CN101975336A - 回收高压天然气加气枪排空天然气的阀门、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种加气枪三位控制阀，还公开了一种回收高压天然气加气枪排空天然气的系统。本发明通过操作三位控制阀门，可以完成对车载瓶加气、余气回收储存、残存气体排空、待机等操作步骤。回收的余气通过液封隔离装置或单向隔离阀门进行隔离，并输送往中、低压储气罐备用或送往城市燃气管网中的中、低压燃气用户使用。
Description
技术领域
本发明涉及压缩天然气汽车加注技术领域，尤其涉及回收排空天然气，并加以利用的技术领域。
背景技术
天然气汽车燃料供应系统工作过程：压缩天然气汽车车载瓶内的高压天然气经过调压设备减压后进入发动机燃烧产生动力，驱动汽车行驶。天然气汽车车载瓶用于储存高压(20MPa以上压力)的天然气。
压缩天然气(CNG)汽车加注站的功能是将天然气通过加压机压缩，加压至20MPa左右压力，再经过售气机(也称加气机)计量后，借助于加气枪(附属在售气机上)向汽车车载瓶加注高压天然气。加气枪上设置有一个两位控制阀门，负责控制加气操作，其工作原理如图1所示。压缩天然气加注操作过程如下：
①.将加气枪前端枪头部分1’的加气接口与车载瓶加注口连接，打开车载瓶进气口球阀。
②.操作加气枪两位阀门：使1’-2’通道关闭，1’-3’通道接通。此时车载瓶与加注站高压的天然气供应回路联通，使经过加气机计量后的高压天然气向车载瓶注入，车载瓶内天然气压力逐渐升高。
③.待到车载瓶内天然气压力升到所要求值，关闭车载瓶上的进气球阀。此时，车载瓶进气通路被切断。但加气枪两位阀门顶端400mm长的枪头部分压力仍为20MPa左右(因为较高压力的原因，此时，枪头无法从车载瓶上拔出，可避免产生危险)。
④.实施泄压操作。操作加气枪上的两位控制阀门：使1’-3’通道关闭，1’-2’通道接通。此时，加气机的高压天然气供应通路被切断，同时，排放通路被打开，储存在枪头顶端部分400mm长、内径8mm、压力为20MPa的天然气直接排入大气中，储存在枪头部分的高压天然气压力迅速被释放。
⑤.将枪头直接从车载瓶上拔出，加气过程结束。
对天然气汽车实施加气操作时，按照操作规程规定及实际需要，对车载瓶每充完一次压缩天然气(CNG)后，都必须排放掉加气枪顶部一段管内残存的高压天然气(泄压操作)，以便再进行下一步操作，准备下一个循环。
计算表明，每加注一台汽车，实施一次泄压操作，排放掉的天然气量约为1.2升。众所周知，天然气是一种宝贵的能源，直接排放是极大的浪费；且天然气中的甲烷组分又是极强的温室气体，对大气环境破坏力很大，其温室效应是二氧化碳的21倍，对臭氧层的破坏力是二氧化碳的7倍。此外，直接排放还构成许多的安全隐患。而一个常规的天然气加注站，一天要对约1200辆汽车加注，也就是要进行1200次泄压操作，排放总量是很可观的。
可见，避免或减少天然气的直接排放，无疑能够产生一定的经济效益和显著的环保效益，并消除或减少安全隐患。显然，在国内率先开发出压缩天然气汽车加气枪排空气体回收技术并加以利用，具有明显的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有CNG加注技术的不足，提供一种能够回收泄压操作过程中排空天然气并加以利用的方法和装置，达到加注过程“零排放”目标。
为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种加气枪三位控制阀，包括阀体，阀体内设有内部管路，阀体上设有与加气枪连接的阀接头、通往大气的排空口及与加气机内高压天然气供应回路连接的阀接头，其特征在于：还包括一与余气回收管道连接的阀接头，及一作用于阀体内部管路的复位弹簧，所述弹簧在外力作用状态下可使所述与加气枪连接的阀接头和所述与余气回收管道连接的阀接头连通，在外力消除状态下可使所述与加气枪连接的阀接头和所述通往大气的排空口连通。
所述与余气回收管道连接的阀接头处设有一防止气体倒灌的自动切断机关，起单向阀门作用，阻止已回收的天然气倒回至加气枪头。
为了实现高压天然气加气枪的排空气体回收，本发明采用了以下技术方案：一种回收高压天然气加气枪排空天然气的系统，包括如上所述的三位控制阀，还包括天然气余气回收管路、天然气排空管路，所述天然气余气回收管路包括连接各加气枪枪头的余气回收管道、集气总管、液封隔离储气装置及后续的低压储气柜和低压供气系统；或者，所述天然气余气回收管路包括连接各加气枪枪头的余气回收管道、集气总管、单向隔离阀门及后续的中压储气罐和中压供气系统，所述余气回收管道汇集于同一集气总管，集气总管通过管路连接所述液封隔离储气装置或单向隔离阀门，所述余气回收管道及天然气排空管路分别连接于所述三位控制阀中的其中一个阀接头上。
进一步来说，所述储气装置为一水封储罐，包括一主罐体及一用于接纳所述集气总管的侧罐体，主罐体与侧罐体底部连通，主罐体液面上方设有至少一层水/气分离板。
再进一步来说，所述水/气分离板有三层，每两层间隔为200mm。
为了实现高压天然气加气枪的排空气体回收，本发明还提供了一种回收高压天然气加气枪排空天然气的方法，包括以下步骤：
(1)操作如上所述的加气枪三位控制阀，连通天然气加气枪枪头与余气回收管道，使加气枪枪头部分储存的天然气回收进入余气回收管道；
(2)切换所述三位控制阀至排空口，完成加气枪内残存气体的排空；
(3)进入余气回收管道的天然气汇入一集气总管，实现多点余气集中处理；
(4)集气总管接入一液封隔离储气装置或单向隔离阀门；
(5)从液封隔离储气装置或单向隔离阀门出来的天然气被送入中、低压储气罐或城市燃气管网中的中、低压燃气管道中供用户使用。
本发明的核心技术在于开发出一种能够实现余气回收的三位控制阀门，及相应的排空气体回收与集气、隔离、储存装置及利用技术，包括安全保障体系的设置与运行，以此实现将原排空天然气加以回收利用的目的。通过操作三位控制阀门，可以完成对车载瓶加气、余气回收储存、残存气体排空、待机(加气机待加气状态，即非加注状态)等操作步骤。在此基础上，回收的余气通过液封隔离装置或单向隔离阀门进行隔离，并输送往中、低压储气罐备用或送往城市燃气管网中的中、低压燃气用户使用。
对于一个典型规模的加气站(2.0万m3/日)，实施本发明回收加注过程中的排空天然气，总量可达1200m3/年左右，经济效益次之，环保效益无限。
附图说明
图1是现有的天然气汽车加气操作两位控制阀门操作原理图。
图2是本发明的三位控制阀工作原理图。
图3是回收的CNG余气进入低压系统的原理图。
图4是回收的CNG余气进入中压系统的原理图。
具体实施方式
本发明的三位控制阀门与原加气枪上的两位控制阀外形及尺寸一致，阀门操作过程与原两位阀基本一样，没有增加操作难度和工作量，操作习惯也完全一样，具有同等的安全可靠性。新型的三位控制阀工作原理图如图2所示。
三位控制阀门1处设有与加气枪枪头部分连接的阀接头。
三位控制阀门2A处设有与余气回收管道连接的阀接头。各加气机的加气枪的余气回收管道之间通过汇管相互联通，并汇入一条集气总管中。
三位控制阀门2处设有与大气相连通的排空口，当加气枪处于待机状态，即非加注状态时置于此位置。
三位控制阀门3处设有与加气机内高压天然气供应回路连接的阀接头。
弹簧4作用于阀体内的管路，在外力条件作用下，使三位控制阀处于2A位置，此时1-2A通道接通，阀门处于过渡状态，天然气余气经2A接口进入余气回收管道中；外力消除后，在弹簧4的回复作用下，三位控制阀自动置于2位置，此时1-2通道接通，处于非加注状态。
从以上可知，非加注状态(待机状态)时，三位控制阀位置与原两位控制阀完全一样：加气通道1——3关闭，1——2A关闭，而排空通道1——2联通。
加注状态时，三位控制阀位置与原两位控制阀也完全一样：加气通道1——3打开；1——2排空通道及1——2A通道关闭。此时，加气枪高压天然气供应通路通过枪头部分与车载瓶相通。
过渡状态时(余气回收状态)：此为加注状态向非加注状态转换过程中的一个短暂阶段。三位控制阀的1——2A联通，1——2及1——3关闭。储存在枪头部分一段管道内的高压天然气，通过回收通道被送入储存装置储存或供用户设施使用，压力被迅速释放。之后，借助于弹簧的作用，三位控制阀迅速自动回复“非加注状态”：加气通道关闭；排空通道打开。以便进行下一个加注循环。
由此可以看出，本发明在原加注操作基础上增加了一个环节——过渡环节：在此阶段，原本向大气排空的那部分高压天然气被排入用户系统，实现对排空气体的回收。本阶段结束后，枪头部分的高压力得以释放，之后，少量残存气体排入大气，大大减少了排放量。
具体地来说，采用以下操作：
①.将加气枪前端加气接口与车载瓶加注口连接，打开车载瓶进气口球形阀门。
②.操作加气枪三位控制阀门：由原2位置(待机位置)扳向3位置。1-2及1-2A通道关闭，1-3通道联通。此时车载瓶与加气机高压天然气供应回路联通，使经过加气机计量后的高压天然气向车载瓶注入，车载瓶内天然气压力逐渐升高；
③.待到车载瓶内天然气压力升到所要求值，关闭车载瓶上的进气球阀。此时，车载瓶进气通路被切断。
④.操作加气枪上的三位控制阀门：由3位置(加气位置)越过2位置扳向2A位置，做短暂停留。1-2A通道接通，1-2及1-3通道关闭。此时，加气机的高压天然气供应通路被切断，同时，加气枪枪头部分储存的高压天然气通过此通道，进入天然气储存装置储存(中低压供气系统)或供用户设施使用，枪头部分一段管道内的高压天然气得以回收利用，高压迅速得到释放。
之后，操作人员松开手(外力消失)，在弹簧4的作用力驱动下，阀门由2A位置自动回复到2位置，进入待机状态。
⑤.将枪头直接从车载瓶上拔出，加气过程结束。准备下一个循环。
整个余气回收系统包括回收与集气1000、隔离2000、储存及利用3000各环节。余气进入低压用户系统的工作原理如图3所示：
(1)操作加气枪三位控制阀，使之连通天然气加气枪枪头与余气回收管道，使各加气枪枪头部分储存的天然气得以回收并进入各余气回收管道201、202……n；
(2)进入各余气回收管道的天然气汇入集气总管20，实现多点余气集中处理；
(3)集气总管20接入一液封隔离储气装置30；
图中的液封隔离储气装置30同时具有储气功能。
如图3所示，这实质上是一个水封隔离装置，作用有二。一是将收集到的高压天然气快速释放降压，并储存待用。二是阻止低压用户系统的气体回流，起单向阀的作用。该液封隔离储气装置包括一主罐体302及一侧罐体301，主罐体与侧罐体底部连通，主罐体302液面上方设有至少三层水/气分离板303。罐内储水高度大约在500mm左右，视低压用户系统运行压力而定。集气总管20的输出端，即罐体301的进气管，在罐体水面以上。
该液封隔离储气装置设有水位观测与监控系统50，确保水位保持在规定高度不变。水位高度一般大于低压用户系统运行压力100mm以上。
由于来自汇管的天然气瞬间压力太高(近20MPa)，穿过水封隔离装置快速减压释放过程中，必定会对水封内的水造成极大的冲击，形成水气混合物。因此，本发明设置有三层抗冲击的水/气分离板，用于将高压气体带出的混合物中的水滴遮挡并借助于重力让其回流至水封中，保持水位不变。而混合物中的气体则顺利通过。起到水/气分离的作用。
水/气分离板上钻有许多小孔，便于气体自下而上穿过、水滴由上而下坠落，每层分离板相距约为200mm。
(4)从液封隔离储气装置30出来的低压天然气被送入低压储气罐(干式气柜、钟罩式缓冲罐等)备用，或供城市燃气管网中的低压系统用户40中进行利用，包括居民、公商用户的低压供气管道(因为回收量并不是太大，不会造成管道超压)。
余气进入中压用户系统的工作原理如图4所示：
隔离环节2000由一个单向控制阀门41及截止阀42组成，41起隔离作用，避免中压用户系统内的天然气倒灌。
为了确保安全，本发明设置有安全保障体系，确保生产过程中设备与人身的安全。
实施例1：回收的余气进入低压储气罐或低压用户供气系统
河北廊坊经济技术开发区加油加气站，加气站周边有现成的低压干式气柜，柜内天然气压力为3.0kPa，同时也有低压用户供气系统。
按照图3的工艺流程，回收的余气经过隔离水封后降压至略高于3.0kPa压力进入气柜储存，或者直接进入低压用户供气系统供用户直接使用，达到余气回收利用之目的。预计，每年回收天然气1080m3/年，经济效益约为3000元人民币。
实施例2：回收的余气进入中压管道系统
适用于周边有天然气中压管网的加气站。按照图4的工艺流程，回收的余气由高压状态快速释放，降至略高于中压管网的运行压力，经过单向控制阀门后进入中压用户供气系统储存待用。一个典型CNG加注站，每年回收天然气可达900m3/年，经济效益约为2500元人民币。
实施例3：回收的余气进入储存容器
适用于周边没有低压气柜，也没有天然气中低压管网的加气站。按照图4的工艺流程，回收的余气由高压状态快速释放，降至略高于储存容器的压力，经过单向阀后进入储存容器储存备用。一个典型CNG加注站，每年回收天然气可达800m3/年，经济效益约为2000元人民币。
Claims (6)
1.一种加气枪三位控制阀，包括阀体，阀体内设有内部管路通道，阀体上设有与加气枪枪头连接的阀接头、通往大气的排空口及与加气机内高压天然气供应回路连接的阀接头，其特征在于：还包括一与余气回收管道连接的阀接头，及一作用于阀体内部管路通道的复位弹簧，所述弹簧在外力作用状态下可使所述与加气枪枪头连接的阀接头和所述与余气回收管道连接的阀接头连通，在外力消除状态下可使所述与加气枪枪头连接的阀接头和所述通往大气的排空口连通。
2.根据权利要求1所述的加气枪三位控制阀，其特征在于：所述与余气回收管道连接的阀接头处设有一防止气体倒灌的自动切断机关。
3.一种回收高压天然气加气枪排空天然气的系统，其特征在于：包括如权利要求1～2所述的三位控制阀，还包括天然气余气回收管路、天然气排空管路，所述天然气余气回收管路包括连接各加气枪枪头的余气回收管道、集气总管、液封隔离储气装置及后续的低压储气柜和低压供气系统；或者，所述天然气余气回收管路包括连接各加气枪枪头的余气回收管道、集气总管、单向隔离阀门及后续的中压储气罐和中压供气系统；所述余气回收管道汇集于同一集气总管，集气总管通过管路连接所述液封隔离储气装置或单向隔离阀门，所述余气回收管道及天然气排空管路分别连接于所述三位控制阀中的其中一个阀接头上。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述液封隔离储气装置为一水封储罐，包括一主罐体及一用于接纳所述集气总管的侧罐体，主罐体与侧罐体底部连通，主罐体液面上方设有至少一层水/气分离板。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述水/气分离板有三层，每两层间隔为200mm。
6.一种回收高压天然气加气枪排空天然气的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)操作如上所述的加气枪三位控制阀，连通天然气加气枪枪头与余气回收管道，使加气枪枪头部分储存的天然气回收进入余气回收管道；
(2)切换所述三位控制阀至排空口，完成加气枪内残存气体的排空；
(3)进入余气回收管道的天然气汇入一集气总管，实现多点余气集中处理；
(4)集气总管接入一液封隔离储气装置或单向隔离阀门；
(5)从液封隔离储气装置或单向隔离阀门出来的天然气被送入中、低压储气罐或城市燃气管网中的中、低压燃气管道中供用户使用。
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