复合材料压缩天然气车用气瓶
复合材料压缩天然气车用气瓶
复合材料压缩天然气车用气瓶
1、项目背景
1.1
CNG气瓶介绍
压缩天然气（CNG－pressed
Natural
Gas）
作为汽车动力源已有几十年历史。作为CNG储存容器的气瓶是CNG动力的关键部。
1.1.1CNG气瓶使用要求
CNG气瓶的使用条在CNG容器的标准中都有明确规定：CNG气瓶使用寿命不超过20年；CNG气瓶的工作压力：车用气瓶为
20MPa，站用瓶为25MPa。设计安全系数为2.25～3.0。其设计的使用温度为15℃。由于环境温度的变化，当温度升高时，允许其工作压力达到125%；气体压力循环的最大数目为750～1000次/年。汽车运行时的外部环境温度可在-40℃～+82℃之间变化，容器内所包含的气体温度不超过57℃。
按NGV的要求，压缩天然气的杂质和其它有害气体含量的规定为：H2S和硫化物的分压最大为344.5Pa，或者H2S的含量小于20Ppm，不合有甲醇；水蒸气含量为：在车辆工作的特定的地理位
置，压缩天然气的气体压力下，燃料罐内无水蒸气冷凝发生。美国消防协会规定，在站用瓶的储气条下，水蒸气含量为16mg/m3（15℃，15MPa），并规定CO2的分压为0.048MPa。
1.1.2
CNG气瓶的资质认证
CNG气瓶的资质认证试验用于证明气瓶的设计在其使用寿命范围内是否是安全的。对于每个新设计的气瓶要求进行内容广泛的试验过程和试验项目；但是为了修正已有的气瓶设计，则可采用简化的试验运行。资质认证试验的具体试验项目如下：（1）水爆试验：该项试验主要用于验证各类容器的设计是否基本正确，对于钢质气瓶，试验其安全系数的大小是否与设计的一致；对于纤维复合材料增强的各类气瓶，还将验证其增强复合材料的应力比。
（2）室温循环试验：该项试验主要用于证实CNG容器或内衬满足其使用寿命要求而不发生泄漏，同时也为了证实气瓶是否具有安全破坏的特征，即在破裂前发生泄漏。
（3）环境循环试验：该项试验主要用于检验CNG容器或内衬是否可以承受在使用条下可能遇到的各种流体如酸、碱等溶液的侵害；酸性溶液对玻璃纤维和芳纶纤维增强的复合材料性能具有明显的影响，其它液体也会侵蚀增强纤维和树脂基体；压力循环将会促进基体树脂的裂纹张开：从而有助于流体溶入复合材料层
内。在环境循环试验中，还使气瓶承受一系列的模拟砂子冲击的低能冲击，以检验在流体中暴露之前气瓶保护涂层的耐久性。
（4）阻燃试验：该项试验主要用于证实燃料容器系统包括气瓶、压力释放装置在经受火烧或极限温度时，燃料容器内的气体会泄放；压力释放装置在压力、温度或压力与温度的综合作用下会发生作用，也就是说不管气瓶是在完全充气还是部分充气，燃料容器系统在火中都必须是安全的。
（5）裂纹容限试验：这一试验主要用于模拟刀割、刨削等使用中可能出现的损伤或缺陷，证明容器不会因存在适当的损伤而发生泄漏或破裂。
（6）坠落试验：坠落试验用于模拟燃料容器在安装使用之前的搬运、装卸中可能引入的损伤或缺陷。并通过试验证实：这些损伤和缺陷，在容器的使用寿命中不会发生泄漏和破裂。坠落时容器可呈水平、垂直和45°方向落下。
（7）穿透试验：正如众所周知的枪击试验那样，本试验在于证实，即使一个高能的冲击物使气瓶简体复合材料增强体穿透，燃料容器也不会发生碎状破裂。
（8）渗透试验：本试验主要用于检验以非金属内衬或焊接非金属内衬所制成的全塑复合材料燃料容器不允许存在有超出标准规定所限制的天然气渗漏损失。
（9）天然气循环试验：本试验主要用于证实由于天然气气流所产生的静电或者由于天然气的迅速压缩和膨胀所引起的温度瞬变，不会引起气瓶的损伤。
（10）加速应力破裂试验：本试验主要用于证实气瓶的增强纤维和树脂体系可以持续暴露在高温高压下而无衰变。
（11）关于断裂性能的要求，及非破坏检验方法进行确定缺陷大小的有关试验：其目的在于寻找在金属容器和内衬中的裂纹、缺陷，包括疲劳敏感位置的鉴别，在破裂前的泄漏性能
（1eak—beforc－break：LBB）和临界裂缝的大小（critical flaw
sizes）。
1.1.3复合材料CNG气瓶优势介绍
由于CNG汽车的逐渐推广，CNG气瓶将具有十分广阔的前景。CNG气瓶可用合金钢瓶，也可以是复合材料气瓶。CNG复合材料气瓶是在金属或塑料内衬外缠绕纤维增强树脂。按结构形式可以分为全缠绕、环缠绕；按内胆材料可分为塑料内胆、铝合金内胆和钛
合金内胆、不锈钢内胆；按内胆壁厚分为承载内胆和非承载内胆；按几何形状分为柱形和、球形。
与钢瓶相比，玻璃钢/复合材料气瓶具有以下优点：
（1）比强度高
复合材料（玻璃钢）比强度为钢的4倍，而比模量仅比钢低22%；比强度为铝的3倍，比模量仅比铝低19%。可见用玻璃钢制作CNG气瓶重量将大幅下降。若采用薄铝内衬，外以玻璃纤维或碳纤维浸渍环氧树脂后缠绕，其瓶重比绕钢丝者轻40%；比绕铝丝者轻10%。因此采用复合材料CNG气瓶可以提高汽车的有效载荷，增加行驶速度。
（2）破损安全性好
玻璃钢重采用大量纤维增强，每平方厘米上的纤维多达几千几万根。从力学观点上看，是典型的静不定体系。当玻璃钢气瓶超载并发生少量纤维断裂时，其载荷会迅速重新分配在未破坏的纤维上，这在短期乃至相当一段时间内不致使气瓶丧失承载能力。
（3）减震性好
复合材料中纤维与树脂基体界面具有吸震能力，震动阻尼甚高，抗声振疲劳性亦佳。
1.2项目背景分析
1.2.1环境保护和石油能源紧缺
近年来，我国汽车工业得到了快速发展。20xx年，我国汽车年产量达到570.7万辆，汽车保有量达到约3500万辆。据预测，到2021年我国汽车总保有量有可能突破1.5亿辆。汽车保有量的增长同时带来了燃油消耗总量的快速增加。我国已经成为世界上第二大能源消费国。20xx年我国累计进口原油1.2亿吨。据有关
人士预计，到2021年我国石油需求量将超过4亿吨，其中，汽车燃料消耗约2亿吨，石油的对外依存度将有可能达到60%。随着机动车保有量的激增，我国机动车尾气污染问题更显严重，国家环保中心预测，到2021年我国汽车尾气排放量将可能占空气总污染源的64%。综上所述，随着我国汽车工业快速发展，环境污染与能源紧缺这两个重要的问题将愈显严峻。解决这些问题的有效途径是：
（1）采取政策与技术措施大幅度节约燃料消耗；
（2）开发应用各种清洁替代燃料。设想到2021年，经过大家努力，全国汽车燃料消耗比预测值节约20%左右，替代燃料（尤其是可再生的替代燃料）比例也达到20%左右，能源紧缺与环境污染问题将会得到有效缓解。
压缩天然气（CNG）是优选的汽车替代燃料。天然气的主要成分为甲烷，它可以从纯气田的天然气中获得，也可以从油田的石油伴生气中获得。天然气用作汽车燃料主要方式是压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）。天然气经过合成技术成为品质优良的柴油（GTL），天然气还可以用来生产甲醇、二甲醚、氢气，成为汽车的燃料。
压缩天然气（CNG）通常应用于点燃式发动机。它具有较高的辛烷值(RON高达130),有利于提高发动机的热效率；天然气进入气缸之前以气态与空气较均匀混合，在缸内实现较完全燃烧，有利于CO、HC排放物的减少；经过严格脱硫处理的CNG硫含量很
低，有助于降低硫化物和常规污染物的排放，延长尾气处理催化剂的寿命。CNG的主要缺点是能量密度及混合气热值均低于汽油，导致发动机的动力性会有所降低，在有限的储气瓶容积下，车辆的续驶里程短；储气瓶往往占用较大空间和重量；CNG加气站等基础设施建设需要较大的土地面积和资金。
1.2.2天然气储藏丰富
天然气在世界的储量相当丰富，因此CNG汽车发展很快。根据某些资料介绍，全球CNG汽车保有量约480万辆，加气站约8800座。许多国家生产大功率电控车用CNG发动机，装备于公交车和重型载重车。据欧美一些专家预测，天然气是最具发展潜力的汽车替代燃料。天然气发动机的低排放优点，也是混合动力汽车优选的内燃机类型。可以预测，在今后5～10年内，CNG汽车的比例将会明显增长，成为我国汽车的主要品种之一。
我国是天然气资源尚较丰富的国家，据全国油气资源评价，我国气层资源蕴藏量为38万亿立方米，已探明的地质储量为1.52万亿立方米。目前世界大多数发达国家天然气的消耗占一次能源20～30%，而我国仅占2%左右，也就是说，我国天然气的开发利用具有很大的潜力。我国西气东输工程计划到2021年覆盖260个城市，将为大量推广使用天然气汽车提供资源条。八十年代以来，尤其是1999年全国开展清洁汽车行动以后，我国的天然气汽车发展很快。目前全国的天然气汽车总数约22万辆，加气站总数400
余座。尤其在西部天然气资源丰富、价格便宜的地方，压缩天然气（CNG）汽车增长很快。
我国的天然气资源十分丰富，四川、重庆、新疆、陕北、大港及近海油田都有丰富的天然气资源。
1.2.3天然气用作汽车燃料优点
天然气用作汽车燃料具有以下优点：
（1）有较好的社会效益。机动车尾气是城市大气污染的主要来源之一，其中主要有害成分是一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、一氧化氮（NO）、和二氧化氮（NO2）等。世界各国为了减少汽车尾气中有害物质对大气的污染，都制定了汽车排放标准，对其中有害成分的限制越来越严，这就相应提高了汽车发动机的制造难度。使用天然气作为汽车燃料，可以大大地降低发动机废气排放中的各种有害成分，据有关资料显示，天然气作汽车燃料与汽油相比，可减排CO92%、SO290%、HC72%、NOx39%、
CO224%、粉尘100%，对改善城市环境有显著作用。当然，天然气汽车的环保效益与汽车的性能、改装装置、改装技术有很大关系，对于在用化油器汽车改装后的效果则差许多，对单一燃气汽车，其排放性能可达到欧洲3号、4号法规限制和美国加州超低排放车标准。
（2）有利于缓解能源安全。我国每年需进口大量原油、成品油和LPG，并且国内仅少数炼厂能生产符合车用标准的LPG。如用天然气替代汽柴油，以每辆车年均行驶里程5万km计，改装100
万辆天然气汽车，每年可以替代油品1000万t。因此，从国家能源政策来看，发展CNG产业，可调整燃料结构，减少对石油资源的依赖程度，减轻国家石油储备压力。世界上不少国家，如阿根廷、澳大利亚等，发展代用燃料汽车的一个根本出发点就是降低石油资源消耗、平衡能源消费结构。
（3）有较高的经济效益。在相同的当量热值时，世界各国一般将车用CNG价格与汽柴油价格的比控制在0.5左右。如果各类发动机的热效率接近，则天然气汽车的燃料费用大约是汽油车或柴油车的一半，这不仅弥补了由于汽车数量不断增加而引起的液体燃料供应不足，而且运行费用大幅度降低。另外，我国将在近期出台燃油费改税政策，根据《交通和车辆税费改革实施方案草案》，汽油和柴油的燃料税征收分别为1元／L、0.8元／L，车用LPG和CNG按与汽油的热值比例及汽油税率换算，减半征收。如果天然气和汽油的热值分别为33.4MJ／m3、31.8MJ／m3，天然气税率约0.52元／m3，届时油气差价将在现有基础上增加近0.5元，CNG在价格上将更有竞争力。
（4）可延长发动机寿命。天然气容易扩散，在发动机中容易和空气混合均匀，燃烧比较完全、干净；辛烷值高，抗爆性能好，使用时不需添加抗爆剂，不容易产生积碳；不会稀释润滑油，因而使发动机汽缸内的零磨损大大减少，使发动机的寿命和润滑油的使用期限大幅度增长。所有这些都会降低汽车的保养和运行费用，从而也提高汽车使用的经济性。
2、市场分析
天然气汽车以低排放、抑制温室效应和摆脱对石油的依赖这三大特性，正在世界范围内得到普及和推广。截止到20xx年2月的统计资料显示，全世界共有486万辆天然气汽车。其中，位居世界第一位的是阿根廷，保有量为145.9万辆；中国居世界第七位，保有量约9.7万辆（见表2—12）。
近二十多年来，世界天然气需求持续稳定增长，平均增长率保持在2%。预计到2021年，天然气在世界能源组成中的比重将会增加到30%。到21世纪中后期，天然气在世界能源结构中的比重将超过石油，成为世界第一大能源。
世界许多国家生产大功率电控车用CNG发动机，装备于公交车和重型载重车。据欧美一些专家预测，天然气是最具发展潜力的汽车替代燃料。天然气发动机的低排放优点，也是混合动力汽车优选的内燃机类型。可以预测，在今后5～10年内，CNG汽车的比例将会明显增长，成为我国汽车的主要品种之一。
表2—12
世界天然气汽车及加注站的普及情况
国家
保有量（台）
CNG加注站
国家
保有量（台）
CNG加注站阿根廷1459236 1400
孟加拉44534 106
巴西1035348 1176
委内瑞拉44146 149
巴基斯坦870000 828
俄罗斯41780 213
意大利382000 509
玻利维亚38855 63
印度204000 198
亚美尼亚38100 60
美国130000 1340
德国33000 647
中国97200 357
日本25000 289
伊朗
91314 120
加拿大20505 222
乌克兰67000 147
其他国家114324 883
埃及63135 95
合计4859477 8892
哥伦比亚60000 90
天然气汽车在我国发展迅速。截至20xx年底，我国正式确定的清洁汽车重点推广应用城市(地区)有19个，燃气汽车保有量为215000辆，其中使用压缩天然气的汽车已达97200辆。
从图2—14可以看出，LPG（液化石油）汽车发展趋于平稳。CNG车辆发展则呈平稳增长势头。1999年CNG汽车占燃气汽车比例为9.3%，到20xx年时CNG汽车占燃气汽车比例为达47%，几乎占了整个燃气汽车的一半，天然气汽车区域化发展模式已逐步形成。
图2-14
我国燃气汽车历年数据统计(单位：万辆)
燃气汽车及加气站在我国主要城市的推广情况（截至20xx年底）。
表2-13
燃气汽车及加气站主要城市推广情况(截至到20xx年底)
城市（地区）
燃气汽车（辆）
燃气汽车加油站（座）
LPGV
CNGV
LPGV
CNGV
北京市
32412 2089 69
27
上海市39000 175 102 4
天津市760 850 12
5
重庆市—18985 —
46
四川省—52461
—
185
海南省515 1841
3
7
乌鲁木齐3777 5398
34
30
长春市10092 200
36
2
西安市—10497 —
27
广州市7300
—
14
—
哈尔滨市5789
—
27
—
济南市2400 1400
7
3
青岛市3506
—
17
—
银川市1436
264
6
4
廊坊市
—
1910
—
5
注：截至目前，北京天然气公交车保有量已达3800辆。
可以预见，随着国内加气站网络建设的完善，天然气汽车必将得到大力推广，天然气企业和天然气汽车行业的市场空间将更为广阔。
国内天然气汽车加气站稳定增长。
从图2-15可以看出，LPG汽车和CNG汽车加气站均发展平稳，相比而言CNG车辆加气站增长速度更快些。
图2-15
我国燃气加气站历年数据统计(单位：座)
燃气汽车保有量的增加及使用率的提高极大的增加了汽车能源消耗的替代效益。据不完全统计，20xx年度19个重点推广应用城市(地区)的加气站累计出售LPG34.8万吨，CNG9.4亿立方米，替代燃油达116万吨，能源替代效益逐步显现。
重庆市自1999年被确立为全国首批清洁汽车示范城市以来，天然气汽车产业发展迅猛，目前全市天然气汽车保有量已达38000辆，主城区25000辆，投入使用的加气站53座，居全国领先水平。同时，作为国内天然气汽车基础最好、发展最快的城市之一，重庆市已初步形成了天然气汽车整车及零部、加气站成套设备、气瓶、供气装置、售气机等门类齐全的天然气汽车产业体系。
重庆位于四川盆地东南部，天然气资源丰富，是我国天然气的主产区，其天然气储量约占全国1/4。目前重庆地区已累计获得天然气探明地质储量为7687亿m3，可采储量为2949亿m3。储采比26.8：1；还有剩余控制储量1898亿m3，剩余预测储量3154亿m3。按照天然气储量及目前和规划的开采能力，重庆地区天然气的服务年限可达50年以上。
产业发展迅速，产业规模全国领先：经过几年的发展，目前重庆市已初步形成天然气汽车整车及零部、加气站成套设备、气瓶、供气装置、售气机等门类齐全的天然气汽车研究、开发、生产体系，拥有重庆益峰高压容器有限公司、重庆气体压缩机厂等全国知名的关键设备生产厂家，部分产品市场占有率极高，详见下表2-14。全市有2家整车生产企业拥有压缩天然气汽车整车生产目录，另有25家压缩天然气汽车改装厂、8家维修厂。
重庆产、学、研紧密结合，研发体系完善。国内燃气汽车领域的唯一一家国家工程中心——国家燃气汽车工程技术研究中心
设在重庆，该中心是全行业最重要的成果工程化转化的研发机构，它的设立体现了国家对重庆市天然气汽车发展的重视。
重庆市也是我国重要的汽车开发、生产基地之一，拥有重庆汽车研究所、重庆交通科研设计院、重庆大学等一批从事汽车开发的单位，具有开发天然气汽车的良好技术基础。同时，重庆市在天然气汽车推广应用中积极引进国内和国际的先进技术和产品，对于提升重庆市天然气汽车推广应用水平发挥了相当重要的作用。
表2-14
重庆市天然气汽车产业主要生产厂家年产量及市场占有率
企业名称
主要产品
国内市场占有率
重庆宇通客车有限公司
CNG客车
30%
重庆鼎辉汽车燃气
系统有限公司
供气转换装置关键零部
35%
重庆气体压缩机厂有限责任公司
CNG压缩机