LNG加气机在汽车加注三个阶段的研究

摘要：LNG工业经过了几十年发展的经验，监测技术及安全防护技术的不断发展，加之国际及国内相应的政策法规不断完善，使得LNG生产、储运及应用的各个环节更加安全，尽管如此，LNG毕竟属于易燃易爆而又能量集中的危险品，因此对LNG安全利用研究的重要性依然意义重大，本文将加注机对汽车钢瓶加注分为了三个阶段，对加注过程的三个阶段进行了理论分析，通过分析得出了各个阶段的压力变化规律，进而对LNG加气机的加气控制提出了建议。

关键词：LNG加气机；汽车加注；单管加注；设计；加气控制

中图分类号：U473

天然气是一种优质洁净的化石能源，我国液化天然气（LNG）贸易随着工业的发展快速而稳定的增长，年增长率达8%以上。近年来在中国能源消费结构中，增长很快。

在目前原油和成品油高价的时代，天然气和LNG的价格优势是推动天然气汽车产业的根本动力。根据目前全国各地市场LNG资源价格不同，LNG用做汽车燃料成本可降低10-40%。加之，同燃油汽车相比，应用LNG做汽车燃料，可综合降低废弃污染排放量83%。绝对的价格优势及环保的特性无疑将推动LNG产业的更大发展

然而LNG毕竟是危险品，而且能量集中，因此LNG的安全利用尤为重要。由于低温液化气体受热容易膨胀，而液体具有不可压缩性，所以储罐必须留出一定的气相空间，使介质受热后有空间膨胀。如果加注过量，气相空间不足，低温液体将充满整个储罐。低温液体燃料的液位如果超过了排气管入口高度，储罐压力一旦超过安全阀的设定压力时，储罐向外释放的将是液态的天然气，LNG的溢出具有极大的危险性。因此，避免加注过量是加气机设计中必须要考虑的。

1单管加注及双管回流加注的对比

LNG燃料加注方法可分为单管加注和双管回流加注。加注机之前一般采用双管回流加注，但近年来随着单管加注技术的成熟，简化了加注过程。

1.LNG储罐2.潜液泵3.接收装置4.5.6.阀门

如上图，单管加注过程为储罐LNG经阀门4通过潜液泵再经阀门5流向接收装置，阀门6及其管路不接入；双管回流加注在单管加注基础上接通阀门6及其管线。

单管加注方式对接收储罐内部有一些特殊的要求，接收装置内部的顶部需要有喷淋装置，LNG从喷淋装置以雾状形式喷出，实现对储罐内的蒸汽进行冷凝、降压和加注。加注过程一般分为三个阶段：冷凝降压、稳态加注和急速升压。

2单管加注三个阶段的分析

在进行LNG冷凝加注过程的热力特性分析时，首先要了解燃料储罐在补给燃料之前状态，我们以温度较高的燃料储罐为例。

当LNG进入到温度较高的燃料储罐，以雾状形式向气相空间喷淋。气相空间的LNG蒸汽受到温度稍低的LNG冷却，使储罐的压力迅速下降，使LNG快速充入储罐，这就是冷凝降压阶段。然后进入第二阶段，稳态加注阶段，储罐的压力稳定，这主要是由雾状LNG冷凝作用，这时储罐的压力近似等于甲烷的饱和压力，当液面漫过喷淋口时，加注进入第三阶段：急速升压阶段，这时喷淋棒对气相空间不再有冷淋的作用，继续进入储罐的液相向上压缩气相空间，使气相空间的压力、温度上升，储罐的压力因此上升，抵制液体的继续流入，这一阶段中LNG的流速呈下降趋势。第三个阶段的两个重要标志就是：压力迅速上升，流量变小。

3加注机对加注三阶段的控制

加注机在不同加注阶段对潜液泵的控制不宜采用固定频率输出的方式，宜采用PID调压控制方式控制。

（1）在冷凝降压阶段，加注机控制加注时，将小循环预冷切换到出液状态的过程应考虑加气枪连接软管的温度状态，若温度过高，当LNG流经软管时会迅速气化，被气化的LNG被顶入燃料储罐会导致储罐及加注管路的压力迅速上升，此时PID的调节来不及降低泵出口的压力，有可能会导致出口压力过高，顶开安全阀，导致危险情况发生。所以，在加注第一阶段开始时对潜液泵频率的输出控制宜在保证压差的前提下适当降低频率输出，变频器的爬坡时间应参考冷凝时间的经验值。

（2）在稳态加注阶段，一般认为加注第一阶段过后，储罐的压力会上升，但这种储罐的喷淋棒喷出的是雾状液体，储罐内的气体受到液体的挤压做功，同时又受到冷却作用，加注过程中气体大量冷凝，储罐在第二阶段中压力几乎不变。第二阶段中压力稳定，是加注过程中较容易把握的阶段，这个阶段时间最长，压力最低，加注量最大。因此可以根据这个阶段的储罐温度压力特性，来确定低温泵的扬程，以保证加注的时间，一般加注机宜将出口压力的设定值保证在1.2MPa。

（3）急速升压阶段，当液面漫过喷淋器的时候，加注进入到第三个阶段：急速升压阶段，气相空间的气体被压缩，储罐的压力迅速上升。气体只与壁面、液面换热，dQg-f=0，所以：dU=dW-dQg-w-dQg-l

式中：dQg-f为气体雾状LNG的换热。

dU为气体内能的增量。

dW为液面向上挤压气象空间做的功。

dQg-w为气相空间与壁面换热。

dQg-l为气体与低温液体液面上的换热。

经上式可分析，在第三阶段中，气相空间的压力开始上升迅速，随着加注进行，压力上升速度减慢；流体流量开始迅速减小，到一定程度时，流量将变化不大。

我们对一个容积240L的储罐进行简单分析，我们取加注的LNG温度为130K，加注时间必须控制在5分钟以内，取加注管路内径为10.0mm，不计管路摩擦阻力和局部阻力，认为加注站储罐的压力约等于饱和压力。取低温泵的扬程ΔPp=0.8X105Pa。为了保证气相空间，设定喷淋棒上方体积为33L。通过模型计算得到第三阶段气相空间特性图，如下图所示：

从图中可得出控制阀的压力要在4秒时动作，根据不同的气相最小空间的需要一般这个时刻控制在4S到10S，从而避免LNG的过充。

参考文献：

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