液化天然气作为一种清洁、高效优质的能源，成为我国乃至世界能源供应增长速度最快的领域，这是因为LNG除了可用在工业燃料和化工原料外，还可用作民用燃料，尤其在城市配气系统中作为调峰的手段，能充分保证城市安全、平稳的供气。这就使我国迅速成为跨入LNG进口大国的行列。为此，本文对LNG特有的物理现象加以分析，介绍了LNG在储存和运输中的各种潜在的危害及预防措施，对加强LNG的安全利用，促进我国LNG储运发展可以起到一定的指导作用。
LNG加气站的建设
1．LNG的理化指标分析特点．
液化天然气(Liquefied Natural Gas,简称LNG)是将天然气(NG)经过净化处理，除去水、二氧化碳、硫之类的杂志以及重碳氢化合物，然后采用节流膨胀、混合冷源制冷等深冷工艺将气体冷却到-162℃，使甲烷变成液态，成了液化天然气。它的主要成分是甲烷，甲烷含量通常在90％以上，常压下的沸点约为-162℃，密度约为0.425kg／L．平均分子量约为18。下面表1标明了LNG的部分基本物理特性。
表1．LNG的基本物理特性
物理特性
单位
数据
沸点(常压)
℃
-162
密度
kg／m3
425
气体密度(常温常压)
Kg/Nm3
0.688
汽化潜热
KJ／kg
510.0
LNG比热容
KJ／(kg.k)
3.4667
气体比热容
KJ／(kg.k)
2.2190
气一液体积比
625／1
辛烷值
MON
130
注：LNG随产地的不同组分会稍微有一些差异，物理性质也会随看发生相应的细微改变。
LNG在兼备CNG的特点外，更具安全、高效、环保、经济等多方面的优势。LNG的燃点为650℃，比汽、柴油的燃点高；LNG的爆炸极限为5％～15％，-106.7℃以上的LNG蒸气比空气轻，稍有泄露立即挥发飞散，很难形成遇火燃烧爆炸的浓度。因此，无论LNG，还是它的蒸气都不会在一个不封闭的环境下爆炸。LNG的储存压力一般小于1.6 MPa，远低于CNG的储存压力，这样就避免了CNG因采用高压容器所带来的潜在危险，同时也大大减轻了容器自身的重量。天然气低温液化后，其密度为标准状态下的600多倍，体积能量密度约为汽油的72％，而为CNG的2～3倍，因而同等燃料体积下LNG的续驶里程是CNG的2～3倍，与汽油车相当。天然气液化前必须经过严格的预净化，因而LNG中的杂质含量远低于CNG，这为汽车尾气排放满足更加严格的标准创造了有利条件。
LNG生产基地及运输车队
LNG以液态储存输送，摆脱了天然气管网的束缚,LNG加气站具有储存效率高、充装速度快、设备简单、占地面积小、噪音小、便于建站布点等特点。正以它显著的环保功能和经济效益，在清浩汽车行动”中得到高度重视。
2．国际上LNG汽车的发展现状
20世纪80年代以来，液化天然气用量较多的国家如日本、美国、法国、
英国等除了继续使用LPG汽车之外，都积极开展了对LNG使用在汽车上的研究和开发应用。目前世界上约有4000多辆LNG汽车在运行，其中美国就已经在30多条公交线路上投入了2000多辆LNG清洁燃料汽车，建成了60多个LNG汽车加气站。日本是世界LNG最大进口国，LNG汽车发展也非常迅速。
上图为贵州市公共交通总公司投入使用的LNG汽车
图为LNG气瓶在长沙市龙骧巴士公司装车使用
3．LNG在使用中值得注意的几个关键安全技术问题
3.1如何控制蒸发量的问题
60升气瓶控制蒸发量在1.5％，120升气瓶控制蒸发量在2.5％，200升以上气瓶控制蒸发量在3.5％。LNG车载气瓶一般采用双层金属加真空缠绕绝热技术。
LNG车用超级绝热气瓶
采用这种技术日蒸发率能控制在O.2％以内，因此可以保证7～14d基本不发生蒸发损失。目前，LNG车载气瓶己实现国产化。
LNG车用超级绝热气瓶在汽车上的应用
3.2运输和储存过程的安全问题
LNG的存储是天然气开发利用的关键技术之一，存储的安全性是很重要
的。在考虑LNG储运安全性时，应充分考虑到贮存和装卸时，若LNG意外泄漏或溢出,LNG急速气化、扩散，并与空气混合形成易燃、易爆的混合气体，泄露扩散后的可燃气，达到可燃浓度界限时，在一定温度下，或遇到明火会形成轰燃，继而形成难以控制的火灾。
由于天然气是多组分的混合物，随产地的不同它的组分也是有差异的。LNG低温充注和储存在槽罐内，因密度差会形成分层。从储槽护壁渗入的热量可能会引起液体层之间的混合，并进而发生流体的涡旋，促使LNG存储失去稳定，大量蒸发，既造成了经济上的损失又会对LNG储槽的安全使用产生威胁。
3.2.1储罐内LNG产生分层与翻腾的原理
由于天然气，特别是来自不同气田的天然气，在组分上存在一定的差异，所以LNG的密度也会有所不同。如果不同密度的LNG储存在同一储罐内，容易引起LNG分层：密度较大的LNG积聚在储罐底部，而密度小的则处于顶部；底部LNG因受到上面LNG重力的作用，压力高于顶部LNG，蒸发温度相应提高，相对于该压力所对应的蒸发温度来说，底部LNG成为具有一定过冷度的LNG，蒸发速度较上部LNG慢。而外界热量总是不断由外而内地传递，底部LNG获得的热量中有相当一部分促使LNG的温度升高。由于温度升高，密度将减小，当底部LNG的密度小于上部LNG的密度时，分层平衡将被破坏，形成所谓的“翻滚"。此时，底部LNG的温度高于上部LNG温度，混合后温度低的LNG被底下翻上来的温度较高的LNG加热而蒸发加剧，底部温度较高的LNG翻上来以后，失去了上面LNG重力的作用，压力降低，成为过热的LNG，也将产生剧烈的蒸发。因此，平衡被破坏以后，液体“翻滚”引起LNG蒸发率剧增。如来不及排出大量的LNG蒸发气体，储罐内压力将超过没计工作压力，对LNG的安全储存非常不利。
3.2.2储罐内LNG分层和“翻滚”_的预防和控制
当船运LNG注入储罐时，LNG在充装时可以从上部管口直接进入储罐，也可以通过顶部插入管由底部进入储罐。这样的设计可使不同比重的LNG以不同的方式进入储罐。通常，为防止储罐内的LNG发生分层和“翻滚”，较重的LNG从上部进入，较轻的LNG从下部进入。同时，也可通过LNG低压输送泵使罐内LNG循环到上部或底部，从而有效防止分层、翻滚现象的产生。在储罐顶设置环状喷嘴，可以在储罐充装LNG之前，用少量LNG对储罐进行预冷，以避免储罐在充装时温度急剧变化导致过高的应力和LNG的大量蒸发气化，这种设计对储罐的安全很重要。
如果该调峰储罐储有LNG并持续一段时间未再注入或使用LNG，则由于外界热量的导入，使LNG蒸发，从而使罐内的LNG密度提高，这时再注入LNG就有可能形成LNG的分层。在实际操作过程中，可以采取一些方法防止LNG分层和“翻滚”：
1)根据LNG的密度等因素，设计合理的LNG充装工艺；
2)设置循环系统；
3)监控LNG的蒸发速率；
4)针对罐内LNG的整个高度进行温度、密度检测；
5)避免在同一个储罐内储存品质相差较大的LNG；
6)LNG的氮含量应低于1mo1％。
一旦储罐内发生LNG“翻滚”，气化后的大量天然气将难以及时通过泄放装置排放。
为防止发生事故，还需设置安全排放口、排放火炬、回收压缩系统等。
3.2.3贮罐压力控制
LNG贮罐的内部压力需要控制在允许的范围之内，罐内压力过高或出现负压对贮罐都是潜在的危险。影响贮罐压力的因素很多，诸如热量进入引起液体的蒸发、充注期间液体的闪蒸、大气压下降或错误操作，都可能引起罐内压力上升。另外，在非常快的速度进行排液或抽气、充注的液体温度较低时，有可能使罐内形成负压。LNG贮罐应具有罐内压力的控制装置，使罐内的压力在允许范围之内。除此之外，贮罐还必须有足够的压力安全阀和真空安全阀。真空安全阀能感受当地的大气压，以判断罐内是否出现真空。前者防止贮罐超压，后者预防贮罐出现负压。LNG贮罐的压力安全阀和真空安全阀与罐体之间还需设置有一个手动开关的截止阀，以便安全阀的检修。安全排气装置还应充分考虑在火灾情况下如何进行安全排放。
3.3如何控制低温带来的烧伤问题
低温表面包括LNG液体表面、LNG低温管线及设备等。如果与这些低温表面接触的皮肤区域没有得到充分的保护，就会导致低温冻伤。冻伤的程度由接触时间的长短以及皮肤与冷源之间的热传导率决定。皮肤与液体及低温金属物之间的热传导率较高。如果皮肤的表面潮湿，与低温物体接触后，皮肤就会粘在低温物体的表面。这时候如硬将皮肤从低温表面挪开，就会将这部分皮肤撕裂。因此，可通过加热的方式将粘结的皮肤从低温表面挪开。对于接触低温的操作人员，一定要穿上特殊的劳保服，防止皮肤与低温液体直接接触。LNG工厂操作工人特殊的劳保包括：配带防护镜或护目镜、安全帽、隔音耳塞或耳机，以保护暴露在外的眼睛及脸部；必须戴上皮手套，穿长裤、长袖的工装及高筒靴，这些衣物都要求由专门的合成纤维或纤维棉制成，且要尺寸宽大，便于有低温液体溅落到上面时，快速脱下。
对于低温设备，包括低温管线及阀门，设计上都考虑到了操作工的安全，对它们都要求进行保冷、防护，这样就可避免操作工直接与低温金属表面相接触。对于其它表面及结构，例如支撑物或其它组件，由于LNG或低温气体的排放，它们就可能变成低温。这时操作工除了可能与低温表面接触造成伤害外，还会面临由于材料自身特点发生变化而造成意外伤害。 因此，工厂操作人员应熟悉与低温接触的这部分构件的性质，避免产生意外伤害。
人员与低温气体接触后，其接触面比与低温液体的接触面大。低温气体大量释放，其导热率相应较高，会大面积地冻伤人体。呼吸低温蒸气有损健康，在短时间内，将导致呼吸困难，时间一长，就会导致严重的疾病。所有的LNG蒸气并没有毒，但它们会降低氧气的含量，导致窒息。如果吸纯LNG蒸气，很快就会失去知觉，几分钟后便死亡。当空气中氧含量逐渐降低，操作工人可能并不会意识到。等最后意识到时，已经太迟。要预防低温气体对人体产生窒息危害，则需配备可燃气体探测器。在封闭房间内，应安装固定的可燃气体探测器，在室外，应配备便携式可燃气体探测器，随时探测低温气体浓度。一旦低温气体浓度达到报警值，探测器就会发出报警，避免低温气体对人员造成伤害。
3.4 LNG汽车发动机存在的问题点及其对策
3.4.1存在问题
LNG汽车在使用中仍然存在一些问题，特别是在汽油车基础上改装的LNG／汽油两用燃料车辆，其中最为突出的是发动机功率下降问题。汽车在使用天然气燃料时．功率一般要下降15％左右，个别时候下降更多。
3.4.2功率下降产生原因
天然气汽车的功率下降主要原因在于燃料本身的特性和发动机的构造两个方面。在燃料性质方面，汽油是液体燃料，而天然气是气体燃料。使用汽油时液态汽油体积比(58.4：1)的体积与进气体积相比几乎可以忽略不计，但使用天然气(体积比9.52：1)作燃料时，燃料本身的体积在整个进气中占有较大比例，因此导致进入气缸的氧气量减少，充气系数下降．在同样的气缸工作容积下．用天然气作燃料时作的功比用燃油作燃料时少，从而导致发动机功率下降。在发动机构造方面，决定发动机功率的主要因素是发动机的压缩比，压缩比越大，热效率越高，有效功率就越大。同时，压缩比越大．发动机爆震的倾向也越大。汽油的抗爆性决定了汽油机的压缩比不可能太大．但天然气的辛烷值高，其抗爆性好，完全可以用于压缩比较大的发动机，从而提高其功率。
3.4.3改普对策
(1)提高充气系数：充气系数下降是导致天然气汽车功率下降的重要原因，解决办法是采取进气增压、增浓措施，以及优化燃气和空气混合器的设计，提高进气歧管和进气道的内腔表面精度，降低进气阻抗．提高进气效率。
(2)适当提高发动机压缩比：应当提倡使用高压缩比(压缩比可提高到12)的单一燃料天然气汽车，充分发挥天然气高抗爆性的特点，以提高汽车发动机功率。
(3)优化燃烧室设计和点火提前角：根据天然气的特点，结合稀薄燃烧理论，优化燃烧室设计，在气缸内形成贴近点火点的可燃混合气涡流，采用电子控制多次点火、分层燃烧技术，使天然气燃烧更充分，提高发动机输出功率。
(4)采用火花塞点火式发动机：由于天然气着火温度较高，发动机压缩过程中，气缸内气体温度达不到其自燃点，必须靠电火花点火，或者喷入少量柴油自燃再引燃天然气。天然气发动机按点火方式分为火花塞点火式发动机和柴油引燃式发动机2种。由于柴油引燃式发动机目前不能从根本上解决发动机的排放污染问题，所以天然气汽车发动机多为火花塞点火式发动机，即在原有汽油机或柴油机基础上，针对天然气特点改进设计的火花塞点火式发动机。
结论
尽管LNG被认为是一种非常危险的燃料。但是，从LNG产业几十年的发展历史来看,LNG产业具有良好的安全记录。但这并非说LNG就不危险，关键是能不能够掌握LNG的特性和危险来源，是否按标准和规范去设计、施工、运行及管理。鉴于我国的LNG产业正在处于起步阶段，对LNG某些深层次的技术问题研究不深，本文从LNG的物理特性出发，阐述了LNG的蒸发量，如何解决运输和储存中的分层和“翻滚”的安全问题和低温带来的烧伤问题等来自LNG潜在的危险，还有就是改进发动机的指导思路。希望在今后的LNG储运发展中不会出现类似的危害。
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