使用液体活塞为压缩气体压力容器补给燃料的系统及方法 |
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| 申请号 | CN201380071470.0 | 申请日 | 2013-12-10 | 公开(公告)号 | CN104956141B | 公开(公告)日 | 2017-06-20 |
| 申请人 | 马赛克科技发展有限公司; | 发明人 | 保罗·安东尼·惠特曼; 德里克·谢恩·费科特; | ||||
| 摘要 | 压 力 容器 燃料 补给系统能够实现压缩 天然气 (CNG) 燃料箱 的快速燃料补给。该系统包括：具有气体入口/出口和液体入口/出口的压力容器；至少部分地填充压力容器的第一液体；漂浮于第一液体顶部的第二液体的液层，其中，第二液体与第一液体不相溶；在第二液体的液层上方至少部分地填充压力容器的气体，该气体与气体入口/出口 流体 连通；以及与压力容器的液体入口/出口流体连通的 泵 ，通过泵，第一液体能够被泵送至压力容器外，或者送回至储存容器中。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种压缩天然气(CNG)燃料的压力容器燃料补给系统，包括： |
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| 说明书全文 | 使用液体活塞为压缩气体压力容器补给燃料的系统及方法技术领域背景技术[0002] 在车辆中使用天然气燃料是相对环保的，因此，环保组织和政府支持在车辆应用中使用天然气燃料。基于天然气的燃料通常有三种形式：压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG)以及被称为液化石油气(LPG)的天然气衍生物。 [0003] 因为以天然气为燃料的车辆排放的SO2(二氧化硫)、烟尘以及其他微粒物质的水平通常极低，所以它们具有引人注目的环保认证。与以汽油和柴油提供动力的车辆相比，由于天然气中碳-氢比例更有利，所以以天然气为燃料的车辆的CO2(二氧化碳)排放量通常很低。天然气车辆以各种形式出现，从小型汽车到客车以及渐增到各种规格的卡车。天然气燃料还使得发动机具有较长的使用寿命和较低的维修成本。另外，当比较等量燃料能源时，CNG是最便宜的替换燃料。而且，天然气燃料能够与其他燃料(诸如柴油)结合，从而提供与上述相似的益处。 [0004] 限制天然气在车辆中的使用的关键因素是天然气燃料的储存。在CNG和LNG的情况下，相对于具有等效能量的常规液态燃料所需的箱，CNG和LNG的燃料箱通常很昂贵、很大且笨重。另外，CNG和LNG燃料补给设施相对缺乏广泛可得性以及LNG的成本进一步限制了把天然气用做机动车辆燃料在。另外，在LNG的情况下，生产LNG的成本和复杂性以及与在车辆上储存低温液体相关联的问题进一步限制了这种燃料的广泛应用。 [0005] 当使用LPG时，缓解了一些上述问题，并且这种燃料在高里程汽车(诸如出租车)中被广泛应用。然而，成本与利益的比较在私人汽车的情况下通常不是很有利。与燃料箱的尺寸和形状、LPG的成本变化性以及时而受限的供应相关联的问题意味着LPG同样具有限制其广泛应用的明显缺点。总之，除非对主要交通枢纽周围的LPG设备网络进行大规模投资，否则CNG是可能在不久的将来被广泛应用的唯一可行的天然气形式。 [0006] 另外，虽然在世界一些区域内LNG作为液态燃料替换物已取得一定成功，但是LNG缺乏可得性及其高成本意味着在世界很多区域内使用LNG是不可行的。在CNG的情况下，其作为液态燃料替换物同样取得了一定成功，但是几乎仅限于在采用了低压碳化物端口注入感应技术的火花点火发动机中。这种应用在全世界的政府公共汽车队中很流行，其中，在替代常规柴油发动机安装的火花点火发动机内使用这种更清洁的天然燃料。该应用通常为有限范围的车队，并且包括为车队夜间补给燃料的缓冲CNG填充策略。 [0007] 然而，这种缓冲填充策略限制了CNG在大型车辆中的广泛实施的环境，其实质上仅以压缩机的能力输送气体，通过将任何气体储存作为缓冲，以将压缩机打开/关闭循环降至最小。由于在燃料补给站处满足间歇性和峰值需求的电源要求以及传入气体连接件的尺寸，因而，认为CNG具有局限性。 [0008] 例如，为CNG车辆补给燃料的替代要求为10加仑柴油等价物每分钟。如果要在具有4个分配器的地点同时为4辆车辆补给燃料，如果使用典型的美国工业CNG工业气体供应连接压力，那么这将需要高达2000kW的压缩以及相应的大型气体互连件。 [0009] Knowlton的第4805674号美国专利公开了一种“快速填充”的天然气储存和返回系统，其克服了上述的一些关于需要大量能源将天然气从公共供应线的相对低的压力压缩至约为3600psig的车上储存压力的问题。Knowlton使用天然气置换液体，从而有效地改变了主要CNG储存容器的体积。 [0010] 然而，Knowlton的公开出现了与气体损失和气体污染有关的若干问题。例如，如果置换液是水性液体体，那么CNG会受到水的污染，当将气体排出用以使用时需要昂贵的气体干燥过程。另外，可替代的置换液会被溶解于液体中的CNG污染。然后，当将置换液从CNG储存容器中移动至低压储箱时，所溶解的CNG会丢失。 [0011] 已经采用CNG置换在微型压缩机中对离子液体(即低蒸气压力的液态盐)进行过试验，但是这些溶液很昂贵，通常易燃，并且环境毒性高，因而没有扩大到大型设施。 [0012] 另外，对其他各种烃类油溶液也进行了试验，结果较差，因为这些溶液中都占用了大量的溶解的气体，这在当将溶液返回低压储液箱时会出现气体回收和其他形式的损失的问题。 [0013] 另外，已使用物理囊状物或机械活塞来尝试压力容器内的气体和液体的隔离；然而，成本、复杂性、规模、制造和维修的问题使得这些潜在的解决方案存在问题。 [0014] 因此，需要改进的、用于对压缩气体压力容器补给燃料的系统和方法。 [0015] 发明目的 [0016] 本发明一些实施方式的目的是消费者提供优于上述现有技术的改进和优势、和/或克服和缓解现有技术的一个或多个上述缺点、和/或提供有益的商业选择。 发明内容[0017] 在一个形式中，尽管不一定是唯一的或最广泛的形式，本发明在于压力容器燃料补给系统中，该压力容器燃料补给系统包括： [0018] 压力容器，具有气体入口/出口和液体入口/出口； [0019] 第一液体，至少部分地填充压力容器； [0020] 第二液体的液层，漂浮于第一液体顶部，其中，第二液体与第一液体不相溶； [0021] 气体，在第二液体的液层上方，至少部分地填充压力容器，该气体与气体入口/出口流体连通；以及 [0022] 泵，与压力容器的液体入口/出口流体连通，由此可将第一液体泵送至压力容器中。 [0023] 优选地，气体与第二液体不相溶。 [0024] 优选地，第一液体为水性溶液。 [0025] 优选地，第一液体为水性盐溶液。 [0026] 优选地，第二液体为油。 [0027] 优选地，第二液体为矿物油。 [0028] 优选地，第二液体的液层的体积包括少于压力容器5％的体积。 [0029] 优选地，第二液体的液层的体积包括少于压力容器1％的体积。 [0030] 优选地，该系统还包括与压力容器的液体入口/出口流体连通的液体存储罐，其中，泵将来自液体储存容器的第一液体泵送至压力容器中。 [0031] 优选地，该系统还包括与气体入口/出口流体连通的压缩机，通过压缩机可从供应线接收气体并且将其压缩至压力容器中。 [0032] 优选地，聚结过滤装置与压力容器流体连通，并且起过滤装置的作用，从而在气体离开压力容器并且使第二液体返回至压力容器之后，从气体中去除第二液体的痕迹。 [0033] 优选地，该系统还包括多个压力容器，每个压力容器都具有至少部分填充该压力容器的第一液体；漂浮在每个压力容器内第一液体顶部的第二液体的液层；以及在第二液体的液层上面至少部分地填充每个压力容器的气体，该气体与气体入口/出口流体连通。 [0034] 优选地，该多个压力容器适于通过从单个气体线路的气体同时进行填充，该单个气体线路平行地连接至多个容器中的每个容器。 [0036] 为了帮助理解本发明并且使本领域技术人员能够使本发明产生实际效果，以下将仅参考附图以示例的方式对本发明的优选实施方式进行描述，在附图中： [0037] 图1示出了根据本发明的实施方式的、以高压向气体分配器供应气体的压力容器燃料补给系统。 [0038] 图2是根据本发明的实施方式的、图1所示的压力容器燃料补给系统的另一图示，其中，CNG储存容器几乎没有气体。 [0039] 图3是图1中的压力容器燃料补给系统的又一图示，其中，CNG储存容器几乎完全填满气体。 [0040] 本领域技术人员应理解的是，与如附图中所示的组件的布局的微小偏差不会减于本发明的公开的实施方式的正常运行。 具体实施方式[0041] 本发明的实施方式包括用于使用液体活塞为压缩气体压力容器补给燃料的系统和方法。本发明的元件在附图中以简明轮廓的形式示出，仅示出了理解本发明的实施方式所必需的具体细节，从而不会以鉴于本说明书会对本领域技术人员来说显而易见的过多细节使本公开变得杂乱。 [0042] 在该专利说明书中，诸如第一和第二、左和右、前和后、顶部和底部等的形容词仅用于从一个元件或方法步骤定义另一元件或方法步骤，而不一定要求由该形容词描述的具体相对位置或顺序。诸如“包括(comprises)”或“包括(includes)”的词并非用于限定一组排外的元件或方法步骤。更确切地说，这种词仅限定了本发明的具体实施方式中所包括的最小组的元件或方法步骤 [0043] 根据一个方面，本发明包括压力容器燃料补给系统。该系统包括：具有气体入口/出口和液体入口/出口的压力容器、至少部分地填充压力容器的第一液体、以及漂浮于第一液体顶部的第二液体的液层。第一液体与第二液体不互溶，以使得该液层形成“液体活塞”，该“液体活塞”随着将气体添加至容器并且而后排出容器而在容器内上下转移。液体存储罐与压力容器的液体入口/出口流体连通，并且泵与液体存储罐流体连通。因而，能够将第一液体从液体存储罐泵送至压力容器中，从而随着气体从容器中排出而保持压力容器为恒定压力。 [0044] 本发明的优势包括使得能够使用尺寸减小的主压缩和储存来实现CNG燃料箱的快速填充燃料补给方法。储存随着气体排出而保持在恒定的压力下，从而为CNG燃料箱的始终如一的高压填充提供机会。其他优势包括通过应用背压避免容器内的再压缩的热量减小主储存容器在其填充期间的生热。另外，由于能够在燃料补给期间保持主储存容器内的恒定压力，所以能够同时且更快地以低峰值功率要求为大量的车辆燃料箱进行燃料补给，因为CNG已经被压缩/生产并且简单地从储存容器中输送至车辆燃料箱中，从而将气体和电设施连接的尺寸以及相关的需要费用降至最低。 [0045] 在该说明书中，供应或储存气态燃料的CNG缸同义被称为如箱、容器、压力容器、CNG缸和缸。 [0046] 图1示出了压力容器燃料补给系统10，其以高压将气体供应至气体分配器12。系统10包括CNG主储存容器14，其部分地填充有天然气16并且部分地填充有水性液体18。一薄层第二液体以油20的形式漂浮在水性液体18的顶部。因为油20既不与水性液体18相溶，密度又比水性液体18小，所以油20的薄层起到“液体活塞”的作用，该液体活塞随着容器14内水性液体18的体积的变化在容器14内上下移动。 [0047] 油20的漂浮层建立了阻止水性液体18接触天然气16以及蒸发至天然气16中的屏障。在一些情况下，油20可变为天然气16饱和。然而，因为油20不离开储存容器14，并且因为只需要一薄层的油20(其可在初始填充时天然气饱和)，所以只有微不足道的天然气16无法使用，或者从储存中丢失。 [0048] 系统10还包括液体存储罐22和泵24。在使用中，例如，当从气体分配器12为一个CNG车辆或多个CNG车辆补给燃料时，泵24泵送水性液体18穿过止回阀26并穿过位于下部的入口/出口内的下浮阀28，并且泵送至容器14中。同时，天然气16流过上部入口/出口内的上浮阀30，流过气体线路32并且流到分配器12。随着水性液体18进入容器14并且气体16离开容器14，油20的层在容器14内上升，并且保持气体16与水性液体18之间的屏障。 [0049] 下浮阀28用于阻止气体16在所有水性液体18从容器14中排干的情况下通过容器14的底部退出。类似地，上浮阀30用于阻止水性液体18在所有气体16被上升至容器14的顶部的油20的层推出容器14的情况下通过容器14的顶部退出。作为示例，下浮阀28和上浮阀 30可起到如于2012年9月20日公布的、第WO 2012/122599号公开下的、题为“Compressed Natural Gas Tank Float Valve System and Method”的第PCT/AU2012/000265号国际专利申请中所述的作用，该国际专利申请的内容完全并入本文中。 [0050] 在例如连接至分配器12的车辆燃料箱的燃料补给过程中，聚结过滤装置34起至过滤装置的作用，从而在油20的痕迹到达分配器12之前从气体16中移除油20的痕迹。在CNG行业中使用这样的过滤方法来去除痕迹压缩机油是很正常的。然而，与在压缩机中不同，油气界面基本上是静态的，并且不会在气体中夹带油。因而，即使油20的痕迹可能需要由聚结器34进行过滤，但是油20的层仍然使得能够实现明显更加有效的气体输送系统。 [0051] 当通过天然气16再填充CNG储存容器14时，或者当使用分配器12为车辆补给燃料时，能够激活气体压缩机36，以允许压缩气体16并且通过止回阀38从天然气供应线(未示出)供应至储存容器14中或者直接供应至分配器12。 [0052] 压力控制器39使泵24能够在检测到储存容器14内的压降时自动启动。在与气体压缩机36同时工作的情况下，泵24使得能够将高流速气体输送至分配器12；该高流速气体转而使得多个CNG燃料箱/车辆能够同时从分配器12或多个分配器中补给燃料。 [0053] 通过将已压缩的天然气16从恒高压储存容器14中移置到分配器12，当与使用联机的CNG压缩相比较时，能够将系统10所需的用于保持来自分配器12的气体16的恒定最大输出的稳态功率从常规工业天然气供应压力降低达一个数量级，从而满足所需的输送速度。这意味着，例如，当同时从分配器12为若干CNG车辆补给燃料时，压缩机36会比没有保持或使用在恒压下使用所存气体的移置的CNG储存容器的可比较的燃料补给系统所需要的更小。根据本发明，通过使用仅，全部的储存气体均可用，并且能够以几倍于以其他方式使用仅施加至气体压缩机上的等效功率而可能具有的速率传输。 [0054] 在通过气体16为容器14补给燃料期间，随着气体16被压缩至容器14内，油20的薄层对水性液体18施加压力，并且打开背压阀40。然后，水性液体18流过背压阀40并且返回至液体存储罐22中。随着液体水平在液体存储罐22内上升，罐22内的空气通过蒸汽通气部42被排放至大气中。 [0055] 图2是压力容器燃料补给系统10的另一图示，其中，CNG储存容器14几乎没有气体16。因此，体积相当大的水性溶液18通过泵24从液体存储罐22被泵送至容器14中，从而使得容器14中的小量的气体能够保持在或接近全操作压力，诸如5000psig。 [0056] 随着油20的薄层达到上浮阀30，泵24停用，并且将储存容器14视为没有气体16并需要补给燃料。可采用通过泵24的流的流量分析来确定容器14几乎没有气体16并且充满水性溶液18。然而，上浮阀30可被用作确保油20的薄层不被泵送出储存容器14外的安全装置。 [0057] 图3是压力容器燃料补给系统10的又一图示，其中，CNG储存容器14几乎填满气体16。随着油20的薄层下降至下浮阀20的水平，将储存容器14视为填满气体16。对液体存储罐 22中水性溶液18体积的容量分析可用于确定容器14填满气体16并且几乎没有水性溶液18。 然而，下浮阀28可被用作确保油20的薄层不被泵送出储存容器14外并且泵送至储存容器22中的安全机构。下浮阀包括塞(未示出)，其在油20中下沉但在水性溶液18中漂浮，从而保持容器14中的油20。 [0058] 根据一些实施方式，水性溶液18不能与气体混溶，并且油20不能在水中混溶。因而，水性溶液18可移入或移出加压的储存容器14，而不用携带溶解的气体16。例如，水性溶液18可以是用于充当防冻剂的盐溶液以及用于防止系统10中形成固体的水合物形成抑制剂。另外，各种不能与水混溶的流体可被用作油20，诸如各种矿物油或者有机油。 [0059] 本领域技术人员还应理解的是，当再填充气体16时以及当排出气体16时，单个储存容器14可由平行操作的多个容器替换。因而，多个压力容器中的每个压力容器都会包括漂浮在水性溶液18顶部的油20的薄层，并且会如本文中关于容器14的描述来操作。使用这样多个容器使得单个系统10中的气体储存能力能够显著增加。 [0060] 总之，本发明的优势包括：能够通过利用所安装的储存容器的全部容量实现CNG燃料箱的燃料快速补给方法；以及能够通过使用显著低于等效的气体压缩机站所需的功率输送储存容器以满足峰值需求的方法。储存容器随着排出气体而保持恒定的压力，从而能够实现罐/车辆的完全填充。因而，该系统将气体和电气连接的尺寸以及相关的需求费用降至最低。这利用了受到设施连接限制的CNG燃料站的输送能力，并且使仅存在受限的设施连接的、相当大的CNG站可行。 [0061] 另外，当再填充储存容器时，本发明能够消除CNG储存缸内缸再压缩热的问题，从而使得能够在设计压力下进行符合压力容器标准环境温度压力等级的填充。这提供了增大的CNG储存容器或减小储存容器尺寸的机会。 [0062] 另外，在再填充期间消除CNG储存容器内部的压缩热提高了安全性，具体地，通过避免储存容器再填充期间的瞬态温度剧增来实现，从而允许重新设计成本更低的复合储存容器缸。 [0063] 本发明各种实施方式的以上描述的目的是为本领域内技术人员提供说明。以上描述并不旨在穷举或将本发明限制于单个公开的实施方式。如上所述，对本发明的诸多替代和改变对于经过以上教导的本领域技术人员来说是显而易见的。因此，当一些替代实施方式已明确公开时，其他实施方式将变得显而易见或者相对容易地由本领域技术人员开发出来。因此，本专利说明书旨在涵盖本文所讨论的所有关于本发明的替代、修正和改变，以及落在上述发明的主旨和范围内的其他实施方式。 |
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