胡杭健，石 坤，周云奕

(中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

0 引言

車用LNG低溫絕熱氣瓶(簡稱LNG氣瓶)在為液化天然氣汽車提供燃料的同時，也關(guān)系車輛及乘客的安全，其中絕熱性能是影響LNG氣瓶安全的關(guān)鍵要素。目前，國內(nèi)LNG氣瓶多采用高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)，表征絕熱性能的主要參數(shù)有真空度、靜態(tài)蒸發(fā)率、維持時間等，但由于LNG氣瓶上沒有安裝真空規(guī)管，無法對真空度直接檢測，所以實際檢驗中一般通過測試LNG氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率，來判斷其絕熱性能[1-3]。

此外，我國在LNG氣瓶檢驗方面還存在一些問題：一是對LNG氣瓶定期檢驗方法、評測手段等有待進(jìn)一步提升；二是LNG氣瓶檢驗效率低、周期長、成本高，給車輛使用帶來極大不便[4]；三是現(xiàn)行的拆卸式的檢驗方式會給氣瓶、閥門及其管路附件帶來設(shè)備損壞風(fēng)險[5-6]。

1 在線監(jiān)測裝置與系統(tǒng)

該課題通過設(shè)計、開發(fā)車用LNG氣瓶絕熱性能在線監(jiān)測裝置，并結(jié)合傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)，搭建車用LNG氣瓶安全健康遠(yuǎn)程管理平臺[7]。該平臺通過采集LNG氣瓶主要狀態(tài)參數(shù)，并進(jìn)行傳輸與分析，研究LNG氣瓶絕熱性能在線檢驗及風(fēng)險預(yù)警的方法[8]。

1.1 數(shù)據(jù)采集裝置

該裝置可實時采集氣瓶壓力、氣相溫度、液相溫度、液位、流量、質(zhì)量等參數(shù)[9]，并將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)平臺進(jìn)行處理分析。裝置實物見圖1。

圖1 LNG氣瓶數(shù)據(jù)集成與監(jiān)測裝置Fig.1 Cylinder data integration and monitoring device

1.2 系統(tǒng)平臺建設(shè)

通過SQL Server數(shù)據(jù)庫及開源的MySQL等建立相關(guān)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)平臺。該平臺可對上述LNG氣瓶監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時展示；對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計與處理分析；還可以對超閾值數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險預(yù)警。圖2示出該裝置的系統(tǒng)框架圖。

圖2 系統(tǒng)框架圖Fig.2 System framework diagram

2 低溫絕熱氣瓶性能測試試驗

2.1 靜態(tài)蒸發(fā)率測量試驗

參照GB/T 18443.5—2010 《真空絕熱深冷設(shè)備性能測試方法 第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測量》對氣瓶靜態(tài)蒸發(fā)率進(jìn)行多組測量。選用一支LNG 500 L氣瓶和一支400 L氣瓶作為試驗瓶，試驗介質(zhì)使用液氮，按不同的充裝率從90%依次減少10%[10]至10%，測量相應(yīng)的靜態(tài)蒸發(fā)率，測量時，同時使用氣體流量計法和稱重法，數(shù)據(jù)記錄間隔為1 h。

依據(jù)GB/T 18443.5—2010中8.1.2節(jié)氣體質(zhì)量流量計測量和8.1.3節(jié)稱重法測量時，給出的公式計算測試蒸發(fā)率a0。依據(jù)GB/T 18443.5—2010中8.2.1節(jié)的公式計算高真空多層絕熱靜態(tài)蒸發(fā)率a20。將裝置采集得到的數(shù)據(jù)代入公式計算得到不同有效充裝率下的靜態(tài)蒸發(fā)率，結(jié)果見圖3。

圖3 不同有效充裝率下靜態(tài)蒸發(fā)率對比曲線Fig.3 Comparison curves of static evaporation rates at different filling rates

基于以上試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率隨有效充裝率的減少而降低。究其原因，是由于有效充裝率越低、液氮液位越低，與氣瓶內(nèi)膽接觸面積越小、熱量交換越少，故而靜態(tài)蒸發(fā)率越低[11]。此外，由于氣瓶放空閥和進(jìn)液口無法完全密閉和流量計測量靈敏度不足等原因，存在氮氣逸出無法監(jiān)測的現(xiàn)象，導(dǎo)致稱重法的測量值結(jié)果大于流量法的測量值[12]。

2.2 維持時間測量試驗

參照GB/T 18443.7—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能測試方法 第7部分：維持時間測量》對氣瓶進(jìn)行維持時間測量，分析得到不同充裝率的維持時間與升壓速率的變化規(guī)律。試驗從30%充裝率開始，每次增加10%容量直至90%，安全閥起跳壓力設(shè)定為1.9 MPa[13]。試驗場景見圖4。

圖4 試驗過程場景Fig.4 The scene of the test process

將在不同充裝率下采集得到的數(shù)據(jù)繪制出氣瓶壓力隨時間變化的曲線，如圖5所示。

圖5 氣瓶不同充裝率壓力隨時間的變化曲線Fig.5 Change curve of cylinder pressure with different filling rates

嘗試多種線型對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其中擬合效果最好的是以自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)(y=aebx)，最終擬合結(jié)果如圖6所示。其中，從左至右的曲線依次為30%～90%有效充裝率下維持時間測量過程中的氣瓶升壓曲線。

圖6 氣瓶不同充裝率壓力隨時間的變化的擬合曲線Fig.6 Fitting curves for change of cylinder pressure with different filling rates

試驗中維持時間與有效充裝率的關(guān)系如圖7所示，當(dāng)有效充裝率在30%～80%之間時，維持時間隨有效充裝率的增加而延長；當(dāng)有效充裝率等于90%時，維持時間出現(xiàn)縮短。此處采用三次函數(shù)(y=p1x3+p2x2+p3x+p4)對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合并得到如圖8所示的結(jié)果，圖7對應(yīng)圖8中0.3～0.9區(qū)間。其中，表示擬合效果的確定系數(shù)R2=0.9928。說明三次函數(shù)可較好地描述維持時間與充裝率之間的關(guān)系。結(jié)合進(jìn)一步的分析和推導(dǎo)可得，對于500 L氣瓶，當(dāng)有效充裝率低于約3%時，即使液氮完全氣化充滿整個氣瓶，根據(jù)理想氣體方程計算可得，室溫下(25 ℃)氣瓶內(nèi)的壓強(qiáng)低于1.9 MPa，不足以使安全閥起跳，即維持時間趨于無窮大。這與擬合曲線中x逐漸趨于0，維持時間不斷增大的結(jié)果一致[14]。

圖7 維持時間與有效充裝率關(guān)系曲線Fig.7 Relation curve of holding time with different filling rate

圖8 維持時間與有效充裝率關(guān)系擬合曲線Fig.8 Fitting curve for the relationship between holding time and effective filling rate

針對有效充裝率大于80%后，維持時間隨有效充裝率增大而減小的轉(zhuǎn)折點，有待通過進(jìn)一步試驗驗證。

2.3 氣瓶破壞真空度維持時間測量試驗

GB/T 18442.3—2019《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第3部分：設(shè)計》規(guī)定，氣瓶真空度完好的判定條件為充裝液氮后，真空度小于0.05 Pa。試驗通過向真空夾層中充裝氮氣，使試驗起始真空度大于0.05 Pa。模擬氣瓶真空度在一定程度失效的情況下，氣瓶壓力隨時間變化的規(guī)律，為氣瓶失效預(yù)警提供數(shù)據(jù)與理論支撐[15]。

試驗中氣瓶的有效充裝率為80%，氣瓶真空度隨時間的變化曲線如圖9所示。

圖9 破壞真空度后真空度隨時間變化曲線Fig.9 Change curve of vacuum degree with time after vacuum breaking

圖中0點為液氮充裝完成時刻，豎直虛線表示完成靜置過程開始維持時間測量時刻。通過試驗發(fā)現(xiàn)，從液氮充裝至試驗結(jié)束的整個過程中，氣瓶真空度一直處于動態(tài)變化過程。在靜置的57 h內(nèi)，夾層真空度持續(xù)降低；在維持時間測量過程中，真空度隨時間的增加而持續(xù)升高。

試驗過程中破壞真空度前后氣瓶內(nèi)壓力隨時間的變化對比曲線如圖10所示。本試驗著重對維持時間測量前150 h部分進(jìn)行擬合。采用以自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)(y=aebx)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖11所示。

圖10 破壞真空度前后氣瓶壓力隨時間的變化曲線Fig.10 Change curve of cylinder pressure with time before and after vacuum breaking

圖11 破壞真空度前后氣瓶壓力隨時間變化擬合曲線Fig.11 Fitting curve of cylinder pressure before and after vacuum insulation loss

擬合公式的一階導(dǎo)數(shù)表達(dá)式為y′=abebx，在實際中，y為氣瓶的壓力，x為時間，x取某一定值，則y′為這一時刻氣瓶壓力隨時間的變化率。

在真空度有一定程度破壞的情況下，維持時間在8～72 h內(nèi)，真空度破壞前后的氣瓶升壓速率存在明顯的差異，且逐漸增大，最小為5.61%，最大為9.49%(見表1)，這個可以作為80%充裝率LNG氣瓶的絕熱性能的評價指標(biāo)，以此類推，可以通過系列試驗獲得其他充裝率下的升壓速率差值。這個差值可以作為LNG絕熱性能的評價指標(biāo)(還要做LNG與液氮的轉(zhuǎn)換)，并通過測量升級速率的辦法替代傳統(tǒng)的拆卸檢驗[16]。

表1 臨界真空度下氣瓶壓力隨時間變化的升壓速率Tab.1 Pressure increase rate for the change of cylinder pressure with time before and after vacuum breaking

3 結(jié)語

(1)LNG氣瓶的靜態(tài)蒸發(fā)率隨有效充裝率的減少而降低；維持時間與充裝率呈現(xiàn)三次函數(shù)變化特征。

(2)LNG氣瓶的升壓速率變化可以反映設(shè)備真空度的異常，對應(yīng)不同的充裝率和時間有不同的臨界值，為不拆卸檢驗提供充分的依據(jù)和可能性。

(3)提出了LNG氣瓶在線監(jiān)測的思路與方法，結(jié)合LNG氣瓶狀態(tài)的智能分析和遠(yuǎn)程診斷預(yù)警，有望解決LNG氣瓶全天候的動態(tài)安全保障問題。