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液化天然气汽车LNG冷量利用方式的探讨

发布时间： 2005-04-15 09:05:49 浏览次数：

1、引言
液化天然气（LNG）是经净化、液化的燃料，主要成分是甲烷，甲烷是含碳量最小的烃类。通过实验测得，改用液化天然气后，内燃机的尾气污染物有明显的降低：一氧化碳降低97%，烃类降低72%，二氧化碳降低24%，不含二氧化硫、铅、苯等有害物。液化天然气汽车(LNGV)作为代用燃料汽车（AFV）对环境保护有重要的意义，天然气汽车主要有：压缩天然气汽车（CNGV）、吸附天然气汽车（ANGV）和液化天然气汽车（LNGV）,对它们的比较主要从三个方面入手，一是安全性，二是能量密度，三是成本。LNGV的优点就是使用压力不高（0.35Mpa~1.5MPa）、安全、能量密度高、续驶里程长，所以值得推广。
LNGV的一个主要的缺点就是所需的燃料——LNG必须进行液化，需要复杂的液化装置和消耗电能。中国的许多沿海城市将来要建天然气终端，向海外购买液化天然气，在这些城市，LNGV是使用天然气汽车的最好方式。
随着上海市第一辆LNGV试验完毕，将来上海会有更多的LNGV，LNG的冷能利用将是下一个重要的课题。为此，本文对LNG进行分析，提出冷量利用的两种方式：动力利用和制冷利用，进行热力分析，然后对关键的问题分析。
2、LNG冷量的分析
试验阶段的主要目的是检验供气系统和改造过的内燃机的性能，LNG的冷能利用不在考虑范围，供气系统简图见图1，储罐内有一定的压力，将LNG压送经汽化器到发动机，当储罐的压力大于控压器的设定压力时，控压器打开，气相空间的天然气排出，进入供气管路，降低储罐的压力。为了防止水结冰，加热方式选用顺流。在汽化器LNG的温度从130K上升至300K左右。LNG的损失主要发生在汽化器中。

              图1 现阶段的LNGV供气系统简图
1、LNG储罐；2、控压器；3、汽化器；4、内燃机；5、排气口；6、进水口；7、出水口
LNG的主要成分甲烷占97%左右，所以计算和分析时，只考虑甲烷。状态参数是指在除环境外无其他热源的条件下，工质经可逆状态途径变化到与环境介质处于热力平衡，所能做出的最大有用功[1]。根据工质与环境温度的不同，可以分为热量和冷量，显然LNG具有冷量，具有做功的能力。基于可用能分析，冷量可以表示为
               （1）
式中 ——可用能， ——热源温度； ——LNG气化温度； ——气化潜热； ——定压比热。根据式（1）进行计算，绘出LNG的图，见图2。横坐标是热源温度，由于LNGV的热源是内燃机的尾气，内燃机的尾气温度范围是400℃～600℃，所以热源的最高温度可达873K。纵坐标位值，由于LNG是低温易燃介质，漏热会使储罐升温升压，LNG的气化温度随之变化，图中绘出四条不同气化温度的升曲线。从图中可以得出，LNG冷量的可用能是相当大的。气化温度、热源温度时，单位质量的LNG的最大可用能可达。在试验阶段，单位质量的LNG燃烧平均输出功为。比较而言，LNG的冷量是不容忽视的。         图2   和热源温度图
3、冷量利用的方式及分析
LNG冷量的利用主要有两种方式：动力利用和制冷利用。动力利用方式就是将LNG加压升温气化，推动叶轮对外做功，热源是空气或内燃机的余热。制冷利用方式有，利用LNG的冷量来液化一些低温气体，或提供汽车车厢使用的冷量。以下对两种方式进行分析。
3、1动力利用方式分析
动力利用方式就是将LNG用低温泵加压，在换热器里用内燃机的排气加热，然后进入透平机里做功，做完功的天然气经过温度调节器，温度满足发动机的进气要求后，作为燃料进入内燃机。整个系统见图3。

图3、动力利用方式的系统示意图
1、LNG储罐；2、低温泵；3、换热器；4、加热器；5、透平机；6、内燃机；7废气；
8、内燃机出口；9、进气温度调节器；10、流量调节阀；11、载冷剂入口；12载冷剂出口
对于在循环过程中存在气液相变的热力循环，朗肯循环是简单的蒸汽动力装置的理想循环，由于装置的排气必须进入内燃机，所以采用朗肯循环进行热力过程分析。图4给出了LNG冷量利用的循环 - 图。
在图3所示的循环流程中， LNG通过低温泵升压至系统的工作压力，流进换热器与载冷剂（如二氧化碳）进行热交换。载冷剂将冷量带走，另外加以利用（可作为动力利用，如采用二氧化碳进行闭式朗肯循环；也可作为制冷利用）。从换热器出来的气体进入加热器与内燃机的尾气进行换热，使天然气的温度上升至一个设定温度，天然气获得大量能量，具有极高的流速和动能，进入透平机内膨胀做功。
图4 所示的温—熵图中朗肯循环在临界压力下工作（在采用朗肯循环的过程中，通常采用工质的超临界的参数获得更高的效率）。1-2为LNG的升压过程，由于压缩对象是液体，因此低温泵消耗的功是一个相对很小的值；2-3为LNG流经回热器和换热器的过程，这是
一个等压过程，过程中天然气吸热储存能量；3-4和3-4a分别表示等温膨胀过程和绝热膨胀过程。过程4-1（或4a-1）表示虚拟的液化阶段，这个过程是在液化工厂进行的。该循环的热力性能分析如下。
过程1-2，LNG的升压过程，可以看成一个绝热过程，每千克LNG流经低温泵，低温泵所消耗的功为：
     （2）
图3 朗肯循环的T-S图          式中 ——LNG在状态1的比焓； —— LNG在状态2时的比焓。
过程2-3为LNG的等压吸热过程，每千克从内燃机尾气中吸入的热量为：
                          （3）
过程3-4为等温过程，此时每千克天然气所做的功为：
                        （4）
当膨胀过程为绝热过程3-4a时，每千克天然气所做的功为：
                           （5）
效率定义为收益的和消耗的之比。本文定义LNG冷量发动机的效率为（其中为输出的功），它表征了装置的热力完善性。不考虑流动过程中的能量损失和机械损失，循环的效率可表示如下：
对于等温膨胀过程为：                                  （6）
对于绝热膨胀过程为：                                  （7）
这两个过程分别代表了膨胀机的性能上限和下限，实际过程应是介于两者之间的过程。
根据上面的分析和甲烷的图[2]可以得到：当吸入的热量和终态的压力不变时，提高膨胀初始压力，能使LNG的熵增减小，使减小，输出更多的功；降低终态压力，能使减小，从而增加做出的功，提高效率；在膨胀初始压力和终态压力不变的情况下，提高膨胀前的气体温度，气体吸入热量增加，做出的功增加，对提高其单位可用能值和热效率有重要作用，由于热源温度（尾气温度）是几乎不变的，所以必须加强换热器的效率，减小温差。终态的压力受到了内燃机进气要求的限制，必须保证终态压力在一定的范围内。膨胀初始压力的提高受到低温泵技术的限制。
3、2制冷利用方式的分析
由于动力利用的装置较为复杂，而且现在的技术不成熟，对于现在运行的LNGV可以采用制冷方式对LNG的冷量进行利用。对于车用空调和冷藏车，LNG的冷量可以作为一个补充。装置简图如下图5。

    图5、制冷利用方式的系统示意图
1、LNG储罐；2、控压器；3、调温器；4、内燃机；5、排气口；6、进水口；7、出水口；8、载冷剂入口；9、载冷剂出口；10、换热器
LNG在换热器与载冷剂进行热交换，LNG气化并升温，从换热器出来的天然气温度一般满足不了内燃机的进行要求，必须进行调温，天然气进入调温器，受到内燃机冷却水的加热，最后进入内燃机。
载冷剂在换热器放热，带走LNG的冷量，冷量的计算由下式得出：
                                       （8）
或者                                   （9）
式中 ——换热器进口LNG的比焓； ——换热器出口LNG的比焓； ——LNG的流量； ——换热器出口天然气的温度； ——换热器出入口天然气的温度，等于LNG的气化温度。对于一辆以供率100kw行驶的汽车，LNG的流量为 ,制冷功率范围为3～4kw。功率的大小和使用的载冷剂直接相关。
   冷量的用途不同，采用的载冷剂也不同；如果用作车厢降温，一般采用盐水作为载冷剂，而不采用空气直接受冷。如果用于运输物资的冷藏，采用的载冷剂范围比较广，如二氧化碳、乙二醇。
4、技术问题和经济性分析
制冷利用涉及的关键技术是换热器技术，由于车辆的空间有限，换热器必须紧凑、高效；这是属于低温换热，所以保温很重要，低温绝热技术也是这一利用方式的重要技术。
动力利用方式涉及了大量的技术：安全技术、低温泵技术、绝热技术、透平机技术、负荷匹配技术、换热技术。
（1）、由于天然气是易燃易爆气体，不能有任何泄漏，密封技术是安全运行的关键。
（2）、低温泵必须将LNG升压到几个兆帕，对于车辆运用，不可能采用多级低温泵，所以低温泵必须紧凑、高效；低温泵的动力问题和低温泵绝热也是一个重要的问题，低温泵不可能采用电力，而是利用内燃机的动力或透平机的动力，传动轴的漏热将是很大的，解决这一问题需要绝热技术。
（3）透平机的效率是影响冷量利用效率主要因素，是动力利用可行性的关键；为了有效地利用车辆有限的空间，透平机的体积不能太大。
（4）道路行驶的车辆的工况变化很大，动力利用系统能否经受得起这一考验，这是动力利用实用化的主要问题，解决这一问题将是从试验阶段到实用阶段的关键。
（5）天然气的最高温度影响了动力利用的效率，提高温度是加热器的主要任务，但是加热器不能占据太多的空间，动力利用方式需要高效、紧凑的加热器设计技术。
LNG冷量动力利用的使用代价包括购置费、使用中的劳动强度、维护修理费、使用寿命长短以及占据的空间等。LNG冷量利用的最大优势在于使用的经济性，首先：它是免费使用的（初期投资和运行维护不计在内）；其次其可用能高达4100KJ/Kg，大大高于液氮发动机可用能（77K，105Pa）的837kJ/kg[5]。如果不采用多级联合循环，理论输出功（一段为等温膨胀、一段为绝热膨胀，膨胀前压力为5Mpa、温度为700K，最后温度300K、压力为0.3Mpa）为2210kJ/kg。如果采用多级联合循环，输出功将更大。透平机没有传统内燃机的复杂热力学工况变化，所以透平机和零部件的寿命比一般发动机的高。因此采用动力利用冷量的方式具有很强的竞争力。
4、结论
作为一种清洁燃料，天然气是汽车燃料的理想替代品；LNG的能量密度高，LNGV值得推广，尤其在一些天然气接收终端。现在LNGV已经在道路上行驶，使用LNGV的基本技术已经成熟。LNG的冷量利用是下一个重要课题。根据分析，LNG的冷量是一个不容忽视的资源。
冷量利用主要有两种形式：动力利用和制冷利用，或者是两者形式同时采用。采用动力利用装置将使单位质量LNG发出来的功大大增加，增加了汽车的续驶里程。动力使用需要许多方面的技术：透平机技术、低温泵技术、绝热技书和换热器设计技术等。动力利用不可能马上实现，制冷利用作为一种简单的冷量利用方式，应该普及。

作者:杨鹏

文章来源:<天然气工业>

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