专利名称：用于存储和供给压缩气体的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于存储和供给诸如来自各种灌装设备的压缩氢气之类的压缩气体的设备。本发明还涉及与这种设备相关的方法。
背景技术：
一种常见的用于燃料加注站的替代是存储和供给压缩氢气。通常，这借助于将压缩氢气存储在一个或多个固定的存储罐中来实现，并且随后通过利用压差力的倾注方法——也称为级联灌注——来灌注车辆的燃料罐。这种解决方案被许多氢气燃料站使用。使用级联灌注需要在存储罐中的一定的过压力，并且当灌注完成时，存储罐中的压力等于或高于车辆罐中的压力。因此，总有不能被利用的大量氢气剩余在存储罐中。存储效率的通常百分比为30% _60%，S卩，灌注所利用的存储气体在基于级联的灌注站中的相对量。这具有几个缺点1.因为总是需要存储比能够被转移至车辆多很多的氢气，该未被利用的氢气导致额外的安全风险。2.存在与所需的该过量的存储容量相关的额外成本。3.需要额外的空间。4.由于存储压力、及由此所至的再灌注车辆时的可用性作为灌注的频率和量的函数而改变，因此灌注站的尺寸设定是困难且不精确的任务。基于这些事实，明显需要一种用于存储和供给压缩气体的设备，其具有改进的存储效率，并且由此设有例如较小的气体存储罐。
发明内容
根据本发明的第一方面，公开了一种用于压缩气体的设备，所述设备包括至少一个用于气体的加压罐。所述设备还包括用于压力支持流体的缓冲罐，所述压力支持流体将被灌注到各加压罐的下部分中或从各加压罐的下部分排出，并且加压罐的下部分经由流体流动线路与缓冲罐连通以分别在加压和再灌注期间灌注和排出流体。根据本发明的第二方面，公开了一种用于存储和供给压缩气体的设备。所述设备包括用于气体的存储罐、至少一个用于气体的加压罐、和用于压力支持流体的缓冲罐，所述压力支持流体将被灌注到存储罐的下部分和加压罐的下部分中或从存储罐的下部分和加压罐的下部分排出，并且存储罐和加压罐的下部分经由流体流动线路与缓冲罐连通以在从设备供给气体和在设备中压缩气体期间灌注流体，并且在加压罐的再灌注期间经由流动线路排出流体。根据本发明的第三方面，公开了一种用于存储压缩气体的设备，所述设备包括用于气体的存储罐。所述设备还包括用于压力支持流体的缓冲罐，所述压力支持流体将被灌注到存储罐的下部分中或从存储罐的下部分排出，并且存储罐的下部分经由流体流动线路与缓冲罐连通以分别在从设备供给气体和向设备再灌注气体期间灌注和排出流体。
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根据本发明的另一方面，公开了一种用于在设备中压缩气体的方法，所述设备包括至少一个用于气体的加压罐、和用于压力支持流体的缓冲罐，其中，加压罐的下部分经由流体流动线路与缓冲罐连通，所述方法包括在加压和再灌注期间经由流体流动线路分别将流体灌注到各加压罐的下部分中或从各加压罐的下部分排出。根据本发明的又一方面，公开了一种用于在设备中存储和供给压缩气体的方法， 所述设备包括至少一个用于气体的存储罐、至少一个用于气体的加压罐、以及用于压力支持流体的缓冲罐，其中，存储罐的下部分和加压罐的下部分经由流体流动线路与缓冲罐连通，并且各加压罐的下部分经由流体流动线路与缓冲罐连通；并且在加压罐的再灌注期间经由流动线路将流体从各加压罐的下部分排出。存储罐的下部分和加压罐的下部分能够有利地经由流体流动线路彼此连通以在存储罐与加压罐之间交换流体，但在加压罐中加压的气体能够经由使加压罐和存储罐彼此连通的气体流动线路移动到存储罐中，所述气体流动管道位于加压罐的上部分与存储罐的上部分之间。因此，并且如上所述，详细说明了在供给和加压气体期间以及在将气体从加压罐移动到存储罐中的期间利用流体作为压力支持的构想。利用该解决方案，能够获得几乎 100%的存储效率。另外，如所示，能够将压力支持特征与可选的压缩技术进行组合。对于较小存储尺寸的灌注设备及较(能量)高效的气体压缩而言，需要这些优点。另外，该使用流体泵而非传统的机械气体压缩机的压缩技术具有改进的耐用性， 从而使压缩技术非常好地适应灌注站应用的需求。使用所述发明的又一优点是易于测量供应给最终用户的气体量。在存储罐中的压力支持流体的量的变化与供应给最终用户的气体量直接相关，并且昂贵的质量流量计能够替代为简单的、耐用的且便宜的方法，该方法利用在存储罐中的质量平衡、并且可能结合对通过流体泵的流量的监控。从从属权利要求及下文的讨论，能够理解本发明的其他有利的实施方式。从属权利要求的特征也可应用至上述方法。
现在，将参考附图详细描述本发明，其中，图1示出了包括存储罐、一个或多个加压罐、以及缓冲罐的优选实施方式。图2示出了包括存储罐或者一个或多个加压罐、以及缓冲罐的实施方式。
具体实施例方式如图1所示，根据本发明的压力支承概念构想成分组为三个处理单元。尽管呈用于存储和供给诸如在燃料加注站中的氢气之类的压缩气体的罐的形式，但是应当理解，这仅认为是示例性的，并且由此不是限制性的方式。本发明能够与除氢气以外的其他气体一起使用，例如与天然气或丙烷等一起使用，并且也能够应用于甚至具有比流体低的密度的非气态流体，只要该流体与产品流体不易混合即可。能够通过位于两种流体之间的界面上的物理装置来减小产品经扩散或挥发的潜在损失。本说明书关注于水作为流体而氢气作为产品流体的使用，但这不构成限制，对燃料加注站的参照也不构成限制，因为燃料加注站能够被需要这种压力支承概念的任何设施替代。1.用于氢气的存储罐1。该单元包括竖直立起的容器，其中水位于下部分而氢气位于上部分。氢气从该容器灌注到车辆罐中。压力设定为灌注车辆的最大端压力，例如对于700巴的系统通常为875巴。通过调节容器内的水位使压力保持恒定。参见下文，灌注泵9用于将水从水缓冲罐3送入到容器中。此外，借助于包括至少一个灌注供给阀18的供给线路17将氢气灌注到车辆中。2.至少一个用于氢气的加压罐2，可能的附加罐由虚线指示。该单元是类似于上文针对存储罐1所提及的竖直立起的容器。每个加压罐的容积通常比存储罐小，并且这些罐中的每一个都与存储罐一起由外部氢气源19供给。源阀20包括在氢气线路中、位于外部源与各个加压罐之间。操作压力介于存储罐与氢气源的各自的压力之间。加压罐泵9用于从缓冲罐3灌注水。泵可以是与段落1中所述的同一个泵，或者是独立于存储罐以用于加压罐的单独的泵。若干个加压罐能够被组合以允许在不同状态下的操作a.加压状态，其中，加压罐2中的氢气的质量恒定，而水位升高以增大压力。b.交换状态，其中，来自加压罐的氢气与来自存储罐1的水相交换。c.再灌注状态，其中，氢气的压力恒定而水经流动线路7排放至缓冲罐3，并且水位下降以从源19输入氢气。3.水缓冲罐3。该单元是在存储罐和加压罐2中使用的水的缓冲器。压力相对较低。因为溶解的氢可能从减压的水中挥发，所以存在如下需求经供给阀23利用对气化的氢的可能再循环通过可选单元22进行氢处理或者通过排放气化的气体进行氢处理。用于存储罐1、加压罐2、缓冲罐3和车辆罐10的示例性压力值通常分别为875巴、 30巴-875巴、1巴-30巴和50巴-875巴。上述处理单元利用基底层、PLC控制器和例如止回阀(未示出)之类的自主式机械设备而几乎彼此独立地操作，以维持期望的压力或顺序。正常的处理操作能够探索如下， 也参见图1。应注意，取决于氢气和水如何在加压罐与存储罐之间进行交换，存在操作压缩机循环的两种稍微不同的模式1.车辆灌注a.将车辆罐10附接至存储罐1并打开灌注阀18，由此允许氢气从具有较高压力的存储罐流向具有较低压力的车辆罐。然后，存储罐中的压力开始下降，但未示出的压力控制器将水流引入到存储罐中以将压力保持在其设定点。利用灌注泵9和可选的灌注泵控制阀11将期望量的水从缓冲罐3送入到存储罐中。2.压缩循环a.压缩状态。在该阶段的开始，加压罐2完全注满氢气，该氢气具有等于源19的压力、例如大约30巴。所有气体源阀和水槽阀16、20、23都关闭。控制系统开始经由水泵9 将水送入到加压罐中。如果该过程使用仅一个加压罐，则从缓冲罐3取水。如果具有两个或更多个加压罐2，则能够从处于再灌注状态下的这些其他气体加压罐中的一个取水，参见下文。使用另一加压罐能够减小在缓冲罐中的氢的气化。在压缩状态期间，压力随气体体积的减小而相应增大。从该观点来看，根据过压交换规则、或者重力或泵交换规则，存在对进一步发展的不同选择i:过压交换。压力升高持续进行直至加压罐压力达到存储罐压力为止。此时，控制系统或止回阀打开以用于气流16、并且氢气从加压罐转移至存储罐。水仍被送入到存储罐中直至加压罐水位或存储罐中的压力达到上限，即高于存储罐的设定点。然后循环继续到再灌注状态。
重力或泵交换。压力升高持续进行直至1)加压罐压力达到存储罐压力，如果存储罐压力低于设定点，则此时控制系统或止回阀打开以用于气流16、并且氢气从加压罐转移至存储罐；或者幻加压罐压力达到存储压力的设定点。在后者的情况下，通过关闭供给阀13来停止从水泵的供给，并且对于在其中存储罐相对于加压罐为高的重力操作过程来说，在加压罐与存储罐之间的氢气阀16和水阀14被打开以允许水经流动线路6从存储罐流动至加压罐中的罐的下部分、并且氢气经气体流动线路8从加压罐流动至存储罐。在泵交换过程中，在改进的工艺构型中可能为泵9的泵必须确保水从存储罐1流动至加压罐 2。情况1)和情况幻都持续进行直至加压罐中的水位处于其最高设定点、即99%为止，并且该状态改变为再灌注状态。氢气和水的这种交换将确保在使用最小动力的情况下使溶解在存储罐的水中的氢的损失最小。b.再灌注状态。在该状态的开始，加压罐2几乎注满处于存储罐1的压力下—— 即大约875巴下——的水。下一步是使水与“新鲜”氢气交换以用于另一压缩循环。从加压罐至缓冲罐3的流动线路敞开，可选地是对通向另一加压罐的路径敞开，以便排出水而使该罐减压。压力随水位的下降而减小。当压力减小时，氢从水中挥发，但是主要在加压罐内。因此，该氢气能够在下一循环中被再次压缩而不会“损失”至缓冲罐3。在某一时刻，比如在特定的水位，加压罐中的压力等于氢源19的压力。然后控制系统或止回阀打开从源到加压罐的供给阀20。当水位进一步下降时，来自源的氢气灌注加压罐。这持续进行直至水位处于最小，并且由此压缩循环行进至下一状态以防过压情况，或者不然，通过跳转至步骤 a来重复压缩。c.交换状态。该状态仅用于过压规则2. a. i。在压缩状态结束时，允许存储罐1 中的压力增大。现在，是通过将水从存储罐转移至加压罐2来减小压力的时候。这仅在存储罐中的压力高于设定值的情况下发生。通过将水从存储罐移动至加压罐，挥发的氢气被再次压缩并且不会损失至缓冲罐。利用流动线路6以如下方式实现该转移打开从存储罐到加压罐的供给阀14直至存储罐中的压力降低至较低的期望压力为止。在该步骤之后，系统通过返回至步骤a而做好重复压缩循环的准备。通过使用诸如PI控制器(未示出)之类的过程控制元件、PLC规则以及诸如止回阀之类的自主式机械部件的组合来执行对水压支持灌注过程的控制。PI控制器总是激活的并且与由PLC始动的不同步骤并行工作。现在，将给出对包括在根据本发明的设备中的部件的详细解释。存储罐1和加压罐2的下部分经由流体流动线路6彼此连接以在存储罐与加压罐之间交换流体，但在加压罐中的加压气体经由使加压罐与存储罐彼此连通的气体流动线路8移动到存储罐中，该气体流动线路位于加压罐与存储罐的上部分之间。能够通过使用泵或重力同时地将流体从存储罐移动到加压罐中而发生气体与流体的交换，或者能够通过顺序性操作而发生气体与流体的交换，对于该顺序性操作而言，在第一顺序部分中在存储罐中所提供的过压力使流体能够在第二顺序部分中从存储罐转移至加压罐。用于存储罐1的流体流动线路4形成有存储罐关闭阀12和至少一个灌注泵9，其中该至少一个灌注泵9用于在从设备向最终用户10供给气体时将流体从缓冲罐3灌注到存储罐1中，该存储罐关闭阀12在利用来自缓冲罐的流体来加压容纳在加压罐2中的气体时被使用。用于加压罐2的流体流动线路5具有加压罐关闭阀13和至少一个加压泵9，其中该至少一个加压泵9用于在加压容纳在加压罐中的气体时将流体从缓冲罐3灌注到加压罐中，该加压罐关闭阀13在利用来自缓冲罐的流体将容纳在存储罐1中的气体灌注至最终用户时被使用。能够通过灌注泵控制阀11或者通过直接控制灌注泵速率来控制流体灌注到存储罐和加压罐中的速率，当然并不排除其他可选的流体速率控制机构。应当理解，流动线路4、5能够使用相同的泵9进行给送。加压罐2的流体输出线路7和存储罐1的气体输出线路17分别配备有固定节流或可变节流的供给阀15、18。气体经由外部气体源供给阀20从外部气体源9灌注到加压罐2中，或者经由未示出的外部气体源供给阀直接灌注到存储罐中。流体从外部流体源M灌注到缓冲罐3中以补偿设备的任何流体损失。流体高度能够由高位和低位检测器监控以防止流体进入到气体流动线路中。此外，流体高度、气体温度和罐压力能够被测量并与罐容积一起应用于计算灌注给最终用户 10的或在每个循环期间被压缩的气体的质量，或者可选地，泵冲程能够被测量并且应用于计算灌注给最终用户10的或在每个循环期间被压缩的气体的质量。能够通过合适的装置使流体和/或气体分离以减小在流体之间的任何分子交换。这些特征均未在附图中示出。供应给最终用户10的气体例如在单元21中被进行处理，由此使气体能够被干燥、 净化、冷却等。在缓冲罐3中的压力被测量和控制以优化用于灌注和/或压缩的能量消耗。 此外，从缓冲罐3排放的任何气体或流体在被释放或在循环到设备中之前均经由供给阀23 通过合适的处理单元22进行处理，例如干燥、净化等。流体能够被加热或冷却以获得期望的存储和加压的气体温度及流体温度以优化能量消耗并防止冻结或挥发，这些未示出。设备的操作能够通过至少一个例如可编程逻辑控制器的自动控制系统的任意组合及使用诸如止回阀等之类的自主式机械单元而自动地进行。
权利要求
1.一种用于压缩气体的设备，所述设备包括至少一个用于气体的加压罐(2)，其特征在于，所述设备还包括用于压力支持流体的缓冲罐(3)，所述压力支持流体将被灌注到各加压罐的下部分中或从各加压罐的下部分排出，并且所述加压罐的所述下部分经由流体流动线路(5，7)与所述缓冲罐连通以分别在加压和再灌注期间灌注和排出流体。
2.一种用于存储和供给压缩气体的设备，其特征在于，所述设备包括用于气体的存储罐(1)、至少一个用于气体的加压罐(2)和用于压力支持流体的缓冲罐(3)，所述压力支持流体将被灌注到所述存储罐的下部分和所述加压罐的下部分中或从所述存储罐的下部分和所述加压罐的下部分排出，并且所述存储罐的所述下部分和所述加压罐的所述下部分经由流体流动线路(4，5)与所述缓冲罐连通以在从所述设备供给气体及在所述设备中加压气体期间灌注流体，且所述存储罐的所述下部分和所述加压罐的所述下部分经由流动线路 (7)与所述缓冲罐连通以便在所述加压罐的再灌注期间排出流体。
3.一种用于存储压缩气体的设备，所述设备包括用于气体的存储罐(1)，其特征在于， 所述设备还包括用于压力支持流体的缓冲罐(3)，所述压力支持流体将被灌注到所述存储罐的下部分中或从所述存储罐的下部分排出，并且所述存储罐的所述下部分经由流体流动线路(4，6)与所述缓冲罐连通以分别在从所述设备供给气体和向所述设备再灌注气体期间灌注和排出流体。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述存储罐(1)的所述下部分和所述加压罐(2)的所述下部分经由流体流动线路(6)彼此连通以在所述存储罐与所述加压罐之间交换流体，而在所述加压罐中加压的气体经由使所述加压罐和所述存储罐彼此连通的气体流动线路(8)移动到所述存储罐中，所述气体流动线路位于所述加压罐的上部分与所述存储罐的上部分之间。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，气体和流体的交换或者通过使用泵或重力将流体从所述存储罐移动至所述加压罐而同时地发生、或者通过顺序性操作而发生，对于所述顺序性操作而言，在第一顺序部分中在所述存储罐中提供的过压力使得在第二顺序部分中流体能够从所述存储罐转移至所述加压罐。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，用于所述存储罐(1)的所述流体流动线路(4)设有存储罐关闭阀(12)和至少一个灌注泵(9)，其中所述至少一个灌注泵(9)用于在从所述设备向最终用户(10)供给气体时将流体从所述缓冲罐(3)灌注到所述存储罐(1)中，所述存储罐关闭阀(12)在利用来自所述缓冲罐的流体来加压容纳在所述加压罐(2)中的气体时被使用。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，用于所述加压罐(2)的所述流体流动线路(5)设有加压罐关闭阀(13)和至少一个加压泵(9)，其中所述至少一个加压泵(9)用于在加压容纳在所述加压罐中的气体时将流体从所述缓冲罐(3)灌注到所述加压罐中，所述加压罐关闭阀(13)在利用来自所述缓冲罐的流体将容纳在所述存储罐(1)中的气体灌注给所述最终用户(10)时被使用。
8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，灌注到所述存储罐(1)和所述加压罐(2)中的流体灌注速率通过灌注泵控制阀(11)、或者通过直接控制灌注泵速率、或者通过其他可选的流体速率控制机构进行控制。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，在所述存储罐(1)与所述加压罐(2)之间的所述流体流动线路(6)配备有在所述存储罐与所述加压罐之间交换流体时使用的固定节流或可变节流的供给阀(14)，并且在所述加压罐与所述存储罐之间的所述气体流动线路(8)设有在所述存储罐与所述加压罐之间移动加压气体时使用的固定节流或可变节流的供给阀(16)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述加压罐(2)的所述流体输出线路(7)形成有固定节流或可变节流的供给阀(15)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述存储罐(1)的所述气体输出线路(17)配备有固定节流或可变节流的供给阀(18)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，气体从外部气体源(19)经由外部气体源供给阀(20)灌注到所述加压罐(2)中。
13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，气体从外部高压气体源经由外部气体源供给阀直接灌注到所述存储罐(1)中。
14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，流体从外部流体源(24)灌注到所述缓冲罐(3)中以补偿所述设备的任何流体损失。
15.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述流体高度由高位和低位检测器监控以防止流体进入到气体流动线路。
16.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述流体高度、气体温度和罐压力被测量并与罐容积一起应用于计算灌注给最终用户(10)的或在每个循环期间被压缩的气体的质量。
17.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，泵冲程被测量并应用于计算灌注给最终用户(10)的或在每个循环期间被压缩的气体的质量。
18.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，流体和气体由合适的装置分离以减小在这些流体之间的任何分子交换。
19.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，供应给最终用户(10)的气体被进行处理，例如在单元(21)中被进行处理，以便能够干燥、净化、冷却等。
20.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，在所述缓冲罐(3)中的压力被测量和控制，以优化用于灌注和/或压缩的能量消耗。
21.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，从所述缓冲罐(3)排放的任何气体或流体在被释放或再循环到所述设备中之前均经由供给阀(23)通过处理单元(22) 进行处理，例如被干燥、被净化等。
22.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，流体被加热或冷却，以获得期望的存储加压气体温度和流体温度而优化能量消耗及防止冻结或挥发。
23.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备的操作通过例如可编程逻辑控制器的至少一个自动控制系统的任意组合以及诸如止回阀等之类的自主式机械单元的使用而自动地进行。
24.根据权利要求1所述设备，还包括用于气体的存储罐(1)，其中，所述存储罐的下部分经由流体流动线路(4)与所述缓冲罐连通或连接以在从所述设备供给期间灌注流体。
25.一种用于在设备中压缩气体的方法，所述设备包括至少一个用于气体的加压罐 (2)、和用于压力支持流体的缓冲罐(3)，其中，所述加压罐的下部分经由流体流动线路(5，7)与所述缓冲罐连通，所述方法包括在加压及再灌注期间经由所述流体流动线路(5，7)分别将流体灌注到各加压罐的下部分或从各加压罐的下部分排出。
26. 一种用于在设备中存储和供给压缩气体的方法，所述设备包括存储罐(1)、至少一个用于气体的加压罐O)、以及用于压力支持流体的缓冲罐(3)，其中，所述存储罐的下部分和所述加压罐的下部分经由流体流动线路G，5)与所述缓冲罐连通，并且各加压罐的下部分经由流动线路(7)与所述缓冲罐连通，所述方法包括在从所述设备供给气体及在所述设备中加压气体期间，经由所述流体流动线路(4，5) 将流体灌注到所述存储罐的所述下部分和所述加压罐的所述下部分中；以及在所述加压罐的再灌注期间，经由所述流动线路(7)将流体从所述各加压罐的下部分排出。
全文摘要
一种用于存储和供应压缩气体的设备，所述设备包括用于气体的存储罐(1)、至少一个用于气体的加压罐(2)、和用于压力支持流体的缓冲罐(3)，其中所述压力支持流体将被灌注到存储罐的下部分和加压罐的下部分中或者从存储罐的下部分和加压罐的下部分排出。存储罐的下部分和加压罐的下部分经由流体流动线路(4，5)与缓冲罐连通以在从设备供给气体和在设备中压缩气体期间灌注流体，并且在加压罐的再灌注期间经由流动线路(7)排出流体。根据优选的实施方式，存储罐的下部分和加压罐的下部分经由流体流动线路(6)彼此连通以在存储罐与加压罐之间交换流体，但在加压罐中加压的气体经由使加压罐和存储罐彼此连通的气体流动线路(8)移动到存储罐中，该气体流动线路位于加压罐的上部分与存储罐的上部分之间。
文档编号F17C5/06GK102388259SQ201080012999
公开日2012年3月21日 申请日期2010年2月11日 优先权日2009年2月11日
发明者厄于温·卡萨, 帕尔·基蒂尔森, 托尔吉尔·纳肯, 莱夫·卡雷·格龙斯塔德, 谢蒂尔·菲耶尔斯塔德 申请人:耐尔氢气有限公司