车用LNG气瓶绝热性能在线监测与评价方法

胡杭健，石 坤，周云奕

(中国特种设备检测研究院，北京 100029)

0 引言

车用LNG低温绝热气瓶(简称LNG气瓶)在为液化天然气汽车提供燃料的同时，也关系车辆及乘客的安全，其中绝热性能是影响LNG气瓶安全的关键要素。目前，国内LNG气瓶多采用高真空多层绝热结构，表征绝热性能的主要参数有真空度、静态蒸发率、维持时间等，但由于LNG气瓶上没有安装真空规管，无法对真空度直接检测，所以实际检验中一般通过测试LNG气瓶的静态蒸发率，来判断其绝热性能[1-3]。

此外，我国在LNG气瓶检验方面还存在一些问题：一是对LNG气瓶定期检验方法、评测手段等有待进一步提升；二是LNG气瓶检验效率低、周期长、成本高，给车辆使用带来极大不便[4]；三是现行的拆卸式的检验方式会给气瓶、阀门及其管路附件带来设备损坏风险[5-6]。

1 在线监测装置与系统

该课题通过设计、开发车用LNG气瓶绝热性能在线监测装置，并结合传感技术、无线通信技术，搭建车用LNG气瓶安全健康远程管理平台[7]。该平台通过采集LNG气瓶主要状态参数，并进行传输与分析，研究LNG气瓶绝热性能在线检验及风险预警的方法[8]。

1.1 数据采集装置

该装置可实时采集气瓶压力、气相温度、液相温度、液位、流量、质量等参数[9]，并将数据通过无线网络传输到系统平台进行处理分析。装置实物见图1。

图1 LNG气瓶数据集成与监测装置Fig.1 Cylinder data integration and monitoring device

1.2 系统平台建设

通过SQL Server数据库及开源的MySQL等建立相关数据管理系统平台。该平台可对上述LNG气瓶监测数据进行实时展示；对历史数据进行统计与处理分析；还可以对超阈值数据进行风险预警。图2示出该装置的系统框架图。

图2 系统框架图Fig.2 System framework diagram

2 低温绝热气瓶性能测试试验

2.1 静态蒸发率测量试验

参照GB/T 18443.5—2010 《真空绝热深冷设备性能测试方法 第5部分：静态蒸发率测量》对气瓶静态蒸发率进行多组测量。选用一支LNG 500 L气瓶和一支400 L气瓶作为试验瓶，试验介质使用液氮，按不同的充装率从90%依次减少10%[10]至10%，测量相应的静态蒸发率，测量时，同时使用气体流量计法和称重法，数据记录间隔为1 h。

依据GB/T 18443.5—2010中8.1.2节气体质量流量计测量和8.1.3节称重法测量时，给出的公式计算测试蒸发率a0。依据GB/T 18443.5—2010中8.2.1节的公式计算高真空多层绝热静态蒸发率a20。将装置采集得到的数据代入公式计算得到不同有效充装率下的静态蒸发率，结果见图3。

图3 不同有效充装率下静态蒸发率对比曲线Fig.3 Comparison curves of static evaporation rates at different filling rates

基于以上试验结果可以发现，气瓶的静态蒸发率随有效充装率的减少而降低。究其原因，是由于有效充装率越低、液氮液位越低，与气瓶内胆接触面积越小、热量交换越少，故而静态蒸发率越低[11]。此外，由于气瓶放空阀和进液口无法完全密闭和流量计测量灵敏度不足等原因，存在氮气逸出无法监测的现象，导致称重法的测量值结果大于流量法的测量值[12]。

2.2 维持时间测量试验

参照GB/T 18443.7—2010《真空绝热深冷设备性能测试方法 第7部分：维持时间测量》对气瓶进行维持时间测量，分析得到不同充装率的维持时间与升压速率的变化规律。试验从30%充装率开始，每次增加10%容量直至90%，安全阀起跳压力设定为1.9 MPa[13]。试验场景见图4。

图4 试验过程场景Fig.4 The scene of the test process

将在不同充装率下采集得到的数据绘制出气瓶压力随时间变化的曲线，如图5所示。

图5 气瓶不同充装率压力随时间的变化曲线Fig.5 Change curve of cylinder pressure with different filling rates

尝试多种线型对试验数据进行拟合，其中拟合效果最好的是以自然常数e为底的指数函数(y=aebx)，最终拟合结果如图6所示。其中，从左至右的曲线依次为30%～90%有效充装率下维持时间测量过程中的气瓶升压曲线。

图6 气瓶不同充装率压力随时间的变化的拟合曲线Fig.6 Fitting curves for change of cylinder pressure with different filling rates

试验中维持时间与有效充装率的关系如图7所示，当有效充装率在30%～80%之间时，维持时间随有效充装率的增加而延长；当有效充装率等于90%时，维持时间出现缩短。此处采用三次函数(y=p1x3+p2x2+p3x+p4)对试验数据进行拟合并得到如图8所示的结果，图7对应图8中0.3～0.9区间。其中，表示拟合效果的确定系数R2=0.9928。说明三次函数可较好地描述维持时间与充装率之间的关系。结合进一步的分析和推导可得，对于500 L气瓶，当有效充装率低于约3%时，即使液氮完全气化充满整个气瓶，根据理想气体方程计算可得，室温下(25 ℃)气瓶内的压强低于1.9 MPa，不足以使安全阀起跳，即维持时间趋于无穷大。这与拟合曲线中x逐渐趋于0，维持时间不断增大的结果一致[14]。

图7 维持时间与有效充装率关系曲线Fig.7 Relation curve of holding time with different filling rate

图8 维持时间与有效充装率关系拟合曲线Fig.8 Fitting curve for the relationship between holding time and effective filling rate

针对有效充装率大于80%后，维持时间随有效充装率增大而减小的转折点，有待通过进一步试验验证。

2.3 气瓶破坏真空度维持时间测量试验

GB/T 18442.3—2019《固定式真空绝热深冷压力容器 第3部分：设计》规定，气瓶真空度完好的判定条件为充装液氮后，真空度小于0.05 Pa。试验通过向真空夹层中充装氮气，使试验起始真空度大于0.05 Pa。模拟气瓶真空度在一定程度失效的情况下，气瓶压力随时间变化的规律，为气瓶失效预警提供数据与理论支撑[15]。

试验中气瓶的有效充装率为80%，气瓶真空度随时间的变化曲线如图9所示。

图9 破坏真空度后真空度随时间变化曲线Fig.9 Change curve of vacuum degree with time after vacuum breaking

图中0点为液氮充装完成时刻，竖直虚线表示完成静置过程开始维持时间测量时刻。通过试验发现，从液氮充装至试验结束的整个过程中，气瓶真空度一直处于动态变化过程。在静置的57 h内，夹层真空度持续降低；在维持时间测量过程中，真空度随时间的增加而持续升高。

试验过程中破坏真空度前后气瓶内压力随时间的变化对比曲线如图10所示。本试验着重对维持时间测量前150 h部分进行拟合。采用以自然常数e为底的指数函数(y=aebx)对原始数据进行拟合，拟合结果如图11所示。

图10 破坏真空度前后气瓶压力随时间的变化曲线Fig.10 Change curve of cylinder pressure with time before and after vacuum breaking

图11 破坏真空度前后气瓶压力随时间变化拟合曲线Fig.11 Fitting curve of cylinder pressure before and after vacuum insulation loss

拟合公式的一阶导数表达式为y′=abebx，在实际中，y为气瓶的压力，x为时间，x取某一定值，则y′为这一时刻气瓶压力随时间的变化率。

在真空度有一定程度破坏的情况下，维持时间在8～72 h内，真空度破坏前后的气瓶升压速率存在明显的差异，且逐渐增大，最小为5.61%，最大为9.49%(见表1)，这个可以作为80%充装率LNG气瓶的绝热性能的评价指标，以此类推，可以通过系列试验获得其他充装率下的升压速率差值。这个差值可以作为LNG绝热性能的评价指标(还要做LNG与液氮的转换)，并通过测量升级速率的办法替代传统的拆卸检验[16]。

表1 临界真空度下气瓶压力随时间变化的升压速率Tab.1 Pressure increase rate for the change of cylinder pressure with time before and after vacuum breaking

3 结语

(1)LNG气瓶的静态蒸发率随有效充装率的减少而降低；维持时间与充装率呈现三次函数变化特征。

(2)LNG气瓶的升压速率变化可以反映设备真空度的异常，对应不同的充装率和时间有不同的临界值，为不拆卸检验提供充分的依据和可能性。

(3)提出了LNG气瓶在线监测的思路与方法，结合LNG气瓶状态的智能分析和远程诊断预警，有望解决LNG气瓶全天候的动态安全保障问题。