CN101087975A - 用于控制加压气体罐的填充的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于填充加压气体罐的方法，其特征在于，当输入压力达到最大填充压力时中止填充，计算气瓶内的最大填充压力以匹配标称填充容量或气瓶的最大设计温度这两个条件中较苛刻的条件。

Description

用于控制加压气体罐的填充的方法
技术领域
本发明涉及一种用于控制气瓶的填充的方法。
在本发明中，指示用于贮存加压气体的气密封的容器的术语“气瓶”和“气罐”意义相同。
背景技术
由于环境保护已经受到工业公司和个人越来越多的关注，所以对用于汽车的“清洁”燃料的需求也日益增加。
传统燃料的一种可能的替代品是燃气。
但是，向罐内填充作为液体燃料的汽油或燃油是容易且迅速的操作，但向罐内填充气体则是非常棘手的操作。由于气体的可压缩性，填充会导致很大的温度升高并且还会带来“计量”输送的材料的量的问题。
实际上，必须将气体从气体储存区域注入加压气体罐或瓶(根据气体和应用为200巴或更高)，储存区域本身为高压或低压，在低压情况下必须使用加压器。
出于安全原因，罐内的最终压力以及罐内气体的温度和储存的气体的质量必须不能超过由罐的制造商确定的罐的强度极限。此外，填充越快，则温度升高越大，从而就越难以优化罐内的气体的量。
因此，罐的填充量常常低于它们的容量，填充比较频繁，并且消耗难以评估，使用户感觉不舒适。
此外，必须注意到，很难获得瓶内气体的温度，因为这需要安装直接放置在瓶内的温度探头，解决由此带来的所有密封问题，以及在车辆和储存站之间实现连接以便交换数据。
很明显，向所有类型的罐或瓶提供气体存在同样的困难。
通常，填充使用这样的原理在环境温度下进行，即根据该原理，可如专利申请EP 1205704和EP 1336795内所述的使用车载温度度量即瓶内气体的温度的度量，或者使用通过称重获得的注入质量的度量(US 4527600，US 4648430，US 5711947，US 5771948，US 5810058，US 5881779)或者通过测量流量(US 4993462，US 5238030，US 5752552)来控制所测的参数并且/或者估算这些参数即压力和/或温度的最大值。
此外，另一种用于克服填充不充足的问题的方法是将进入瓶中的气体冷却到设定为低于环境温度的值的温度，如专利申请EP1331289所述的。但是，所选择的温度并不是最优的，并且不能代表瓶的最优和安全填充的全面解决方案。
文献EP 1452794A2描述了一种以依赖于环境温度的速率进行填充的方法，当罐内测量的温度达到最大限度时停止填充。
文献US 5628349描述了一种依赖于罐内测量的气体温度的填充方法和填充速率。
文献US 6598624描述了一种其中根据在罐内测量的瞬时压力调节填充速率的填充方法。
上述所有方法或者由于待测量参数尤其是气体的内部压力比较难得到而难以实施，或者不适合于诸如对于车辆应用的称重的特定应用，或者使用在某些情况下不够精确的测量装置尤其是用于测量氢的质量流量的仪器以至于不能控制瓶内的最大温度，或者不允许优化填充。
因此，确实需要一种控制气瓶或罐的方法，该方法无论操作员可用的数据如何并且尤其当操作员不能确定罐内的温度时是可靠的，易于实施、易于使用并适于任何类型的气瓶以及任何类型的填充尤其是快速填充。
发明内容
本发明中使用以下术语。
术语“标称压力”或“工作压力”是在气瓶充满时，所供应的气体在均匀的温度例如在15℃(288K)下达到的最大压力。
“标称温度”是限定气瓶的标称压力的温度(通常为15℃)。
“气瓶设计温度”是在使用中气瓶内可达到的最高温度，此值是由制造商给定的。
“标称填充容量”是给定气瓶内可储存的气体质量。此值也是由制造商指定的，并且通常表示为标称温度下的标称压力。
气瓶的“最高容许压力”是在使用中气瓶内不可超过的最大压力。
发明人在经过长期和透彻的研究之后已发现，通过计算对应于标称填充容量和气瓶设计温度这两个条件中较苛刻(严重)的条件的最大填充压力可满足所列的各种要求。如果最终的填充压力低于或等于此最大填充压力，则填充操作仍在气瓶的工作极限内。
此方法被称为“安全”方法，因为该方法用于满足两个安全极限值，即气瓶的标称容量和最大容许温度。
优选地，根据先前测量的环境温度和初始压力并且根据例如表示为单位时间的压力单位(例如巴/秒)的填充速率计算最大填充压力。
实际上，初始气瓶压力首先通过注入少量气体使连接器和填充管路与气瓶平衡来测量。还在填充站测量环境温度。在填充站测量的环境温度必须是气瓶周围的大气的温度。通常，在填充终端测量的温度足以代表气瓶的温度，但也可将该温度用于确认气瓶的温度。然后，系统使用测量的参数以及用单位时间的压力单位所确定的速率的值计算对应于标称质量或设计温度的最大压力，该测量的参数是环境温度和气瓶内的初始压力。在填充期间，在声学元件下游测量填充管路或连接器处的气体压力。在此测量的压力等于填充期间的气瓶内的压力。然后，通过自动装置计算此压力相对于时间的导数，并且此参数代表气罐的填充速率。然后当气瓶内的压力达到这样计算的最大值时中断填充。从而可仅使用所测的输入压力来控制填充。
根据本发明，需要实时测量罐的温度。
根据另一具体实施例，气体输入压力相对于填充时间或以单位时间的压力单位计量的速率的导数的值可按两个准则确定：
·填充速率用于获取气瓶的与其标称填充容量相称的最小填充率，而与填充时间无关。此最小填充率是系统的固有数据，并且对应于与客户要求相容的值。在氢气车辆填充的领域内，例如，客户通常要求例如90％的最小填充率。
·或者，填充缩率必须用于在给定的最大时间段内完成填充，而与填充结束时的填充率无关。此最大填充时间是系统的固有数据，并且对应于与客户要求相容的值。在氢气车辆填充的领域，例如客户通常要求例如3分钟的最大填充时间。
选择标准之后，填充速率则依赖于环境温度以及先前测量的初始压力。
这些选择(标准和极限值)可留给客户或填充站的操作员处理，并且可在每次新填充之前做出或者对于所有填充都是固定的。
此速率通常在0.05巴/秒和20巴/秒之间，优选地在0.10和15巴/秒之间，甚至优选地在0.5巴/秒和12巴/秒之间。
根据一种有利的方案，可进行“冷”填充，即，在气体冷却到给定温度时执行填充。
根据此具体实施例，气瓶内的气体输入温度根据以下参数计算：初始压力、环境温度、最终填充压力和填充速率，以获得在给定填充时间内的气瓶的标称储存容量，同时遵守气瓶的操作极限。
最终压力可任意设定或者例如根据方法的条件设定。但是，该压力必须低于气瓶的最大容许压力。例如，在通过使加压储存容器平衡以填充加压气瓶的情况下，最终压力由容器的储存压力限制，或者甚至由于压力平衡而被限制于较低的值。
这样确定的输入气体温度用于满足以下两个条件：达到标称容量，以及遵守气瓶的操作极限。
此方法是“安全”且“最优”的，因为该方法有助于优化最终储存在气瓶内的气体的质量，同时符合气瓶的操作极限。
实际上，气瓶的初始压力首先通过注入少量气体使连接器和填充管路与气瓶平衡来测量。还在填充站测量环境温度。在填充站测量的环境温度必须代表气瓶周围的大气的温度。通常，在填充终端测量的温度足以代表气瓶的温度，但是该温度也可用于确认气瓶的温度。确定以单位时间的压力单位计量的填充速率。最终填充压力还由操作员设定。
然后，系统使用环境温度和(在连接器处测量的)气瓶内的初始压力，以及使用由操作员或方法条件所设定的最终压力、该压力相对于时间的导数的值来计算气瓶入口处的气体温度。
如果这样计算的温度高于环境温度，则操作员执行根据前述实施例的方法(当输入压力达到对应于标称填充容量和气瓶设计温度这两个条件中较苛刻的条件的最大填充压力时，中止填充)。
如果这样计算的温度低于环境温度，则必须将进入气瓶的气体冷却到此温度。这样计算的输入温度允许在保持于气瓶的操作极限内的同时填充到标称负荷，当气瓶内的压力达到预定压力时终止填充。
根据另一“冷”填充模式，填充温度是固定条件。在此情况下，最终填充压力可以是所计算的用以允许有效填充的压力。
根据此特定实施例，最终填充压力是根据以下参数确定和计算的：初始压力、环境温度、进入气瓶的气体温度和填充速率，以便在给定的填充时间内达到气瓶的标称储存容量，同时遵守气瓶的操作极限。
本发明的方法对于快速填充尤其是汽车的填充特别有用。
在本发明中，快速填充是必须在1分钟到10分钟的一段时间内完成的填充。此时间依赖于待填充的气瓶和/或车辆的类型(例如小型摩托车、汽车或公交车)。
不管气体类型如何均可使用本发明。例如，气体可涉及甲烷、氢气、氧气、氮气、氦气等。车辆应用尤其针对天然气或甲烷和氢气。
气瓶或气罐根据用途具有可变的容量。例如，对于私人汽车，总容量为大约100-150L。车辆可具有此容量的单个罐，或者并行放置的多个较小的罐。
有利地，气瓶的形状必须设计成使得在填充末端能获得均匀的气体温度。此特征依赖于气瓶的几何形状，该几何形状有利地大致为柱形，其长度L与直径D的比值L/D低于6，优选地在1和5之间，更优选地在1和4之间。
此外，有利地，将待填充的罐水平或垂直设置，并且在此情况下，可从自上而下执行填充。
下面的示例更详细地说明了本发明，该示例仅用于解释本发明而不具有限制性。
具体实施方式
示例
示例1和2：通过估算最终压力进行安全填充
在下面的示例1和2中，使用的气瓶为Dynetek150L气瓶。
填充气体为氢气。
使用以下标记：
-Pf＝以巴计量的最终压力，Pf＝Min(Pf85℃；Pf100％mass)，其中Pf100％mass是高于它则会超出气瓶内储存的标称质量的极限压力，并且Pf85℃是高于它则会超过气瓶的温度极限的极限压力
-Tamb＝以K计量的环境温度
-P0＝以巴计量的初始压力
-(P0，15℃)＝以巴计量的规范到15℃的初始压力
-V＝以巴/秒计量的速率
-Tr＝填充气体温度(K)
-Tf＝以K计量的最终温度
计算公式
高于它则会超过气瓶内储存的标称质量的极限最终压力Pf100％mass通过以下方程(1)确定：
Figure A20058004448800101
其中，a、b、c和d是通过回归(利用测试或仿真)得到的系数。这些系数能可选地为一种气瓶特有的。
高于它则会超过气瓶的设计温度的极限最终压力Pf85℃通过以下方程(2)确定：
Pf85℃＝AA×P03+BB×P02+CC×P0+DD(2)
其中
AA＝aaa×Tamb2+aab×Tamb+aac
BB＝bba×Tamb2+bbb×Tamb+bbc
CC＝cca×Tamb2+ccb×Tamb+ccc
DD＝dda×Tamb2+ddb×Tamb+ddc
系数aaa、aab、aac、bba、bbb、bbc、cca、ccb、ccc、dda、ddb、ddc是填充速率V的三次多项式系数。
所确定的各系数都是某种气瓶特有的，并且所述系数通过回归(利用测试或仿真)确定。
对于冷却填充，高于它则会超过气瓶内储存的标称质量的极限最终压力Pf100％mass通过下面的方程确定：
Pf100％mass＝Tamb×[(a×LN(V)+b)×(P0，15℃)+(c×LN(V)+d)]+(e+f×P0+g×V)×(Tr-Tamb)
其中，a、b、c、d、e、f和g是通过回归(利用测试或仿真)得到的系数。这些系数可以是一种气瓶特有的。a，b，c和d可以与在环境温度下填充气体时所用的系数相同。
示例1：
操作员希望填充Dynetek150L气瓶，对于氢气，该气瓶的最大使用温度为85℃(358K)。
操作员测量环境温度(32℃)以及气瓶入口处的初始压力(50巴)。他确定以每秒2巴的速率填充此气瓶。
然后利用计算机通过方程(1)得到建议：Pf100％mass＝447巴以及Pf85％＝304巴。最终填充压力等于这两个值中的较低值，即304巴。
如前文所述的，操作员将填充速率调整为每秒2巴并开始填充，同时测量连接器处的压力。通过自动装置计算该压力相对于时间的导数以便相对于2巴/秒的设定值控制压力的升高速率。
当此压力达到304巴时，填充停止。
下表总结了由此遵循的填充规程。
参数 值 确定方法
环境温度 32℃ 固定度量
初始压力 50巴 固定度量
填充速率 2巴/秒 操作员选择
最大容许压力 304巴 计算
填充率 70％ 计算
最终温度(1) 85℃ 计算
总填充时间 2.1分钟 计算
(1)参数限定填充
示例2：
操作员希望填充Dynetek150L气瓶，其最高温度为85℃(358K)。
操作员测量环境温度(20℃)以及气瓶入口处的初始压力(60巴)。他确定以每秒2巴的速率填充此气瓶。
然后利用计算机通过方程得到建议：对于100％的填充，最终压力为427巴。
该最终压力对应于85℃的最终温度并且高于438巴。这两个值中较低的值明显对应于427巴。
如前文所述的，操作员将填充速率调整为每秒2巴并开始填充，同时测量连接器处的压力。通过自动装置计算此压力相对于时间的导数以便相对于2巴/秒的设定值控制压力的升高速率。当压力达到427巴时，填充中止。
下表总结了由此遵循的填充规程。
参数 值 确定方法
环境温度 20℃ 固定度量
初始压力 60巴 固定度量
填充速率 2巴/秒 操作员选择
最大容许压力 427巴 计算
填充率(1) 100％ 计算
最终温度 77℃ 计算
总填充时间 3.1分钟 计算
(1)参数限定填充
示例3：通过估算输入温度最优化安全填充
操作员希望向Dynetek150L型气瓶填充氢气，其使用压力为350巴并且可承受的最大压力为438巴。操作员希望在400巴的压力下中止填充。
操作员测量环境温度(35℃)和气瓶入口处的初始温度(30巴)。他确定以每秒1.25巴的速率填充此气瓶。
通过计算机得到建议：填充必须在-33℃的气体输入温度下执行。
操作员然后将气体输入温度调整为-33℃并将填充速率调整为每秒1.25巴，开始填充同时测量气瓶内的压力。在连接器处动态地测量压力。
通过自动装置计算此压力相对于时间的导数以便相对于1.25巴/秒的设定值控制温度的升高速率。
当气瓶内的压力达到400巴时，填充停止。
下表中总结了由此遵循的填充规程。
参数 值 确定方法
环境温度 35℃ 瞬时度量
初始压力 30巴 固定度量
填充速率 1.25巴/秒 操作员选择
最终压力 400巴 操作员选择
填充温度 -33℃ 计算
示例4：
操作员希望向相同气瓶填充可在0℃下利用的气体。填充条件为：环境温度＝30℃，气瓶输入压力＝15巴。操作员希望以每秒2巴的速率填充气瓶。
通过计算机得到建议：填充必须在425巴的压力下停止。
操作员然后将气体输入温度调整为0℃并将填充速率调整为每秒2巴，开始填充同时测量气瓶内的压力。当气瓶内的压力达到425巴时，填充停止。
下表中总结了由此遵循的填充规程。
参数 值 确定方法
环境温度 30℃ 瞬时度量
初始压力 15巴 固定度量
填充速率 2巴/秒 操作员选择
填充温度 0℃ 操作员选择
最终压力 425巴 计算

Claims (17)

1.一种用于填充加压气瓶的方法，使用填充速率的预定值确定该填充的参数例如气瓶内的输入压力相对于时间的导数，使用气瓶内的输入压力控制该填充，其特征在于，当输入压力达到根据填充速率计算的最大填充压力时中止填充，计算气瓶内的最大填充压力以匹配标称填充容量和气瓶设计温度这两个条件中较苛刻的条件，标称填充容量是指用标称温度下的标称压力表示的在给定气瓶内可储存的气体量，气瓶设计温度是指使用中的气瓶内可达到的最高温度。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，根据环境温度和气瓶内的初始压力计算最大填充压力。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，在填充之前测量环境温度和气瓶内的初始压力。
4.根据权利要求1-3中任何一项的方法，其特征在于，根据填充速率计算最大填充压力。
5.根据权利要求1-4中任何一项的方法，其特征在于，根据预期的填充速率和/或根据预期的填充时间来选择填充速率。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，根据在填充之前测量的环境温度和气瓶内的气体初始压力来选择填充速率。
7.根据前面任何一项权利要求的方法，其特征在于，填充速率表示为气瓶内的输入压力相对于时间的导数，该填充速率在0.05巴/秒和20巴/秒之间，优选地在0.10巴/秒和15巴/秒之间，更优选地在0.5巴/秒和12巴/秒之间。
8.根据前面任何一项权利要求的方法，其特征在于，填充速率是由操作员在填充时选择的或者是自动选择的。
9.根据前面任何一项权利要求的方法，其特征在于，仅使用气瓶内的输入压力控制填充。
10.根据前面任何一项权利要求的方法，其特征在于，在根据初始压力、环境温度和最大填充压力计算的温度下填充气瓶。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，填充温度是根据填充速率计算的。
12.根据权利要求10的方法，其特征在于，最大填充压力是根据初始压力、环境温度、气瓶输入气体温度和填充速率计算的。
13.根据权利要求10-12中任何一项的方法，其特征在于，所计算的填充温度低于环境温度。
14.根据前面任何一项权利要求的方法，其特征在于，气瓶的形状大致为柱形，其长度L与直径D的比值L/D小于6，优选地在1和5之间，更优选地在1和4之间。
15.根据前面任何一项权利要求的方法，其特征在于，对应于气瓶的标称填充容量的前提条件的最大填充压力(Pf100％mass)由以下方程计算：
Figure A2005800444880003C1
其中：
-Tamb是以K计量的环境温度，
-V是以巴/秒计量的气瓶填充速率，
-P0是以巴计量的初始压力，(P0，15℃)是以巴计量的规范到15℃的初始压力，
-a、b、c和d是通过回归确定的系数。
16.根据前面任何一项权利要求的方法，其特征在于，对应于气瓶的标称填充容量的前提条件的最大填充压力(Pf100％mass)由以下方程计算：
Pf100％mass＝Tamb×[(a×LN(V)+b)×(P0，15℃)+(c×LN(V)+d)]+(e+f×P0+g×V)×(Tr-Tamb)(2)
其中：
-Tamb是以K计量的环境温度，
-Tr是以K计量的填充气体温度，
-V是以巴/秒计量的气瓶填充速率，
-P0是以巴计量的初始压力，(P0，15℃)是以巴计量的规范到15℃的初始压力，
-a、b、c、d、e、f和g是通过回归确定的系数。
17.根据前面任何一项权利要求的方法，其特征在于，对应于气瓶设计温度的前提条件的最大填充压力(Pf85℃)由以下方程计算：
Pf85℃＝AAP0n+BBP0n-1+CCP0n-2+DDP0n-3+...+ZZ
其中：
-P0是以巴计量的初始压力，
-n是整数且至少等于3，
-系数AA、BB、CC、...、ZZ是所填充的气瓶特有的填充速率的多项式函数，并且通过回归获得。
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