用于为多个压缩气体压力容器平衡补给燃料的系统和方法

摘要

一种能够使极大的气体容积用作有效容积并增加气体存储效率的压力容器平衡补给燃料系统。系统包括多个压力容器，每个容器具有用于液体的进入和退出的液体转移开口，其中液体用于置换每个容器内部的气体。液体平衡线通过液体转移开口从多个压力容器中每个容器的外部延伸至内部，并且将每个容器的液体转移开口与每个其他容器的液体转移开口内连接。因而平衡液体转移路径从一个容器的内部延伸至外部，然后通过液体平衡线从每个其他容器的外部延伸至内部，使一个容器中的液体水平与每个其他容器中的液体水平保持近似相等。

说明书

技术领域

本发明大体涉及用于气体存储和输送的压缩气体转移系统。具体地， 本发明涉及包括为多个压缩天然气(CNG，CompressedNaturalGas)储 罐补给燃料的方法的CNG转移系统，其中在该多个CNG储罐中的所有 储罐中都维持平衡的压力、液体容积和气体容积。

背景技术

在车辆中使用天然气燃料是相对环保的，因此，环保机构和政府支 持在车辆应用中使用天然气燃料。基于天然气的燃料通常为以下三种形 式：压缩天然气(CNG)、液化天然气(LNG，LiquefiedNaturalGas)以 及被称为液化石油气(LPG，LiquefiedPetroleumGas)的天然气衍生物。

由于以天然气为燃料的车辆排放SO₂(二氧化硫)、煤烟和其他颗粒 物的水平通常极低，因而它们在环保方面令人印象深刻。与用汽油和柴 油提供动力的车辆相比，因为在天然气中的碳氢比更合适，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。天然气车辆有各 种形式，从小汽车到(更一般地)小型载重汽车和公共汽车。天然气燃 料还提供较长的引擎使用寿命以及较低的保养成本。另外，当对比等量 的燃料能量时，CNG是最便宜的替代燃料。另外，天然气燃料可与诸如 柴油的其他燃料结合，以提供与上述效益类似的效益。

限制在车辆中使用天然气的关键因素是天然气燃料的储存，相对于 用于具有相等能量含量的常规液体燃料所需的罐，就CNG和LNG来说， 燃料罐通常昂贵、大型且笨重。另外，CNG和LNG补给燃料设备相对 缺乏广泛可用性以及LNG的成本进一步增加了将天然气用作机动车燃料 的限制。另外，就LNG而言，生产LNG的复杂性和成本以及与在车辆 上存储低温液体相关联的问题进一步限制了该燃料的广泛应用。

当使用LPG时缓和了以上问题中的一些问题，并且该燃料在诸如出 租车的高里程机动车中广泛使用。然而，在私人机动车的情况中成本对 利益的比较通常不受青睐。与燃料罐尺寸和形状关联的问题、LPG成本 的可变性以及有时受限的供给意味着LPG还具有限制其普遍采用的显著 缺点。总之，除非在围绕主要交通枢纽的LNG站网络中进行大规模的投 资，否则在不久的将来CNG才是很可能广泛利用的唯一可行的天然气形 式。

不过，需要克服一些公知的技术挑战以更好地开发CNG燃料的优势。 例如，由于压缩热使进行填充的储瓶的过热，因而限制了复合CNG储瓶 填充可以达到的压力。这通常意味着在21deg.C(稳定的温度)的248bar 是复合CNG储瓶填充的极限，并且已经成为包括美国在内的世界中许多 部分中采用的标准。

在美国，各准则通常允许将所提供的CNG储瓶填充至压力等级的 1.25倍的过压，如果冷却到21deg.C则随后稳定到248bar。准则还在储 瓶加热方面确定具有引起超过储瓶设计参数的瞬态温度漂移的潜力。

在欧洲，相关准则将在补给燃料过程中复合CNG储瓶中的最大压力 限制为260bar，以确保不超过最大设计温度。

这些限制意味着现行设计用于350bar工作压力和大于该压力的复合 储瓶不能在常规的CNG补给燃料系统中使用。这意味着不能实现利用较 小的CNG储实现获得相同尺寸储瓶的范围增加的可能性。标题为“A CompressedGasTransferSystem”的第WO2008/074075号国际专利申请 公开第一次公开了使压力容器中容积能够变化以将压力容器中气体维持 在接近恒压的液体输送系统。这使得当CNG罐被放空以向高压直接喷射 式发动机供给燃料时，该罐能够维持在一致的高压(例如，大于3000 psig)。另外，该公开公开了将燃料转移到车里的方法，该方法将车辆罐 保持在相对恒定的高压，从而使得能够以高压转移燃料，并且消除了CNG 储瓶中的压缩热。

另外，标题为“SystemandMethodforRefuellingofCompressedGas PressureVessels”的第WO2013/056295号国际专利申请公开了车载CNG 贮罐的恒压燃料补给的进一步改善。该申请公开了可以经由常规单个 CNG补给燃料连接执行的补给燃料过程，其中在多个车载压力容器中包 含的液体提供了必要的流体存贮以控制填充过程，并且用于在连接至 CNG补给燃料源后立即开始填充过程。

然而，当为互连的、诸如路旁存储系统的CNG存储和输送系统的多 个CNG储瓶补给燃料时，很难精确测量多个储瓶中存在的气体的实际容 积。具体地，当通过单个补给线将气体输送至多个储瓶存储系统时，现 有技术系统会导致遍及多个储瓶的压力、液体水平和气体容积不平衡。 这种不平衡会致使系统无法工作或当估计最大填充水平时要求应用相对 大的安全因素，这转而会减少储瓶的可用性、总有效容积。

因此，需要对多个压缩气体压力容器平衡补给燃料的改善的方法和 系统。

发明目的

本发明的一些实施方式的目的是为消费者提供优于上述现有技术的 改善和优势、和/或克服并减轻上述现有技术的一个或多个缺点、和/或提 供有用的商业选择。

发明内容

在一种形式中，尽管不必是唯一或最宽的形式，不过本发明存在于 压力容器平衡补给燃料系统中，包括：

多个压力容器，每个容器都具有用于液体的进入和退出的液体转移 开口，其中液体用于转移每个容器内部的气体；

液体转移线，通过液体转移开口从多个压力容器中的每个容器的外 部延伸至内部；以及

液体平衡线，使每个容器的液体转移开口与每个其他容器的液体转 移开口内连接；

凭借多个压力容器、液体转移线和液体平衡线，平衡液体转移路径 从一个容器的内部延伸至外部，然后通过液体平衡线从每个其他容器的 外部延伸至内部，从而使一个容器中的液体水平与每个其他容器中的液 体水平保持大约相等。

适当地，每个容器均在液体转移线的远端处包含液体扩散器。

适当地，液体扩散器包括高表面积矩阵结构。

适当地，液体扩散器包括网孔。

适当地，液体转移线延伸通过“管中管(pipeinpipe)”布置中的每 个容器的液体转移开口。

适当地，每个容器均还包括将液体与气体分隔开的油层。

适当地，液体转移线从主线分支为多个容器专用液体线，其中，一 个容器专用液体线延伸到多个容器中的每个容器中。

适当地，在液体转移过程中，通过每个容器专用液体线的液体流速 不同于通过每个其他容器专用液体线的液体流速。

适当地，在液体转移过程中，液体流过液体平衡线以消除多个压力 容器之间的液体水平不平衡。

适当地，系统还包括：

每个容器都具有气体转移开口，用于气体的进入和退出；

气体转移线，通过气体转移开口从多个压力容器中的每个容器的外 部延伸至内部；以及

气体平衡线，从多个压力容器中的每个容器的外部延伸至内部，并 且使每个容器的气体转移转移开口与每个其他容器的气体转移开口内连 接；

凭借气体转移开口、气体转移线和气体平衡线，平衡气体转移路径 从一个容器的内部延伸至外部，然后通过气体平衡线从每个其他容器的 外部延伸至内部，从而使一个容器中的气体压力能够与每个其他容器中 的气体压力保持相等。

适当地，气体转移线以“管中管”布置延伸通过每个容器的气体转 移开口。

适当地，气体转移线从主线分支为多个容器专用气体线，其中，一 个容器专用气体线延伸到多个容器中的每个容器中。

适当地，在气体转移过程中，通过每个容器专用气体线的气体流速 大约等于通过每个其他容器专用气体线的气体流速。

适当地，在气体转移过程中，气体流过气体平衡线以消除多个压力 容器之间的压力不平衡。

适当地，补给燃料系统是用于CNG存储和输送的稳态系统。

适当地，补给燃料系统是用于CNG存储和输送的机动系统。

适当地，压力测量工具附接于液体平衡线。

适当地，压力测量工具附接于气体平衡线。

附图说明

参照附图描述本发明的实施方式，在附图中：

图1是示出根据本发明的实施方式的用于CNG存储和输送的压力容 器平衡补给燃料系统的剖面和剖视图；

图2是示出图1所示的CNG压力容器中的一个的底部处的液体管道 的放大图；以及

图3是示出图2所示的CNG压力容器中的顶部处的气体管道的放大 图。

具体实施方式

本发明的元件在附图中以简明的轮廓形式示出，仅示出那些对理解 本发明的实施方式所必需的具体细节，而且也为了不以根据本说明书对 本领域普通技术人员显而易见的冗余细节使本公开内容混乱。

在本专利说明书中，诸如第一和第二、左和右、前和后、顶和底等 的形容词仅用来将一个元件与另一个元件区分限定，而不一定要求由该 形容词描述的具体相对位置或序列。诸如“包括”或“包含”的词语不 是用来限定元件或方法步骤的排外集合。相反地，这样的词语仅限定在 本发明的具体实施方式中包括的元件或方法步骤的最小集合。应理解的 是，可以以各种方式实施本发明，且本说明书仅以示例方式给出。另外， CNG储瓶也称为罐、容器、压力容器和储瓶。

在一种形式中，本发明存在于压力容器平衡补给燃料系统，包括：

多个压力容器，每个容器都具有用于液体的进入和退出的液体转移 开口，其中该液体用于转移容器内部的气体；

液体转移线，通过液体转移开口从多个压力容器中的每个容器的外 部延伸至内部；以及

液体平衡线，使每个容器的液体转移开口与每个其他容器的液体转 移开口内连接；

凭借多个压力容器、液体转移线、液体平衡线，平衡液体转移路径 从一个容器的内部延伸至外部，然后通过液体平衡线从每个其他容器的 外部延伸至内部，从而使一个容器中的液体水平能够与每个其他容器中 的液体水平保持大约相等。

本发明的各种实施方式包括多个优势。例如，当将液体泵送入容器 或从容器中泵送出时，本发明的实施方式使得能够进行精确的实时测量 处于高压的多个CNG容器内的液体水平。静态液体总管使得相对小的液 体量能够在容器之间流动，这平衡了由例如泵压力脉冲和不相等的流动 损失引起的、遍及多个容器的液体水平的任何差异。

另外，根据一些实施方式，静态气体总管使得相对小的气体量能够 在容器之间流动，从而进一步允许容器内部的气体压力和液体水平均衡。 由于气体压力和液体水平在系统中的多个容器气体是平衡且相等的，所 以容器容积的非常大的容积(例如，大于90％)可以用作有效容积。这 提高了系统的总效率和有效性。

图1是示出了根据本发明的实施方式的、用于CNG存储和输送的压 力容器平衡补给燃料系统100的剖面和剖视图。系统100提供了恒压CNG 燃料存储和输送，从而消除了补给燃料过程中在储瓶中再压缩发热的问 题，并且使得能够可靠填充至压力容器的设计容量。

系统100包括5个压缩天然气(CNG)压力容器105a、105b、105c、 105d、105e，这5个CNG压力容器一起限定了总的CNG存储容积。每 个容器105a至105e均以剖面图示出，以图示容器105a至105e的内部。 另外，剖线110用来表示容器105a至105e的商业版通常大致由图1所示 的形状拉长，并且示出中间段被切断以更好地图示出分别附接至容器 105a至105e的顶部和底部的气体管道和液体管道。虽然本发明的压力容 器几乎可缩放成任意尺寸，不过CNG压力容器105a至105e通常的总容 积在500升至1000升之间。

在容器105a至105e之下，系统100的液体管道部包括主液体转移 线115，该主液体转移线115使得诸如水和防冻混合剂的液体能够在CNG 压力容器105a至105e中的每个与液体存储罐(未示出)之间转移。然 后，主液体转移线115分支成容器专用液体线120a、120b、120c、120d、 120e。每个容器专用液体线120a至120e都穿过相应的液体转移开口 125a、125b、125c、125d、125e，从而使得能够直接将液体分别输送到容 器105a至105e的底端。

液体平衡线130将平衡液体转移路径从每个容器105a至105e的内 部延伸至外部，并且内连接所有液体转移开口125a至125e。因而，液体 平衡线130起到静态液体总管的作用，从而使得相对小的液体量能够在 容器105a至105e之间自由移动，以平衡容器105a至105e中的压力和液 体水平。“管中管”配件135a、135b、135c、135d、135e使得容器专用液 体线120a至120e能够穿过平衡液体转移路径，以使得在每个液体转移 开口125a至125e中，平衡液体转移路径均通过围绕每个容器专用液体 线120a至120e的环形空间来限定。

在容器105a至105e上方，系统100的气体管道部包括主气体转移 线140。例如，主气体转移线140可用于将CNG供给至附接于CNG车 辆的燃料罐的分配器喷嘴。主气体转移线140分支成容器专用气体线 145a、145b、150c、145d、145e。每个容器专用气体线145a至145e都穿 过相应的气体转移开口150a、150b、150c、150d、150e，从而使得能够 直接将气体分别输送到容器105a至105e的顶端。

气体平衡线155将平衡气体转移路径从每个容器105a至105e的内 部延伸至外部，并且内连接所有气体转移开口150a至150e。因而，气体 平衡线155起到静态气体总线，使得相对小的气体量能够在容器105a至 105e之间自由移动，以便进一步平衡容器105a至105e中的压力和液体 水平。“管中管”配件160a、160b、160c、160d、160e使得容器专用气体 线145a至145e能够穿过平衡气体转移路径，以使得在每个气体转移开 口150a至150e中，平衡气体转移路径均通过围绕每个容器专用气体线 145a至145e的环形空间来限定。

当气体通过容器专用气体线线145a至145e离开容器105a至105e 的顶部时，诸如当容器105a至105e起到用于补给燃料的CNG车辆的 CNG供给系统时，液体同时通过容器专用液体线125a至125e泵送入容 器105a至105e的底部。这使得容器105a至105e中的气体压力能够几乎 保持恒定，因为从容器105a至105e转移的CNG容积实时由等容积的液 体替代。

图2是示出CNG压力容器105b的底部处的液体管道的放大图。在 其他压力容器105a、105c至105e中的每个处均设置有类似的液体管道布 置。容器专用液体线120b延伸通过“管中管”配件135b，在这里以剖面 图示出，并且延伸通过液体转移开口125b。容器专用液体线120b的远端 连接至包括例如网筛的扩散器200。如由从扩散器200延伸出的箭头所示， 扩散器200使得液体能够流畅地且在各个方向上流出液体线120b的远 端。这在将液体泵送入容器105b时减小了位于容器105b底部处的液体 容积205中的潮流和湍流。另外，当使液体流出容器105b时，扩散器200 使得液体能够均匀且平稳地流入线120b。

浮在液体容积205的顶部的是油层210，该油层210用于隔离位于油 层210之上的气体容积215。如箭头所示，当通过主液体线115将液体泵 送至容器专用液体线120b中时，随后使液体通过扩散器200并置换气体 容积215。通过减小气体转移过程中液体容积中的湍流，可以使用较小的 油量来使液体与气体隔离开，且使得能够进行更可靠的液体水平测量。

然而，如果在容器105b和其他容器105a、105c至105d之间存在任 何压力或液体水平不平衡，那么当将液体泵送入扩散器200或泵送出扩 散器200时，液体可通过由围绕液体转移开口125b中的容器专用线120b 的环形空间所限定的平衡液体转移路径的部分同时移动进入或退出容器 105b。

如本领域普通技术人员应理解的是，在主液体线115与容器105a至 105e之间的液体转移过程中，穿过每个容器专用液体线125a至125e的 液体流速均可与穿过每个其他容器专用液体线125a至125e的液体流速 显著不同。这是由诸如容器专用液体线125a至125e之间的液泵压力脉 动和非均匀流损失因素导致的，这些因素引起了线125a至125e中液体 流速的不平衡。但是任何这种不平衡均立即由通过液体平衡线130的相 对较小的平衡流进行实时补偿和校正。液体平衡线线130中的这些平衡 流一般小到足以使得液体平衡线130中的液体实质上在所有容器105a至 105e之间提供静态液体总管。

容器105b中的油生成浮在液体容积205顶部的油层210。由于油不 溶于液体容积205中的水性液体且比水性液体的密度低，因而，油层210 起到“液体活塞”的作用，该“液体活塞”随着液体容积205的水平面 变化而在容器105b内部上下移动。

油层210生成防止水性液体与气体容积215中的天然气接触并汽化 到气体容积215中的天然气中的屏障。在一些情况中，油层210中的天 然气饱和。然而，由于油不离开容器105b且由于仅需要相对薄的油层210， 因而相对少的天然气是不可利用的或从存储中损失。

图3是示出在CNG压力容器105b的顶部处的气体管道的放大图。 在其他压力容器105a、105c至105e中的每个处均设置有类似的气体管道 布置。如图所示，容器专用气体线145b延伸通过“管中管”配件160b 并延伸通过气体转移开口150b。容器专用气体线145b的远端300在容器 105b的顶部处通向气体容积215。气体转移开口150b中的平衡气体转移 路径的内端部305包括进入气体容积215中的环形开口，该环状开口使 气体能够流入或流出容器105b以将容器105a至105e维持在相等压力。

如本领域普通技术人员将理解的是，在主气体线140与容器105a至 105e之间的气体转移过程中，通过每个容器专用气体线145a至145e的 气体流速均会近似等于通过每个其他容器专用气体线145a至145e的气 体流速。然而，由于诸如容器专用气体线125a至125e之间不均匀的气 流损失，在气体流速125a至125e中可能发生不平衡。但是任何这种不 平衡均立即由通过气体平衡线155的较小的平衡流进行实时补偿和校正。 气体平衡线155中的这种平衡流的量级通常使得气体平衡线155中的气 体本质上在所有容器105a至105e之间提供静态气体总管。

参照图1，在液体线端部170处，液体平衡线130可连接至压差(DP， differentialpressure)单元(未示出)。类似地，在气体线端部175处，气 体平衡线155也可连接至DP单元。因而，DP单元可获得所有容器105a 至105e共有的压力值的精确测量，并因而精确确定容器105a至105e中 的液体水平。因而，根据本发明的一些实施方式，静态液体总管和静态 气体总管共同发挥作用，从而在所有多个CNG存储容器中维持恒定压力 和相同液体水平。当将液体泵送入容器以置换或压缩气体时，或当将气 体泵送入容器以使液体离开容器时，本发明的实施方式使得能够精确地、 实时地测量处于高压的多个CNG容器内的液体水平。

静态液体总管使得液体能够在容器之间流动，这平衡了由例如泵压 力脉动和不均等的流动损失引起的、遍及多个容器的液体水平中的任何 差异。

另外，根据一些实施方式，静态气体总管使得气体能够在容器之间 流动，还允许容器内的气体压力和液体水平均衡。由于遍及系统中多个 容器的气体压力和液体水平平衡且相等，所以容器容积的非常大的容积 (例如，大于90％)可以用作有效容积。这提高了气体存储系统的总效 率和有效性。

对本发明的各种实施方式的以上描述提供用于相关领域普通技术人 员的描述。以上描述并不旨在是详尽的或将本发明限制为单个公开的实 施方式。如上所述，本发明的多个可替换物和变体对上述教导的本领域 技术人员将显而易见。因此，尽管具体讨论了一些可替代的实施方式， 不过其他实施方式将会是显而易见的或本领域普通技术人员相对容易开 发。因此，本专利说明书旨在包含本文中已讨论的本发明的所有可替换 物、修改和变体、以及落入以上讨论的本发明的精神和范围的其他实施 方式。