车用LNG气瓶绝热性能在线监测与评价方法_胡杭健.pdf

第 39 卷第 11 期压力容器2022 年 11 月doi:10 3969/j issn 1001 4837 2022 11 009检 验 与 维 护车用 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)摘要:车用 LNG 低温绝热气瓶是 LNG 汽车的关键储能设备，其绝热性能与车辆的安全密切相关，需定期对气瓶绝热性能进行检验，现有的定期检验存在操作复杂、检验周期长等问题。设计了车用气瓶参数在线监测装置，结合无线通讯技术，构建气瓶的安全健康远程管理平台。通过试验测量不同状态下气瓶的静态蒸发率和维持时间，得到真空度破坏前后气瓶内压力变化曲线。分析试验数据发现真空度破坏前后，气瓶升压速率存在明显差异，以此可实现对气瓶健康状况的评估。有望通过对气瓶升压速率的监测实现气瓶检验检测效率以及设备风险预警时效性的提升。关键词:LNG 绝热气瓶;静态蒸发率;维持时间;真空度;预警平台中图分类号:TH49;TQ053 2;TP277文献标志码:Aesearch on on-line health monitoring and evaluation system for vehicle low temperatureinsulated gas cylindersHU Hangjian，SHI Kun，ZHOU Yunyi(China Special Equipment Inspection esearch Institute，Beijing 100029，China)Abstract:Vehicle LNG low-temperature insulated gas cylinder is the key energy storage equipment for LNG vehicles，and its thermalinsulation performance is closely related to the safety of the vehicles The thermal insulation performance of the gas cylinder needsto be inspected regularly For the existing periodic inspection，there are problems such as complicated operation and long inspectionperiod In this study，a device for on-line monitoring of vehicle gas cylinder parameters was designed and implemented，and a safetyand health remote management platform for gas cylinders was constructed in combination with wireless communication technologyThe static evaporation rate and holding time of the gas cylinder under different conditions were measured experimentally，and thepressure change curve of the gas cylinder before and after the vacuum was broken was obtained Analysis of the experimental datashows that there is a significant difference in the pressure increase rate of the gas cylinder before and after the vacuum is destroyed，so that the health status of the gas cylinder can be evaluated It is expected to improve the efficiency of gas cylinder inspection anddetection and the timeliness of equipment risk early warning by monitoring the pressure increase rate of gas cylindersKey words:LNG insulated cylinder;static evaporation rate;maintenance time;vacuum degree;early warning platform收稿日期:2022 02 16修稿日期:2022 04 02基金项目:十三五国家重点研发计划项目“典型移动式承压类设备动态风险监测技术研究”(2017YFC0805604)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46胡杭健，等:车用 LNG 气瓶绝热性能在线监测与评价方法问题: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 1LNG 气瓶数据集成与监测装置Fig 1Cylinder data integration and monitoring device1 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。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 52010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。图 2系统框架图Fig 2System framework diagram依据 GB/T 18443 52010 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 52010 中821 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 3Comparison curves of static evaporation rates atdifferent 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 72010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56PESSUE VESSEL TECHNOLOGYVol.39，No.11，2022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 MPa13。试验场景见图 4。图 4试验过程场景Fig 4The 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 5Change curve of cylinder pressure with differentfilling rates图 6气瓶不同充装率压力随时间的变化的拟合曲线Fig 6Fitting curves for change of cylinder pressure withdifferent 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。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2=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Fig7elation curve of holding time with different filling rate66胡杭健，等:车用 LNG 气瓶绝热性能在线监测与评价方法图 8维持时间与有效充装率关系拟合曲线Fig 8Fitting curve for the relationship between holdingtime 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 32019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 9Change curve of vacuum degree with time aftervacuum 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 10Change curve of cylinder pressure with time beforeand 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 11Fitting curve of cylinder pressure before andafter vacuum insulation loss表 1临界真空度下气瓶压力随时间变化的升压速率Tab 1Pressure increase rate for the change of cylinderpressure with time before and after vacuum breaking时间/h完好真空度 破坏真空度后 升压速率差异(%)8624 104659 10456116711 104754 10460524810 104863 10465432923 104988 10470440105 103113 10375248120 103129 10380256136 103148 10385064155 103169 10390172177 103194 10394976PESSUE VESSEL TECHNOLOGYVol.39，No.11，2022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。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。参考文献:1 毛晓刚，赵远利，董本万，等 LNG 气瓶静态蒸发率测试方法的选择及智能测试平台的研制J 特种设备安全技术，2019(2):8 10MAO Xiaogang，ZHANG Yuanli，DONG Benwan，et alSelection of static evaporation rate test method for LNGcylinders and development of intelligent test platform J Safety Technology of special equipment，2019(2):8 10 2 张哲，田津津，毛力，等 LNG 冷藏车冷量回收系统仿真研究 J 流体机械，2012，40(10):75 79ZHANG Zhe，TIAN Jinjin，MAO Li，et al Simulation ofLNG efrigerated Trucks Cold Energy ecovery System J Fluid Machinery，2012，40(10):75 79 3 朱珊云，戴源德，曹杰，等 小管径开缝翅片管式换热器空气侧传热综合性能研究J 流体机械，2022，50(5):68 75ZHU Shanyun，DAI Yuande，CAO Jie，et al Analysis ofcomprehensive heat transfer performance at air-side ofslotted fin-and-tube heat exchangers with small diameter J Fluid Machinery，2022，50(5):68 75 4 刘金良，杨树斌，李蔚，等 车用 LNG 气瓶的定期检验现状 与 思 考J 中 国 特 种 设 备 安 全，2016，32(1):46 49LIU Jinliang，YANG Shubin，LI Wei，et al Status andthinking on periodic inspection of liquefied natural gascylinders for vehicles J Safety of Special Equipmentin China，2016，32(1):46 49 5 刘金良，黄钧 LNG 低温液体储罐的定期检验J 中国特种设备安全，2011，27(4):25 27LIU Jinliang，HUANG Jun Periodic inspection of LNGcryogenic liquid tanks J Chinese Special EquipmentSafety，2011，27(4):25 27 6 周伟明，沈铣，滕俊华 多式联运 LNG 罐箱低温性能指标 确 定 及 测 试 分 析J 压 力 容 器，2018，35(8):1 6ZHOU Weiming，SHEN Xian，TENG Junhua Determinationof cryogenic performance parameters and test analysisof intermodal transport LNG tank container J PressureVessel Technology，2018，35(8):1 6 7 许海洋，杨宁祥，梁琳等 车载 LNG 气瓶液体晃动数值分析方法对比 J 压力容器，2011，38(11):44 52XU Haiyang，YANG Ningxiang，LIANG Lin，et alComparative study on numerical analysis methods ofliquid sloshing in vehicle-mounted LNG cylinders J Pressure Vessels Technology，2011，38(11):44 52 8 白帆 低温绝热气瓶智能化检验系统的研究与应用 D 大连:大连海事大学，2017BAI Fang esearch and application of intelligentinspection system for low temperature insulation gascylinderD Dalian:Dalian Maritime University，2017 9 杨凯，及蕊，蔡永风，等 影响高真空多层绝热低温性能的主要因素分析及应对措施J 中国化工装备，2020，22(6):15 19YANG Kai，JI ui，CAI Yongfeng，et al Analysis ofmain factors affecting thermal insulation performance ofhigh vacuum multilayer and corresponding measuresJ China Chemical Industry Equipment，2020，22(6):15 19 10 朱华强，张夏，蔡延彬 静置时间和充满率对静态蒸发率的影响 J 广州化工，2019，47(9):94 96ZHU Huaqiang，ZHANG Xia，CAI Yanbin Influenceof standing time and filling rate on static evaporationrate J GuangzhouChemicalIndustry，2019，47(9):94 96(下转第 86 页)86PESSUE VESSEL TECHNOLOGYVol.39，No.11，2022合硬化模型参数确定及模型应用 J 机械工程学报，2020，56(2):63 68LI Qun，JIN Miao，ZOU Zongyuan，et al Parameterdetermination andapplicationresearchofmixedhardening model based on cyclic tension-compressiontestJ Journal of Mechanical Engineering，2020，56(2):63 68 23 李索，陈维奇，胡龙，等 加工硬化和退火软化效应对 316 不锈钢厚壁管 管对接接头残余应力计算精度的影响 J 金属学报，2021，57(12):1653 1666LI Suo，CHEN Weiqi，HU Long，et al Influence ofstrainhardeningandannealingeffectontheprediction of welding residual stresses in a thick-wall316 stainless steel butt-welded pipe jointJ ActaMetallurgica Sinica，2021，57(12):1653 1666作者简介:潘晓栋(1979)，男，高级工程师，总经理助理，主要从事压力容器的产品设计研发、制造工艺研究开发等工作，通信地址:212000 江苏省镇江市丹徒区金桥大道北 100 米中国二重(镇江)重型装备有限责任公司，E mail:32024628 qq com。通信作者:蒋文春(1980)，男，教授，博士生导师，主要从事能源与化工装备先进制造、安全和结构完整性研究工作，通信地址:266580 山东省青岛市黄岛区长江西路66 号 中 国 石 油 大 学(华 东)新 能 源 学 院，E mail:jiangwenchun126 com。本文引用格式:潘晓栋，杨刚，谷文斌，等 加氢反应器主副加热局部热处理 J 压力容器，2022，39(11):78 86PAN Xiaodong，YANG Gang，GU Wenbin，et al Primary and secondary local post-welding heat treatment of hydrogenation reactor J Pressure Vessel Technology，2022，39(11):78 86(上接第 68 页)11 李玉星，王武昌，乔国发，等 密闭 LNG 储罐内的压力 和 蒸 发 率J 化 工 学 报，2010，61(5):1241 1246LI Yuxing，WANG Wuchang，QIAO Guofa et alPressure and evaporation rate in a closed LNG tank J CIESC Journal，2010，61(5):1241 1246 12 吴思宪，巨永林，傅允准 B 型 LNG 模拟舱内低温流体两相流动与相变传热数值研究J 制冷学报，2020，41(5):108 115WU Sixian，JU Yonglin，FU Yunzhun Numerical studyon two-phase flow and phase change heat transfer ofcryogenic fluid in type B LNG mock up cargo tank J Journal of efrigeration，2020，41(5):108 115 13 李小金，马凤英，秦丽丽，等 车载 LNG 气瓶绝热性能便携式测试方法研究 J 真空与低温，2021，27(1):90 93LI Xiaojin，MA Fengying，QIN Lili，et al esearch onportable detection for thermal insulation performanceof LNG cylinders for vehicles J Vacuum Cryogenics，2021，27(1):90 93 14 江仰春 车载 LNG 焊接绝热气瓶绝热性能测试研究 J 机电技术，2015(5):129 132JIANG Yangchun esearch on insulation performancetestofvehicle-mountedLNGweldedinsulationcylinderJ Mechanical Electrical Technology，2015(5):129 132 15 李晓峰，黄强华，陈光奇，等 低温绝热气瓶真空寿命模拟试验研究 J 真空，2020，57(1):56 61LI Xiaofeng，HUANG Qianghua，CHEN Guangqi，et al Simulated experimental study on vacuum life ofcryogenic insulated cylindersJ Vacuum，2020，57(1):56 61 16 骆辉，薄柯，李桐，等 车用 LNG 气瓶定期检验技术探讨J 中国特种设备安全，2016，32(4):42 46LUO Hui，BO Ke，LI Tong Discussion on periodicinspection technology of vehicle LNG gas cylinder forvehicles J China Special Equipment Safety，2016，32(4):42 46作者简介:胡杭健(1989)，男工程师，主要从事天然气和氢能特种设备检验及安全性能研究工作，通信地址:100029 北京市朝阳区和平街西苑 2 号楼 A610 中国特种设备检测研究院，E mail:339404638 qq com。本文引用格式:胡杭健，石坤，周云奕 车用 LNG 气瓶绝热性能在线监测与评价方法 J 压力容器，2022，39(11):64 68HU Hangjian，SHI Kun，ZHOU Yunyi esearch on on-line health monitoring and evaluation system for vehicle low temperatureinsulated gas cylinders J Pressure Vessel Technology，2022，39(11):64 6868