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關于液化天然氣作為車用燃料產品質量標準的思考
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摘要:LNG組分隨時間變化的特性是其他車用燃料所不具有的,為了使LNG作為車輛燃料能滿足汽車發動機要求的最低烴類含量,需要制訂一份控制和管理LNG組分變化的標準文件,給出交付LNG燃料時判斷其是否達到車輛發動機安全運轉的技術指標和使用期限.為此,簡要介紹了美國國際自動機..

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LNG組分隨時間變化的特性是其他車用燃料所不具有的,為了使LNG作為車輛燃料能滿足汽車發動機要求的最低烴類含量,需要制訂一份控制和管理LNG組分變化的標準文件,給出交付LNG燃料時判斷其是否達到車輛發動機安全運轉的技術指標和使用期限.為此,簡要介紹了美國國際自動機工程師學會(SAE International)于2011年7月發布的J 2699-2011《液化天然氣車用燃料SAE信息報告》[Liquefied Natural Gas (LNG) Vehicle Fuel SAE Information Report],闡述了LNG的“老化”特性,以及作為車用燃料的“再加注時間”概念及其計算方法.通過分析,提出了將C2+等沸點較高的烴類組分先期從LNG或從LNG原料天然氣中通過某種方式深度分離脫除的設想,同時建議制訂更適用于提高汽車發動機工作效率的《車用液化天然氣》產品質量標準,從而更好地促進液化天然氣作為車用燃料在我國的推廣和應用.

液化提高了天然氣的能量密度,從而降低了其在汽車上的存儲體積。因此,LNG是一種有實際應用價值的汽車燃料田。LNG中主要含炷類組分,這一點與管輸天然氣不同。LNG中甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮氣的含量變化是發動機制造中重要的設計參數,同時直接影響車輛發動機和加氣站的運轉。

LNG用于汽車燃料時,是在極低溫度和相對較低的壓力下儲存的。作為燃料,LNG從生產現場的儲罐轉移至運輸槽罐,從運輸槽罐至本地的加氣站,然后再加注到汽車油箱的多次轉移極為常見。每次轉移和存儲期間,均有熱量傳入LNG而造成燃料蒸發,從而使LNG組分發生變化。LNG組分隨時間變化的特性是其他車用燃料所不具有的,為了使 LNG作為車輛燃料滿足汽車發動機要求的最低炷類含量,需要制訂一份控制和管理LNG組成變化的標準文件,給出交付LNG燃料時判斷其是否達到車輛發動機安全運轉的技術指標和使用期限。

1國內外液化天然氣作為車用燃料的產品標準制訂情況

美國的國際自動機工程師學會(SAE Intemation- al,原譯為美國汽車工程師學會)于20117月發布 J 2699—201K液化天然氣車用燃料SAE信息報告》 Liquefied Natural Gas Vehicle Fuel SAE Information Report},這是目前了解到的國際上唯一介紹液化天然氣作為車用燃料的產品報告卩〕。該報告指出液化天然氣作為車用燃料使用時,LNG生產者應提供滿足加利福利亞大氣資源委員會CARB California Air Resources Board)制訂的《壓縮天然氣規范》中要求的燃料組分(表1)⑵和“再加注時間“dispense by” date),LNG在使用時其品質始終滿足CARB 要求的時間,超過該“再加注時間”,燃料組成可能 危害發動機排放的性能、質量保證和可靠性,必須 重新加注。


美國腐蝕與材料協會ASTM)目前正在組織制訂液化天然氣和壓縮天然氣作為車用燃料的氣質標準ASTM WK 40094《作為車用燃料的壓縮天然氣 CNG和液化天然氣LNG氣質指標》Specification for Compressed (CNG) and Liquid Natural Gas (LNG) as a Motor Vehicle Fuel,具體細節不詳。

美國防火協會NFPA)2002年發布了 NFPA 57《液化天然氣LNG)車用燃料系統規范》2002版) Liquefied Natural Gas (LNG) Vehicular Fuel Systems Code 2002 Edition,并于2006年重新發布了新版⑶。 該規范規定了液化天然氣LNG)車用燃料系統加注設施防止火災或爆炸采取的合理保護措施,適用于儲罐容積不超過265 n?的各種類型液化天然氣LNG) 車用燃料系統加注設施,以及LNG-CNG轉化設施的設計、安裝、操作和維護。該規范沒有涉及對 LNG作為車用燃料的氣質要求。

我國修改釆用NFPA 57制訂了 GB/T 26980— 2011《液化天然氣LNG)車用燃料系統加注規范》尷2000年發布實施了強制性國家標準GB 18047《車用壓縮天然氣》,對車用壓縮天然氣的技術要求和試驗方法進行了規定,適用于壓力不高于25 MPa、作為車用燃料的壓縮天然氣151 o GB 18047—2000中給出的壓縮天然氣技術要求如表2所示。至今,我國和國際標準化組織ISO)均未制訂液化天然氣作為車用燃料的產品質量標準。

2 GB 18047—2000中規定的壓縮天然氣技術指標表

項目

技術指標

高位發熱量/ (MJ-m~3總硫含量(以硫計)/(mg»m" 硫化氫含量/ (mg • m~3二氧化碳含量(摩爾分數) 氧氣含量(摩爾分數)

水露點re

> 31.4

3)W 200

W 15

W 3.0%

W 0.5%

在汽車駕駛的特定地理區域 內,在最高操作壓力下,水 露點不應高于一13 °C;當最

低氣溫低于8 °C,水露點應比最低氣溫低5 °C

注:氣體體積的標準參比條件是101.325 kPa, 20 °C

2美國SAE J 2699—2011《液化天然氣車用燃料SAE信息報告》簡介

2.1范圍和要求

SAE J 2699—2011《液化天然氣車用燃料SAE 信息報告》適用于用作汽車燃料的液化天然氣 LNG)o其要求LNG生產商在銷售LNG時向用戶提供LNG組成(表3)及其“再加注時間”等數據 和信息。在該SAE J 2699報告中給出了一些假設和計算方法,使生產者可以根據LNG產品的最初組成和假設的蒸發率計算未來某一時間的組成和“再加注時間”。“再加注時間”是指用戶提供燃料不再符合 加利福利亞大氣資源委員會CARB壓縮天然氣規范》規定的最低炷類含量要求的日期,不符合此要求的燃料可能會危害發動機排放性能、質量保證或可靠性。



3 LNG車用燃料組成表

組分

1

2

3

4

5

G

89.40%

92.00%

95.00%

96.32%

98.51%

c2

4.86%

3.00%

3.55%

3.22%

0.80%

C3

0.90%

1.10%

0.50%

0.27%

0.30%

iC4

0.36%

0.18%

0.24%

0.03%

0.10%

nC4

0.24%

0.12%

0.16%

0.02%

0.06%

iC5

0.36%

0.06%

0.24%

0

0.09%

nC5

0.24%

0.04%

0.16%

0

0.06%

C6

0.14%

0.08%

0.05%

0

0.08%

N2

3.50%

3.42%

0.10%

0.14%

0

注:產品規格單中燃料組成的摩爾分數,甲烷向下修約至0.5%,其余組分向上修約至0.5%為宜



SAE J 2699報告指出,加利福利亞大氣資源委員會CARB制訂的《壓縮天然氣規范》中對燃料組成的要求是針對壓縮天然氣,不是針對液化天然氣。然而,不管以CNG、還是以LNG形式注入發動機的天然氣,對所有發動機制造商而言質其質量的要求都是一致的。因為LNG的氮氣含量通常比CNG低很多,水和加臭劑在LNG液化過程中均被脫除,所以表1 CNG對氮氣含量、水和加臭劑的要求并不適用于 LNG„

2.2 LNG“老Weathering)特性及對燃料質量的影響

SAE J2699報告指岀,CNG在交付至加氣站、通過加氣機、進入汽車和發動機的過程中,其組分基本上是相同的(盡管壓縮前、壓縮過程中或壓縮后可能脫除水和雜質粒子),然而LNG的組成由于其具“老Weathering)特性,則會隨時間發生變化。 “老化”,即選擇性蒸發過程,是指當環境熱量傳遞至儲罐內時,不同組成的氣體被釋放出來,從而使儲罐LNG組分發生改變。沸點最低的氣體組分,例如氮氣和甲烷,最先從液相蒸發到氣相,是老化中最先被釋放的組分。這一特性提高了沸點較高組分(乙烷、丙烷和其他重炷)在儲罐內液相中的含量,從而直接導致燃料的組成發生變化。尤其是LNG中的氮氣最先蒸發,使儲罐內液面之上的氣體燃料對于正常的發動機燃燒而言過“貧”(富含氮氣)。“老” 還受LNG儲罐傳熱效率、飽和方法及車輛燃料用量的影響。

LNG交付至加氣站或加注到汽車內時,其組成可能符合或高于汽車發動機對質量的要求,但當其進入發動機時,其組成可能會變得不符合要求。SAE J 2699報告指出LNG車輛和加氣站不宜存在有嚴重的老化行為,需通過燃料維護程序控制LNG的組成變化,以維持輸送至車輛發動機的氣體燃料組分始終保持一致。

2.3燃料中的重姪組分對甲烷値和汽車發動機的影響

SAEJ2699報告中還指出,燃料中的重煙組分會使甲烷値(對內燃機燃料天然氣抗爆震性能的量度。甲烷値100代表純甲烷的抗爆震性能,約等于馬達法辛烷值140)降低,從而降低燃料的抗爆震性能。含重煙(例如乙烷、丙烷和丁烷)較多燃料的甲烷値(或辛烷值)比高甲烷含量的燃料低。燃燒高甲烷值燃料的開環發動機在燃燒甲烷値較低的燃料時,燃料會發生爆炸(發動機爆震),就像高壓縮汽油發動機燃燒低辛烷值燃料時一樣,此時發動機會遭受嚴重的機械損壞。閉環運作和爆震傳感器可使發動機適應更寬范圍的燃料,然而,老式或開環發動機需確保其發動機的燃料是合適組分的天然氣, 否則需針對所使用的燃料校準發動機的控制系統。

2.4 “再加注時間”圖和LNG燃料“再加注時間” 的確定方法

SAE J 2699報告中指出,"再加注時間"由在 最短時間內達到車用燃料規定的氣體最大或最小 允許量來確定。按照如下假設:①從LNG在生產設施處加載至油罐拖車,至在發動機內燃燒,一旦達到安全壓力并啟動放空,每天的蒸發速率為1% LNG在各種運輸拖車、加注站和汽車油箱的儲罐內蒸發,這些儲罐設計的最大蒸發速率均小于1%);

LNG加注至車輛儲罐到其被使用的時間長度為1;

LNG最初被加注至LNG運輸車開始,僅被轉移至其他儲罐2次。如果產品的轉移超過2次,那么每多1次轉移,LNG 再加注時間”必須減少1周。 SAE J 2699報告給出了各個炷類組分的“再加注時間” 圖(圖14)。因此,“再加注時間"可以通過將燃料中

3 GG摩爾分數與時間的組成變化圖

的甲烷、乙烷、C3+和C6+含量與給出的“再加注時 間”圖進行對比即可確定。注意的是圖14未考慮壓力升高的時間。同時,由于氮氣的蒸發溫度最低, 將會在LNG中其他氣體蒸發之前蒸發,則“再加注 時間”不適用于氮氣。


2.5LNG加氣站和LNG車輛運營方的建議

SAE J 2699報告給出了對LNG加氣站和LNG 車輛運營方的建議,以幫助加氣站設計人員和運營方保證加注的LNG燃料滿足消費者的要求。

2.5.1 LNG加氣站運營方

監控“再加注時間”及LNG的使用或銷售,或在其質量過期之前添加LNGLNG加氣站運營方的責任?刂苾迌葔毫ι仙淖罴汛胧┦嵌ㄆ谙罐內加注LNG并進行交付。LNG加氣站設計時宜根據預期的使用考慮合適尺寸的儲罐,并避免放空。

2.5.2 LNG汽車運營方

低溫儲罐配備的減壓閥,可以使儲罐維持恒定壓力,從而導致儲存的LNG發生老化。因此,LNG 汽車運營方應控制系統內壓力上升。最佳措施就是定期使用車輛。車輛運行過程中燃料的常規消耗會使壓力得以控制。另外就是在存儲間隔之間另外加注 LNG燃料,確保壓力不會上升。該方法假定加氣站儲罐內的燃料溫度和壓力遠低于汽車上存儲的燃料。被注入的低溫燃料越多,壓力下降的效果就越好。

汽車運營方還應通過燃料加注程序和計劃控制燃料熱量發生損失,即要求在使用燃料前才立即將燃料加注至汽車存儲系統,

燃料加注程序和計劃示例,如果一輛汽車的運行時間在7 d之內,或汽車燃料少于一半,則在下次使用之前需要重新加注LNG。

3認識、設想和建議

1) SAE J 2699報告中指出,車用燃料中的重煙組分會使甲烷值降低,從而降低燃料的抗爆震性能。 LNG“老”特性,使對LNG用作車用燃料時的品質控制較為復雜。稍有疏忽,即會對發動機的性能產生負面影響。所以,如果將C2*沸點較高的炷類組分先期從LNG或從LNG原料天然氣中通過某種方式深度分離脫除,則可以提高甲烷值,提高燃料的抗爆震性能,同時能更有效地控制LNG“老 化”,使燃料維護程序簡單化,從而提高汽車發動機 的耐受性和普適性,減少發動機的設計和制造成本, 減少LNG生產商、LNG加注運營商和LNG汽車使用者在質量控制方面的投入。

2) 現有不同產地和來源的LNG,由于C?+沸點較高的炷類組分濃度范圍差別較大,造成發熱量值變化較大,故通常采用能量計量。而深度分離脫除C? + 沸點較高的炷類組分后的LNG,發熱量值較為恒定, 可以采用體積計量,使貿易交接設施和管理相對簡 單,投入減少。

3) 我國以LNG作為汽車燃料巳經開始投入使用,然而缺乏標準對其產品質量進行規范要求。GB 18047《車用壓縮天然氣》沒有對甲烷等煙類組成含量給出具體要求。因此,建議相關部門和標準化技術委員會組織開展研究,制訂更適用于提高汽車發動機工作效率的《車用液化天然氣》產品質量標準。

參考文獻

[1] SAE International. SAE J 2699 Liquefied natural gas (LNG) vehicle fuel[S]. Warrendate: SAE International, 2011.

California Air Resources Board. 13 CCR § 2292.5 Specifications for compressed natural gas[S]. Sacramento: CARB, 1993.

[3] National Fire Protection Association. NFPA 57 Liquefied natural gas (LNG) vehicular fuel systems code[S]. Quincy: NFPA, 2006.

[4] 中國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員.GB/T 26980液化天然氣(LNG)車用燃料系統加注規范[S]. 北京:中國標準出版社,2011.

General Administration of Quality Supervision Inspection and Quarantine of the People's Republic of China & Standardization Administration of the People's Republic of China. GB/T 26980 Liquefied natural gas (LNG) vehicular fueling systems code[S]. Beijing: China Standards Press, 2011.

[5] 中國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員.GB 18047車用壓縮天然氣[S].北京:中國標準出版社, 2000,

General Administration of Quality Supervision Inspection and Quarantine of the People's Republic of China & Standardization Administration of the People's Republic of China. GB 18047 Compressed natural gas as vehicle ftiel[S]. Beijing: China Standards Press, 2000.


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