CN101886737A - 一种集成的流体灌充控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于流体控制技术领域，具体为一种流体灌充控制方法及其装置。设置N个存储气瓶，顺序连接，作为分装作业的气源钢瓶；其中，第1至N-1个作为普通存储气瓶，第N个作为补压气瓶。另设置相应的各种控制阀门、单相阀门和连接管道等。分装灌充作业时，通过实时比较存储气瓶和目标分装气瓶的压力，逐级由低到高选择存储气瓶供气实现梯度灌充，最大限度地利用存储于高压气瓶中的可压缩流体，减少了灌充过程中绝热压缩的风险以及间接的气体压缩耗能，提高了有效储存气量利用率。

Description

一种集成的流体灌充控制方法及其装置

技术领域

本发明属于流体控制技术领域，具体涉及一种流体灌充控制方法及其装置。

背景技术

流体分装是工业生产中常见的单元操作方法。利用事先存储在高压气瓶中的高压气体分装到目标气瓶进行灌充作业时，存储气瓶通常有着远高于目标分装气瓶的压力与容积，随着分装过程的进行，存储气瓶的压力不断下降，当其压力下降至额定分装压力以下时即失去分装能力，此时，需要更换具有较高压力的存储气瓶或对存储气瓶进行再增压方可继续完成分装作业。在航空技术领域，如对飞机上机载气瓶补充氧气、氮气或低露点压缩空气(冷气)的作业过程中，目前大都采用依靠在内场(即在具备水、电、气源等保障条件的作业环境)事先将氧气、氮气或低露点压缩空气(冷气)灌充到高压储存气瓶中，然后在外场(即在水、电、气源难以获得保障的临近飞机附近的作业环境)将高压气瓶组内的气体分装到机载气瓶中。一般地，为有效的利用高压气瓶中的气体，均采取二次增压的方式来提高其气体利用率。换句话说，在分装作业过程中，当存储气瓶的压力下降至额定分装压力以下时，需依靠额外的增压设备进行倒瓶作业再增压后以满足分装要求。这样，外场保障设备庞大，一般以车载动力满足这种移动式分装要求，或者需返回内场进行重新增压以确保储存气瓶压力高于额定分装压力后返回外场保障。通常情况下，外场的电力保障难以满足，尤其是难以满足对多架次飞机移动的充装作业保障。另一特定的条件是野战作业环境条件下，在外场提供电力保障显得非常不方便或难以保障。

以上及本发明中涉及的概念有：

存储气瓶是指预先灌充好一定量气体的气瓶，通常具有较高的压力，优选较额定分装压力高，也称为气源钢瓶。

存储气瓶组是指预先灌充好一定量气体的一个以上的气瓶组成的气瓶组，通常具有较高的压力，优选较额定分装压力高，也称为气源钢瓶组。

补压气瓶是指预先灌充好一定量气体的至少一个或者以上气瓶组成的气瓶、气瓶组，具有高于额定分装压力的气源钢瓶或瓶组。

目标分装气瓶：待灌充的气瓶，通常具有较低的压力，一般较存储气瓶与气瓶组更小的容积，如机载的氧气瓶、氮气瓶、冷气瓶。

存储压力：存储气瓶与气瓶组的压力，表压。

分装压力：目标分装气瓶需要补给的压力，也称灌充压力，表压。

分装：将事先灌充好可压缩流体的存储气瓶与气瓶组的气体分装到目标分装气瓶的操作过程，也称为灌充；

一般地，利用存储气瓶对目标分装气瓶进行灌充、分装作业有如下几种模式：

1、单个存储气瓶直接向目标分装气瓶的进行充装，当存储气瓶压力降至额定分装压力以下时，需更换具有更高存储压力的存储气瓶继续进行分装。

2、存储气瓶并联成存储气瓶组直接向目标分装气瓶的进行充装，当存储气瓶组压力降至额定分装压力以下时，需更换具有更高存储压力的存储气瓶组继续进行分装。

3、存储气瓶分成两组或更多组，先依次直接向目标分装气瓶进行充装，在各组存储气瓶组均低于额定分装压力时失去充装能力，通过启动增压设备进行倒瓶转注作业，即将压力低于额定分装压力失去充装能力的某一组或多组存储气瓶组内气体增压转注到另至少一组存储瓶组，使之增压到高于额定分装压力的较高存储压力，继续以此存储气瓶组完成分装。

以上，1、2两种分装过程方式实质上并没有区别，当存储气瓶压力下降至额定充装压力以下时失去充装能力。第3种分装过程气体利用率较高，存储气瓶中的气体可通过增压转注得到更充分的利用，但显然，这种分装方式是以额外消耗增压动力来实现的，也即，当存储气瓶压力降低到不足以升压目标分装气瓶时，将通过压缩机将一组或者多组存储气瓶内的气体增压到至少一组存储气瓶内，将其压力提升至至少满足额定分装压力的要求，从而提高了存储气瓶组内气体的整体利用率。但是，这在如航空领域机载气瓶的分装过程，尤其是野战作业条件下机载气瓶的分装作业时，往往受限于动力条件保障等难以满足。因此，如何最大限度地利用存储气瓶中的气体而尽量减少或抛弃额外的动力消耗完成灌充分装作业，是本发明需要解决的问题；

发明内容

本发明的目的在于提供一种有效储存气量利用率高的流体灌充控制方法及其装置。

众所周知，存储气瓶压力下降到额定充装压力即已失去充装能力，也即不可能使目标分装气瓶压力升高达到额定的分装压力。但是，因气体总是由高压往低压方向流动，分装过程进行时，存储气瓶的压力是逐步升高的，只要存储气瓶的压力高于目标分装气瓶的压力，存储气瓶就能对目标分装气瓶进行一定程度的升压并且直至压力平衡，如继续以压力更高的存储气瓶对充装气瓶充装，则可以达到更高的压力平衡，最终，以超过额定充装压力的补压气瓶最终对分装气瓶进行一次满足额定充装压力的补压过程，则可完全满足额定压力的分装作业。通过这种多次分装、逐级升压的梯度灌充的方法改良，可有效提高充装过程中存储气瓶内气体的利用率，同时，由于其通过比较存储气瓶和充装气瓶的实时压力，由低到高选择存储气瓶供气，也减少了灌充过程中绝热压缩的风险(存储气瓶与充装气瓶的压力比减小了)以及间接的气体压缩耗能(气体压力越高时，压缩时耗能越大，对高压的气瓶和低压的气瓶补充同样多的气体，其能耗是不一致的)。本发明提出的流体灌充控制方法正是这样一种以分步骤、逐级、梯度灌充的原理来实现的集成分装方法，具体内容如下：

设置N个存储气瓶(含补压气瓶)，顺序连接，作为分装作业的气源钢瓶；N优选4个以上，如N为5-15，具体根据实际使用要求选定。该存储气瓶组首先应能够接收高压气源，并事先灌充至一定的压力，其中，第N个存储气瓶必须满足超过额定分装压力方能确保证分装过程的最终升压达到额定分装压力，第N个存储气瓶也称为补压气瓶，第1至N-1个存储气瓶则不然，可以是任意压力，称为普通存储气瓶；

分装过程进行时，首先以存储气瓶组内第1个存储气瓶对目标分装气瓶进行灌充，如目标分装气瓶升压到额定分装压力，则第1个存储气瓶停止对目标分装气瓶的灌充，换下一个目标分装气瓶，如果第1个存储气瓶内压力与目标分装气瓶压力平衡后，目标分装气瓶这时还没有达到额定分装压力，则由第2个存储气瓶继续对目标分装气瓶灌充，达到更高的压力平衡，直到充满达到额定分装压力后，换下一个目标分装气瓶，以此类推；当第三、第四、第五、第六……第N-1个存储气瓶均未能满足目标分装气瓶的额定充装压力时，由第N个补压气瓶进行补充压力至额定分装压力。

当外部气源压力不足以将补压气瓶增压到额定分装压力以上时，通过一压缩机，接收外部气源或者直接吸入顺序编号Q₁～Q_N-1的存储气瓶内的气体，将补压气瓶Q_N增压到额定分装压力以上；当外部气源足以将补压气瓶Q_N增压到额定分装压力以上时，也可通过直接将补压气瓶Q_N增压到额定分装压力以上，甚至仅将该气瓶增压到一个远高于额定分装压力的水平；

首先以第一个存储气瓶向目标分装气瓶充气，再由第二个……存储气瓶继续充气，直到存储气瓶基本完全变空，这种直到存储气瓶与目标分装气瓶内的压力持平的近乎于无级变速式的梯度顺序灌充方法可将存储气瓶组内的储存气体最大限度的利用起来，物尽其用，最大限度的提高了气体利用率，并且，该分装作业方法可以在事先灌充一个/组具有较高压力的补压气瓶时完全抛弃额外的动力消耗完成分装作业。

本发明提出的集成的流体灌充控制方法的实现装置主要主要由如下几部分组成：

1、N个存储气瓶，顺序连接，作为分装作业的气源钢瓶，N优选4以上，如5-15，见原理图1，其中，顺序编号为Q₁～Q_N-1存储气瓶是普通存储气瓶；顺序编号为Q_N的存储气瓶为补压气瓶，补压气瓶至少有一个；

2、能自存储气瓶(含补压气瓶)到外部高压气源的接收管线与必要的控制阀门，见原理图1，包括：减压阀4(用于调定存储气瓶Q₁～Q_N-1的存储压力)，截止阀5(开启则接收外部高压气源对气瓶进行补压灌充，关闭则停止)，顺序编号为C₁～C_N-1的单向阀，优选但非必要增压单向阀C_N用于进行单元扩展；

3、能够分步骤、逐级、梯度灌充的系统阀件与必要的管线，见原理图1，包括：主灌充管线1-1，压力反馈管线1-2，气动控制阀A₁～A_N，单向阀B₁～B_N，截止阀2，取样阀3，以及梯度分装单元第一单元～第N单元；其中，第一单元1～第N单元中，第一单元，由气动控制阀A₁与单向阀B₁组成，当打开截止阀2分装时，存储气瓶Q₁内气体经单向阀B₁经管线1-1进入目标分装气瓶，压力平衡后，因气动控制阀A₁的K位连接到压力反馈管线1-2，气动控制阀A₁的B位连接到存储气瓶Q₁，此时，气动控制阀A₁导通，存储气瓶Q₂内的气体经气动控制阀A₁流出进行更高压力的灌充，同时，也因存储气瓶Q₂更高的压力流出，存储气瓶Q₁对应的单向阀B₁截止而终止存储气瓶Q₁内气体流出；其它分装单元结构以此类推，直至存储气瓶Q_N-1内气体流出形成分步骤、逐级、梯度灌充；同时，补压气瓶Q_N则可对目标分装气瓶进行一次补压以满足额定分装压力的要求；

4、一套增压系统与必要的控制阀门和管线，对补压气瓶进行增压，见原理图1，包括：减压阀4，截止阀5，顺序编号为C₁～C_N-1的单向阀，顺序编号为E₁～E_N-1的瓶头阀，顺序编号为D₁～D_N-1的截止阀，增压泵AB01，减压阀7，截止阀8；

当外部气源压力不足以将补压气瓶增压到额定分装压力以上时，可通过减压阀4，截止阀5，顺序编号为C₁～C_N-1的单向阀，经顺序编号为E₁～E_N-1的瓶头阀，进入顺序编号为Q₁～Q_N-1的存储气瓶，再经顺序编号为D₁～D_N-1的截止阀，进入增压泵AB01；该增压泵可以是任意形式的增压泵，优选手动的隔膜式压缩机，也可以是电动或气动的其它形式的压缩机。通过该增压泵，可以接收外部气源或者直接吸入顺序编号为Q₁～Q_N-1的存储气瓶内的气体将补压气瓶Q_N增压到额定分装压力以上；当外部气源足以将补压气瓶Q_N增压到额定分装压力以上时，也可通过减压阀7，截止阀8直接将补压气瓶Q_N增压到额定分装压力以上，甚至仅将该气瓶增压到一个远高于额定分装压力的水平。

附图说明

图1为本发明集成的流体灌充控制方法原理图。其中，存储气瓶充压接口：接收外接高压气源对存储气瓶进行灌充。分装气瓶灌充接口：接入目标分装气瓶进行分装。

图中标号：A₁～A_N：气动控制阀(每个阀门上，B位反馈存储气瓶出口压力，K位反馈连接的目标充装气瓶压力，B位压力大于K位，阀门自动关闭状态，反之则为打开状态)，

B₁～B_N：单向阀，C₁～C_N：单向阀，D₁～D_N：截止阀，E₁～E_N：瓶头阀，Q₁～Q_N：存储气瓶，P₁～P_N：压力表，1-1：主灌充管线，1-2：反馈管线，2：截止阀，3：取样阀(接各气动控制阀的K位，充装气瓶充装接口，未连接充装气瓶时为关闭状态)，4：减压阀(调定存储气瓶Q₁～Q_N-1的存储压力)，5：截止阀，6：单向阀，7：减压阀，AB01：倒瓶增压泵，用于抽取Q₁～Q_N-1中气体并转注到Q_N，梯度分装单元第一单元～第N单元：整合气动控制阀A_i、单向阀B_i、单向阀C_i及其管路构成的功能单元，可视为或制成一个特殊阀门，本发明统一称之为梯度充装单元组件，1≤i≤N。

具体实施方式

如原理图1所示，当打开截止阀2进行分装时，存储气瓶Q₁内气体经单向阀B₁经主灌充管线1-1进入目标分装气瓶，压力平衡后，如此压力满足额定充装压力，则更换新的目标分装气瓶，如果未满足额定分装压力，此时，因气动控制阀A₁的K位连接到压力反馈管线1-2，气动控制阀A₁的B位连接到存储气瓶Q₁，气动控制阀A₁导通，存储气瓶Q₂内的气体经A₁流出进行更高压力的灌充，同时，也因存储气瓶Q₂更高的压力流出，存储气瓶Q₁对应的单向阀B₁截止而终止存储气瓶Q₁内气体流出，以此类推，直至存储气瓶Q_N-1内气体流出形成分步骤、逐级、梯度灌充，最后以补压气瓶Q_N对目标分装气瓶进行一次补压，满足额定分装压力的要求；

实际上，分装气瓶灌充接口每接入一目标分装气瓶，都将通过压力反馈管线比较存储气瓶Q₁～Q_N与待接通进行分装的气瓶的压力以自动完成A₁～A_N的开关，A₁关闭则由存储气瓶Q₁开始供气，A_i关闭则由存储气瓶Q_i开始供气，只要接入气瓶的初始压力小于存储气瓶Q₁的余压，充装都将由存储气瓶Q₁首先进行供气，如达到额定分装压力即重新接入新的目标分装气瓶，当一次充装存储气瓶Q₁供气未能达到额定分装压力时，将顺序以存储气瓶Q₂.......Q_N-1供气，直至采用补压气瓶Q_N进行补压供气以最终满足额定分装压力的要求，以此类推，当补压气瓶Q_N压力在分装过程中下降到不足以满足额定分装压力时，可启用倒瓶增压机AB01抽取存储气瓶Q₁～Q_N-1中气体并转注到补压气瓶Q_N，继续充装，直至补压气瓶Q_N再次失去充装能力，通过存储气瓶充压接口接入气源，开启阀门对存储气瓶Q₁～Q_N进行灌充充压，下面通过一个简单实施例以说明采用本发明充装方法的优点：

实施例机载氧气瓶的分装

按GJB1565飞机气氧系统设计和安装通用规范，机载气瓶的余压应不低于30kg/cm²，

假设配套一组6个36L，承压能力15MPa的气瓶组，满压储存150kg/cm²时，可存储NPT条件下氧量为6×36×150＝32400L，按其最低使用余压30kg/cm²计，可达理论的最大氧气利用量为6×36L×(150-30)＝25920L；为比较整体气体利用率，另设置一个存储气瓶，储存水容积为36L，满压储存300kg/cm²时，可存储NPT条件下氧量为36×300＝10800L，按其最低使用余压30kg/cm²计，可达理论的最大氧气利用量为36L×(300-30)＝9720L；7个气瓶合计可利用的最大氧气利用量为25920+9720＝35640L。

一个4L机载气瓶，假设其余压为30kg/cm²，灌充到额定工作压力150kg/cm²时需灌充氧气量为4L×(150-30)＝480L；因此，按理论计算，上述7个气瓶，存储的NPT条件下氧量可灌充4L的机载气瓶到额定工作压力150kg/cm²时的数量为：35640÷480＝74个，也就是说如果以隔膜式压缩机等增压机械，将以上7个36L氧气瓶内的气体全部增压到机载目标钢瓶中，可以获得74个机载目标钢瓶的分装能力，但在无增压设备的前提下，只有一个300kg/cm²的气瓶具备分装能力至满足额定分装压力，可分装的气瓶数为：(300-150)×36/480＝11个。

采用本发明上述梯度灌充分装原理时，同样的，按GJB1565飞机气氧系统设计和安装通用规范，6个36L，承压能力15MPa的气瓶组，满压储存150kg/cm²时，可存储NPT条件下氧量为216×150＝32400L；当最低使用余压30kg/cm²计，可达理论最大利用氧量为216L×(150-30)＝25920L；采用的补压气瓶，事先灌充以30MPa的压力，为机载目标钢瓶进行补压操作，理论上补压钢瓶经补压消耗后其存储压力不能低于150kg/cm²即可，如低于这一目标机载钢瓶的额定充装压力，理论上将无法满足机载气瓶的额定灌充压力要求。

通过梯度充装单元组件，模拟计算表明，顺序以第1，2，3，4，5，6个气源钢瓶对目标机载气瓶梯度灌充，再以补压气瓶将机载目标钢瓶补充到额定充装压力150kg/cm²时，经计算，可分装57个、4L、储存压力150kg/cm²的机载钢瓶，分装完成后：

第1，2，3，4，5，6个气源钢瓶的储存压力分别为：30.30kg/cm²，31.98kg/cm²，36.87kg/cm²，46.49kg/cm²，60.91kg/cm²，78.51kg/cm²；瓶内可用的储存气体仅为3782.139L，有效储存气量利用率高达：(25920-3782.139)/25920＝85.4％。

补压气瓶的储存压力为：154.941kg/cm²，仍然具有额定储存压力的补偿能力，瓶内还可用于补压的气体36L×4.941＝177.876L。

整体有效储存气量利用率：

(25920-3782.139+5400-177.876)/(25920+5400+5400)＝74.51％

从以上可以看出，采用梯度充装单元组件，可以满足4L储存压力150kg/cm²的机载钢瓶57次的分装要求，既满足额定灌充压力，灌充架次比较带动力设备的分装方法仅降低了17架次，并可通过调整氧气瓶压力等级、自带手动增压设施等进行扩展保障，显然，这对无动力环境条件等野战作业环境下的气体分装无疑具有重大意义。

Claims (3)

1.一种集成的流体灌充控制方法，其特征在于：设置N个存储气瓶，顺序连接，作为分装作业的气源钢瓶；该存储气瓶组能够接收高压气源，并事先灌充至一定的压力，其中，第N个存储气瓶满足超过额定分装压力方，确保证分装过程的最终升压达到额定分装压力，第N个存储气瓶也称为补压气瓶，第1至N-1个存储气瓶是任意压力，称为普通存储气瓶；

进行分装时，首先以存储气瓶组内第1个存储气瓶对目标分装气瓶进行灌充，如目标分装气瓶升压到额定分装压力，则第1个存储气瓶停止对目标分装气瓶的灌充，对下一个目标分装气瓶进行灌充；如果第1个存储气瓶内压力与目标分装气瓶压力平衡后，目标分装气瓶这时还没有达到额定分装压力，则由第2个存储气瓶继续对目标分装气瓶进行灌充，以达到更高的压力平衡，直到灌充达到额定分装压力后，换下一个目标分装气瓶，以此类推；当第三、第四、第五、第六……第N-1个存储气瓶均未能满足目标分装气瓶的额定充装压力时，由补压气瓶进行补充压力至额定分装压力。

2.根据权利要求1所示的集成的流体灌充控制方法，其特征在于：当外部气源压力不足以将补压气瓶增压到额定分装压力以上时，通过一压缩机，接收外部气源或者直接吸入顺序编号Q₁～Q_N-1的存储气瓶内的气体，将补压气瓶Q_N增压到额定分装压力以上；当外部气源足以将补压气瓶Q_N增压到额定分装压力以上时，直接将补压气瓶Q_N增压到额定分装压力以上。

3.一种如权利要求1所示的集成的流体灌充控制方法的实现装置，其特征在于包括：

(1)N个存储气瓶，顺序连接，作为分装作业的气源钢瓶，其中，顺序编号为Q₁～Q_N-1的存储气瓶是普通存储气瓶；顺序编号为Q_N的存储气瓶为补压气瓶，补压气瓶至少有一个；

(2)能自存储气瓶到外部高压气源的接收管线与相应的控制阀门，包括：减压阀(4)，该阀用于调定存储气瓶Q₁～Q_N-1的存储压力，截止阀(5)，该阀开启则接收外部高压气源对气瓶进行补压灌充，关闭则停止，顺序编号为C₁～C_N-1的单向阀；

(3)能分步骤、逐级、梯度灌充的系统阀件与相应的管线，包括：主灌充管线(1-1)，压力反馈管线(1-2)，气动控制阀A₁～A_N，单向阀B₁～B_N，截止阀(2)，取样阀(3)，以及梯度分装单元第一单元～第N单元；其中，第一单元1～第N单元中，第一单元，由气动控制阀A₁与单向阀B₁组成，当打开截止阀2分装时，存储气瓶Q₁内气体经单向阀B₁经主灌充管线(1-1)进入目标分装气瓶，压力平衡后，因气动控制阀A₁的K位连接到压力反馈管线(1-2)，气动控制阀A₁的B位连接到存储气瓶Q₁，此时，气动控制阀A₁导通，存储气瓶Q₂内的气体经气动控制阀A₁流出进行更高压力的灌充；同时，也因存储气瓶Q₂更高的压力流出，存储气瓶Q₁对应的单向阀B₁截止而终止存储气瓶Q₁内气体流出；其它分装单元结构以此类推，直至存储气瓶Q_N-1内气体流出形成分步骤、逐级、梯度灌充；补压气瓶Q_N对目标分装气瓶进行一次补压以满足额定分装压力的要求；

(4)增压系统与相应的控制阀门和管线，对补压气瓶进行增压，包括：减压阀(4)，截止阀(5)，顺序编号为C₁～C_N-1的单向阀，顺序编号为E₁～E_N-1的瓶头阀，顺序编号为D₁～D_N-1的截止阀，增压泵(AB01)，减压阀(7)，截止阀(8)；

当外部气源压力不足以将补压气瓶增压到额定分装压力以上时，通过减压阀(4)和截止阀(5)，顺序编号为C₁～C_N-1的单向阀，经顺序编号为E₁～E_N-1的瓶头阀，进入顺序编号为Q₁～Q_N-1的存储气瓶，再经顺序编号为D₁～D_N-1的截止阀，进入增压泵(AB01)；通过该增压泵，接收外部气源或者直接吸入顺序编号为Q₁～Q_N-1的存储气瓶内的气体，将补压气瓶Q_N增压到额定分装压力以上；当外部气源足以将补压气瓶Q_N增压到额定分装压力以上时，通过减压阀(7)和截止阀(8)直接将补压气瓶Q_N增压到额定分装压力以上。

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