淺談城市推廣LNG公交車的可行性

佛山市南海區(qū)建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站 杜小虎 佛山市南海燃?xì)獍l(fā)展有限公司 張金鋒

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淺談城市推廣LNG公交車的可行性

佛山市南海區(qū)建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站 杜小虎 佛山市南海燃?xì)獍l(fā)展有限公司 張金鋒

從技術(shù)可行、結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)合理等方面介紹了LNG公交車的推廣應(yīng)用，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用城市LNG公交車提供了全面的參考依據(jù)。

LNG(液化天然氣) 加氣站 LNG公交車

液化天然氣(LNG)汽車是繼壓縮天然氣(CNG)和液化石油氣(LPG)汽車之后于近年才開始發(fā)展起來的一種新型環(huán)保汽車，由于汽車攜帶的LNG比CNG具有更高的燃料密度，壓力低，所需氣瓶自重輕，汽車1次充氣的行駛里程(300~800 km)較CNG遠(yuǎn)得多，LNG又能象油品一樣運(yùn)輸，同時(shí)具有CNG汽車和LPG汽車的優(yōu)點(diǎn)，而克服了它們的不足，因此具有更強(qiáng)的實(shí)用性，被認(rèn)為是燃?xì)馄嚨陌l(fā)展方向，從推廣經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保效益、實(shí)際應(yīng)用情況來看，LNG非常適用于城市公交車。近年來天然氣汽車，尤其是LNG汽車迅猛發(fā)展，LNG公交車以其特殊的屬性，便得到大量推廣應(yīng)用。

1 技術(shù)可行性

LNG的應(yīng)用技術(shù)在國際上早已成熟。我國從20世紀(jì)90年代開始LNG的研發(fā)利用工作，目前我國在液化天然氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、氣化、汽車加氣等方面的技術(shù)都已成熟。

1.1 LNG汽車加氣站技術(shù)

LNG加氣站工藝流程分為卸車流程、升壓流程、加氣流程和卸壓流程等4部分。

1.1.1 卸車流程

把集裝箱或槽車內(nèi)的LNG卸至LNG儲(chǔ)罐內(nèi)，LNG經(jīng)長距離運(yùn)輸?shù)竭_(dá)時(shí)加氣站時(shí)，槽車內(nèi)LNG溫度一般略有上升，一般從儲(chǔ)罐上進(jìn)液管輸送進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐。卸車有2種方式：增壓器卸車、泵卸車。

(1)增壓器卸車是把槽車內(nèi)的LNG引入站內(nèi)卸車增壓氣化器，通過氣化器把LNG汽化，再將氣化后的氣態(tài)天然氣通入槽車，使槽車壓力升高，與加氣站內(nèi)的低溫儲(chǔ)罐形成壓差，在壓力作用下，使LNG進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐。

(2)泵卸車是將LNG槽車和LNG儲(chǔ)罐的氣相空間連通，通過LNG低溫泵將槽車內(nèi)的LNG卸入LNG儲(chǔ)罐。

1.1.2 升壓流程

以LNG為燃料的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)需要車載氣瓶內(nèi)飽和液體壓力較高，一般在0.45~0.8 MPa,而運(yùn)輸和儲(chǔ)存需要LNG飽和液體壓力越低越好。所以在給汽車加注之前須對(duì)儲(chǔ)罐中的LNG進(jìn)行升壓升溫。加注站儲(chǔ)罐升壓的目的是得到一定壓力的飽和液體，在升壓的同時(shí)飽和溫度相應(yīng)升高。LNG加注站的升壓采用下進(jìn)氣方式。

1.1.3 加氣流程

儲(chǔ)罐中的LNG通過潛液泵將液體打入液化天然氣售氣機(jī)，再由售氣機(jī)加注到以LNG為燃料的車載瓶內(nèi)。液化天然氣售氣機(jī)主要由機(jī)殼、流量計(jì)、汽液分離器、加氣槍、回氣槍、安全閥、氣動(dòng)控制球閥、壓力傳感器、拉斷裝置、電源接線盒、電源控制盒、微機(jī)控制器(包括微機(jī)版、液晶顯示器和鍵盤)、連接管路等組成。

1.1.4 卸壓流程

由于系統(tǒng)漏熱以及外界帶進(jìn)的熱量，致使LNG汽化產(chǎn)生的氣體，會(huì)使系統(tǒng)壓力升高。當(dāng)系統(tǒng)壓力大于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)中的安全閥打開，釋放系統(tǒng)中的氣體，降低壓力，保證系統(tǒng)安全。

1.1.5 LNG加氣站主要設(shè)備

LNG加氣站主要設(shè)備見表1。

表1 LNG加氣站主要設(shè)備

1.2 LNG公交車技術(shù)

作為天然氣汽車的一種，LNG汽車近年也得到迅速發(fā)展。我國一些城市和相關(guān)廠商自2003年始，就開始進(jìn)行LNG汽車及配件的研發(fā)。

北京、天津、深圳、烏魯木齊、長沙和貴陽等幾個(gè)城市已有安凱客車、鄭州宇通、廈門金旅、蘇州金龍、廈門金龍、河南少林、丹東黃海、中通客車、重慶宇通、長安客車和上海申沃等客車成產(chǎn)企業(yè)的LNG汽車在城市公交車領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。隨著沿海LNG接收站的建設(shè)，未來幾年LNG汽車在我國將得到快速發(fā)展。

1.2.1 車載LNG儲(chǔ)液瓶供氣系統(tǒng)及工作原理

車用LNG氣瓶內(nèi)常規(guī)飽和氣壓為0.4~0.7 MPa。運(yùn)行時(shí)供氣系統(tǒng)為：氣瓶的排液閥→限流閥→汽化器→緩沖罐→過濾器→電磁閥→發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)。瓶內(nèi)氣液相壓力調(diào)整：經(jīng)濟(jì)閥具、超低溫耐久降。氣瓶排液出口設(shè)限流閥，可防止管路過量外溢。優(yōu)化設(shè)計(jì)管路及過濾器，保證終端壓力、流量。精確的液位顯示系統(tǒng)，精度2％以上。安裝位置：車體中部便于維修和加氣時(shí)的操作。

1.2.2 LNG氣瓶的主要技術(shù)參數(shù)

公交車LNG氣瓶的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 公交車LNG氣瓶的主要技術(shù)參數(shù)

1.2.3 公交車LNG儲(chǔ)液瓶規(guī)格

公交車LNG儲(chǔ)液瓶規(guī)格型號(hào)見表3。

表3 公交車LNG儲(chǔ)液瓶規(guī)格型號(hào)(工作壓力1.6 MPa)

2 結(jié)構(gòu)安全性

2.1 LNG加氣站的安全性

2.1.1 儲(chǔ)罐壓力的安全防護(hù)

LNG貯罐的內(nèi)部壓力需控制在允許的范圍之內(nèi)，罐內(nèi)壓力過高或出現(xiàn)負(fù)壓對(duì)貯罐都是潛在的危險(xiǎn)。影響貯罐壓力的因素很多，諸如熱量進(jìn)入引起液體的蒸發(fā)、充注期間液體的閃蒸、大氣壓下降或錯(cuò)誤操作，都可能引起罐內(nèi)壓力上升。另外，在非?？斓乃俣冗M(jìn)行排液或抽氣、充注的液體溫度較低時(shí)，有可能使罐內(nèi)形成負(fù)壓。貯罐還必須有壓力安全閥和真空安全閥，真空安全閥能感受當(dāng)?shù)氐拇髿鈮海耘袛喙迌?nèi)是否出現(xiàn)真空。前者防止貯罐超壓，后者預(yù)防貯罐出現(xiàn)負(fù)壓。LNG貯罐的壓力安全閥和真空安全閥與罐體之間還需設(shè)置有一個(gè)手動(dòng)開關(guān)的截止閥，以便安全閥的檢修，安全排氣裝置還應(yīng)充分考慮在火災(zāi)情況下如何進(jìn)行安全排放。

2.1.2 放空氣體的安全保護(hù)

停止工作流程，安全閥起跳、維修放散等操作產(chǎn)生的EAG(放空氣體)，可能會(huì)，因?yàn)閬聿患捌苯右砸簯B(tài)的形式排放至大氣中，如果有人員在附近，就易發(fā)生人身傷害事故。為確保EAG放散安全，EAG放散進(jìn)入大氣前增加管道阻火器，防止放空氣燃燒回流，避免產(chǎn)生危險(xiǎn)；在EAG放散管道上配置EAG加熱器，確保將LNG液體汽化后才能排放，防止冷液傷人。

2.1.3 緊急停車系統(tǒng)(ESD)保護(hù)

當(dāng)操作人員在操作、巡檢、值班時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)偏離設(shè)定的運(yùn)行條件，如系統(tǒng)超壓、液位超限、溫度過高及出現(xiàn)LNG泄漏、火災(zāi)報(bào)警時(shí)，能自動(dòng)或手動(dòng)在設(shè)備現(xiàn)場或控制室遠(yuǎn)距離快速停車，快速切斷。

2.2 LNG公交車安全性

2.2.1 LNG燃料特性

LNG燃點(diǎn)高達(dá)650 ℃，比汽油燃點(diǎn)427 ℃高出了許多，沒有高溫明火源是點(diǎn)不著的。LNG的爆炸極限是4.7%~15%，比汽油高3~4.7倍，更不容易爆炸。LNG泄露后，一遇空氣，就會(huì)迅速氣化，而且LNG的密度比空氣小得多，會(huì)很快向上逸散掉，形不成燃爆條件。即使已氣化的氣體遇明火燃燒，火焰中心也會(huì)向上竄動(dòng)，而不會(huì)沿地面擴(kuò)散。因泄露而落地的液體溫度低，會(huì)吸附空氣中水分形成冰晶層，覆蓋在破損處周圍。這也是阻礙燃燒發(fā)生和蔓延的因素之一。由于上述特性，LNG使用安全性比燃油安全得多，經(jīng)歷了30年幾乎無事故的發(fā)展。LNG的設(shè)備設(shè)有泄露檢測、冷量檢測等安全檢測系統(tǒng)，燃料系統(tǒng)管線的各獨(dú)立段都裝有緊急切斷閥，LNG一旦泄露，系統(tǒng)會(huì)采取自動(dòng)保護(hù)措施。儲(chǔ)罐設(shè)有防過量注入系統(tǒng)和防超壓(超高和超低)系統(tǒng)。通過以上設(shè)計(jì)，確保了用氣系統(tǒng)本身的安全性。

2.2.2 LNG車載氣瓶設(shè)計(jì)

LNG車載氣瓶采用臥式雙圓筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)膽允許的最大盛液容積取0.9倍的公稱容積；內(nèi)膽的組成最多不超過3部分，即采用縱縫1條、環(huán)縫2條的結(jié)構(gòu)。

水壓試驗(yàn)壓力為工作壓力的2倍，氣壓試驗(yàn)壓力為工作壓力的1.8倍，安全閥開啟壓力為工作壓力的1.1~1.2倍，爆破片爆破壓力不大于工作壓力的2倍。LNG車載氣瓶在生產(chǎn)完成后，須通過一系列安全性能試驗(yàn)，包括振動(dòng)試驗(yàn)、火燒試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)等。

(1)振動(dòng)試驗(yàn)主要模擬檢驗(yàn)LNG車載氣瓶在汽車運(yùn)行條件下，內(nèi)膽與外殼的支撐結(jié)構(gòu)、管道系統(tǒng)等附件的耐久性。振動(dòng)試驗(yàn)前氣瓶中充裝與裝滿LNG等質(zhì)量的液氮，氣瓶處于完全冷卻狀態(tài)，表壓為0 MPa。振動(dòng)加速度為3g(g為重力加速度)，振動(dòng)方向?yàn)槠嚽斑M(jìn)方向的垂直方向。振動(dòng)完畢后，任何部位不得出現(xiàn)泄漏，靜置30 min以上氣瓶外殼沒有結(jié)露或結(jié)霜現(xiàn)象為合格。

(2)火燒試驗(yàn)考察在汽車發(fā)生火災(zāi)情況下LNG車載氣瓶絕熱系統(tǒng)性能的安全可靠性。試驗(yàn)前氣瓶中充裝與裝滿LNG等質(zhì)量的液氮。試驗(yàn)采用天然氣(或LPG)為燃料，在臥放的氣瓶正下部布置燃?xì)夤艿篮腿紵b置，保證氣瓶最低點(diǎn)距燃燒裝置120~130 mm。燃燒裝置大小應(yīng)足以使氣瓶的主體邊緣完全置于火焰之中，因此燃燒裝置長度至少超出氣瓶在水平面投影長度100 mm，寬度至少超出氣瓶在水平面投影寬度100 mm，但超出長度均不大于200 mm。保證足夠燃燒時(shí)間，氣瓶在規(guī)定時(shí)間內(nèi)安全閥不起跳為合格。

(3)跌落試驗(yàn)是模擬在汽車發(fā)生翻車情況下檢驗(yàn)LNG車載氣瓶受沖擊后的完整性。跌落試驗(yàn)包括對(duì)氣瓶最關(guān)鍵部位(如封頭、筒體等，管道系統(tǒng)端除外)進(jìn)行10 m高的跌落試驗(yàn)和對(duì)管道系統(tǒng)端3 m高的跌落試驗(yàn)。跌落試驗(yàn)前，氣瓶應(yīng)裝滿與LNG等質(zhì)量的液氮，氣瓶處于完全冷卻狀態(tài)，表壓為0 MPa，地面為混凝土地面。跌落試驗(yàn)完畢后的l h內(nèi)，氣瓶外殼沒有結(jié)露或結(jié)霜現(xiàn)象為合格。

3 運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性

LNG公交車推廣的經(jīng)濟(jì)性從三個(gè)方面進(jìn)行分析：車輛的購置成本、車輛的運(yùn)行成本以及車輛的維護(hù)成本。

在車車輛購置成本上，LNG公交車要高于柴油車。這一差別主要體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)上，目前從發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)商咨詢到，相近性能的公交車發(fā)動(dòng)機(jī)，用于LNG公交車是要比用于柴油公交車的價(jià)格大約貴2~3萬元人民幣。隨著技術(shù)的進(jìn)步與產(chǎn)量的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的價(jià)格差異也會(huì)進(jìn)一步縮小。根據(jù)目前的市場行情，LNG公交車平均比柴油車每輛約高5萬元。

在車輛的運(yùn)行成本上，LNG公交車與柴油車的差異不僅是LNG與柴油的燃料使用成本，而且表現(xiàn)在燃料用量上。目前1 t柴油的價(jià)格約為8 500元，而1 t LNG的價(jià)格為5 600~5 800元。另外，從燃料用量比較來看，1 m3天然氣的動(dòng)力值相當(dāng)于1.08 L汽油所行駛里程，使用LNG為燃料，僅燃料費(fèi)用一項(xiàng)每年可節(jié)約近20%~30%。

在車輛維護(hù)成本上，由于天然氣辛烷值大于100，且高于汽柴油5%~10%，因此運(yùn)行平穩(wěn)無爆震現(xiàn)象，另外，由于天然氣燃燒充分，噪音低、不積炭，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油污染小，可減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，延長發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，不需經(jīng)常更換機(jī)油和火花塞，較汽柴油相比可節(jié)約50%以上的維修保養(yǎng)費(fèi)用。

4 結(jié)語

目前廣東LNG供應(yīng)相對(duì)充足，LNG加氣站技術(shù)日益成熟，站點(diǎn)的規(guī)劃也已完成，這將為LNG應(yīng)用于交通運(yùn)輸領(lǐng)域提供了客觀條件。隨著油價(jià)的不斷上漲，廣東省LNG汽車以其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢成為替代能源的發(fā)展方向，在廣東的巴士及交通運(yùn)輸事業(yè)找到自己成功之路。

Discussion on the Feasibility of Popularizing LNG Bus in City

Foshan Nanhai District Construction Quality Supervision Station Du Xiaohu Foshan Nanhai Gas Development Co., Ltd. Zhang Jinfeng

This paper introduces LNG bus from the aspects of technical feasibility, structural safety and economic rationality, which provides a comprehensive reference for further popularization and application of urban LNG bus.

LNG (liquefied natural gas), refueling station, LNG bus