压缩的天然气系统和方法与流程

本公开大体上涉及用于压缩气体的系统和方法。更具体地，本公开涉及用于在燃料加注站中分配压缩的天然气的系统和方法。

背景技术：

传统上，通过诸如汽油或柴油的燃料油的一个或更多个蒸馏生成物而给内燃机加注燃料。在填充的期间，汽油或柴油处于大气压。近来，制造或改装了越来越多的车辆，而它们的发动机以天然气代替更长的链的烃来运行。燃烧天然气优于燃料油蒸馏生成物的可用性、低成本以及更低的排放在持续增大以天然气提供动力的车辆的数量的方面获得关注。典型地，天然气以超过200巴的压力填充车辆，该压力大大地超过传统的燃料的大气压条件。天然气的高的填充压力要求在将天然气分配至车辆之前压缩天然气。因此，虽然存在以天然气给车辆提供动力的动机，但在天然气的输送中出现障碍。

技术实现要素：

根据一个方面，本公开涉及用于压缩气体的系统，该系统包括气体源，例如气体管道或气体分配网，气体入口管路能够与气体源连接，以用于将气体输送至往复式压缩机。往复式压缩机布置且配置成用于压缩来自气体源的气体并将压缩的气体朝向公共设施输送。在一些实施例中，公共设施能够包括分配器，例如用于给车辆加注燃料的分配器。在一些实施例中，公共设施能够由压缩气体存储罐组成。能够设置(多个)压缩气体存储罐和一个或更多个分配器的组合，气体由往复式压缩机压缩并输送至存储罐，并且，根据请求而从存储罐输送至分配器，例如，以用于给车辆加注燃料。系统进一步包括传动地连接至往复式压缩机的斯特林发动机(Stirling engine)。焚烧器从气体源接收气体，并且在焚烧器中焚烧的气体用于将热功率提供给斯特林发动机，以用于将热功率转化成机械功率并驱动往复式压缩机。焚烧器能够连接至在往复式压缩机的吸入侧供给气体的同一气体供给管路。能够设置诸如干燥器、过滤器等的气体处理装备，以用于在将气体供给至气体焚烧器和往复式压缩机入口之前，处理来自气体源的气体。

因而，能够设计压缩气体站，压缩气体站能够安装于可获得烃气源的任何位置，例如气体管道。气体用作能源，该能源用于使气体压缩机运行且将压缩的气体分配至分配器，例如，以用于给车辆加注燃料。斯特林发动机提供高效的功率转换，以使压缩机运行，并且能够最低限度地维护或几乎不维护而容易地运行。气体能够例如从气体管道改道且部分地输送至焚烧器以用于生成给斯特林发动机提供动力的热能，以及部分地输送至往复式压缩机。后者压缩气体且将压缩的气体输送至压缩气体存储罐和/或分配器，例如用于给车辆加注燃料的目的。

根据又一方面，本公开涉及供给例如烃气的压缩的气体的方法，该方法包括：

设置烃气源；

设置往复式压缩机；

将所述往复式压缩机连接至所述烃气源；

设置传动地连接至所述往复式压缩机的斯特林发动机；

通过使来自所述源的烃气焚烧而生成热功率；

在所述斯特林发动机中至少部分地将所述热功率转化成机械功率；

以由斯特林发动机生成的机械功率驱动往复式压缩机；

在所述往复式压缩机中压缩来自所述源的烃气；

将压缩的烃气输送至公共设施，例如分配器和/或继而连接至分配器的压缩气体存储罐。

在下文中公开特征和实施例，并且，在所附权利要求书中进一步阐述这些特征和实施例，权利要求书中形成本描述的组成部分。上文的简述阐述本发明的各种实施例的特征，以便可以更清楚地理解随后的详述，并且，以便可以更清楚地意识到本发明对本领域的贡献。当然，存在本发明的其他特征，将在下文中描述这些特征，并且，将在所附权利要求中阐述这些特征。在这点上，在详细地解释本发明的若干实施例之前，应理解到，本发明的各种实施例在其应用上不限于构造的细节和在下文的描述中阐述或在附图中图示的构件的布置。本发明能够是其他实施例，并且，能够以各种方式实践并执行。同样地，将理解到，本文中所采用的用语和术语是为了描述的目的，且不应当被认为是限制的。

因而，本领域技术人员将意识到，本公开所基于的概念可以容易被用作设计用于执行本发明的若干目的的其他结构、方法和/或系统的基础。因此，重要的是，只要这样的等效的构造不背离本发明的精神和范围，权利要求就被认为是包括这些构造。

附图说明

由于在结合附图而考虑时，通过参考下文的详述而更清楚地理解本发明的所公开的实施例及其许多附随的优点，因而将容易更充分地意识到这些实施例及优点，在附图中：

图1示意地图示具有由斯特林发动机驱动的往复式压缩机的CNG燃料加注站；

图2图示用于驱动CNG燃料加注站的往复式压缩机的处于“α”配置的斯特林发动机的横截面图；

图3示意地图示由自由活塞型斯特林发动机布置驱动的往复式压缩机的布置。

具体实施方式

示范性的实施例的下面的详述参阅附图。不同的附图中的相同的参考编号识别相同的元件或相似的元件。另外，附图不一定按比例绘制。同样地，下文的详述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。

整个说明书中参考“一个实施例”或“一实施例”或“一些实施例”意味着结合实施例而描述的具体的特征、结构或特性被包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中的各处的出现的短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”或“在一些实施例中”不一定是指相同的(多个)实施例。而且，可以将具体的特征、结构或特性以任何合适的方式在一个或更多个实施例中组合。

图1是压缩的天然气(CNG)系统10的示意图示，系统10显示为具有用于将气体输送至CNG系统10的入口管路12。入口管路12附接至供给管路14，在示例中，供给管路14与天然气管道14A或天然气公共设施分配系统连通，天然气管道14A或天然气公共设施分配系统将天然气分配给天然气的住宅及商业客户，并且，在大约0.03巴至大约14巴的示例的压力下运行。备选地，供给管路14能够与传输管路连通，并且，具有大约14巴至大约105巴的示例的运行压力。示例的气体包括处于标准的温度及压力的气体的烃，诸如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷以及这些烃的混合物，但不限于此。

在示例中，烃可能是饱和的或不饱和的，并且，气体可能包括微量的非烃，诸如氮气、氢气、氧气、硫。在入口管路12与供给管路14之间的连接部处，示出截流阀16，截流阀16可以任选地是自动的或手动的，用于选择性地将入口管路12与供给管路14之间的连通阻断。任选地，可以在位于阀16的下游的入口管路12中设置另外的阀18。入口管路12终止于过滤器20处，过滤器20可以用于从在入口管路12内流动的气流内去除颗粒及其他不理想的物质。过滤器20经由管路22而连接至干燥器24，干燥器24可以包括用于从气流去除水分的干燥剂。

任选地，干燥器24可能是空的，并且，提供开放的空间，以作为分离鼓(knockout drum)而运行，从而通过重力分离而去除水分。阀26安置于管路22中，以用于选择性地将过滤器20与干燥器24之间的流动阻断。出口管路28将干燥器24连接至第二过滤器30，以用于干燥器24的下游的另外过滤。在管路28中示出阀32，并且，阀32选择性地将干燥器24与过滤器30之间的连通阻断。任选的再生管路34、36显示为分别在干燥器24与阀26、32之间连接至管路22和管路28。通过将阀26、32关闭以使干燥器24隔离，将再生管路34、36中的阀打开，以及使热的且/或干燥的气体循环通过再生管路34、36和干燥器24，来使干燥器24中的干燥剂再生。管路38在一端处连接至过滤器30，并且，在另一端处连接至压缩机组件40，以用于从过滤器30传输待在压缩机组件40内压缩的气体。在管路38中示出压力控制阀42，压力控制阀42用于对管路38内的气体的流动进行控制。

图1的示例的压缩机组件40显示为具有多级往复式压缩机41。在图1的示范性的实施例中，往复式压缩机41包括四级，每级都包括汽缸43，汽缸43容纳往复式地移动的活塞，该活塞滑动地布置于汽缸43中，由曲柄轴45驱动，压缩机驱动器47给曲柄轴45提供动力。往复式压缩机41能够进一步包括飞轮46。中间冷却器或级间冷却器(未示出)能够设置在往复式压缩机41的两个相继地布置的汽缸之间，以降低温度并增大由上游级朝向下游级输送的压缩气体的密度。往复式压缩机41能够是双效压缩机，该双效压缩机包括十字头和活塞杆，以用于每个活塞都滑动地容纳于相应的汽缸43中。每个十字头都通过拉杆连接至曲柄轴45。

退出管路94连接最后一个压缩机汽缸，并且，提供用于从压缩机组件40排放压缩气体的传输管路。因而，在一个示例中，压缩机组件40接收处于大约供给管路14中的压力的气体，并且，使气体压缩至超过大约210巴的压力，并且，备选地，使气体压缩至超过大约250巴的压力。任选地，退出管路94 中的排放压力能够超过大约300巴，并且，备选地，达到超过大约400巴的压力。与本文中所描述的方法和系统一起使用的压缩机不限于四级压缩机。存在备选的实施例，其中，利用具有一级、两级、三级、五级或多于五级的压缩机来使气体压缩。同样地，在更多的实施例中，能够设置多于一个往复式压缩机，每个往复式压缩机都由相应的压缩机驱动器47驱动。

仍然参考图1，过滤器20、30、干燥器24以及压缩机组件40示意地图示为位于容器120内，其中，阀18正好安置于容器120的内侧。如从例如WO 2013/134344(其内容通过引用而合并于本文中)所得知的，示例的容器可以包括根据国际标准组织(ISO)，且更具体地，根据ISO标准6346而制造的容器。容纳CNG系统10的标准化的容器的优点是，在将CNG系统10安装于容器120中之后，容器120及其内含物容易地作为单个模块化单元而运输。这是因为，大部分的货运承运商使用装备成接收并装载标准化的航运容器的车辆(例如火车、拖拉机拖车装备、货船)。此外，设置于可容易地获得的ISO容器上的附接点使容器能够安全地紧固于航运车辆中或航运车辆上。

图1的CNG系统10进一步包括管路122、124、126，管路122、124、126在压缩机组件40的下游从退出管路94的一部分分支。管路122、124、126分别连接至压缩气体存储罐128、130、132的入口。虽然图示三个存储罐128、130、132，但存在具有零个、一个、两个、四个以及多于四个存储罐的本文中所公开的CNG系统10的实施例。在图1中示意地示出，存储罐128、130、132是基本细长的圆柱形部件，在一个示例中，存储罐128、130、132布置成平行，并且例如装配于容器120的上表面上。在备选的布置中，罐128、130、132能够设置于容器120的侧面或下表面上，或诸如在同一水平面上与容器120分离。阀134、136、138分别设置于管路122、124、126中，并且用于选择性地调节至罐128、130、132的流动。

压缩气体的终端用户能够经由分配器140、142而得到在CNG系统10中压缩的气体。分配器140、142上的喷嘴144、146为在CNG系统10中压缩的气体提供通向车辆(未示出)或客户所购买的用于压缩气体的其他存储器皿的流路。因而，分配器140、142可以装备有读卡器或其他付款设备，使得客户可以在分配器140、142处购买压缩气体量。虽然示出两个分配器140、142，但CNG系统10可能具有一个、三个或多于三个分配器。

管路94、148、150、152提供CNG系统10与分配器140、142之间的示例的流路。在图1的示例中，管路148、150、152具有入口端，该入口端连接至管路122、124、126，并且，位于阀134、136、138的下游。阀154、156、158分别设置于管路148、150、152中；阀154、156、158的选择性的打开和关闭与阀134、136、138、159的选择性的打开和关闭结合而将压缩气体选择性地输送至存储罐128、130、132或直接地输送至分配器140、142。任选地，能够通过将阀154、156、158关闭而将存储于罐128、130、132内的气体选择性地通过管路148、150、152中的一个而输送。在一个示例中，压缩气体能够直接地从压缩机组件40通过退出管路94而流动至分配器140、142。在该示例中，管路94中的阀159打开，以允许通过退出管路94的流动。

如所提到的，压缩机组件40的压缩机驱动器47包括斯特林发动机。斯特林发动机能够具有任何已知的配置。根据一些实施例，如在图2中图示且在下文中更详细地描述的，斯特林发动机47是α类型。在其他实施例中，未示出，斯特林发动机47可能是β类型或γ类型的斯特林发动机。

参考图2，所谓的α类型的斯特林发动机47包括第一汽缸251，在其中第一活塞253可滑动地移动。进一步设置有第二汽缸255，第二汽缸255相对于汽缸251而以例如90°定向。第二活塞257滑动地布置于第二汽缸255中。

第一连接杆259将第一活塞253连接至曲柄销261，从而形成输出端263的一部分。第二连接杆265将第二活塞257连接至同一输出端263。飞轮267能够装配于输出轴63上。

斯特林发动机47能够包括具有加热器269的热端，加热器269从焚烧器48接收热量。加热器与第一汽缸251的内部流动连通。流路将加热器269连接至再生器273、冷却器275以及第二汽缸255的内部。冷却器275能够与冷源或热沉热接触，并且，形成斯特林发动机47的冷端。热沉可能是环境空气。在一些实施例中，具有例如水冷却回路之类的冷却回路的冷却器能够用作热沉。在图2中，冷却回路由入口歧管277和出口歧管279示意地表示。

斯特林发动机的运行对本领域技术人员而言是已知的，并且，将不在本文中详细地描述。概括地说，由汽缸活塞系统251、253、汽缸活塞系统255-257、加热器269、再生器273、冷却器275以及相关的管道的内部体积形成的封闭系统中所含有的工作气体经历包括循环的压缩、加热、膨胀以及冷却的热循环中。斯特林发动机47中的由工作气体执行的热力循环将由热源271输送至斯特林发动机的热端的热能的一部分转化成可在输出轴263上获得的有用的机械功率。

图2中所示出的α类型的斯特林发动机只是斯特林发动机的几种可能的配置中的一种。其他有用的斯特林发动机布置是β类型及γ类型的斯特林发动机，这些发动机将不在本文中描述，并且，对本领域技术人员而言是已知的。

本文中所公开的系统的各种实施例能够利用如图2中示意地示出的α类型的斯特林发动机47，或另外适合于将可从热能源或热源271获得的热能转化成机械功率的任何其他合适的斯特林发动机配置，如将在下文中描述的，该机械功率用于驱动往复式压缩机1且/或产生电功率。

斯特林发动机47的输出轴能够直接地连接至往复式压缩机41的曲柄轴45。

斯特林发动机47的热端从焚烧器48接收热量，在焚烧器48中，使来自供给管路14的天然气焚烧。能够在过滤器和干燥器布置20、24、30的上游获得输送至焚烧器48的气体。在优选的实施例中，然而，在过滤和干燥之后，从管路38获得气体。气体改道管路50将管路38连接至燃烧器48。阀52能够沿着改道管路50设置，以停止对焚烧器的燃料输送。

根据一些实施例，压缩机组件能够设计使得自由活塞型斯特林发动机的工作活塞直接地作用于压缩机的压缩活塞，因而避开曲柄轴。在图3中图示使用用于对CNG系统10的往复式压缩机进行驱动的此类的自由活塞型斯特林发动机的实施例。斯特林发动机又标记为47，并且，往复式压缩机又标记为41。斯特林发动机47能够包括汽缸301，置换器302和动力活塞303滑动地布置于汽缸301中。汽缸301的内部分成位于发动机的热端处的膨胀室301E和位于发动机的冷端处的压缩室301C。加热器305和冷却器307沿着将压缩室与膨胀室301E连接的流道设置。再生器308布置在加热器305与冷却器307之间。设置有弹跳体积或另一有弹力的系统，例如一组弹簧，以给动力活塞303加偏压。到目前为止描述的自由活塞型斯特林发动机的运行是已知的，并且，将不在本文中描述。

动力活塞303能够用活塞杆313直接地连接至往复式活塞315，往复式活塞315滑动地容纳于往复式压缩机41的汽缸317中。在一些实施例中，往复式压缩机41可能是双效压缩机。汽缸317的内部能够通过活塞314而分成第一室317A和第二室317B。每个室317A、317B都能够设置有至少一个自动吸入阀318A、318B和一个自动排放阀319A、319B。吸入阀318A、318B选择性地将两个室317A、317B与吸入导管321连接，从吸入导管321吸入低压气体。吸入导管321能够例如连接至气体供给管路38。排放阀319A、319B选择性地将两个室317A、317B与排放导管连接，排放导管能够与一个或更多个分配器140、142和/或一个或更多个存储罐128、130、132直接或间接流体连通。

气体供给管路38还将气体供给至焚烧器48，焚烧器48将热量提供给斯特林发动机47的热端。

自由活塞型斯特林发动机提供发动机的动力活塞303与往复式压缩机41的往复式活塞315之间的直接链接，因而进一步使系统的结构简化。

压缩机组件40、任选的过滤器以及干燥器布置20、24、30能够布置于例如ISO容器的用于航运或运输的容器中。存储罐128、130、132能够装配于容器中或容器上，或与容器分离地安装。因而获得可运输的模块化压缩系统，该系统能够容易地运输至具有烃气源的供给的位置，并且，能够迅速地连接至气体源。由系统压缩的同一气体还用作使斯特林发动机运行的燃料。消除对电功率分配网的需要。

根据一些实施例，斯特林发动机还能够设置成用于驱动发电机160，以用于生成可在地区电功率网G上获得的电功率。由发电机160所生成的电功率能够用于给系统10的辅助设备和/或外部的另外的用户供能。

使用诸如斯特林发动机的外燃机，而不是内燃机的结构导致压缩机组件更可靠且几乎不要求维护。在斯特林发动机与内燃机相比的各种优点中，以下的优点值得注意：有限地需要或不需要(取决于斯特林发动机的配置)润滑油，这降低或消除对润滑回路添油、定期的油及滤油器的更换的需要；不需要火花塞、空气过滤器、定时链以及定时系统的其他构件；不需要燃料注入系统；并且，因此降低管理及维护成本。这导致系统特别地适合于在例如备件的供应商难以到达的位置使用。

此外，斯特林发动机与CNG往复式压缩机结合而特别地有利，这是因为，斯特林发动机的旋转速率与往复式压缩机的旋转速度基本相同，并且，因而能够避开齿轮箱，这提高系统的总效率及其可靠性。

斯特林发动机与内燃机相比而减少振动和噪声的结构导致其使用更有吸引力。

虽然本文中所描述的主题的公开的实施例已在附图中示出，并且，在上文中结合若干示范性的实施例而具体地且详细地全面地描述，但对本领域普通技术人员将显而易见的是，在实质上不背离本文中所阐述的新颖的教导、原理和概念以及所附权利要求中所叙述的主题的优点的情况下，有可能作出许多修改、改变和省略。因此，所公开的创新的适当的范围应当仅由所附权利要求的最广义的解释确定，以便于包括所有的这样的修改、改变和省略。能够使各种实施例的不同的特征、结构和工具不同地组合。