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使用液體活塞為壓縮氣體壓力容器補給燃料的系統及方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201380071470.0

申請日:

2013.12.10

公開號:

CN104956141A

公開日:

2015.09.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F17C 7/02申請日:20131210|||公開
IPC分類號: F17C7/02; F17C5/06; F17B1/12 主分類號: F17C7/02
申請人: 馬賽克科技發展有限公司
發明人: 保羅·安東尼·惠特曼; 德里克·謝恩·費科特
地址: 澳大利亞昆士蘭州
優先權: 2012905411 2012.12.10 AU
專利代理機構: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司11204 代理人: 王達佐; 王艷春
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201380071470.0

授權公告號:

104956141B||||||

法律狀態公告日:

2017.06.20|||2016.02.03|||2015.09.30

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

壓力容器燃料補給系統能夠實現壓縮天然氣(CNG)燃料箱的快速燃料補給。該系統包括:具有氣體入口/出口和液體入口/出口的壓力容器;至少部分地填充壓力容器的第一液體;漂浮于第一液體頂部的第二液體的液層,其中,第二液體與第一液體不相溶;在第二液體的液層上方至少部分地填充壓力容器的氣體,該氣體與氣體入口/出口流體連通;以及與壓力容器的液體入口/出口流體連通的泵,通過泵,第一液體能夠被泵送至壓力容器外,或者送回至儲存容器中。

權利要求書

權利要求書
1.  一種壓力容器燃料補給系統,包括:
壓力容器,具有氣體入口/出口和液體入口/出口;
第一液體,至少部分地填充所述壓力容器;
第二液體的液層,漂浮于所述第一液體的頂部,其中,所述第二液體與所述第一液體不相溶;
氣體,在所述第二液體的所述液層上方至少部分地填充所述壓力容器,所述氣體與所述氣體入口/出口流體連通;以及
泵,與所述壓力容器的所述液體入口/出口流體連通,所述第一液體能夠通過所述泵泵送至所述壓力容器中。

2.  如權利要求1所述的壓力容器燃料補給系統,其中,所述氣體與所述第二液體不相溶。

3.  如權利要求1所述的壓力容器燃料補給系統,其中,所述第一液體是水性溶液。

4.  如權利要求1所述的壓力容器燃料補給系統,其中,所述第二液體是水性鹽溶液。

5.  如權利要求1所述的壓力容器燃料補給系統,其中,所述第二液體是油。

6.  如權利要求1所述的壓力容器燃料補給系統,其中,所述第二液體是礦物油。

7.  如權利要求1所述的壓力容器燃料補給系統,其中,所述第二液體的液層的體積包括小于所述壓力容器體積的5%的體積。

8.  如權利要求1所述的壓力容器燃料補給系統,其中,所述第二液體的液層的體積包括小于所述壓力容器1%的體積。

9.  如權利要求1所述的壓力容器燃料補給系統,還包括與所述壓力容器的所述液體入口/出口流體連通的液體存儲罐,其中,所述泵從所述液體存儲罐中泵送所述第一液體并且將所述第一液體泵送至所述壓力容器中。

10.  如權利要求1所述的壓力容器燃料補給系統,還包括與所述氣體入口/出口流體連通的壓縮機,通過所述壓縮機,所述氣體能夠從供應線被接收并且壓縮至所述壓力容器內。

11.  如權利要求1所述的壓力容器燃料補給系統,其中,聚結過濾裝置與所述壓力容器流體連通,并且起到過濾裝置的作用,從而在所述氣體排出所述壓力容器之后,從所述氣體中去除所述第二液體的微粒,并且使所述第二液體返回至所述壓力容器。

12.  如權利要求1所述的壓力容器燃料補給系統,還包括多個壓力容器,每個壓力容器都具有:
所述第一液體,至少部分地填充所述壓力容器;
所述第二液體的液層,在每個壓力容器內漂浮于所述第一液體的頂部;以及
所述氣體,在所述第二液體的所述液層上面至少部分地填充每個壓力容器,所述氣體與氣體入口/出口流體連通。

13.  如權利要求12所述的壓力容器燃料補給系統,其中,所述多個壓力容器適于同時通過來自并行連接至所述多個容器中的每個容器的單個氣體線的氣體進行填充。

14.  如權利要求12所述的壓力容器燃料補給系統,其中,所述多 個容器中的每個容器都與所述泵和液體存儲罐流體連通。

說明書

說明書使用液體活塞為壓縮氣體壓力容器補給燃料的系統及方法
技術領域
本發明大體涉及壓縮氣體輸送系統。具體地,本發明涉及壓縮天然氣(CNG)輸送系統,包括使用液體活塞在控制壓力下儲存和輸送CNG的方法。
背景技術
在車輛中使用天然氣燃料是相對環保的,因此,環保組織和政府支持在車輛應用中使用天然氣燃料。基于天然氣的燃料通常有三種形式:壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)以及被稱為液化石油氣(LPG)的天然氣衍生物。
因為以天然氣為燃料的車輛排放的SO2(二氧化硫)、煙塵以及其他微粒物質的水平通常極低,所以它們具有引人注目的環保認證。與以汽油和柴油提供動力的車輛相比,由于天然氣中碳-氫比例更有利,所以以天然氣為燃料的車輛的CO2(二氧化碳)排放量通常很低。天然氣車輛以各種形式出現,從小型汽車到客車以及漸增到各種規格的卡車。天然氣燃料還使得發動機具有較長的使用壽命和較低的維修成本。另外,當比較等量燃料能源時,CNG是最便宜的替換燃料。而且,天然氣燃料能夠與其他燃料(諸如柴油)結合,從而提供與上述相似的益處。
限制天然氣在車輛中的使用的關鍵因素是天然氣燃料的儲存。在CNG和LNG的情況下,相對于具有等效能量的常規液態燃料所需的箱,CNG和LNG的燃料箱通常很昂貴、很大且笨重。另外,CNG和LNG燃料補給設施相對缺乏廣泛可得性以及LNG的成本進一步限制了把天然氣用做機動車輛燃料在。另外,在LNG的情況下,生產LNG的成本和復雜性以及與在車輛上儲存低溫液體相關聯的問題進一步限制了這種燃料的廣泛應用。
當使用LPG時,緩解了一些上述問題,并且這種燃料在高里程汽車(諸如出租車)中被廣泛應用。然而,成本與利益的比較在私人汽車的情況下通常不是很有利。與燃料箱的尺寸和形狀、LPG的成本變化性以及時而受限的供應相關聯的問題意味著LPG同樣具有限制其廣泛應用的明顯缺點。總之,除非對主要交通樞紐周圍的LPG設備網絡進行大規模投資,否則CNG是可能在不久的將來被廣泛應用的唯一可行的天然氣形式。
另外,雖然在世界一些區域內LNG作為液態燃料替換物已取得一定成功,但是LNG缺乏可得性及其高成本意味著在世界很多區域內使用LNG是不可行的。在CNG的情況下,其作為液態燃料替換物同樣取得了一定成功,但是幾乎僅限于在采用了低壓碳化物端口注入感應技術的火花點火發動機中。這種應用在全世界的政府公共汽車隊中很流行,其中,在替代常規柴油發動機安裝的火花點火發動機內使用這種更清潔的天然燃料。該應用通常為有限范圍的車隊,并且包括為車隊夜間補給燃料的緩沖CNG填充策略。
然而,這種緩沖填充策略限制了CNG在大型車輛中的廣泛實施的環境,其實質上僅以壓縮機的能力輸送氣體,通過將任何氣體儲存作為緩沖,以將壓縮機打開/關閉循環降至最小。由于在燃料補給站處滿足間歇性和峰值需求的電源要求以及傳入氣體連接件的尺寸,因而,認為CNG具有局限性。
例如,為CNG車輛補給燃料的替代要求為10加侖柴油等價物每分鐘。如果要在具有4個分配器的地點同時為4輛車輛補給燃料,如果使用典型的美國工業CNG工業氣體供應連接壓力,那么這將需要高達2000kW的壓縮以及相應的大型氣體互連件。
Knowlton的第4805674號美國專利公開了一種“快速填充”的天然氣儲存和返回系統,其克服了上述的一些關于需要大量能源將天然氣從公共供應線的相對低的壓力壓縮至約為3600psig的車上儲存壓力的問題。Knowlton使用天然氣置換液體,從而有效地改變了主要CNG儲存容器的體積。
然而,Knowlton的公開出現了與氣體損失和氣體污染有關的若干 問題。例如,如果置換液是水性液體體,那么CNG會受到水的污染,當將氣體排出用以使用時需要昂貴的氣體干燥過程。另外,可替代的置換液會被溶解于液體中的CNG污染。然后,當將置換液從CNG儲存容器中移動至低壓儲箱時,所溶解的CNG會丟失。
已經采用CNG置換在微型壓縮機中對離子液體(即低蒸氣壓力的液態鹽)進行過試驗,但是這些溶液很昂貴,通常易燃,并且環境毒性高,因而沒有擴大到大型設施。
另外,對其他各種烴類油溶液也進行了試驗,結果較差,因為這些溶液中都占用了大量的溶解的氣體,這在當將溶液返回低壓儲液箱時會出現氣體回收和其他形式的損失的問題。
另外,已使用物理囊狀物或機械活塞來嘗試壓力容器內的氣體和液體的隔離;然而,成本、復雜性、規模、制造和維修的問題使得這些潛在的解決方案存在問題。
因此,需要改進的、用于對壓縮氣體壓力容器補給燃料的系統和方法。
發明目的
本發明一些實施方式的目的是消費者提供優于上述現有技術的改進和優勢、和/或克服和緩解現有技術的一個或多個上述缺點、和/或提供有益的商業選擇。
發明內容
在一個形式中,盡管不一定是唯一的或最廣泛的形式,本發明在于壓力容器燃料補給系統中,該壓力容器燃料補給系統包括:
壓力容器,具有氣體入口/出口和液體入口/出口;
第一液體,至少部分地填充壓力容器;
第二液體的液層,漂浮于第一液體頂部,其中,第二液體與第一液體不相溶;
氣體,在第二液體的液層上方,至少部分地填充壓力容器,該氣體與氣體入口/出口流體連通;以及
泵,與壓力容器的液體入口/出口流體連通,由此可將第一液體泵送至壓力容器中。
優選地,氣體與第二液體不相溶。
優選地,第一液體為水性溶液。
優選地,第一液體為水性鹽溶液。
優選地,第二液體為油。
優選地,第二液體為礦物油。
優選地,第二液體的液層的體積包括少于壓力容器5%的體積。
優選地,第二液體的液層的體積包括少于壓力容器1%的體積。
優選地,該系統還包括與壓力容器的液體入口/出口流體連通的液體存儲罐,其中,泵將來自液體儲存容器的第一液體泵送至壓力容器中。
優選地,該系統還包括與氣體入口/出口流體連通的壓縮機,通過壓縮機可從供應線接收氣體并且將其壓縮至壓力容器中。
優選地,聚結過濾裝置與壓力容器流體連通,并且起過濾裝置的作用,從而在氣體離開壓力容器并且使第二液體返回至壓力容器之后,從氣體中去除第二液體的痕跡。
優選地,該系統還包括多個壓力容器,每個壓力容器都具有至少部分填充該壓力容器的第一液體;漂浮在每個壓力容器內第一液體頂部的第二液體的液層;以及在第二液體的液層上面至少部分地填充每個壓力容器的氣體,該氣體與氣體入口/出口流體連通。
優選地,該多個壓力容器適于通過從單個氣體線路的氣體同時進行填充,該單個氣體線路平行地連接至多個容器中的每個容器。
優選地,多個壓力容器中的每個容器都與泵和液體存儲罐流體連通。
附圖說明
為了幫助理解本發明并且使本領域技術人員能夠使本發明產生實際效果,以下將僅參考附圖以示例的方式對本發明的優選實施方式進行描述,在附圖中:
圖1示出了根據本發明的實施方式的、以高壓向氣體分配器供應氣體的壓力容器燃料補給系統。
圖2是根據本發明的實施方式的、圖1所示的壓力容器燃料補給系統的另一圖示,其中,CNG儲存容器幾乎沒有氣體。
圖3是圖1中的壓力容器燃料補給系統的又一圖示,其中,CNG儲存容器幾乎完全填滿氣體。
本領域技術人員應理解的是,與如附圖中所示的組件的布局的微小偏差不會減于本發明的公開的實施方式的正常運行。
具體實施方式
本發明的實施方式包括用于使用液體活塞為壓縮氣體壓力容器補給燃料的系統和方法。本發明的元件在附圖中以簡明輪廓的形式示出,僅示出了理解本發明的實施方式所必需的具體細節,從而不會以鑒于本說明書會對本領域技術人員來說顯而易見的過多細節使本公開變得雜亂。
在該專利說明書中,諸如第一和第二、左和右、前和后、頂部和底部等的形容詞僅用于從一個元件或方法步驟定義另一元件或方法步驟,而不一定要求由該形容詞描述的具體相對位置或順序。諸如“包括(comprises)”或“包括(includes)”的詞并非用于限定一組排外的元件或方法步驟。更確切地說,這種詞僅限定了本發明的具體實施方式中所包括的最小組的元件或方法步驟
根據一個方面,本發明包括壓力容器燃料補給系統。該系統包括:具有氣體入口/出口和液體入口/出口的壓力容器、至少部分地填充壓力容器的第一液體、以及漂浮于第一液體頂部的第二液體的液層。第一液體與第二液體不互溶,以使得該液層形成“液體活塞”,該“液體活塞”隨著將氣體添加至容器并且而后排出容器而在容器內上下轉移。液體存儲罐與壓力容器的液體入口/出口流體連通,并且泵與液體存儲罐流體連通。因而,能夠將第一液體從液體存儲罐泵送至壓力容器中,從而隨著氣體從容器中排出而保持壓力容器為恒定壓力。
本發明的優勢包括使得能夠使用尺寸減小的主壓縮和儲存來實現 CNG燃料箱的快速填充燃料補給方法。儲存隨著氣體排出而保持在恒定的壓力下,從而為CNG燃料箱的始終如一的高壓填充提供機會。其他優勢包括通過應用背壓避免容器內的再壓縮的熱量減小主儲存容器在其填充期間的生熱。另外,由于能夠在燃料補給期間保持主儲存容器內的恒定壓力,所以能夠同時且更快地以低峰值功率要求為大量的車輛燃料箱進行燃料補給,因為CNG已經被壓縮/生產并且簡單地從儲存容器中輸送至車輛燃料箱中,從而將氣體和電設施連接的尺寸以及相關的需要費用降至最低。
在該說明書中,供應或儲存氣態燃料的CNG缸同義被稱為如箱、容器、壓力容器、CNG缸和缸。
圖1示出了壓力容器燃料補給系統10,其以高壓將氣體供應至氣體分配器12。系統10包括CNG主儲存容器14,其部分地填充有天然氣16并且部分地填充有水性液體18。一薄層第二液體以油20的形式漂浮在水性液體18的頂部。因為油20既不與水性液體18相溶,密度又比水性液體18小,所以油20的薄層起到“液體活塞”的作用,該液體活塞隨著容器14內水性液體18的體積的變化在容器14內上下移動。
油20的漂浮層建立了阻止水性液體18接觸天然氣16以及蒸發至天然氣16中的屏障。在一些情況下,油20可變為天然氣16飽和。然而,因為油20不離開儲存容器14,并且因為只需要一薄層的油20(其可在初始填充時天然氣飽和),所以只有微不足道的天然氣16無法使用,或者從儲存中丟失。
系統10還包括液體存儲罐22和泵24。在使用中,例如,當從氣體分配器12為一個CNG車輛或多個CNG車輛補給燃料時,泵24泵送水性液體18穿過止回閥26并穿過位于下部的入口/出口內的下浮閥28,并且泵送至容器14中。同時,天然氣16流過上部入口/出口內的上浮閥30,流過氣體線路32并且流到分配器12。隨著水性液體18進入容器14并且氣體16離開容器14,油20的層在容器14內上升,并且保持氣體16與水性液體18之間的屏障。
下浮閥28用于阻止氣體16在所有水性液體18從容器14中排干 的情況下通過容器14的底部退出。類似地,上浮閥30用于阻止水性液體18在所有氣體16被上升至容器14的頂部的油20的層推出容器14的情況下通過容器14的頂部退出。作為示例,下浮閥28和上浮閥30可起到如于2012年9月20日公布的、第WO 2012/122599號公開下的、題為“Compressed Natural Gas Tank Float Valve System and Method”的第PCT/AU2012/000265號國際專利申請中所述的作用,該國際專利申請的內容完全并入本文中。
在例如連接至分配器12的車輛燃料箱的燃料補給過程中,聚結過濾裝置34起至過濾裝置的作用,從而在油20的痕跡到達分配器12之前從氣體16中移除油20的痕跡。在CNG行業中使用這樣的過濾方法來去除痕跡壓縮機油是很正常的。然而,與在壓縮機中不同,油氣界面基本上是靜態的,并且不會在氣體中夾帶油。因而,即使油20的痕跡可能需要由聚結器34進行過濾,但是油20的層仍然使得能夠實現明顯更加有效的氣體輸送系統。
當通過天然氣16再填充CNG儲存容器14時,或者當使用分配器12為車輛補給燃料時,能夠激活氣體壓縮機36,以允許壓縮氣體16并且通過止回閥38從天然氣供應線(未示出)供應至儲存容器14中或者直接供應至分配器12。
壓力控制器39使泵24能夠在檢測到儲存容器14內的壓降時自動啟動。在與氣體壓縮機36同時工作的情況下,泵24使得能夠將高流速氣體輸送至分配器12;該高流速氣體轉而使得多個CNG燃料箱/車輛能夠同時從分配器12或多個分配器中補給燃料。
通過將已壓縮的天然氣16從恒高壓儲存容器14中移置到分配器12,當與使用聯機的CNG壓縮相比較時,能夠將系統10所需的用于保持來自分配器12的氣體16的恒定最大輸出的穩態功率從常規工業天然氣供應壓力降低達一個數量級,從而滿足所需的輸送速度。這意味著,例如,當同時從分配器12為若干CNG車輛補給燃料時,壓縮機36會比沒有保持或使用在恒壓下使用所存氣體的移置的CNG儲存容器的可比較的燃料補給系統所需要的更小。根據本發明,通過使用僅,全部的儲存氣體均可用,并且能夠以幾倍于以其他方式使用僅施 加至氣體壓縮機上的等效功率而可能具有的速率傳輸。
在通過氣體16為容器14補給燃料期間,隨著氣體16被壓縮至容器14內,油20的薄層對水性液體18施加壓力,并且打開背壓閥40。然后,水性液體18流過背壓閥40并且返回至液體存儲罐22中。隨著液體水平在液體存儲罐22內上升,罐22內的空氣通過蒸汽通氣部42被排放至大氣中。
圖2是壓力容器燃料補給系統10的另一圖示,其中,CNG儲存容器14幾乎沒有氣體16。因此,體積相當大的水性溶液18通過泵24從液體存儲罐22被泵送至容器14中,從而使得容器14中的小量的氣體能夠保持在或接近全操作壓力,諸如5000psig。
隨著油20的薄層達到上浮閥30,泵24停用,并且將儲存容器14視為沒有氣體16并需要補給燃料。可采用通過泵24的流的流量分析來確定容器14幾乎沒有氣體16并且充滿水性溶液18。然而,上浮閥30可被用作確保油20的薄層不被泵送出儲存容器14外的安全裝置。
圖3是壓力容器燃料補給系統10的又一圖示,其中,CNG儲存容器14幾乎填滿氣體16。隨著油20的薄層下降至下浮閥20的水平,將儲存容器14視為填滿氣體16。對液體存儲罐22中水性溶液18體積的容量分析可用于確定容器14填滿氣體16并且幾乎沒有水性溶液18。然而,下浮閥28可被用作確保油20的薄層不被泵送出儲存容器14外并且泵送至儲存容器22中的安全機構。下浮閥包括塞(未示出),其在油20中下沉但在水性溶液18中漂浮,從而保持容器14中的油20。
根據一些實施方式,水性溶液18不能與氣體混溶,并且油20不能在水中混溶。因而,水性溶液18可移入或移出加壓的儲存容器14,而不用攜帶溶解的氣體16。例如,水性溶液18可以是用于充當防凍劑的鹽溶液以及用于防止系統10中形成固體的水合物形成抑制劑。另外,各種不能與水混溶的流體可被用作油20,諸如各種礦物油或者有機油。
本領域技術人員還應理解的是,當再填充氣體16時以及當排出氣體16時,單個儲存容器14可由平行操作的多個容器替換。因而,多 個壓力容器中的每個壓力容器都會包括漂浮在水性溶液18頂部的油20的薄層,并且會如本文中關于容器14的描述來操作。使用這樣多個容器使得單個系統10中的氣體儲存能力能夠顯著增加。
總之,本發明的優勢包括:能夠通過利用所安裝的儲存容器的全部容量實現CNG燃料箱的燃料快速補給方法;以及能夠通過使用顯著低于等效的氣體壓縮機站所需的功率輸送儲存容器以滿足峰值需求的方法。儲存容器隨著排出氣體而保持恒定的壓力,從而能夠實現罐/車輛的完全填充。因而,該系統將氣體和電氣連接的尺寸以及相關的需求費用降至最低。這利用了受到設施連接限制的CNG燃料站的輸送能力,并且使僅存在受限的設施連接的、相當大的CNG站可行。
另外,當再填充儲存容器時,本發明能夠消除CNG儲存缸內缸再壓縮熱的問題,從而使得能夠在設計壓力下進行符合壓力容器標準環境溫度壓力等級的填充。這提供了增大的CNG儲存容器或減小儲存容器尺寸的機會。
另外,在再填充期間消除CNG儲存容器內部的壓縮熱提高了安全性,具體地,通過避免儲存容器再填充期間的瞬態溫度劇增來實現,從而允許重新設計成本更低的復合儲存容器缸。
本發明各種實施方式的以上描述的目的是為本領域內技術人員提供說明。以上描述并不旨在窮舉或將本發明限制于單個公開的實施方式。如上所述,對本發明的諸多替代和改變對于經過以上教導的本領域技術人員來說是顯而易見的。因此,當一些替代實施方式已明確公開時,其他實施方式將變得顯而易見或者相對容易地由本領域技術人員開發出來。因此,本專利說明書旨在涵蓋本文所討論的所有關于本發明的替代、修正和改變,以及落在上述發明的主旨和范圍內的其他實施方式。

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使用 液體 活塞 壓縮 氣體 壓力容器 補給 燃料 系統 方法
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