CN112902026A - 一种天然气汽车供气系统天然气泄漏的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种天然气汽车供气系统天然气泄漏的检测方法，该方法通过整车排放试验测出整车的CH4:CO2排放比，然后通过尾气排放试验测出CH4和CO2的尾气排放系数，由此得到CH4的泄露排放系数，再结合天然气气源中的CH4含量和燃料的经济系数以及CH4的密度，进一步计算出泄漏率；本发明以CO2为示踪剂，借助于CH4:CO2排放比，把CH4的整车排放与尾气排放相减，将CH4的泄漏排放拆分出来，解决了空气中CH4浓度低，一般的传感器很难捕捉到这种浓度的变化，无法直接估计出供气系统泄漏率的问题。

Description

一种天然气汽车供气系统天然气泄漏的检测方法
技术领域
本发明涉及一种天然气汽车供气系统天然气泄漏的检测方法，属于环境科学技术领域。
背景技术
天然气汽车指以天然气为天然气提供动力的汽车，包括压缩天然气汽车和液化天然气汽车两类。天然气汽车和其他天然气设备一样，由于供气系统处于高压状态，极易发生泄漏的问题。加上购置原装的天然气汽车费用高昂，中国有80％的压缩天然气汽车和10％的液化天然气汽车是由原来的柴油、汽油发动机和供油系统直接改造而成的，改装车辆的接口处更容易发生微小的泄漏。为了避免天然气泄漏引发的安全问题，根据《GB 19239-2013天然气汽车专用装置的安装要求》，天然气汽车必须用检漏液和检漏仪进行供气系统泄漏检测。同时，《GB 7258-2012机动车运行安全技术条件》中还要求安装泄漏报警装置。但是，这些安全性检测方法无法用来检测出供气系统的微小泄漏。因为少量的天然气泄漏出来，若处在空气流通的环境中，天然气中的甲烷很快被稀释，空气中的甲烷浓度是极低的，一般的传感器很难捕捉到这种浓度的变化，更无法估计出泄漏率的大小，也无法衡量泄漏对环境的影响和造成的经济损失。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种对天然气汽车的供气系统进行泄漏检测的检测方法。
为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种天然气汽车供气系统天然气泄漏的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
将受试车辆置于静态密闭气室内，启动车辆，在气室上方用电泵抽取气室内的气体，并连接气体分析仪实时监测该气室内的气体浓度，每隔1s记录一组CH4和CO2浓度，得到5-10min的CH4和CO2浓度的时间序列数据；
以CO2浓度观测值为自变量x，CH4浓度观测值为因变量y，进行一元线性回归：y＝ax+b，式中斜率a为车辆的CH4:CO2排放比
Figure BDA0002903087190000011
将真空泵的进气口与车辆排气口连接，真空泵集气口与铝箔气体采样袋连接，启动车辆，收集尾气；将采集到的尾气样本用氮气进行稀释后注入气相色谱仪，记录样本的CH4和CO2的峰面积，用尾气样本的峰面积与标准气体的CH4或CO2峰面积的比值，乘以标准气体的CH4或CO2浓度，计算尾气中的CH4或CO2浓度；由下式计算CH4和CO2的尾气排放系数：
EFc,m-exhause＝Cc,mWV/u
式中，Cc,m为尾气中的CH4或CO2浓度，W为发动机转速，V为发动机排气量，u为行驶速度；
由上述试验得到的EFc-exhaust、EFm-exhaust和
Figure BDA0002903087190000021
根据下式计算得到CH4泄露排放系数EFm-leak；
Figure BDA0002903087190000022
根据下式计算出泄漏率，
Figure BDA0002903087190000023
式中，Cm-NG为天然气气源中的CH4含量，E为燃料的经济系数，ρm为CH4的密度。
对上述技术方案的进一步设计为：所述静态密闭气室容积为受试车辆体积的4倍。
所述铝箔气体采样袋的容积为8L。
所述铝箔气体采样袋通过特氟龙管与真空泵的集气口相连，所述真空泵的进气口用特氟龙管与洗气瓶相连，所述洗气瓶通过石英玻璃管与车辆排气口连接，所述洗气瓶瓶内装有过滤棉和活性炭。
所述石英玻璃管伸入车辆排气口40cm。
采用铝箔气体采样袋收集尾气前用高纯氮气对采样袋进行冲洗。
将采集到的尾气样本用氮气进行稀释到原始浓度的1/200。
所述静态密闭气室四周设有若干电扇，检测气室内的气体浓度时，打开风扇促进气室内的空气循环。
本发明的有益效果为：
本发明方法可以对天然气汽车的供气系统进行泄漏检测，并进一步估计出供气系统的天然气泄漏率，测量结果准确。
本发明以CO2为示踪剂，借助于CH4:CO2排放比，把CH4的整车排放与尾气排放相减，将CH4的泄漏排放拆分出来，解决了空气中CH4浓度低，一般的传感器很难捕捉到这种浓度的变化，无法直接估计出供气系统泄漏率的问题。
附图说明
图1为本发明中整车排放试验的示意图；
图2为本发明中尾气排放试验的示意图；
图3为静态气室中CO2、CH4浓度的观测结果图及其一元线性回归的分析结果图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明的一种天然气汽车供气系统天然气泄漏的检测方法，具体实施方案如下：
步骤一、整车排放试验；
如图1所示，该试验在静态密闭气室内进行，气室容积约为受试车辆的体积4倍左右，密闭以隔绝与外界空气的交换。为了保证气室内的CH4和CO2浓度均匀，本实施例在气室四周加装大功率电扇促进气室内的空气循环。车辆在这个密闭空间内运转时，尾气排放和管道泄露使得这个空间内的CH4和CO2浓度逐渐上升。在气室上方用电泵抽取气室内的气体，连接气体分析仪实时监测该气室内的气体浓度，每隔1s记录一组CH4和CO2浓度，得到5-10min的CH4和CO2浓度的时间序列数据如图3。以CO2浓度观测值为自变量x，CH4浓度观测值为因变量y，进行一元线性回归：
y＝ax+b (2)
式中，a、b是待定参数，由最小二乘法得到，即∑(yi-b-axi)2＝min，可解得
Figure BDA0002903087190000031
由于天然气汽车是该气室内CO2和CH4的唯一排放源，所以方程斜率a为整车的CH4:CO2排放比
Figure BDA0002903087190000032
步骤二、尾气排放试验；
如图2所示，该试验以离线方式进行，试验采用8L铝箔气体采样袋采集汽车尾气。首先，采样袋用特氟龙管与真空泵的集气口相连。真空泵的进气口用特氟龙管与洗气瓶相连，瓶内装有过滤棉、活性炭。由于尾气温度高，伸入排气管的一端采用石英玻璃管，它通过特氟龙管和洗气瓶相连。为了防止气体粘附，采样前用高纯氮气对采样袋进行冲洗。然后，将汽车启动，踩油门提高转速，把石英玻璃管伸入汽车排气口内40cm开始尾气采集，采样袋满后关闭阀门、更换采样袋，如此重复，共采集3袋样品。
采集到的气体用气相色谱仪进行分析。首先，将采样袋摇晃三分钟，让袋内气体充分混合；然后，用氮气稀释尾气样本到原始浓度的1/200，用针管抽取20mL稀释后气体注入气相色谱仪，记录样本的CH4和CO2的峰面积，如此重复3次；接着，用尾气样本与标准气体的CH4或CO2峰面积之比，乘以标准气体的CH4或CO2浓度，得到尾气中的CH4或CO2浓度；最后，由(3)式计算CH4和CO2的尾气排放系数：
EFc,m-exhause＝Cc,mWV/u (3)
式中，Cc,m为尾气中的CH4或CO2浓度，W为发动机转速，V为发动机排气量，u为行驶速度。
步骤三、计算泄漏率；
本发明的原理是：当天然气汽车在一个密闭空间内运转时，天然气完全燃烧后产生的CO2和未完全燃烧的CH4从汽车尾气中排放出来，这部分排放称为尾气排放；从供气系统中泄露出来的天然气中含有的CH4，这部分排放称为泄漏排放；这两种排放的总和称为整车排放，它们是导致这个空间内的CO2和CH4浓度升高的唯一因素。天然气泄漏过程中没有燃烧，不会产生CO2，所以这个空间内增加的CO2仅来源于尾气排放。整车排放与尾气排放相比，CO2排放量并不会发生变化。因此，以CO2为示踪剂，借助于CH4:CO2排放比，可以把CH4的整车排放与尾气排放相减，将CH4的泄漏排放拆分出来，即：
Figure BDA0002903087190000041
式中，EF是排放系数，代表消耗单位体积的天然气所排放出来的气体或污染物量，g/L；下标m表示CH4，下标c表示CO2，下标leak表示泄漏排放，下标exhaust表示尾气排放。泄漏排放系数与尾气排放系数之和为整车排放系数，即EFexhaust+EFleak＝EFtotal；对于CO2来说，EFc-leak＝0，即EFc-exhaust＝EFc-total。由尾气排放试验得到EFc-exhaust和EFm-exhaust；由整车排放试验得到
Figure BDA0002903087190000042
基于公式(1)可以计算得到EFm-leak，结合天然气气源中的CH4含量，可以进一步计算出泄漏率。
因此，本实施例由上述尾气排放试验得到EFc-exhaust和EFm-exhaust；由整车排放试验得到
Figure BDA0002903087190000043
根据公式(1)可以计算得到EFm-leak。结合天然气气源中的CH4含量(Cm-NG)和燃料的经济系数(E)以及CH4的密度(ρm，0.717g/L)，可以进一步计算出泄漏率：
Figure BDA0002903087190000044
本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。

Claims (8)

1.一种天然气汽车供气系统天然气泄漏的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
将受试车辆置于静态密闭气室内，启动车辆，在气室上方用电泵抽取气室内的气体，并连接气体分析仪实时监测该气室内的气体浓度，每隔1s记录一组CH4和CO2浓度，得到5-10min的CH4和CO2浓度的时间序列数据；
以CO2浓度观测值为自变量x，CH4浓度观测值为因变量y，进行一元线性回归：y＝ax+b，式中斜率a为整车的CH4:CO2排放比
Figure FDA0002903087180000011
将真空泵的进气口与车辆排气口连接，真空泵集气口与铝箔气体采样袋连接，启动车辆，收集尾气；将采集到的尾气样本用氮气稀释后注入气相色谱仪，记录样本的CH4和CO2的峰面积，用尾气样本的峰面积与标准气体的CH4或CO2峰面积的比值，乘以标准气体的CH4或CO2浓度，得到尾气中的CH4或CO2浓度；再由下式计算CH4和CO2的尾气排放系数：
EFc,m-exhause＝Cc,mWV/u
式中，Cc,m为尾气中的CH4或CO2浓度，W为发动机转速，V为发动机排气量，u为行驶速度；
由上述试验得到的EFc-exhaust、EFm-exhaust和
Figure FDA0002903087180000012
根据下式计算得到CH4泄露排放系数EFm-leak；
Figure FDA0002903087180000013
根据下式计算出泄漏率，
Figure FDA0002903087180000014
式中，Cm-NG为天然气气源中的CH4含量，E为燃料的经济系数，ρm为CH4的密度。
2.根据权利要求1所述天然气汽车供气系统天然气泄漏的检测方法，其特征在于，所述静态密闭气室容积为受试车辆体积的4倍。
3.根据权利要求1所述天然气汽车供气系统天然气泄漏的检测方法，其特征在于，所述铝箔气体采样袋的容积为8L。
4.根据权利要求1所述天然气汽车供气系统天然气泄漏的检测方法，其特征在于，所述铝箔气体采样袋通过特氟龙管与真空泵的集气口相连，所述真空泵的进气口用特氟龙管与洗气瓶相连，所述洗气瓶通过石英玻璃管与车辆排气口连接，所述洗气瓶瓶内装有过滤棉和活性炭。
5.根据权利要求4所述天然气汽车供气系统天然气泄漏的检测方法，其特征在于，所述石英玻璃管伸入车辆排气口40cm。
6.根据权利要求1所述天然气汽车供气系统天然气泄漏的检测方法，其特征在于，采用铝箔气体采样袋收集尾气前用高纯氮气对采样袋进行冲洗。
7.根据权利要求1所述天然气汽车供气系统天然气泄漏的检测方法，其特征在于，将采集到的尾气样本用氮气进行稀释到原始浓度的1/200。
8.根据权利要求1所述天然气汽车供气系统天然气泄漏的检测方法，其特征在于，所述静态密闭气室四周设有若干电扇，检测气室内的气体浓度时，打开风扇促进气室内的空气循环。
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