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安耐吉论LNG汽车的发展

发布时间:2018-09-04 11:23  点击次数:
        随着我国天然气汽车工业的发展和液化天然气的优良特性,液化天然气汽车正在成为研究热点,同时,LNG加注站的规模也在不断扩张。先容了液化天然气汽车的发动机、燃料系统主要组成部分的功能和原理,回顾了我国液化天然气汽车发展历史、应用现状,并且将LNG、CNG和汽油三种车用燃料进行了比较,从而可以看出液化天然气汽车比CNGV和汽油汽车更加清洁、安全和经济。最后指出了现阶段研究中存在的发动机功率下降、液化天然气自汽化和LNGV改装成本等主要问题,提出了国家要制定相关政策和法规推进我国LNGV发展,加快制定有关标准和规范推进LNGV生产实行统一化和规模化等建议。 
 
一、液化天然气概述 
液化天然气(Liquefied Natural Gas 简称LNG)是天然气经净化和液化(-162℃)后形成的,液化后其体积只有液化前的1/625,也就是说其汽化为气体后,体积将扩大625倍。其主要成分是甲烷(75%以上)。相对密度(气体)为0.60~0.70,液体密度是430~460Kg/m3,高热值41.5~45.3MJ/m3,燃点650℃,爆炸极限为5%~15%,压缩系数为0.74~0.82,其H2S含量不超过4×10-6(φ),总含硫不超过30(气体),N2含量不超过1.0%(摩尔)[1]。 
 
二、液化天然气汽车组成 
液化天然气汽车(LNGV)是将液化天然气储存在温度为112K、压力为0.1MPa左右的储存罐内,其密度为标准状态下的600多倍,体积能量密度约为汽油的72%,已接近汽油[2]。液化天然气汽车主要由发动机和燃料系统组成。 
1.LNGV发动机 
国内外对LNGV发动机的研究起步较晚,由于LNG的优良特性使得LNGV的发动机具有许多优点,例如LNG燃料成分的单一性有利于发动机压缩比等设计参数的确定,避免乙炔、丙烷等成分的爆燃对发动机及其部件的不良影响;利用其低温特性降低混合气的温度,提高发动机的热效率,同时降低NOX的排放等。美国的各大发动机企业如BMW、Caterpillar、Cummins、Detroit Diesel、Dodge Gasoline、Ford、John Deer、Mack等均生产LNG发动机,其排放都至少满足美国的低排放标准(LEV) ,Cummins企业的LNG发动机甚至可以满足超低排放标准(ULEV)。另外,日本的SUZIKIM,NISSHIN等多家企业也已经成功地研制出应用于微型客车的LNG电控进气道多点喷射发动机[3]。我国目前尚无自主研发的液化天然气发动机。  
2.LNGV燃料系统 
LNGV车用燃料系统主要由LNG储罐、连接管线、充气接口、汽化器、液位和压力指示表、气体供给装置等部件组成,如图1[4,5]。
(1)车用LNG加注存储罐 
它是LNGV组成中最关键的设备之一。一般LNG被储存在-160℃以下,储存压力0.13~0.16MPa,因此要求储存容器耐低温、耐压, 目前多采用双层金属真空加多层缠绕绝热,要求LNG日蒸发率在2%以内(7~14天之内不产生蒸发损失)。目前国内主要使用德是美国MVE企业生产的储罐,这种储罐使车用燃气的供给不需要用泵或专用的增压汽化器,简化了系统结构、提高了其工作的可靠性,同时降低了制造成本。另外,这种储罐加气时,无须对罐内残存的气相做放空处理,可以使用单管加气系统,省去了加气站放空管线。 
(2)车用LNG汽化器 
它的主要作用就是利用发动机冷却水做热源(少量即可),将LNG汽化。为了减轻车辆载重,一般由铝合金制造。水浴式LNG汽化器是一种典型的小型管壳式结构,串联在发动机冷却液回路上,采用逆流换热的工作原理利用发动机冷却液对LNG或LNG和气相天然气的混合物进行汽化和加热。发动机工作在不同工况下,单位时间内流经汽化器的燃料流量也将随之变化,这种流量的变化主要依赖于储罐和汽化器出口的压力差,随着发动机负荷的增加, 压力差也将随之增加,从而导致天然气流量的增加,反之亦然。 
(3)燃气供给装置 
所谓燃气供给装置是指汽化器之后的燃气供给和控制装置,包括减压调节器、功率调节阀和混合器等,与CNGV车用燃气供给装置略有区别的是减压调节器的入口压力不超过2MPa,通过1~2级减压即可,其它部分与CNGV车用燃气供给系统基本相同。 
(4)减压调压阀和混合器 
减压调压阀其基本原理和性能与压缩天然气汽车(CNGV)系统相同, 就是将汽化器产生的天然气压力(约0.145MPa)调压到车用压力(约0.115MPa)。压缩天然气(CNG)由于压力高采用三级调压,而LNG采用一级调压就可以了。混合器是一种利用文丘里原理, 保证空气/ 燃料在静态与动态下均能按正确比例混合的机械装置。 
(5)安全系统 
该系统主要由主、副安全阀,过流阀、放空阀和单向阀等装置组成,分别控制燃气压力、流量和流向。主安全阀(设定压力为1.6MPa)、副安全阀(设定压力为2.4MPa)用来保证系统压力不超过最大工作压力,以保证车辆的安全;过流阀作用是下游(主要指汽化器之后)供气管路一旦发生破裂或断开事故时,燃气流量超过设定值,过流阀迅速切断气路,避免燃气大量外泄;放空阀作用是在系统检修或车辆长期停驶时用来排尽罐内残存的燃料,放空管线一般设置在车辆外廓的最高点,且远离火源和蓄电池等部件;单向阀作用是防止燃料倒流。 
 
三、我国液化天然气汽车现状 
我国LNG汽车尚处于实验阶段,仍有一些技术问题需要开发研究,特别是天然气液化和储存技术,目前国内有几家正在研制汽车的LNG装置。吉林油田与中国科学院低温实验中心合作研制了一套500L/h的LNG加注装置;中科院低温实验中心与四川绵阳燃气集团企业合作研制了LNG-20型装置和一套300L/h的LNG装置,并开始使用。 
绵阳第一辆LNGV已经行驶4000km以上,第二辆已经行驶2000km以上,情况良好。1990年开封市内的三辆LNGV,已经行驶4000km[6]。北京市公交总企业从2001年与首科中原企业合作组建一个规模为50辆LNG公共汽车的示范车队,1座LNG科技示范站。目前,北京市公交总企业已拥有11辆LNG公共汽车。其中10辆11m单机车,1辆14m铰接车。两种车型均选用CHART企业410L的LNG储罐一只,可贮存240Nm3的天然气。2003年最先投入使用的1辆单机样车现已运行12万公里;14m样车已行驶近8万公里;其余车辆于2004年2月投入使用,平均每车行驶了近4万公里。截止到2004年7月LNG车辆的总行驶里程已近60万公里。2002年11月,LNG科技示范站在公交315路总站建成并投入试运行,成为国内首座车用LNG加注站。该示范站设备选用美国CHART企业产品,站内设有1座总容量为50m3的LNG立式储罐。日加气能力为1.2万Nm3最多可满足100辆LNG公交车的加气需求[6]。2003年河南中原绿能高科有限责任企业与贵州红华科技合作,成功地开发奔驰1929S型柴油—LNG电控喷射双燃料LNG槽车。2005年东风南充市汽车有限企业,首批投放全国市场的50辆LNG客车在长沙经过20多天的营运,情况良好[7]。 
随着我国对LNG研究的深入,制约LNG汽车市场的“瓶颈”将相继被突破。LNG用于汽车燃料的弱点是低温-162℃储存,不宜长时间存放。现在已开发出了能使其存放7天车载燃气系统,只要把LNG汽车发展最理想的对象锁定在公交车、出租车上,就可扬长避短,克服LNG低温储存时间短的缺陷,突破不易低温储存的“瓶颈”;另一个弱点就是LNG汽车改装燃气系统成本费用较高。目前国内已经开发一种功能比较完善、技术比较成熟的LNG汽车燃气系统,据测算,一套大车燃气系统的价格约1.5万元人民币,较进口的便宜2/3 到1/3,一套小车的价格约需1万元人民币,考虑市场的成熟和扩大,其价格将会大幅度下降[8]。上海交通大学与上海申沃客车有限企业等单位合作对液化天然气供气系统中的燃料等关键部件进行了研究,并对所选用的燃料储罐、供气管路等部件在CumminsCG-250发动机试验台架上进行了试验研究,在此基础上,开发了SWB6115LQ-3型液化天然气公交车,而且样车的动力性能和排放指标经测试能够满足公交车使用要求[9]。同时LNG冷量利用的研究也提上了研究日程。车用LNG冷量利用有动力利用和制冷利用,但是由于冷量动力利用涉及大量的技术和高昂的使用代价,所以动力利用不可能马上实现;而制冷利用一般来说有两种用途,一是车用空调,二是用于运输物资的冷藏,制冷利用作为一种简单的冷量利用方式,具有强大的竞争力,应该大力普及[10~12]。 
 
四、几种汽车燃料比较 
1.天然气与汽油的比较 
天然气与汽油相比,天然气具有价格便宜、辛烷值高、燃烧充分、低硫、低氮、无灰及减少环境污染等优点。并且天然气发动机的各种操作性能,如冷启动、耐磨损、易维护等优于汽油发动机。但是其最大缺点是其能量密度太低。1L汽油燃烧后可释放3.48×104kJ的热量,而常温常压下1L天然气完全燃烧释放40kJ的热量,仅为汽油的0.11%[13,14]。 
2.LNG与CNG的比较 
(1) 清洁性 LNG所含甲烷纯度可达99%以上, 不含硫等有害成分, 汽车使用相当干净, 对环境和汽车发动机都有利。 
(2) 安全性 CNG是在20至25MPa压力下将天然气储存在储气瓶中,而LNG是将沸点为-162℃的液态天然气储存在压力为0.05至0.5MPa的绝热容器中。LNG汽化后常压下密度比空气还小,即使LNG发生泄漏,也会很快分散到空气中,自燃爆炸的可能性较小,所以LNG具有很高的安全性。 
(3)经济性 LNG加气站占地面积小,无噪音,运行成本低,其建站的一次投资相对CNG加气站节约30%左右,且能减少日常的运行和维护费用近50%;由于LNG的辛烷值(见表1)高于其他燃料,其组分均是低分子,结构简单,H和C原子比较接近,所以LNG具有较好的抗振爆性、燃烧性和冷启动性,作为汽车代用燃料,LNG能有效确保发动机平稳运转,降低噪音污染,与常规燃料相比,可节约发动机的维修费用50%以上;LNG比CNG单位价格热值高,燃烧得更完全、更充分,再加上LNG具有能量密度大、储存效率高,更利于运输,使用的地域范围更广;另外与CNG加气站相比,LNG加气站占地面积小,无噪音,运行成本低,其建站的一次投资相对CNG加气站节约30%左右,且能减少日常的运行和维护费用近50%,。因此LNG具有较强的经济性和适用性。 
(4)扩展性 在LNG加气系统中增设LNG高压泵和高压气化器,建成LNG与CNG加气站,可以直接把LNG转化为CNG。LNG与CNG加气站既可以为LNG燃料汽车加气,也可以为CNG燃料汽车加气,这样就可以避免CNG汽车燃料系统的改造,消除了CNG汽车加气受天然气管网和气源的限制[15~17]。 
LNG、CNG和汽油的性能比较见表1。
表1 LNG、CNG和汽油的性能比较
 
燃料 
热值  
(MJ/m3) 
密度  
(kg/m3) 
储存压力(MPa) 
爆炸极限(%) 
燃料质量(kg) 
容器容积(L) 
容器质量(kg) 
辛烷值  
储存能量密度(MJ/kg) 
单位价格热值(MJ/元) 
LNG 
38.51 
420-480 
20-25 
5-15 
35 
70 
55 
130 
19.37 
21.40 
汽油 
41.86 
720-750 
常压  
1.0-7.6 
27 
36 
7.75 
70-99 
35.12 
10.31 
CNG 
33.79 
160-200 
0.18-1.4 
5-15 
131 
6.82 
901 
47.32 
601 
622 
130 
8.871 
5.02 
18.02
 
注:1.CNG复合材料气瓶;2.CNG钢制容器;3.费税改后的单位价格热值,其中汽油是90号汽油。(2004年数据) 
 
五、问题及建议 
1.研究中存在的问题 
(1)发动机功率下降。在汽油车基础上改装的LNG/汽油两用燃料车辆,其中最为突出的是发动机功率下降问题。发动机功率和压缩比有关,而压缩比和燃料辛烷值有关,虽然LNG具有较高的辛烷值,但是目前投入运行的大多是两用燃料汽车,既可以用LNG,也可以用汽油。这种两用燃料汽车为了兼顾使用汽油的需要,压缩比提高较小或者没有提高。因此天然气高抗爆性的特性并未得到充分发挥,导致发动机功率下降。 
(2)LNG自汽化问题。尽管LNG车用储罐是绝热的,但是仍然由热量漏入,因此会有蒸发现象存在,一旦汽车遇到事故停止前进,就会造成容器内压升高,而低温容器一般不耐压或者耐压能力低,这样就有可能发生事故。目前一般采取的措施是当压力升高至设定压力时,安全阀打开自动放气,这样污染了环境,而且如果是在车库还有发生爆炸的可能。而且蒸发和排放的气体重含有大量的甲烷成分,有可能导致LNG质量的劣化。 
(3)LNGV改装件的价格问题。在美国一套LNGV改装件的价格根据其容积不同大体在3000~5000美金之间,国内生产的LNGV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LNGV改装件的生产成本较低,但降低LNGV改装件的价格将是LNGV实际应用中必须面对的问题[17,18]。 
2.建议 
我国现在已经和即将建设的LNG工厂和沿海LNG接受站为推广LNG汽车提供了有力的支撑。国外LNG技术基本已没有技术难点,已经达到实用技术水平,但是价格昂贵,无法在国内推广使用,但是大家可以借助国外成熟的LNG汽车技术和设备,依靠国内低温行业的技术力量完全可以解决技术难题,使国内LNG汽车技术达到实用水平。 
由于LNGV的发展不是单方面的,它是一个系统的复杂的工程,需要各方面协调、鼓励、支撑。国家要制定相关政策和法规,推进LNGV的应用;加大对关键技术的攻关力度,实现关键技术国产化,降低LNGV的生产成本;加快制定LNGV相关标准规范,使得LNGV生产统一化、规模化(目前我国正在拟制定的LNGV相关标准和规范有《液化天然气汽车定型试验规程》、《液化天然气汽车燃料系统技术条件》、《液化天然气汽车燃料系统安装要求》等)。相信在不久的将来,随着我国沿海LNG加注工厂的建成,LNGV将迎来它发展的春天。 
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