程 - -槽是 双

13、层 金 属 加 真 空 缠 绕 绝 热 容 器 , 容 积 为 50m 3, 日蒸发率为 2 ,LNG 低温泵为浸没式泵 , 用于把 LNG 从储槽输送到车用储罐 。 LNG 的饱 和压力调节系统控制 LNG 饱和压力 , 售气机用于 计量灌送到车用储罐内的 LNG, 控制系统控制加 气站操作的各个方面 。图 2V 6 LNG V 6. 1 LNG 的价格LNG 的价格是广大用户所关心的 , 同时也是这一清洁燃料能否得到规模化推广的关键因素 。 参照日本 、 韩国的进口 LNG 到岸价 , 我国进口 LNG 的到岸价为 1. 3元 /m 3, 终端外销价格为 1. 5元 /m 3; 而国内 L

14、NG 工厂的生产成本根据生产工 艺和规模的不同约为 0. 40. 7元 /m 3, 原料气价 格按 0. 9元 /m 3算时 , 出厂价为 1. 31. 6元 /m 3, 价格与国外进口 LNG 基本持平 。根据天然气燃烧特性和运行试验结果 ,1m 3天然气的行驶里程等效于 1. 2L 汽油 。 按目前未 征燃油税时汽油价格 2. 8元 /L 、 LNG 最远运送距 离 800km 的参考价格 2. 1元 /m 3计算 , 燃用 LNG 具有良好的经济性 。 6. 2 LNG V 改装件的价格LNG V 改装件的价格也是 LNG V 能否得到规模化推广的关键因素 。 虽然 LNG 的储存压力为

15、 01. 6MPa , 并不算高 , 但由于其储存温度较低 , 改 装件的材料价格昂贵 、 制作工艺复杂 ,LNG V 改装 件的价格较高 , 在美国一套 LNG V 改装件的价格 根据其容积不同大体在 30005000美元之间 , 国 内生产的 LNG V 改装件的价格根据其容积不同每 套大体在 1万2万元 。虽然国内 LNG V 改装件 的生产成本较低 , 但降低 LNG V 改装件的价格将 是 LNG V 实际应用中必须面对的问题 。6. 3 LNG 车用储罐的放气尽管 LNG 车用储罐是 “绝热” 的 , 也难免有热 量漏入 , 因此会有蒸发现象存在 , 其压力升高 。 当 LNG 储

16、罐的压力升至安全阀的设定压力时 , 就会 发生放气现象 。但 LNG V 在正常运行的过程中 , 由于储罐内 LNG 的减少 , 降低了储罐的压力 , 此 时不会发生放气现象 ;LNG V 每次充装 LNG 时 , 由 于罐内气体被冷凝 , 压力降低 , 也不会发生放气现 象 。 只有在 LNG V 、 LNG 储罐的真空 LNG 储罐的绝 , V 有管线收集 , , , 。 6. 4 LNG 品质的蒸发劣化现象LNG 在压力升高时会发生放气现象 , 在 LNG各种成分中 , 甲烷的沸点最低 , 所以首先蒸发 , 因 而剩余的 LNG 中甲烷的含量最少 , 即 LNG 的品质 劣化 。 为避免这一现象发生 , 在进行 LNG 车载燃 料系统的设计时应对此给予高度重视 。 6. 5 LNG V 应用中的安全问题LNG V 应用中的安全问题 , 主要是 LNG 的泄露问题 。 中原油田开发的 LNG V 技术采取了如下 安全措施 :LNG储罐设有防过量充装系统 、 防超压 系统 , 汽化器的进口管线上设有限流阀 , 一旦汽化 器大量泄露或下游管线断裂 , 限流阀立即自动关 闭 。 此外在主要的 LNG 管线上设有防超压的安 全阀和防泄露的限流阀 。7 结语LNG 具有其它储存形式天然气所不具备的优越性 , 使用 LNG 是进一步提高天然气汽车各项性 能的有效措施 , 特别是续驶里