液化天然氣（LNG）汽車綜述

文代志，陸 軍

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州 545007）

作為汽車燃料的液化天然氣（Liquefied Natural Gas），簡稱LNG，以其熱值高、污染少、儲運方便等特點，已逐步得到了推廣應用。

天然氣汽車以環保效益明顯、使用經濟性較好、推廣應用成本較低、安全性有保障、氣源較豐富等優點，已為世界所重視，是國內節能減排的主要代用燃料汽車之一。而隨著我國沿海20 多座LNG 接受站建成后，接受處理LNG 能力近7 000 萬t，并且我國現已建成LNG 液化工廠30 余座，年液化能力500 萬t，可供20多萬輛汽車使用；同時在西氣東輸一線、二線、中石化上海線相繼建成的情況下，管輸天然氣不斷發展，這些都為發展LNG 汽車奠定了良好的資源基礎。

1 LNG 的特點

LNG 是天然氣的一種特殊的存在形態，它是對含90%以上甲烷（CH4）的天然氣進行脫烴、脫硫、脫水、清除CO2等凈化處理后，再實施低溫冷凝等一系列處理（主要利用膨脹制冷工藝），使天然氣中的甲烷成分在–162℃時液化分離，常壓狀態下液化形成LNG 的主導成分。

LNG 的物理參數見表1。由于各地方的LNG 不盡相同，所以物理特性參數必須以LNG 供應商的為準。

（1）LNG 通過深冷前的凈化處理，幾乎除掉了天然氣中的全部雜質，深冷凈化處理過程中，又分離出不同液化點的重烴類成分和其他氣體成分，因此LNG 的純度很高。LNG 燃料成分的單一性和一致性、可靠性熱值和辛烷值高，有利于發動機壓縮比等設計參數的確定，避免了乙烷、丙烷等成分的爆燃對發動機及其部件造成的不良影響。LNG 不含硫和機油，低碳，對排放和環境有利。

表1 LNG 的物理參數

（2）LNG 的能量密度是CNG 的3 倍，這表明LNG 儲存效率更高，可以使車輛獲得較長的行駛里程，或者說在相同行駛里程的情況下，可以使車輛的總質量更小，從而比使用CNG 有更好的燃料經濟性。同時儲存效率高，也使LNG 更利于運輸，擴大了LNG 使用的地域范圍。

（3）LNG 的儲氣瓶為具有絕熱夾層的壓力氣瓶，儲存溫度約為–162 ℃，儲存壓力稍高于1.0 MPa，相比CNG 通常以20～25 MPa 的高壓儲存在高壓氣瓶中，LNG 常壓低溫絕熱儲存，比高壓儲存的容器更安全，且相對于CNG 的高壓鋼瓶，LNG 儲氣瓶總質量降低很多。

（4）使用LNG 可以充分利用其低溫特性，降低混合氣的溫度，從而降低燃燒溫度，提高發動機的熱效率，同時降低NOx 的排放。

（5）LNG 安全性能好。LNG 燃點為650 ℃，比汽、柴油、LPG 的著火點都要高，LNG 泄漏與空氣混合的爆炸極限為5%～15%，相對密度為空氣的一半，稍有泄漏，很快會在空氣中揮發擴散。而LPG 的爆炸極限為2.4 % ～9.5 %，燃點為465 ℃，氣化后密度大于空氣，泄漏后不易揮發擴散；汽油的爆炸極限為1.0%～7.6%，燃點為427 ℃；柴油的爆炸極限為0.5%～4.1%，燃點為260 ℃。因此，LNG 汽車比LPG 汽車、汽柴油汽車使用起來更安全。

（6）LNG 運輸方便。液態的LNG 便于經濟可靠地遠距離運輸，建設LNG 汽車加氣站不受天然氣管網的制約，只要找到LNG 氣源，就可以建站。

（7）在同等熱值條件下，LNG 比汽油、柴油價格便宜20%～30%，使用LNG 作為汽車燃料，將大大降低汽車的運行成本。

2 LNG 汽車的燃料系統

LNG 汽車的主要核心部件，由LNG 汽車發動機和燃料系統構成，其中燃料系統主要由LNG 儲氣瓶總成、儲氣瓶附件、氣化器和燃料加注系統等組成。

車用LNG 儲氣瓶，是作為一種低溫絕熱壓力容器，設計有雙層（真空）結構。內膽用來儲存低溫液態的LNG，在其外壁纏有多層絕熱材料，具有超強的隔熱性能，同時夾套（兩層容器之間的空間）被抽成高真空，共同形成良好的絕熱系統。外殼和支撐系統的設計，能夠承受運輸車輛在行駛時所產生的相關外力。內膽設計有兩級安全閥，在超壓時起到保護作用。在超壓情況下，首先打開主安全閥開啟壓力為1.75 MPa，副安全閥開啟壓力為2.9 MPa，設定壓力較主安全閥高，在主安全閥失靈或發生故障時，副安全閥工作，這樣使氣瓶使用確保安全。外殼在內部超壓條件下的保護，是通過一個環形的真空塞來實現的。如果內膽發生泄漏（導致夾套壓力超高），夾層壓力達到0.1～0.2 MPa，真空塞將自動打開泄壓。當真空塞發生泄漏或真空破壞，使絕熱能力下降或失效，這時可能發生外殼“冒汗”或結霜現象。當然，在與氣瓶連接的管道末端，出現結霜或凝水現象是正常的。

儲氣瓶附件主要有：進液單向閥、岀液截止閥、過流閥、壓力表、一級安全閥、二級安全閥（手動放空閥）、氣相閥、經濟閥、真空塞、液位計的傳感器及連接管路等。

LNG 在儲氣瓶中，以低溫的液態和氣態形式儲存，能夠以純液態形式或氣液混合形式從氣瓶中被放出，通過汽化器將其加熱成為氣體。汽化器安裝在氣瓶和發動機之間。汽化器與發動機冷卻水系統相連，冷卻液流經汽化器殼程并對盤管進行加溫。汽化器本身不會使LNG 燃料壓力增加。汽化器一般包括穩壓器和（水浴式）增壓器，當LNG 進入汽化器，來自發動機的高溫冷卻液將其氣化，并加熱轉化為0.5～0.8 MPa 的氣體供給發動機。

燃料加注系統包括有：加液口、回氣口、氣瓶壓力指示表、調壓后壓力指示表及其管路等，一般會將這些零件集成于一塊面板上（即加液面板），以便操作。

3 LNG 汽車的充裝

LNG 汽車的充裝，首先要在使用前，確保所有的管路連接可靠，并檢漏檢驗確認合格后方能進行。其充裝方式主要有以下3 種：

3.1 常規充裝

LNG 汽車燃料的充裝，是通過一根獨立軟管完成的。充液時，首先將瓶內壓力泄放回收（降到0.7～0.8 MPa），將加氣槍與（車用LNG 氣瓶）加液口快速接頭連接，然后啟動加氣機充液開關，LNG 將通過連接軟管，進入氣瓶內膽。液體通過安裝在內膽頂部的進液管注入。采取這種充液方式的目的，是降低氣瓶頂部壓力、對瓶內存留的LNG 閃蒸氣（BOG）進行再液化回收，以避免放空損失。充裝閥是一個單向閥，充液時液體在壓力作用下，自動進入氣瓶，無需手動開關。當液位達到額定位置時，充液自動停止。其作用原理是當LNG 液體漫過頂部進液管時，管口背壓迅速升高并與充液壓力平衡，壓力達到加氣機設定的停止壓力（約1.2 MPa），此時加氣機停止充液。

3.2 放空充裝

可以從增壓型氣瓶（或LNG 槽車）向車用LNG氣瓶中充裝LNG，用一根充裝軟管，將增壓型氣瓶和車用LNG 氣瓶加液口相連后，即可開始充液。當車用LNG 氣瓶中的壓力升高時，打開放空閥進行放空，但是必須確保增壓型氣瓶和車用LNG 氣瓶的氣體飽和壓力，不低于發動機所需的工作壓力。連續充裝直到LNG 從放空閥溢出，依次關閉放空閥和增壓型氣瓶充液閥，并卸下充液軟管。

3.3 熱瓶充裝

通常將首次充裝LNG 前和停止工作兩周以上的車用LNG 氣瓶稱為“熱瓶”。熱瓶的充裝，按照以下程序進行：

首先向瓶內充入大約15 L 的LNG，靜置，在瓶內LNG 氣化升壓的過程中，氣瓶內膽也得到冷卻；當瓶內壓力達到正常工作壓力后，進行系統的檢漏；通過放空降低壓力后，即可按常規充裝程序進行操作。

4 LNG 汽車的運行及維護注意事項

4.1 運行操作注意事項

LNG 汽車的運行操作程序，一般應注意以下數點：

（1）每天行車之前必須檢查氣瓶與托架、供氣裝置與安裝梁之間固定是否牢固，燃氣設備的狀態是否完好，所有氣管的連接處是否漏氣，檢查各傳感器接頭是否有松動現象。

（2）檢查完畢后先打開氣瓶放空閥、然后緩慢打開出液閥（一般開啟3-4 圈即可）。打開各閥門時要將閥門完全打開后要回擰一圈，以防閥門被卡住。停車后先關閉出液閥，放空閥可處在常開狀態。若停車時間超過兩天，則需關閉放空閥，每天檢查一下氣瓶壓力，若高于1.5MPa，則應泄壓。瓶內壓力過高時一定要開啟放空閥放空泄壓，應盡量避免安全閥的頻繁開啟。

（3）發動機啟動后怠速運行30 s，檢查機油壓力和水溫是否正常。

（4）單燃料氣體發動機在環境溫度較低的情況下起動后短時間內可能發現排氣管冒白煙或有水滴冒出，這屬于正常現象，原因是NG 中H 含量較多，故最終燃燒產物中H2O 較多，在低溫時不能汽化，形成白煙或水滴。隨著排溫升高，白煙和水滴將消失。

（5）其余使用操作及注意事項與使用汽油燃料時相同。

4.2 燃料系統維護注意事項

LNG 汽車（燃料系統）的維護，應注意以下事項：

（1）LNG 燃料系統的定期維護與修理，應在有關資質認證部門取得合格證書的專業的維修廠（場）進行。

（2）執行LNG 車輛燃料系統維護和修理的技工，須經過專業培訓，并取得培訓合格證，其他人員不得擅自維修。

（3）維修場地嚴禁吸煙，場內應有防火消防措施。如氣瓶已充氣，車輛與周圍明火距離不得小于10 m。

（4）維修車輛時，嚴禁敲擊或碰撞氣瓶、減壓閥、管線、及各種閥體。

（5）在車輛維護和故障排除過程中，如涉及燃氣裝置的管路接頭、閥門、儀表、減壓裝置的拆裝、調整等作業時，維修人員應首先斷開蓄電池供電電路（若需要進行電焊操作時，則必須拆除總電源正負極），關閉總氣閥與瓶閥，待卸壓后方可拆卸故障部位。

（6）如果難以準確診斷困難，在保證車輛周圍10 m 內無明火的前提下，允許開啟總氣閥進行帶壓檢查。漏氣部位明確后，應立即關閉總氣閥和全部瓶閥，待卸壓后方可拆卸、維修。

（7）排除供氣系統故障時，必須關閉總氣閥和全部瓶閥，進行管路卸壓，嚴禁在帶壓狀態下進行修理作業。

（8）應嚴格檢查卡套是否完好無損。高壓管線、卡套接頭只能更換新的，不允許重復使用。在維修好后，應采用氣體檢測儀或肥皂水進行泄漏檢驗。

（9）在拆檢管路和各種接頭后，必須對管路進行吹管處理，防止燃氣管路內進入沙塵。

（10）在沖洗車輛時，應特別注意避開發動機電控系統部件，如火花塞、點火線圈、噴射閥等。

5 安全防護及應急處理方案

（1）LNG 汽車的操作過程中的潛在危害，主要來自LNG 的物理性質。因LNG 在環境大氣壓下，具有極低的溫度（-162 ℃），皮膚或眼睛接觸到液化天然氣，會導致類似燒傷的冷灼傷。LNG 具有很大的氣液體積比，如果減壓措施不當，將導致壓力迅速升高。天然氣是窒息性、易燃性氣體，因此在有LNG 或NG的現場內工作時，需具有必要的安全常識，遠離火焰或電火花；在LNG 相關系統維修、充裝、存儲的地區，不允許煙火進入；在有LNG 的場所工作時，需戴護目鏡、臉罩、絕熱手套；在拆卸零件維修時，需給LNG 氣瓶排空、卸壓、置換；進入盛裝LNG 氣瓶現場人員，均應穿能防火和防靜電的工作服及工作鞋；操作人員應培訓上崗；氣瓶在不使用時，操作人員應關好所有閥門；安全閥的出口，應連接入安全外部排泄系統。

（2）應急處理人員的著裝要求。要對眼睛、皮膚等易與液體接觸的部位，進行保護；要戴上防護鏡或面套，建議戴上易于脫下的防護手套和長套袖，保護胳膊；要穿上無箍口長褲，褲管要蓋住鞋子，以擋住溢出的液體；應急處理人員的衣服，應為棉制，最好是沒有口袋也沒有卷起的部分；嚴禁穿戴可能引起靜電的化纖衣物，腳部應穿沒有鐵釘的皮鞋。

（3）處于火災環境時。應及時關閉所有與氣、液相通的閥門。當閥門無法關閉或泄漏處無法堵塞時，切不可用水直接噴淋液體泄漏處，推薦使用干粉（最好是碳酸鉀）滅火器。應急處理人員應經過對LNG 引發的火災使用干粉滅火器的訓練。

（4）內容器意外泄漏時。此時，因內部液體泄漏，而使內容器處于過剩壓力狀態下，將會導致并造成事故，應盡快小心地將瓶內的液體排放出來。在條件許可的情況下，應盡快將損壞的瓶轉移至無明火、易燃物以及無行人通過的場所，進行應急處理。

（5）處于閥門凍住時。若閥門凍住，應使用清潔無油的溫水或熱氮氣解凍后，方可操作。不得用錘或其他物件敲擊。

6 結束語

可以看到，LNG 具有污染低、抗爆性好、蘊藏豐富、推廣應用成本低、儲運方便等特點，而LNG 相關車輛應用技術、加氣技術的發展，已日趨成熟。隨著我國能源及環境問題的日益突出，我國政府逐步推廣了對LNG 能源產業的建設和支持，使LNG 燃料汽車在我國將有著廣闊的發展前景。

[1]黃海波. 燃氣汽車結構原理與維修[M]. 北京：機械工業出版社，2002.

[2]孫濟美. 天然氣和液化石油氣汽車[M]. 北京：北京理工大學出版社，2002.

[3]郭揆常.液化天然氣（LNG）應用與安全[M].北京：中國石化出版社，2008.