LNG氣瓶主動增壓技術研究

王崗，王周，南可

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

1 前言

液化天然氣（以下簡稱LNG）是天然氣經過提純凈化后，在-162℃低溫下由氣態變為液體狀態，體積約為氣態的l/625。其經過運輸和存儲至加液站，供用戶加液時，一般加入LNG氣瓶的溫度-138℃～-152℃、壓力0.2MPa～0.5MPa，而發動機需求的燃氣進氣壓力為0.4MPa～0.6MPa[1]，不滿足發動機進氣壓力要求。

針對該問題，歐美加液站通過調整 LNG溫度，提供高飽和的LNG（壓力0.8～2.4 MPa）滿足不同發動機的燃氣進氣壓力需求。國內加液站加注到氣瓶的 LNG一般都處在常壓狀態下，不提供高飽和的 LNG，LNG氣瓶自帶增壓裝置對氣瓶進行增壓，當壓力增加到天然氣發動機額定的工作壓力范圍后，再開始對發動機進行供氣[2]。

當前增壓裝置的原理是：氣瓶向發動機供液時，氣瓶內的液體會不斷地排出，相應的液相空間不斷減小，而氣相空間不斷增大，氣瓶的壓力又會逐漸下降，為此在供氣過程中對氣瓶按要求進行增壓，以確保供氣壓力在規定的工作壓力范圍內。其通過LNG氣瓶增壓口通過瓶體內部LNG重力流出的LNG至翅片管，LNG在翅片管吸熱氣化變成氣體后，引入氣瓶的氣相空間，實現氣瓶壓力升高，其原理見圖1[1]。

本文為提升氣瓶的增壓速率和系統的安全，以及車輛續駛里程，研究了一種 LNG氣瓶主動增壓技術，代替了現有的 LNG氣瓶自增壓技術，提升了增壓速率和系統安全，間接提升了車輛續駛里程。

圖1 自增壓原理

2 LNG氣瓶主動增壓技術

2.1 LNG氣瓶主動增壓原理

LNG氣瓶主動增壓技術為汽化器氣化后的燃氣經過增壓泵增壓后引入氣瓶的氣相空間，提升氣瓶壓力，達到增壓目的[3]。采用LNG氣瓶主動增壓技術的LNG系統其原理在供液和增壓方面與現有LNG系統有區別外，其余與現有LNG系統一致?；驹硪妶D 2，在汽化器出氣口后增加翅片管式換熱器18，隨后管路分為增壓管路和供氣管路。翅片管式換熱器的作用主要是保證發動機在未工作時氣瓶增壓、吸熱需要和燃氣溫度過高時的散熱。增壓管路進增壓泵 13增壓后，經回氣單向閥19進入氣相空間，提升氣瓶氣相壓力，增壓泵通過壓力傳感器（泵進口）17、溫度傳感器（泵進口）15、液位變送器6來監控增壓泵進口壓力、燃氣溫度、氣瓶液位，通過上述參數控制增壓泵工作。供液管路中緩沖罐13前端增加單向閥16，保證緩沖罐內的燃氣不回流，燃氣經緩沖罐13、電磁閥9、穩壓器8后供發動機使用，其中測試接口12為測試壓力和放氣預留，管路安全閥10為管路安全部件，緩沖罐壓力表為壓力顯示部件。

圖2 LNG系統匹配增壓泵原理

該增壓裝置包含增壓泵、壓力傳感器、溫度傳感器、控制器等，增壓泵有活塞、渦輪增壓等形式，本文主要針對渦輪增壓形式進行研究。

2.2 渦輪增壓泵

渦輪增壓的動力來自車輛電源，三相無刷電機上電后，驅動電機并帶動渦輪室內的渦輪轉動，其結構見圖 3。渦輪泵工作時，葉輪帶動氣體一起旋轉，借離心力和高速轉動對來自渦輪進氣口的氣體進行壓送，使之進入氣瓶氣相空間后增壓。因為轉速越高，渦輪吸入的氣體越多，其排出流量和升壓越高。 假設氣體不可壓縮，葉輪內緣和外緣的半徑分別為r1和r2，則葉輪內緣和外緣的壓力差為：

式中：

u1、u2——葉輪進口和出口處的圓周速度；

p1、p2——葉輪進口和出口處流體的壓力。

離心力時葉輪外緣壓力增加，且隨半徑及轉速的升高而加大。在葉輪進口處，由于氣體流出后壓力降低，在吸入空間壓力作用下，流體被吸入。故在離心力的作用下，流體源源不斷的被吸入和排除，形成增壓泵的連續增壓[4]。

圖3 渦輪增壓泵結構

增壓泵對氣瓶增壓的條件是排出氣體進入氣瓶的氣相空間后，氣瓶氣相壓力升高，將 LNG通過出液管路壓出并氣化，增壓泵吸入足夠的氣體并增壓，實現完整的循環。在增壓范圍內，增壓泵的全壓（渦輪進出口壓差）△p大于系統的壓阻△p阻減去增壓泵進口吸入氣體的壓降△p降，可保證增壓泵可對氣瓶增壓。參照圖2，系統壓阻△p阻為內止回閥23、回氣單向閥19、沿途管路的壓阻，其關系式為：

增壓泵進口吸入氣體的壓降△p降為泵入口初始壓力p初與泵吸入氣體后管路壓力p后的差值，其中p初、p后與泵吸入氣體容積有關，假設泵入口管路體積V初,泵吸入的體積V吸，其關系式為：

可知泵吸入的氣體越多，△p降越大，氣瓶氣相的氣體可沖開內止回閥23和管路的壓阻，進入泵的入口，則需泵的流量卻大，泵出口的氣體打入氣瓶氣相空間的氣體越多；同時增壓泵的全壓（渦輪進出口壓差）△p越大，進出壓差越大，通過往復循環，氣瓶氣相空間升壓越多[5]。

渦輪增壓泵由電機輸入的機械能因為各種損失，不可能全部傳遞給流體。這些損失的大小可用相應的效率來衡量。效率是體現增壓泵能量利用程度的一個重要指標，對增壓泵而言，其有效功率為：

增壓泵軸功率為葉輪軸端上的功率，由于增壓泵內存在各種損失，所以有效功率小于軸功率，如果總效率為 η，則增壓泵的軸功率P為：

增壓泵電機的輸出功率Pg和輸入功率Pg，in分別為：

式中：

ηtm——傳動效率，按渦輪增壓泵取值1；

ηg——電機效率。

增壓泵電機的輸出功率Pg需大于增壓泵的軸功率P，保證過載狀態下，電機有一定的富裕量，故電機實際的輸入功率PM應為：

式中：K——富裕系數，按照電機功率小于0.5kW時，取值1.5。

3 結論

本文剖析了現有 LNG氣瓶增壓裝置的缺點和不足，研究了一種 LNG氣瓶主動增壓技術的原理和渦輪增壓泵增壓原理，影響增壓速率的因素，LNG氣瓶實現的要求，以及電機功率的計算等。采用渦輪增壓泵的 LNG氣瓶主動增壓技術，提升了 LNG氣瓶的增壓速率，降低了氣瓶失真空的風險，為LNG氣瓶增壓提供了一種新的思路和方法。