LNG氣瓶主動(dòng)增壓技術(shù)研究

王崗，王周，南可

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

1 前言

液化天然氣（以下簡(jiǎn)稱(chēng)LNG）是天然氣經(jīng)過(guò)提純凈化后，在-162℃低溫下由氣態(tài)變?yōu)橐后w狀態(tài)，體積約為氣態(tài)的l/625。其經(jīng)過(guò)運(yùn)輸和存儲(chǔ)至加液站，供用戶(hù)加液時(shí)，一般加入LNG氣瓶的溫度-138℃～-152℃、壓力0.2MPa～0.5MPa，而發(fā)動(dòng)機(jī)需求的燃?xì)膺M(jìn)氣壓力為0.4MPa～0.6MPa[1]，不滿足發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力要求。

針對(duì)該問(wèn)題，歐美加液站通過(guò)調(diào)整 LNG溫度，提供高飽和的LNG（壓力0.8～2.4 MPa）滿足不同發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)膺M(jìn)氣壓力需求。國(guó)內(nèi)加液站加注到氣瓶的 LNG一般都處在常壓狀態(tài)下，不提供高飽和的 LNG，LNG氣瓶自帶增壓裝置對(duì)氣瓶進(jìn)行增壓，當(dāng)壓力增加到天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)額定的工作壓力范圍后，再開(kāi)始對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行供氣[2]。

當(dāng)前增壓裝置的原理是：氣瓶向發(fā)動(dòng)機(jī)供液時(shí)，氣瓶?jī)?nèi)的液體會(huì)不斷地排出，相應(yīng)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(huì)逐漸下降，為此在供氣過(guò)程中對(duì)氣瓶按要求進(jìn)行增壓，以確保供氣壓力在規(guī)定的工作壓力范圍內(nèi)。其通過(guò)LNG氣瓶增壓口通過(guò)瓶體內(nèi)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(shí)現(xiàn)氣瓶壓力升高，其原理見(jiàn)圖1[1]。

本文為提升氣瓶的增壓速率和系統(tǒng)的安全，以及車(chē)輛續(xù)駛里程，研究了一種 LNG氣瓶主動(dòng)增壓技術(shù)，代替了現(xiàn)有的 LNG氣瓶自增壓技術(shù)，提升了增壓速率和系統(tǒng)安全，間接提升了車(chē)輛續(xù)駛里程。

圖1 自增壓原理

2 LNG氣瓶主動(dòng)增壓技術(shù)

2.1 LNG氣瓶主動(dòng)增壓原理

LNG氣瓶主動(dòng)增壓技術(shù)為汽化器氣化后的燃?xì)饨?jīng)過(guò)增壓泵增壓后引入氣瓶的氣相空間，提升氣瓶壓力，達(dá)到增壓目的[3]。采用LNG氣瓶主動(dòng)增壓技術(shù)的LNG系統(tǒng)其原理在供液和增壓方面與現(xiàn)有LNG系統(tǒng)有區(qū)別外，其余與現(xiàn)有LNG系統(tǒng)一致。基本原理見(jiàn)圖 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(fā)動(dòng)機(jī)在未工作時(shí)氣瓶增壓、吸熱需要和燃?xì)鉁囟冗^(guò)高時(shí)的散熱。增壓管路進(jìn)增壓泵 13增壓后，經(jīng)回氣單向閥19進(jìn)入氣相空間，提升氣瓶氣相壓力，增壓泵通過(guò)壓力傳感器（泵進(jìn)口）17、溫度傳感器（泵進(jìn)口）15、液位變送器6來(lái)監(jiān)控增壓泵進(jìn)口壓力、燃?xì)鉁囟取馄恳何唬ㄟ^(guò)上述參數(shù)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(nèi)的燃?xì)獠换亓鳎細(xì)饨?jīng)緩沖罐13、電磁閥9、穩(wěn)壓器8后供發(fā)動(dòng)機(jī)使用，其中測(cè)試接口12為測(cè)試壓力和放氣預(yù)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(tǒng)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(duì)渦輪增壓形式進(jìn)行研究。

2.2 渦輪增壓泵

渦輪增壓的動(dòng)力來(lái)自車(chē)輛電源，三相無(wú)刷電機(jī)上電后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)并帶動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 3。渦輪泵工作時(shí)，葉輪帶動(dòng)氣體一起旋轉(zhuǎn)，借離心力和高速轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)來(lái)自渦輪進(jìn)氣口的氣體進(jìn)行壓送，使之進(jìn)入氣瓶氣相空間后增壓。因?yàn)檗D(zhuǎn)速越高，渦輪吸入的氣體越多，其排出流量和升壓越高。 假設(shè)氣體不可壓縮，葉輪內(nèi)緣和外緣的半徑分別為r1和r2，則葉輪內(nèi)緣和外緣的壓力差為：

式中：

u1、u2——葉輪進(jìn)口和出口處的圓周速度；

p1、p2——葉輪進(jìn)口和出口處流體的壓力。

離心力時(shí)葉輪外緣壓力增加，且隨半徑及轉(zhuǎn)速的升高而加大。在葉輪進(jìn)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(xù)增壓[4]。

圖3 渦輪增壓泵結(jié)構(gòu)

增壓泵對(duì)氣瓶增壓的條件是排出氣體進(jìn)入氣瓶的氣相空間后，氣瓶氣相壓力升高，將 LNG通過(guò)出液管路壓出并氣化，增壓泵吸入足夠的氣體并增壓，實(shí)現(xiàn)完整的循環(huán)。在增壓范圍內(nèi)，增壓泵的全壓（渦輪進(jìn)出口壓差）△p大于系統(tǒng)的壓阻△p阻減去增壓泵進(jìn)口吸入氣體的壓降△p降，可保證增壓泵可對(duì)氣瓶增壓。參照?qǐng)D2，系統(tǒng)壓阻△p阻為內(nèi)止回閥23、回氣單向閥19、沿途管路的壓阻，其關(guān)系式為：

增壓泵進(jìn)口吸入氣體的壓降△p降為泵入口初始?jí)毫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(guān)，假設(shè)泵入口管路體積V初,泵吸入的體積V吸，其關(guān)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(kāi)內(nèi)止回閥23和管路的壓阻，進(jìn)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(shí)增壓泵的全壓（渦輪進(jìn)出口壓差）△p越大，進(jìn)出壓差越大，通過(guò)往復(fù)循環(huán)，氣瓶氣相空間升壓越多[5]。

渦輪增壓泵由電機(jī)輸入的機(jī)械能因?yàn)楦鞣N損失，不可能全部傳遞給流體。這些損失的大小可用相應(yīng)的效率來(lái)衡量。效率是體現(xiàn)增壓泵能量利用程度的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)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(nèi)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(jī)的輸出功率Pg和輸入功率Pg，in分別為：

式中：

ηtm——傳動(dòng)效率，按渦輪增壓泵取值1；

ηg——電機(jī)效率。

增壓泵電機(jī)的輸出功率Pg需大于增壓泵的軸功率P，保證過(guò)載狀態(tài)下，電機(jī)有一定的富裕量，故電機(jī)實(shí)際的輸入功率PM應(yīng)為：

式中：K——富裕系數(shù)，按照電機(jī)功率小于0.5kW時(shí)，取值1.5。

3 結(jié)論

本文剖析了現(xiàn)有 LNG氣瓶增壓裝置的缺點(diǎn)和不足，研究了一種 LNG氣瓶主動(dòng)增壓技術(shù)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(shí)現(xiàn)的要求，以及電機(jī)功率的計(jì)算等。采用渦輪增壓泵的 LNG氣瓶主動(dòng)增壓技術(shù)，提升了 LNG氣瓶的增壓速率，降低了氣瓶失真空的風(fēng)險(xiǎn)，為L(zhǎng)NG氣瓶增壓提供了一種新的思路和方法。