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