黃光明,林永倫,趙文杰,蔡青青

(深圳市質(zhì)量安全檢驗(yàn)檢測研究院,廣東 深圳 518000)

1 前 言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas簡稱LNG)的主要成分是甲烷。LNG無色、無味、無毒且無腐蝕性,其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/625,LNG的重量僅為同體積水的45%左右。LNG是當(dāng)今世界公認(rèn)的清潔能源,具有熱值高、燃燒充分、價(jià)格低、運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性及安全性好的特點(diǎn),受到廣大用戶的青睞。20世紀(jì)80年代,德國、加拿大、美國及法國等多個(gè)國家開始研究車用LNG氣瓶,90年代技術(shù)逐漸成熟,不斷進(jìn)行小規(guī)模推廣。目前LNG汽車已在全世界推廣使用,并占有一定的市場份額。以LNG為燃料的汽車廣受用戶及政府支持[1]。

2 典型車用LNG氣瓶結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

儲(chǔ)存汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料LNG的裝置為焊接絕熱氣瓶,也稱低溫絕熱氣瓶,此氣瓶構(gòu)造設(shè)計(jì)有雙層真空結(jié)構(gòu)。內(nèi)膽用來儲(chǔ)存低溫液態(tài)的LNG(常壓下飽和溫度達(dá)到-161℃),在其外壁纏有多層絕熱材料,具有超強(qiáng)的隔熱性能,夾層(兩層容器之間的空間)被抽成高真空,形成良好的絕熱系統(tǒng)。外殼和支撐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠承受運(yùn)輸車輛在行駛時(shí)所產(chǎn)生的相關(guān)外力。車用LNG氣瓶結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1. 氣瓶接口閥門;2. 氣瓶內(nèi)容器;3. 液位傳感器;4. 絕熱被;5. 氣瓶外容器

國外車用LNG氣瓶生產(chǎn)廠家主要有美國查特深冷工程系統(tǒng)有限公司、美國泰萊華頓公司,國內(nèi)有張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司、張家港富瑞特種裝備股份有限公司等。中國在此領(lǐng)域起步晚,但發(fā)展迅速。現(xiàn)該氣瓶主要用于出租車、公交車、牽引車、抑塵車、大巴車、水泥攪拌車、貨柜車等多種車型,已深入到國民經(jīng)濟(jì)和生活方方面面。表1為美國查特深冷工程系統(tǒng)有限公司車用LNG氣瓶參數(shù)。

表1 美國查特深冷工程系統(tǒng)有限公司車用LNG氣瓶技術(shù)參數(shù)

3 車用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)及現(xiàn)狀

隨著LNG汽車的廣泛應(yīng)用,車用LNG氣瓶存量越來越多。氣瓶設(shè)備因損壞、事故等愈發(fā)的老舊,其安全性和穩(wěn)定性等問題愈發(fā)突出,因此針對(duì)低溫絕熱氣瓶,依據(jù)TSG 23—2021《氣瓶安全技術(shù)規(guī)程》[2]和GB/T 34347—2017《低溫絕熱氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定》要求[3]對(duì)車用LNG氣瓶進(jìn)行定期檢驗(yàn),檢驗(yàn)周期不超過3 a。

檢驗(yàn)項(xiàng)目:外部檢查、安全附件檢查、閥門及管路檢查、固定裝置檢查、氣密性試驗(yàn)、靜態(tài)蒸發(fā)率檢測。檢驗(yàn)前,一般會(huì)為用戶提前向檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)申報(bào)汽車氣瓶定期檢驗(yàn),檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)汽車及氣瓶出廠合格證書、安全附件證書、最近一次檢驗(yàn)報(bào)告、最近一次檢驗(yàn)周期內(nèi)日常檢查記錄審查通過后,用戶將待檢車輛駛至檢測站進(jìn)行在線檢驗(yàn)。

檢驗(yàn)員通過目測或借助窺視鏡進(jìn)行外部檢查、閥門管路檢查及固定裝置檢查,防止氣瓶假冒翻新、凹陷過大、任意改裝、繃帶松動(dòng)、結(jié)露結(jié)霜等。

進(jìn)行氣密性試驗(yàn)時(shí),根據(jù)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34347—2017《低溫絕熱氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定》、GB/T 12137—2015《氣瓶氣密性試驗(yàn)方法》[4],氣瓶在公稱工作壓力下穩(wěn)壓1 min,利用不含油脂的檢查液涂抹檢驗(yàn)無泄漏的即為合格。但氣瓶進(jìn)站檢驗(yàn)時(shí),一般氣瓶的壓力都在0.6～1.0 MPa,根據(jù)制造廠家及氣瓶的不同,車用氣瓶的公稱工作壓力一般為1.37 MPa和1.59 MPa。所以需要增壓后再進(jìn)行氣密性試驗(yàn),由于自增壓器自身的限制,無法將其升至公稱工作壓力,通常檢驗(yàn)員的應(yīng)對(duì)方法如下:1. 利用外接氮?dú)鈱?duì)其增壓至公稱工作壓力,這種方式雖然增壓效率高,但是操作過程中存在不安全因素;2. 利用車用氣瓶內(nèi)剩余LNG的自然蒸發(fā)進(jìn)行增壓,此方式增壓效率慢,通常需要2～5 d時(shí)間;3. 要求用戶在送檢前,先把待檢汽車開至加氣站增壓至公稱工作壓力。這些應(yīng)對(duì)方式不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力且存在不安全因素,無論是對(duì)于檢測機(jī)構(gòu)還是用戶來說,都是苦不堪言的。

氣密性試驗(yàn)完畢后,進(jìn)入下一檢驗(yàn)項(xiàng)目:靜態(tài)蒸發(fā)率檢測。由于車用氣瓶拆裝不方便,依據(jù)GB/T 34347—2017《低溫絕熱氣瓶定期檢驗(yàn)與評(píng)定》中的第5.8節(jié)、GB/T 18443.5—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法 第5部分:靜態(tài)蒸發(fā)率測量》[5]中的流量法規(guī)定,靜態(tài)蒸發(fā)率檢測前必須將瓶內(nèi)壓力降至0(即常壓),靜置48 h后方可連接設(shè)備進(jìn)行靜態(tài)蒸發(fā)率測試。將公稱容積為450 L的氣瓶在公稱工作壓力下通過排空閥進(jìn)行排空,產(chǎn)生的噪音對(duì)監(jiān)測站內(nèi)工作人員及50 m范圍內(nèi)的人員都會(huì)造成影響。同時(shí),閥門全開,將一個(gè)氣瓶從公稱工作壓力泄壓至0且無噪音約需要3 h,對(duì)外排放的天然氣約占?xì)馄康?0%,約20 kg。直接排放天然氣不僅造成了能源浪費(fèi),而且天然氣中含量最大的甲烷會(huì)被地球臭氧層的臭氧氧化,發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)后促使臭氧分解,破壞臭氧層,導(dǎo)致全球變暖。

靜態(tài)蒸發(fā)率檢測完成后拆除檢驗(yàn)設(shè)備,將氣瓶增壓后方可啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),駕駛汽車離開檢測站。但平時(shí)的檢測工作中往往出現(xiàn)汽車自帶增壓器故障或者增壓器失效的情況,有時(shí)需要放置一周方能緩慢增壓至發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所需壓力。如遇緊急情況汽車需要盡快發(fā)動(dòng)駛離,可能出現(xiàn)由拖車將其拉至加氣站增壓的尷尬場面,這些情況往往會(huì)引發(fā)用戶的投訴及不滿,影響檢驗(yàn)服務(wù)質(zhì)量。

4 氣瓶檢測站一體化天然氣排放回收裝置設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述車用LNG氣瓶檢測站檢驗(yàn)工作遇到的問題和難點(diǎn),現(xiàn)設(shè)計(jì)一套設(shè)備裝置,以滿足氣瓶快速增壓、天然氣排放(BOG)回收的需求。設(shè)計(jì)思路為:將檢驗(yàn)過程中浪費(fèi)的天然氣回收至儲(chǔ)氣容器A內(nèi),通過泵(防爆)將容器A內(nèi)的天然氣抽出增壓后存儲(chǔ)在高壓容器B內(nèi),容器B內(nèi)壓力可設(shè)置在10 MPa,其出口可連接多個(gè)受檢氣瓶的排空閥,出口設(shè)有減壓閥、調(diào)節(jié)閥。為車輛增壓至公稱工作壓力或者發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)壓力。但是A/B容器的容積都是有限的,不可能無限制的容納天然氣,必須考慮到天然氣超壓問題,如果超壓通過安全閥對(duì)空排則同樣浪費(fèi)資源及污染環(huán)境,此法不可行。由于液體比氣體的密度大,可將天然氣液化,同時(shí)液化天然氣可以重新利用。比對(duì)現(xiàn)存的液化方法,比較成熟的有以下方案[6]。

1. 膨脹液化:配套膨脹制冷機(jī)和壓縮機(jī),先將一種介質(zhì)進(jìn)行壓縮,然后進(jìn)入冷箱進(jìn)行膨脹吸熱制冷液化天然氣。這種方法的缺陷是投資成本高、能耗高。

2. 再冷液化:天然氣經(jīng)過壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮,之后在冷凝器內(nèi)與LNG混合液化。這種方法的缺點(diǎn)是能耗高。

3. 液氮換熱液化:檢測站內(nèi)液氮通過換熱器吸收天然氣的熱量氣化,另一端則為回收的天然氣放熱液化。

通過對(duì)成本、空間以及能耗的綜合考慮,現(xiàn)采用第三種方案。一般氣瓶檢測站進(jìn)行杜瓦罐(立式低溫絕熱氣瓶)定期檢驗(yàn)時(shí)需要配備液氮。本裝置通過增設(shè)換熱器,使部分液氮在其內(nèi)氣化后用于杜瓦罐氣密性試驗(yàn)。液氮吸收天然氣的熱量氣化,使天然氣液化,達(dá)到冷量用于回收液化天然氣的目的。基于環(huán)保節(jié)能及縮小成本的考慮,使用液化裝置的前提如下:1. 天然氣回收B容器壓力將快超限;2. 杜瓦罐需要進(jìn)行氣密性試驗(yàn)時(shí),對(duì)于增壓泵的選擇,可以考慮配備內(nèi)燃機(jī),其燃燒天然氣驅(qū)動(dòng)增壓泵,減少其他能源消耗。如圖2所示,通過管路將低壓容器A、高壓容器B、液化容器C、增壓泵、換熱器連接。將受檢車用LNG氣瓶排氣回收至低壓容器A,待壓力平衡后,打開定制內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣閥啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī),通過內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)增壓泵,將低壓容器A內(nèi)天然氣壓縮后輸送至高壓容器B。此泵預(yù)設(shè)出口最高車用LNG壓力,達(dá)到最高壓力時(shí)自動(dòng)停機(jī)(或手動(dòng)停機(jī))。高壓容器B內(nèi)的天然氣可通過增壓管路進(jìn)入氣瓶增壓,或者進(jìn)入換熱器內(nèi),液氮?dú)饣瘯r(shí)吸收大量的天然氣熱量,使天然氣凝結(jié)成液化天然氣,液化天然氣流進(jìn)液化容器C,由液氮罐引出進(jìn)入換熱器的液氮?dú)饣傻獨(dú)膺M(jìn)入杜瓦罐檢驗(yàn)區(qū)。液態(tài)管路裝設(shè)保溫棉等保溫設(shè)施,以減少漏熱氣化。液化容器C內(nèi)儲(chǔ)存的液化天然氣可作為科研項(xiàng)目燃料或充裝介質(zhì),也可對(duì)受檢車用LNG氣瓶進(jìn)行充裝等。

圖2 檢測站一體化天然氣回收裝置

裝置實(shí)施后,檢驗(yàn)過程如下:進(jìn)入檢驗(yàn)區(qū)的車用LNG氣瓶通過管路連接,直接使用增壓管線使天然氣快速增壓至工作壓力(例如1.59 MPa)即可進(jìn)行氣密性試驗(yàn)及其他項(xiàng)目檢查;完畢后連接回收管路進(jìn)行泄壓,靜置后準(zhǔn)備進(jìn)行靜態(tài)蒸發(fā)率測試;靜態(tài)蒸發(fā)率測試完畢后,連接增壓管路進(jìn)行增壓直至達(dá)到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料使用壓力(如0.8 MPa),汽車即可駛離檢測站。根據(jù)需要還可為車載氣瓶充裝一定量的液化天然氣,過程方便快捷。該裝置長期停用后恢復(fù)使用前必須進(jìn)行置換、檢漏。

設(shè)備裝置配置方面,增壓泵可采用防爆類型雙級(jí)雙作用冷媒增壓泵,使用以天然氣為燃料的內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)增壓泵,管路配置排空裝置及安全泄放裝置。低壓容器A可選用容積為4 m3的立式儲(chǔ)氣罐,工作壓力為2 MPa;高壓容器可選用容積為3 m3的立式儲(chǔ)氣罐,工作壓力為10 MPa。液化容器C為LNG低溫儲(chǔ)罐,可選用立式,容積為4 m3,工作壓力為1.6 MPa,型號(hào)為JCL-4/1.6。筆者單位氣瓶檢測站整套設(shè)備管路鋪設(shè)基于原有車用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)場所,將杜瓦罐定期檢驗(yàn)區(qū)及液氮罐合理有效地利用起來,一起搭建增泄壓及回收系統(tǒng)。成本方面包括采購鋪設(shè)管路、保溫材料、閥門及安全附件和根據(jù)地形、區(qū)域定制3個(gè)容器罐及增壓泵等,綜合費(fèi)用不超過20萬元?；诎踩矫婵紤],該系統(tǒng)裝置需安裝在空曠區(qū)域,以防止天然氣泄漏引起火災(zāi)、人員窒息等,設(shè)備需定期維護(hù)保養(yǎng)。如非敞開式區(qū)域,必要時(shí)裝設(shè)天然氣檢測報(bào)警儀,并配套相關(guān)安全設(shè)施。

5 法律依據(jù)

隨著國家經(jīng)濟(jì)的高速增長,能源消耗同樣巨大,給社會(huì)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。金山銀山不如綠水青山,人們對(duì)節(jié)能環(huán)保越來越重視。各地政府對(duì)環(huán)境保護(hù)問題采取了各種措施及辦法,對(duì)污染環(huán)境的企業(yè)進(jìn)行重點(diǎn)督查。在特種設(shè)備行業(yè)中,國家相關(guān)法律法規(guī)對(duì)特種設(shè)備的制造、經(jīng)營、使用、檢驗(yàn)檢測等環(huán)節(jié)的節(jié)能環(huán)保提出了要求。

如《高耗能特種設(shè)備節(jié)能監(jiān)督管理辦法》第三十一條規(guī)定:從事高耗能特種設(shè)備能效測試的檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu),應(yīng)當(dāng)按照《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》以及特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范等有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求,依法進(jìn)行高耗能特種設(shè)備能效測試工作。

《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》第八條規(guī)定:國家鼓勵(lì)推行科學(xué)的管理方法,采用先進(jìn)技術(shù),提高特種設(shè)備安全性能和管理水平,增強(qiáng)特種設(shè)備生產(chǎn)、使用單位防范事故的能力,對(duì)取得顯著成績的單位和個(gè)人,給予獎(jiǎng)勵(lì)。國家鼓勵(lì)特種設(shè)備節(jié)能技術(shù)的研究、開發(fā)、示范和推廣,促進(jìn)特種設(shè)備節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用。特種設(shè)備生產(chǎn)、使用單位和特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu),應(yīng)當(dāng)保證必要的安全和節(jié)能投入。

6 結(jié) 論

針對(duì)車用LNG氣瓶定期檢驗(yàn)遇到的增壓速度慢、排放浪費(fèi)、污染環(huán)境、檢驗(yàn)時(shí)間跨度長的問題,用不超過20萬人民幣的成本搭建了氣瓶檢測站固定式一體化增泄壓及天然氣回收系統(tǒng),一勞永逸地解決了LNG氣瓶檢驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的噪音危害,并避免了檢驗(yàn)過程中的能源浪費(fèi),減少了天然氣的排放,減少了對(duì)臭氧層的破壞。同時(shí)在車用LNG氣瓶檢驗(yàn)工作中克服了增壓效率低、檢驗(yàn)時(shí)間過長的問題,實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益雙贏。同時(shí)也表明,對(duì)于這種檢驗(yàn)工作中遇到的難點(diǎn)問題的攻克也是相關(guān)科研院所、企事業(yè)單位研究人員科研工作和創(chuàng)新方向。