一种采用预压式气液置换的气瓶充气系统 |
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| 申请号 | CN201710060231.5 | 申请日 | 2017-01-24 | 公开(公告)号 | CN106801787A | 公开(公告)日 | 2017-06-06 |
| 申请人 | 江林言; 江志伟; | 发明人 | 江林言; 江志伟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了采用预压式气液置换的气瓶快速充气系统，包括储气瓶、加气机、储气罐和预压式气液置换缓冲罐，加气机先控制预压式气液置换缓冲罐将其中的液体注入到储气瓶，然后再用储气罐中的气体置换储气瓶中的液体，使其返回到预压式气液置换缓冲罐中；在储气瓶上分别设有气体进出管和液体进出管，气体进出管由气体管路通过气体进出 阀 门 、气体快速活动接头再由气体管路与加气机连接，加气机再由气体管路与储气罐连接；储气瓶上的液体进出管由液体管路通过液体进出阀门、液体快速活动接头再由液体管路与加气机连接，加气机再由液体管路与预压式气液置换缓冲罐连接。该系统具有结构简单、充装过程按流程顺序控制，操作简易，不需降温设备等特点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种采用预压式气液置换的气瓶充气系统，其特征在于，所述系统包括储气瓶或储气瓶组、加气机、储气罐和预压式气液置换缓冲罐，加气机按程序控制预压式气液置换缓冲罐预先将其中的液体注入到储气瓶，然后再用储气罐中的气体置换储气瓶中的液体，使其返回到预压式气液置换缓冲罐中；在储气瓶上分别设有气体进出管和液体进出管，气体进出管由气体管路通过气体进出阀门、气体快速活动接头再由气体管路与加气机连接，加气机再由气体管路与储气罐连接；储气瓶上的液体进出管由液体管路通过液体进出阀门、液体快速活动接头再由液体管路与加气机连接，加气机再由液体管路与预压式气液置换缓冲罐连接。 |
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| 说明书全文 | 一种采用预压式气液置换的气瓶充气系统技术领域[0001] 本发明涉及气瓶高压,超高压快速充装气体设备技术领域，具体涉及一种采用预压式气液置换的气瓶高压,超高压快速充气系统。 背景技术[0002] 预压式气液置换大流量气体匀速快充系统，是为了克服天然气、氢气加气站目前气瓶充装高压、超高压快速充装气体的过程中存在的气体大流速快速充装过程中产生的相向变化的气体快充温升，而影响气瓶气体快充温升的三个因素包括：[1]进入气瓶中的气体初始充装温度，[2]进入气瓶时气瓶气体原始状态的初始充装压力，[3]进入气瓶气中的气体初始充装速率，三个因素所产生的气瓶内气体快速充装过程中温度的升高，所导致的气瓶安全性隐患和充装量不足造成经济效益不高的问题。因此，提高气瓶安全性能，加气站安全生产和社会经济效益，以诚为本领域技术人员有待解决的技术问题。 [0003] 目前由同济大学等单位主持开发的，国内最先进的第三代移动加氢产站，可执行35MPa压力以下的快速加注；对70MPa压力下的气体加注，则执行慢速加注。从以上两个压力指标看，国内的氢气加注技术还存在受气体快充加注产生的气体快充温升影响，不能解决温度对气瓶使用要求85℃以下的国家规范标准，达不到额定充装量，才采用传统的气体充装方法，用时间延长方式，降低充装速率，解决温度过高带来的问题，从而达到气体充装质量。 [0004] 从日本成田机场加氢站照片中发现，加氢装备中有预冷装置，加注压力70MPa。 [0005] 从空气产品公司转让加注技术设计的某加气站照片中可看到，加气站采用的是三线制充装技术。 [0006] 从2009年12月4日，浙江大学王新华研究员主持的2006年探索导向课题“70MPa静态化学热压缩高压超纯氢压缩技术与装置”通过了国家科技部高技术中心组织专家的验收。2009年科技部又推出了863课题，研制70Mpa的车载气瓶，大力推动我国高压储氢技术的发展。 [0007] 中国专利CN101315545公开了一种加氢站高效加氢的三级加注优化控制方法及其系统，从该专利公开资料看，它是加装了一套降温装置，来解决气体加气站在充装过程中，采用大流速充装工艺，造成气体在气瓶内产生的快充温升问题，并增加了一个由操作人员调节加注速率的针阀，以及对温度进行调节的控制系统。该方案尽管采取了多种优化方法来达到控制快充温升的措施，但是设备结构复杂，增加了一套降温装置及三路气体管路和储罐及配件，投资大，产出效果不佳，时间上满足需求，但不能否达到额定充装量指标。 [0008] 从中国氢能源网2015-6-30报道，日经BP社消息，日本田公司为MIRAI燃料电池车配置的高压储氢罐上开发了温度传感器，通过配备温度传感器，可以检测罐内温度，从而可在确保安全性，同时在3分的超短时间内完成加注作业，在向高压储氢罐内充入高压氢气时，罐内气体受到压缩，温度上升，但需要控制在85℃以下，加氢站可以据车载储氢气瓶的温度进行加氢。通过这个报道，可以看出，目前最先进的充装技术还不尽完善，在经过充装前对气体降温处理后，虽然充装时间上达到了要求，气瓶充装温度达到了最基本的允许范围高限以内，气体充装量离额定充装有一定距离，根据氢气性质,温度每上升5℃,压力上升0.4Mpa,按20℃70Mpa额定充装量计算, [0009] 85℃70Mpa-20℃70Mpa＝65℃ [0010] 65℃/5℃0.4Mpa＝5.2Mpa [0011] 70Mpa-5.2Mpa＝64.8Mpa [0012] 64.8Mpa/70Mpa＝92.6 [0013] 因此，目前的充装工艺技术离气瓶理想使用温度,环境温度40℃以下，极端温度60℃,气瓶气体额定充装量20℃70Mpa, [0014] 精度±1.5％≈98.95％98.95-92.6＝6.35％ [0015] 还有不尽人意的差距,还有提升空间。 [0016] 综合以上简易资料可得出以下基本结论： [0017] 1、目前，国内外均采用三线制气体充装工艺设备； [0018] 2、35Mpa压力及以70Mpa的气体充装均采用了降温设备； [0019] 3、由以上可看出，针对气体充装过程中产生的气体快充温升问题，当前国内外采用的传统充装三线工艺+降温工艺方式，大流速小流量充装技术，来对充装气体预先进行降温处理，设备配置投资较大、控制复杂、降温不下，效果较差，对气体充装理论研究还停留在事后的处理上，没有从事情发生的源头上找出原因，理论研究尚有认识不足的地方，在目前天然气汽车行业气体充装生产中，造成天然气加气站由于天然气充装过程因控制参数不能适应充装参数不断变化，即每辆加气车辆储气瓶瓶内剩余压力不同，初始压力低时，温升呈线性上升，初始压力高，温度呈线性下降，随着初始压力的升高,趋向于零,即不产生温升，控制参数不能即时调整,所产生的快充温升呈线性相向变化对充装量产生充装不足或充装过量难以控制的问题，为此天然气加气站在执行国家永久气体充装规范标准中难以执行，并因此造成GB14194-2006版中注明本标准不适用于车载压缩天然气储气瓶的气体充装的囧境，并因此造成目前国内天然气汽车行业中气体充装环节较混乱的局面。所以说现有气体大流速快速充装技术距商业化要求还有一定差距。 发明内容[0020] 本发明的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种涉及气瓶的结果设计、加气机的设计制造技术方案，采用预压式气液置换的快速充气系统，使气瓶在高压,超高压气体快速充气过程中以大流量、气液置换方式，提高气瓶初始压力，抑制气体产生快充温升的技术革新方法，取代目前因采用大流速充装工艺而产生节流现象导致温升高，影响气瓶的安全使用和经济效益不高，从而达到结构简单、充装过程按流程顺序控制，操作简易，不需降温设备，不需对温度进行复杂的控制手段，实现投资最少、质量最好的发明目的。 [0021] 为实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种采用预压式气液置换的气瓶快速充气系统，所述系统包括储气瓶或储气瓶组、加气机、储气罐和预压式气液置换缓冲罐，加气机按程序控制预压式气液置换缓冲罐预先将其中的液体注入到储气瓶，然后再用储气罐中的气体置换储气瓶中的液体，使其返回到预压式气液置换缓冲罐中；在储气瓶上分别设有气体进出管和液体进出管，气体进出管由气体管路通过气体进出阀门、气体快速活动接头再由气体管路与加气机连接，加气机再由气体管路与储气罐连接；储气瓶上的液体进出管由液体管路通过液体进出阀门、液体快速活动接头再由液体管路与加气机连接，加气机再由液体管路与预压式气液置换缓冲罐连接。 [0022] 为了简化气瓶充装系统的结构，适用于对商用车或客车中的气瓶充装气体，采用气体标准充装站的充装工艺及充装设备进行充装，优选的技术方案是，所述储气瓶设有一个，储气瓶采用卧式放置，其中液体进出管设置在储气瓶的下部，气体进出管设置在储气瓶的中部或上部。 [0023] 为了便于调节储气罐与预压式气液置换缓冲罐之间的压力保持平衡，进一步优选的技术方案是，在所述加气机内设有连接储气罐与预压式气液置换缓冲罐的联络管，联络管串接有第一调压阀和第一压力传感器。 [0024] 为了便于对充气过程的监测、控制，同时便于对充气量进行有效的计量，进一步优选的技术方案还有，在所述加气机内的气体管路上串接有第二压力传感器、第一电磁阀和第一流量计，在所述加气机内的液体管路上串接有第三压力传感器和第二电磁阀，在串连的第三压力传感器和第二电磁阀的两端并连有相互串接的节流膨胀阀和第三电磁阀。 [0025] 为了便于向预压式气液置换缓冲罐内注入或补充液体，进一步优选的技术方案还有，在所述加气机内的液体管路还并连有第一注液管，第一注液管上串接有第一注液阀，第一注液管并连在第二电磁阀与预压式气液置换缓冲罐之间的液体管路上。 [0026] 为了便于使用于天然气运输车气体充装母站的工艺设备配置，优选的技术方案还有，所述储气瓶设有若干个，若干个储气瓶平面放置，若干个储气瓶的气体进出管和液体进出管分别设置在储气瓶的上部和下部且彼此相互串联连接。 [0027] 为了便于使用于天然气运输车气体充装母站的工艺设备配置，进一步优选的技术方案还有，所述预压式气液置换缓冲罐包括有预压式气液置换高压缓冲罐和预压式气液置换中压缓冲罐，在所述加气机内设有连接储气罐与预压式气液置换高压缓冲罐的第一联络管，以及与预压式气液置换中压缓冲罐的第二联络管，在第一联络管上串接有第二调压阀和第四压力传感器，在第二联络管上串接有第三调压阀和第五压力传感器，在所述预压式气液置换高压缓冲罐与预压式气液置换中压缓冲罐之间还连接有第三联络管，在第三联络管上串联有调压溢流阀、第四电磁阀和第六压力传感器。 [0028] 为了便于对充气过程的监测、控制，同时便于对充气量进行有效的计量，进一步优选的技术方案还有，在所述加气机内的气体管路上串接有第七压力传感器、第五电磁阀和第二流量计，在所述加气机内的液体管路分为两路，分别为由液体快速活动接头通往预压式气液置换高压缓冲罐的第一液体管路，以及由液体快速活动接头通往预压式气液置换中压缓冲罐的第二液体管路，在第一液体管路上串接有第六电磁阀，在第二液体管路上串接有单向阀和第七电磁阀。 [0029] 为了便于向预压式气液置换缓冲罐内注入或补充液体，进一步优选的技术方案还有，在所述加气机内的第一联络管与第二联络管上还分别并连有第二注液管和第三注液管，第二注液管和第三注液管上分别串接有第二注液阀和第三注液阀，第二注液管并连在第四压力传感器与预压式气液置换高压缓冲罐之间的第一联络管上，第三注液管并连在第五压力传感器与预压式气液置换中压缓冲罐之间的第二联络管上。 [0030] 为了确保系统的安全与性，进一步优选的技术方案还有，在所述储气罐、预压式气液置换缓冲罐、预压式气液置换高压缓冲罐和预压式气液置换中压缓冲罐上分别连接有第一安全阀、第二安全阀、第三安全阀和第四安全阀。 [0031] 本发明的优点和有益效果在于：所述系统从气体充装产业的安全、效率角度，针对目前气体充装行业中出现的因商业化需求而采用的大流速快充工艺后出现的气体快充温升问题，对传统充装工艺设备功能进行了系统分析后，提出了以提高气瓶气体初始充装压力，大流量气液置换，气液分别进出储气瓶的新型双线常温气体充装方式的技术方案。以抑制气体快充温升产生的技术措施，取代目前因采用大流速充装工艺而产生节流现象，造成快充气体温升，影响储气瓶使用安全和充装质量的三线制+制冷降温充装方式，而提出的技术解决方案。本技术方案以不产生或少产生绝热节流的温度效应的设计角度出发，从而根本上解决气体大流速充装工艺产生的快充温升问题，创造性地提出了由新型预压式气液缓冲罐组成的液路预压缓冲系统、气液两路分别进出的车载储气瓶结构、结构简单的气路充装系统、价格计算系统和充装顺序控制系统，组成的预压式气液置换大流量气体匀速快充系统，解决了天然气、氢气等新能源利用中气体储存，气体运输,气体充装环节的一个气瓶安全使用与充装量不足经济效益不高的重要难题。它的应用将提高目前我国天然气汽车用户的经济效益、天然气加气站的经济效益，进而对我国新能源汽车产业，天然气汽车产业，及未来氢能源汽车产业中气体储存，气体运输等在气体充装环节中，气体充装设备制造，加气站建设，加气站充装业务的技术竞争优势。产生巨大的产业经济效益和节能减排的社会效益。提高我国在新能源领域的技术竞赛中，占据一个有利的制高点，促进新能源汽车产业的技术进步发挥极积的重要作用。 [0032] 本发明采用的提高气瓶初始充装气体压力，(天然气加气站20Mpa充装压力时，其初始充装压力为12Mpa-15Mpa)控制气体快充温升的气体充装系统，可在目前的天然气加气站随意验证，或在氢气加气站不采用制冷降温的条件下得到验证。 [0033] 基于对气体快速充装技术理论的理解，提出以大流量小流速气体充装方式来解决当前小流量大流速的气体快速充装理念，从源头上解决气体在气瓶内大流速下产生的节流、摩擦、压缩过程中出现的气体快充温升难题，并由此而设计出预压式气液置换大流量气体匀速快充系统，它在气瓶气体充装过程中，以提高气瓶初始充装压力，初始充装压差小，达到匀速充装，不产生或少产生节流、摩擦、压缩等现象，从而实现气体快充温升小，实现常温下的气体快速充装，以单线气液分别进出的流程进行气体充装的工艺方式生产，从而达到结构简单、充装过程按流程顺序控制，操作简易，不需降温设备，不需对温度进行复杂的控制手段，实现投资最少、质量最好的设计目标。附图说明 [0034] 图1是本发明采用预压式气液置换的气瓶充气系统中储气瓶的结构示意图之一； [0035] 图2是本发明采用预压式气液置换的气瓶充气系统中储气瓶的结构示意图之二； [0036] 图3是本发明采用预压式气液置换的气瓶充气系统的系统示意图之一； [0037] 图4是是本发明采用预压式气液置换的气瓶充气系统的系统示意图之二。 [0038] 图中：1、储气瓶；1.1、气体进出管；1.2、液体进出管；2、加气机；3、储气罐；4、预压式气液置换缓冲罐；4.1、预压式气液置换高压缓冲罐；4.2、预压式气液置换中压缓冲罐；5、气体管路；6、气体进出阀门；7、气体快速活动接头；8、液体管路；9、液体进出阀门；10、液体快速活动接头；11、联络管；12、第一调压阀；13、第一压力传感器；14、第二压力传感器；15、第一电磁阀；16、第一流量计；17、第三压力传感器；18、第二电磁阀；19、节流膨胀阀；20、第三电磁阀；21、第一注液管；22、第一注液阀；23、第一联络管；24、第二联络管；25、第二调压阀；26、第四压力传感器；27、第三调压阀；28、第五压力传感器；29、第三联络管；30、调压溢流阀；31、第四电磁阀；32、第六压力传感器；33、第七压力传感器；34、第五电磁阀；35、第二流量计；36、第一液体管路；37、第二液体管路；38、第六电磁阀；39、单向阀；40、第七电磁阀；41、第二注液管；24、第三注液管；43、第二注液阀；44、第三注液阀；45、第一安全阀；46、第二安全阀；47、第三安全阀；48、第四安全阀。 具体实施方式[0039] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。 [0040] 如图1～4所示，本发明是一种采用预压式气液置换的气瓶快速充气系统，所述系统包括储气瓶1或气瓶组、加气机2、储气罐3和预压式气液置换缓冲罐4，加气机2用于按程序控制预压式气液置换缓冲罐4预先将其中的液体注入到储气瓶1中，提高储气瓶或储气瓶组的气体初始充装压力，然后再用储气罐3中的气体置换储气瓶1中的液体，使其返回到预压式气液置换缓冲罐4中；在储气瓶1上分别设有气体进出管1.1和液体进出管1.2，气体进出管1.1由气体管路5通过气体进出阀门6、气体快速活动接头7再由气体管路5与加气机2连接，加气机再由气体管路5与储气罐3连接；储气瓶1上的液体进出管1.2由液体管路8通过液体进出阀门9、液体快速活动接头10再由液体管路1.2与加气机2连接，加气机2再由液体管路8与预压式气液置换缓冲罐4连接。 [0041] 如图1、2所示，为了简化储气瓶1充装系统的结构，适用于对商用车或客车中的气瓶充装气体，采用气体标准充装站的充装工艺及充装设备进行充装，本发明优选的实施方案是，所述储气瓶1设有一个，储气瓶1采用卧式放置，其中将液体进出管1.2设置在储气瓶1的下部，将气体进出管1.1设置在储气瓶的中部或上部。 [0042] 如图3所示，为了便于调节储气罐3与预压式气液置换缓冲罐4之间的压力保持平衡，本发明进一步优选的实施方案是，在所述加气机2内设有连接储气罐与3预压式气液置换缓冲罐4的联络管11，联络管11串接有第一调压阀12和第一压力传感器13。 [0043] 如图3所示，为了便于对充气过程的监测、控制，同时便于对充气量进行有效的计量，本发明进一步优选的实施方案还有，在所述加气机2内的气体管路5上串接有第二压力传感器14、第一电磁阀15和第一流量计16，在所述加气机2内的液体管路8上串接有第三压力传感器17和第二电磁阀18，在串连的第三压力传感器17和第二电磁阀18的两端并连有相互串接的节流膨胀阀19和第三电磁阀20，节流膨胀阀19用于控制初始充气阶段储气瓶1的气压。 [0044] 如图3所示，为了便于向预压式气液置换缓冲罐内注入或补充液体，本发明进一步优选的实施方案还有，在所述加气机2内的液体管路8上还并连有第一注液管21，在第一注液管21上串接有第一注液阀22，第一注液管21并连在第二电磁阀18与预压式气液置换缓冲罐4之间的液体管路8上。 [0045] 如图3所示，车载储气瓶1分别设有气体进出管路1.1和液体进出管路1.2，由与车载储气瓶1液体管路8上的液体进出阀门9、液体快速活动接头10，及加气机内的，第三压力传感器17、第二电磁阀18和预压式气液置换缓冲罐4组成气液两路分别进出预压式气液置换缓冲系统配置【一】。由联络管路11上的手动调压阀12，第一压力传感器13，预压式气液置换缓冲罐4，储气罐3，及联络管路11组成液路压力手动调节系统配置【二】。由与车载储气瓶1气体管路5上的气体进出阀门6、气体快速活动接头7与储气罐3之间的第一流量计16，第一电磁阀15，第二压力传感噐14组成气路气体充装系统配【三】。由第一流量计16等组成的气体计量结算系统和由第一电磁阀15、第二压力传感器14、第一流量计16，按工作顺制设定的控制系统组成的加气机2组成预压式气液置换气体充装控制系统配置【四】。安全阀45、46，及液体管路8、第一注液阀组成预压式气液置换气体充装工艺设备配置。以上为商用汽车乘用车进行气体充装的标准加气站设备配置。 [0046] 如图4所示，为了便于使用于天然气运输车气体充装母站的工艺设备配置，本发明优选的实施方案还有，所述储气瓶1设有若干个，若干个储气瓶1竖直放置，若干个储气瓶1的气体进出管1.1和液体进出管1.2分别设置在储气瓶1的上部和下部且彼此相互串联连接。 [0047] 如图4所示，为了便于使用于天然气运输车气体充装母站的工艺设备配置，本发明进一步优选的实施方案还有，所述预压式气液置换缓冲罐4包括有预压式气液置换高压缓冲罐4.1和预压式气液置换中压缓冲罐4.2，在所述加气机2内设有连接储气罐3与预压式气液置换高压缓冲罐4.1的第一联络管23，以及与预压式气液置换中压缓冲罐4.2的第二联络管24，在第一联络管23上串接有第二调压阀25和第四压力传感器26，在第二联络管24上串接有第三调压阀27和第五压力传感器28，在所述预压式气液置换高压缓冲罐4.1与预压式气液置换中压缓冲罐4.2之间还连接有第三联络管29，在第三联络管29上串联有调压溢流阀30、第四电磁阀31和第六压力传感器32。 [0048] 如图4所示，为了便于对充气过程的监测、控制，同时便于对充气量进行有效的计量，本发明进一步优选的实施方案还有，在所述加气机2内的气体管路5上串接有第七压力传感器33、第五电磁阀34和第二流量计35，在所述加气机3内的液体管路8分为两路，分别为由液体快速活动接头10通往预压式气液置换高压缓冲罐4.1的第一液体管路36，以及由液体快速活动接头10通往预压式气液置换中压缓冲罐4.2的第二液体管路37，在第一液体管路36上串接有第六电磁阀38，在第二液体管路37上串接有单向阀39和第七电磁阀40。 [0049] 如图4所示，为了便于向预压式气液置换缓冲罐内注入或补充液体，本发明进一步优选的实施方案还有，在所述加气机2内的第一联络管23与第二联络管24上还分别并连有第二注液管41和第三注液管42，第二注液管41和第三注液管42上分别串接有第二注液阀43和第三注液阀44，第二注液管41并连在第四压力传感器26与预压式气液置换高压缓冲罐4.1之间的第一联络管23上，第三注液管42并连在第五压力传感器28与预压式气液置换中压缓冲罐4.2之间的第二联络管23上。 [0050] 如图3、4所示，为了确保系统的安全与性，本发明进一步优选的实施方案还有，在所述储气罐3、预压式气液置换缓冲罐4、预压式气液置换高压缓冲罐4.1和预压式气液置换中压缓冲罐4.2上分别连接有第一安全阀45、第二安全阀46、第三安全阀和47第四安全阀48。 [0051] 如图4所示，车载储气瓶1分别设有气体进出管路1.1和液体进出管路1.2，经第二液体管路37上的中压单向阀39，第七电磁阀40，预压式气液置换中压缓冲罐4.2，组成液路中压单向注液系统设备配置【一】。由车载储气瓶1分别设有气体进出管路1.1和液体进出管路1.2，经第一液体管路36上的，第六电磁阀38，预压式气液置换高压缓冲罐4.1组成气液两路分别进出高压气液置换缓沖系统的液路设备配置【二】。由预压式气液置换中压缓冲罐4.2，与预压式气液置换高压缓冲罐4.1之间的第三联络管及调压溢流阀30、第四电磁阀31、第六压力传感器32组成高，中压气液置换缓沖鑵的压力分段可控的液路循环系统设备配置【三】。由气体储气罐3，预压式气液置换高压缓冲罐4.1，预压式气液置换中压缓冲罐4.2，之间的第一联络管23上串接有第二调压阀25和第四压力传感器26，和第二联络管24上串接有第二调压阀27和第四压力传感器28组成高，中压，两罐的气压调整系统配置【四】。由气体储气罐3，车载气液两路分别进出串联式储气瓶组1，之间的气体管路5及管道上第二流量计 35，第五电磁阀34，第七压力传感器33，气路快速活动接头7和气体进出阀门6组成气路气体充装计量结祘系统设备配置【五】。由安装在气体储气罐3，高压型预压式气液置换高压缓冲罐4.1、预压式气液置换中压缓冲罐4.2上部的安全阀组成预压式气液置换气体充装系统的安全保障系统配置【六】。由以上【一】～【六】各分系统组成一个储气瓶组达到气液分别进出功能，预压式气液置换缓冲中，高压两罐气液容积比例可调，压力可控，液体在储气瓶组与中压气液置换缓冲罐之间单向注液，液体在储气瓶组与气液置换高压缓冲罐之间双向进出达到液体循环与高压型液路气液置换缓冲罐达到容积气液比例设计功能效应，产生气瓶充装气体，充装初始压力高，产生温升小，气体充装压力控制，气体计量结算，按工作顺序由加气机进行顺序控制。组成预压式气液置换气体充装加气母站系统。 [0052] 预压式气液置换气体充装技术工作原理是，在气体充装过程中，预先对储气1瓶施加一定的初始充装压力，使气体在气瓶1外以大流量小流速的方式流进气瓶1，在气瓶1内以不产生或少产生节流、摩擦、压缩现象，不产生或少产生焦耳-汤姆逊效应所产生的气体在气瓶1内的气体快充温升为设计目的出发点，通过对车载储气瓶1气液两路分别进出的结构设计，相关配置见附图1、2。 [0053] 对预压式气液置换缓冲罐4与汽液两路进出气瓶的气液容积比例设计，通过对车载储气瓶1采用气液两路分别进出的结构设计和预压式气液置缓冲罐4，气液容积比例设计产生的功能效应，以大流量、小流速的充装方式，在对气体充装过程中，预先向气瓶1内注入液体，使气瓶内气体，液体产生一定的预压力，就提高了气瓶初始充装压力，就控制了节流现象的产生，就控制了快充温升，最大程度减少了节流现象的产生，也就杜绝了快充温升的产生基础，也就达到了设计目的。 [0055] 车载气液两路分别进出储气瓶1的结构设计原理是，利用气液体比重关系，它以气瓶内部的低端[注：气瓶为卧式安装]，以车载气瓶1的瓶口延伸到气瓶内下端的1根弯管口，作为液体的1个进出口，在气路充装气体时液体沿液路回流达到预压式气液置换缓冲罐4，以车载储气瓶1的液体基本可以排尽为要求，从气液两路分别进出气瓶1进行气液体置换，设计的目的也就达到了。 [0056] 预压式气液置换大流量气体匀速快充缓冲罐的设计原理是，利用气体与液体密度的巨大差异性，流动性，容器与容器之间的气体，液体压差进行空间的能量转换。利用容器与容器之间容器容积变化产生的压差形成压力升降变化的差异性。根据以上容器性质和气液体性质设计的预压式气液置换充装气体缓冲罐4的气液体的容积比例计算，设计出预压式气液置换气体充装缓冲罐4与车载储气瓶1的容积比，20MPa按8：1，35MPa按12：1[可以通过注入液体来进行比例微调]。根据上述的原理，针对车载储气瓶容积大小变化，采用相关的技术措施，使其容积比例在3：1～12：1之间进行不同的比例设计调整。使气体充装温升精度控制在3℃～10℃，额定充装量在95％～98％之间即可。针对待充车载气瓶1充装初始压差大、压力低、注液冲击大问题，采用由节流调节阀19、第三电磁阀、大口径管三D道组成大流量低流速的预压式气液体置换傍路减压注液系统。 [0057] 预压式气液置换大流量气体匀速快充系统的实施例： [0058] 实施例1： [0059] 设车载储气瓶1容积为10L，预压式气液置换缓冲罐4容积为80L，当向预压式气液置换缓冲罐8注入10L液体，同时注入20MPa气体压力，容积气液比变为7：1，压力20MPa，预压式气液置换缓冲罐4的气体容量变为0.07L×200＝143，当把液体注入车载储气瓶1时，预压气液置换缓冲罐4，容积变大，变为8立方压力下降至14/0.08L＝17.5MPa此时预压式气液缓冲罐4压力与车载储气瓶1压力同为17.5MPa[注：此压力即为车载储气瓶1的初始加注压力。根据天然气气瓶快充过程温升数值数值模拟研究,初始压力对快充温升影响曲线图查到 17.5MPa的气体充装初始压力对温升的影响在5℃以下，并随着初始压力的提高气体快充温升趋向于零]，当储气罐3向车载储气瓶1充装气体压力大17.5MPa时，液体回流至预压式气液置换缓冲罐4达到设定最高额定充装压力20MPa时车载储气瓶1压力罐已把液体排尽.车载储气瓶1充满气体完成工作。 [0060] 实施例2 [0061] 设车载储气瓶水容积为18m,预压式气液置换20MPa高压缓冲罐4.1水容积为18m,预压气液置换4MPa中压缓冲罐4.2水容积36m，两罐气液比，气占2/3，液占1/3当向两罐注入液体至设定值时,两罐水容积注水量为： [0062] 高压缓冲罐水容积为18m/3＝6m3 [0063] 中压缓冲罐水容积为36m/3＝24m3 [0064] 当向高压缓冲罐4.1注入气体压力为20MPa的气体时，高压缓冲罐4.1气体量为[0065] 18m×2/3＝12m3 12m×20MP＝2400m3 [0066] 当向中压缓冲罐4.2注入4MPa压力的气体时,中压缓冲罐气体容量为 [0067] 36m×2/3＝24m3 24m×4MPa＝960m3 [0068] 当中，高压缓冲罐按顺序先后向容积为18m3的车载储气瓶注入设定值12m+6m＝18m3水车载储气瓶注满时中、高压缓冲4.1容积变大，容量没变，压力下降4MPa中压缓冲罐压力下降为960m÷36m＝2.66MPa；20MPa高压缓冲罐4.1压力下降为2400m÷18m＝13.3MPa； [0069] 通过以上计算，当各参数达到设定值，车载储气瓶的最低充装初始压力13.3MPa和车载储气瓶剩余压力2MPa，合计15MPa以上，可对车载储气瓶产生15MPa以上的气体充装初始预压力，并最大程度的抑制气体快充温升的产生。 [0070] 实施例1乘用车标准加气站加注前的准备及充装操作 [0071] 注液准备通过第一注液管上的第一注液阀22，向预压式气液缓置换缓冲罐4注入按设计比例的液体达到数量后关闭第一注液阀22。 [0072] 设定车载储气瓶1最终加注压力 [0073] 通过由预压式气液置换缓冲罐4与储气罐3之间联络管11上的压力第一传感器13手动调压阀12组成的压力调整系统，打开手动调压阀12向预压式气液置换缓冲罐4气体由储气罐3向预压式气液置换缓冲罐4注气至车载储气瓶1的最高允许额定加注压力20MPa后关闭手动调压阀12。[注此气压的气体在预压式气液置换缓冲罐4内无消耗的为每一个待充气的车载气液两路分别进出的新式储气瓶1施加预压力]，当加注工作启动后加气机2按操作顺序控制，此时液体从预压式气液置换缓冲罐4向车载储气瓶1流去，压力开始下降至所调定之比例7/1，压力17.5MPa压力平衡，这个平衡压力即为车载储气瓶加注气体时的初始压力。此时由第二压力传感器14测到设定的数值，第一电磁阀15打开，第一流量计16开始计量，结算系统运行至加注结束为止，气体通过气体进出阀门6、气体快速活动接头7向车载气瓶1加注气体至第二压力传感器14测到设定最高允许额定值时，第一电磁阀15关闭。其间由计量结算系统，加气控制系统组成的加气机2，按设定的工作顺序进行控制到气体加注完成。 [0074] 储气瓶进行气体充装标准站A操作流程： [0076] 起动气体充装程序此时加气机2根据设定程序，自动打开预压液路第二电磁阀18，预压式气液置换缓冲罐4向待充车载储气瓶1充入液体至两瓶罐1，4之间气液压力平衡，此时预压气液置换缓冲罐4压力降至一个合符气体充装要求的区间压力[该压力可通过调整罐内气液比例实现]，此时由第一压力传感器13、节流膨胀阀10测得平衡压力后，第一电磁阀15打开，气路充装气体，第一流量计16和结算系统工作，此时气路气压大于液路压力，形成压差，车载气液两路分别进出储气瓶1中的液体从储气瓶底部压回预压气液置换缓冲罐4，当气液两路的压力达到设定值平衡时，第一电磁阀15、第二电磁阀18关闭，手动关闭气瓶 1气液两阀门，气体进出阀门6、液体进出阀门9，拨出软管接头，插上气瓶1安全销，气液软管及加气枪归位，气体充装工作完成。 [0077] 实施例2大型运输储气瓶组加注气体充装母站加注前的准备及操作： [0078] 注液准备，通过第一、第二注液管上的注液阀43，44向预压式气液置换中、高压缓冲罐4.1、4.2注入按设计比例的液体达到数量后关闭注液阀43，44，设定储气瓶组1的最终允许充装压力，通过由预压式气液置换中、高压缓冲罐4.1、4.2与储气罐3之间的联络管上的压力传感器26、28手动调压阀25、27组成压力调整系统。打开手动调压阀25、27,由储气罐3向预压式气液置换中、高压缓冲罐4.1、4.2分别注入所设定压力﹝例天然气充装压力4Mpa、 20Mpa)、(25Mpa、35Mpa)、(55Mpa、70Mpa)达到相应的压力后关闭手动调压阀25、27待用。﹝注此气压的压力气体在预压式气液置换中、高压缓冲罐4.1、4.2内旡消耗的为每一个待充的车载气液两路分别进出的新式储气瓶组分段施加预压力﹞当加注工作启动后，加气机2按设计操作顺序自动控制。此时液体从预压式气液置换中、高压缓冲罐4.1、4.2分段向车载储气瓶组1流去，当中压缓冲罐4.1压力下降至设定值低限时，电磁阀40关闭，电磁阀38打开高压缓冲罐4.2继续向车载储气瓶组1注入液体至高压罐4.2压力与车载储气瓶组1压力平衝，此吋压力传感器26测到设定的数值时，电磁阀34打开，气路开始充装气体，流量计35结箅系统运行，液路液体开始向高压缓冲罐回流，当压力传感器34，38测到达到设定值时，电磁阀34， 38，40同时处于关闭状态。关闭车载储气瓶组1上气液路阀门6、9。快速话动接头泄压后脱离车载储气瓶组1，加气软管归位，气体加注完成。 [0079] 目前气体储存与气体充装系统发展前景分析 [0080] 目前最具商业潜力和市场预期的氢能源汽车，主要有氢燃料电池车和氢能内燃机汽车。其中氢燃料电池车以其清洁能源利用率高和没有温室气体排放等优点而备受各国政府和汽车产业巨头关注，中国、德国、日本，美国等国政府和汽车巨头日本丰田汽车、法国液空、德国宝马等均在该领域投入了大量的资金和人力。根据2010年新能源领域授权专利统计，氢燃料电池领域的专利数量约有1000件，是太阳能领域的三倍，且2010年氢燃料电池领域专利增幅超过57％。2016年11月中国氢能源汽车产业联盟已经成立，将采取整合氢能源上下游全产业链资源的方式，来推动我国的氢能源汽车产业发展。 [0081] 虽然世界各国政府和相关产业均对氢燃料电池领域的技术开发投入了时间、人力、物力，相关技术也已日臻完善，但为了满足商业化的需要仍旧存在一些技术瓶颈，安全、高效和经济的制氢、输氢、储氢等技术仍待改进，而且相关领域的标准化也尚未完成。其中由于缺乏安全高效和经济的储氢技术，使得氢气燃料电池车的商业化进程受到显著的制约。(摘自：70Mpa车用储氢气瓶快充升温研究。) [0082] 目前影响氢能源车、氢燃料电池车商业化进程的主要技术瓶颈之一的制氢、输氢、储氢三个环节中。车载储氢气瓶气体充装技术在氢气的输氢，储氢,两个相关环节中，处在最关键的节点，所以气体储存，气体充装技术是目前制约气体运输，气体储存行业保障气瓶安全使用、高效快速充装，达到额定充装量、产生最大经济效益的根本原因。而气瓶的气体充装、生产和使用，又与气体充装站采用大流速充装条件下，工艺设备配置和控制技术相关，大流速状态下气体在气瓶内产生的节流、摩擦、压缩等现象所产生的高温，影响气瓶的安全使用，造成充装量不足，对经济效益产生重大影响，制约着气体充装行业技术的发展。与之相比，在大流速充装条件下，目前天然气加气站20MPa压力充装条件下，加气机单枪充装售气量为250m3/h以上，如扣除加气准备,收费,等时间加气充装流速应在400m3/h。而在氢气加气站35MPa/70MPa压力条件下，充装流速更大,流量为[100kg-260kg]*11.2m3/h，显然存在着充装工艺设备设计配置缺陷、气瓶的结构设计缺陷，以及大流速条件下对气体快速充装理论的认识还不完善。这使得目前的气瓶气体充装工艺设备及充装技术不能满足商业化条件[3分钟5公斤，500公里]下，使用气体燃料为动力的汽车车载储气瓶用户对充装气体的时间和行驶里程的要求。而采用大流速快充工艺，在控制参数面对充装参数不断变化[初始压力不同，每个车载气瓶剩余压力不同]；[初始温度变化；每天早中晚温度变化]；[初始充装速率变化,车载储气瓶剩余压力变化]的生产过程中，不能即时调整控制参数。所以在控制参数不能即时调整，气瓶充装参数不断变化,气体大流速快充过程中在气瓶内产生的节流、摩擦、压缩等现象,焦耳—汤姆逊绝热节流的温度效应，使气体在气瓶内产生大量的快充温升并呈现线性相向的变化相互冲突变化的快充温升，初始充装温度升高1K，温升上升2.3K,初始压力每提高1Mpa,快充温升下降2.7K]。 [0083] 这个问题目前在天然气气体充装过程中非常突出，在天然气20Mpa充装压力的范围内应用大流速生产工艺产生的快充温升对气瓶的安全指标[温度不得超过80℃的规定，温度敏感性对气瓶不造成危险，但经济效益方面有较大影响，充装量仅能达到国家标准额定充装量的74.1％-79％，气体快充温升在30℃-37℃和初始充装温度最高按20℃相加为50℃-57℃，甲烷性质，温度每上升5℃，压力上升0.7Mpa]。 [0084] (30℃-37℃)/5℃0.7Mpa≈4.2Mpa-5.18Mpa/ [0085] 20Mpa-4.2Mpa＝15.8Mpa [0086] 15.8Mpa/20Mpa＝79％ [0087] 20Mpa-5.18Mpa＝14.82Mpa [0088] 14.82Mpa/20Mpa＝74.1％。 [0089] 对35Mpa/70Mpa的氢燃料电池车氢气瓶的充装产生的快充温升，如果不选择合理的充装条件，快充温升可能超过85℃(由于碳纤维增强复合材料气瓶对温度的敏感性较高，国家气瓶使用规定限制氢气瓶使用最高温度不超过85℃)，因此对35Mpa氢气瓶的气体充装,使用均产生安全性风险，而经济性方面充装量仅达到国家气体额定充装量标准的85.1％(按额定充装量20℃35Mpa，氢气性质，温度每上升5℃，压力上升0.4Mpa。 [0090] 20℃35Mpa-85℃35Mpa＝65℃ [0091] 65℃/5℃0.4Mpa＝5.2Mpa [0092] 35Mpa-5.2Mpa＝29.8Mpa [0093] 29.8Mpa/35Mpa＝85.1％ [0094] 70Mpa的氢气瓶的气体快充温升达到了125℃，按目前采用的快充工艺设备配置,在加装了气体降温装置后温度在允许的范围内按85℃，充装量按20℃70Mpa额定充装量计[0095] 20℃70Mpa-85℃70Mpa＝65℃ [0096] 65℃/5℃0.4Mpa＝5.2Mpa [0097] 70Mpa-5.2Mpa＝69.8Mpa [0098] 69.8Mpa/70Mpa＝92.6％ [0099] 所以目前20Mpa的天然气充装站,35Mpa,70Mpa氢气充装站，其额定充装量仅达到(74.1％-79％)85.1％92.6％，仍未尽人意。 [0100] 根据以上数据充分说明了,大流速充装条件下的气体快速充装工艺技术，对气瓶进行气体充装，目前的气体充装工艺设备配置仅解决了用户对时间的要求，但不能解决在充装参数变化的条件下，充装温升对气瓶气体用户的使用和加气站充装生产中带来的安全隐患，以及充装量不足造成经济效益不高的问题，不能满足商业化对气瓶充装的气体安全性与充装量经济性要求，因此对现有气体充装理论、气体充装工艺设计设备配置和相关的气瓶结构、操作方法，系统的进行反思并查出原因，从而采取针对性的技术措施，对气体充装工艺设备配置、气瓶结构设计，操作方法进行改进，才是解决氢气、天然气储存技术中气体充装环节，技术创新的重点研究方向。 [0101] 在最近国家发布的十三五新兴产业战略性规划中提到，到2020年实现当年产销200万辆以上、累计产销500万辆整体技术水平，保持与国际同步，形成一批具有国际竞争力的新能源汽车整车和关键零部件企业。天然气和氢气充装站的气体充装控制技术、及主要的装备加气机、车载储气瓶都是其中的关键零部件。预压式气液置换大流量气体匀速快充技术作为气体充装行业理想中的终极追求目标，它的研发成功和应用必将使我国的新能源汽车产业中天然气汽车,氢能源汽车、氢燃料电池车和气体加气站等气体充装技术在新能源汽车产业气体运输，气体储存，气体加注等技术竞争中占在一个有利的技术制高点，提升我国气体充装装备制造业的产品竞争能力，对促进我国的节能减排和新能源汽车产业的发展发挥重要的推动作用。 [0102] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 |
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