CN103851338A - 用于分配低温流体的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于分配低温流体的系统和方法，该系统包括集液罐，其容纳供给的低温流体。加热回路包括中间罐和加热装置，并具有与集液罐流体连通的入口且具有出口。旁通接头置于集液罐和加热回路的入口之间。旁通回路具有与旁通接头流体连通的入口并具有出口，使得低温流体的一部分从集液罐流过加热回路并被加温，并且一部分流过旁通回路。混合接头与旁通回路的出口以及加热回路流体连通，使得来自加热回路的被加温的低温流体与来自旁通回路的低温流体混合，从而调节低温液体。分配管线与混合接头流体连通，从而能分配经调节的低温流体。在进行分配后在加热回路中剩余的被加温的低温流体被引至中间罐，并用于使被引导通过加热回路的低温流体加温。

Description

用于分配低温流体的系统和方法
技术领域
本发明总体涉及用于低温流体的分配系统，并更具体地涉及用于低温液体分配系统的热管理系统和方法。
背景技术
使用液化天然气（LNG）作为替代能源为车辆等提供动力已经变得越来越普遍，这是因为其具有可家用性（domestically available）、环境安全，并且储量丰富（与石油相比）。使用装置例如LNQ动力车辆通常需要将在饱和状态下的LNG在压头下存储在车载燃料罐中，其足以满足车辆发动机要求。
LNG通常通过压力传输从集液贮罐被分配到车载罐中。虽然在进行分配前使集液罐中的LNG达到饱和的分配系统是已知的，但是它们具有不能连续分配饱和LNG的缺点。更特定地，在装填集液罐的过程中或在调节新加入的LNG的状态的过程中，是不能分配饱和LNG的。
在输送至车载罐之前使LNG饱和的另一个方法是在将LNG传送至车载罐之前使LNG加温。这样的方法在本领域被称为“同程饱和（saturation on thefly）”。在Forgash等人的第5,687,776号以及Kooy等人的第5,771,946号美国专利中提出了这样的“同程饱和”系统，在此通过引用结合其内容。
在5,687,776号以及第5,771,946号专利中揭示了集液罐，以及将LNG从集液罐中泵压至热交换器的泵。旁通导管与该热交换器并联放置。混合阀允许从泵流出的一部分LNG分流通过热交换器，用于以期望比例与离开热交换器的被加温天然气混合，以获得期望的LNG分配温度。第5,687,776号以及第5,771,946号专利也均揭示了将中间分配罐定位在混合阀和通向车载燃料罐的分配管线之间的回路中。这允许在来自车载燃料罐的高压流体返回中间分配罐时降低车载燃料罐中的压力，以便避免温流体与在集液罐中的冷LNG混合。
虽然第5,687,776号以及第5,771,946号专利中真空夹套的中间分配容器可用于存储来自管道的热量，并且避免其返回主贮罐，但是该系统并不是最佳的。更具体地，将热交换器移到中间罐后保证了被加热的质量瞬间流动至混合阀，同时降低了系统中气体的净容积。气体是可压缩的，而液体几乎不可压缩。这样，从泵流至车载罐的液体中具有大的气体体积，使去往车载罐的净流速打折，这样在罐中产生不佳的喷射效果，并且有可能导致装填不满。分配罐在热交换器之后，如第5,687,776号以及第5,771,946号专利所示出的，可最终被适当地填满液体，但在使用过一段时间之后，罐中将有气体。虽然对于通过混合阀的气体流能够进行适当的控制，但是空容器在去往车载罐的输送中产生了水力学问题。
此外，同程饱和系统可产生大量的不必要的热量返回到主贮罐中。这进而可能导致天然气泄漏，这是不期望的。在管道中具有比贮罐更高饱和度的剩余液体将突然闪蒸（flash）并将其热量发送回贮罐。使高温管道绝热是有帮助的，但必须对所截留的热量进行适当存储。
目前需要一种解决了上述问题的分配低温液体的系统和方法。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种用于分配低温流体的系统，包括：a)集液罐，其被设置成容纳有供给的低温液体；b)加热回路，其包括中间罐和加热装置，所述加热回路具有与所述集液罐流体连通的入口，并具有出口；c)旁通接头，其被定位在所述集液罐和所述加热回路的所述入口之间，并与所述集液罐和所述加热回路的所述入口流体连通；d)旁通回路，其具有与所述旁通接头流体连通的入口，并具有出口；e)混合接头，其与所述旁通回路的所述出口以及所述加热回路流体连通；以及f)分配管线，其与所述混合接头流体连通。
可选地，所述旁通回路包括旁通导管。
可选地，所述系统还包括泵，所述泵具有与所述集液罐流体连通的入口，以及与所述旁通接头流体连通的出口。
可选地，所述中间罐是绝热的，并且包括缺量罐。
可选地，所述系统还包括温度传感器，所述温度传感器与流出所述混合接头的低温流体连通，并且其中，所述加热回路包括由所述温度传感器控制的混合阀。
可选地，所述系统还包括旁通阀，所述旁通阀被定位在所述旁通回路中，并且由所述温度传感器控制。
可选地，所述系统还包括温度传感器，所述温度传感器与流出所述混合接头的低温流体连通，并且其中，所述混合接头包括3通混合阀。
可选地，所述加热回路中的所述加热装置包括热交换器，所述热交换器具有入口和出口，所述热交换器的所述入口与所述中间罐的出口流体连通，且所述热交换器的所述出口与所述混合接头连通。
可选地，所述低温流体为低温液体，并且，所述热交换器为环境热交换器，其被设置成使流入所述热交换器的全部低温液体蒸发，使得低温蒸气被引至所述混合接头。
可选地，所述的系统还包括与流出所述混合接头的低温流体连通的温度传感器、和由所述温度传感器控制的混合阀，所述混合阀被定位在所述热交换器的出口和所述混合接头之间。
可选地，所述加热回路中的所述加热装置包括被定位在所述中间罐内的加热器。
可选地，所述加热器是电加热器。
可选地，所述低温流体为液态天然气。
本发明的另一方面提供了一种用于分配低温流体的系统，包括：a)集液罐，其容纳有供给的低温流体；b)加热回路，其包括中间罐和加热装置，所述加热回路具有与所述集液罐流体连通的入口，并具有出口；c)旁通接头，其被定位在所述集液罐和所述加热回路的所述入口之间，并与所述集液罐和所述加热回路的所述入口流体连通；d)旁通回路，其具有与所述旁通接头流体连通的入口，并具有出口，使得低温流体的一部分从所述集液罐流过所述加热回路并被加温，并且低温流体的一部分从所述集液罐流过所述旁通回路；e)混合接头，其与所述旁通回路的所述出口以及所述加热回路流体连通，使得来自所述加热回路的被加温的低温流体与来自所述旁通回路的低温流体混合，从而对来自所述旁通回路的低温流体进行调节；f)分配管线，其与所述混合接头流体连通，从而被调节的低温流体能被分配；其中在分配之后在所述加热回路中剩余的被加温的低温流体被引至所述中间罐，并被用于加温通过所述加热回路的低温流体。
可选地，所述低温流体是低温液体，并且所述加热装置是环境热交换器，并且被引导通过所述热交换器的低温液体蒸发，使得在所述混合接头处使用低温蒸气对被引导通过所述旁通回路的所述低温液体进行调节。
可选地，所述低温液体是液态天然气且所述低温蒸气是天然气蒸气。
可选地，所述系统还包括与流出所述混合接头的低温流体连通的温度传感器，以及与所述加热回路流体连通且由所述温度传感器控制的混合阀。
本发明的另一方面提供了一种分配低温流体的方法，包括以下步骤：a)提供所述低温流体的供给、具有中间罐和加热装置的加热回路，和与所述加热回路并联的旁通回路；b)将低温流体的一部分从所述供给引导通过所述加热回路；c)使用所述加热装置将被引导通过所述加热回路的所述低温流体加温；d)将低温流体的一部分从所述供给引导通过所述旁通回路；e)将来自所述加热回路的被加温的低温流体与来自所述旁通回路的所述低温流体混合，对所述低温流体进行调节；f)分配经调节的所述低温流体；和g)在分配后将在所述加热回路中剩余的被加温的低温流体引至所述中间罐；和h)将步骤g)的所述中间罐中的被加温的低温流体用于加温在步骤c)的过程中被引导通过所述加热回路的所述低温流体。
可选地，所述低温流体是液态天然气。
可选地，所述加热装置使被引至所述加热回路的所述液态天然气蒸发，使得天然气蒸气与步骤e)中来自所述旁通回路的所述液态天然气混合。
附图说明
图1是本发明的系统的第一实施例的示意图。
图2是本发明的系统的第二实施例的示意图。
图3A至图3C是示出图1中的系统的中间罐或容器（capacitor）的可选实施例的细节的示意图。
具体实施方式
虽然本发明在下文中将针对用于分配LNG的系统和方法来描述，但是可以理解的是它们也可被用于分配其它类型的低温液体或流体。
如图1所示，集液罐10包括供给的LNG11。本系统包括大体上分别以12a和12b指示的第一和第二调节和分配支路。虽然本系统将结合支路12a来说明，但是应该理解支路12b是以类似的方式工作的。LNG从集液罐10经由管线18行进至包含泵16的贮槽（sump）14，集液罐和贮槽二者均优选地为绝热的。贮槽14包含LNG22，其经由泵16经过管线24被泵至旁通接头26。
大体上以30指示的加热回路包括中间罐32和热交换器34。更具体地，中间罐或容器（下文所解释的）32的入口与旁通接头26连通，该中间罐或容器32优选地为绝热的。中间罐32的出口经由管线33与热交换器34的入口连通，该热交换器34可为环境热交换器或在本领域中已知的用于加热低温液体的任意其它装置。热交换器34的出口经由混合阀40与混合接头36连通。旁通回路包括导管42，其具有与接头26连通的入口和与接头36连通的出口。旁路导管42还配备有旁通阀44。混合阀40和旁通阀44可以是例如两向阀。被置于混合接头处的单个三通阀，例如图3A至图3C中的三通阀110，可被用于替换混合阀及旁路阀40和44。分配管线46从混合接头36引至分配器50。
中间罐32优选是缺量罐(ullage tank)并优选地具有在Gustafson的共同受让第5,404,918号或第6,128,908号美国专利中所示出的结构，在此通过引用结合这二者的内容。
在操作中，将LNG泵压至较高的压力并泵送至接头26，并且一部分行进至中间罐32，同时剩余部分行进通过旁通导管42。中间罐32被装填至缺量罐所容许的液面水平。在装填中间罐的过程中或在中间罐达到缺量罐所容许的液面水平后，LNG从中间罐32流入热交换器34。在其中对行进至热交换器的LNG加温，并且产生的液体或蒸汽流至混合接头36以与通过旁通导管42流至该混合接头的冷LNG混合。混合阀和旁通阀40和44是自动的，并由温度传感器52控制，温度传感器可包括处理器或其它控制器装置，使得在接头36处被加入冷LNG中的热的量导致饱和的或过冷却的LNG通过分配导管46流至分配器50。
如图3A和图3C所示，热交换器34优选地被设计成且尺寸被设置成使从中间罐32流入其中的全部LNG蒸发。结果，暖天然气蒸气流到混合接头与来自旁通导管42的冷LNG混合。如果流速需要稳定并处于高水平，则通常必须改变所加入的热的量。使用装满液体的环境热交换器的系统具有相对固定的加热率（heat rate）。固定加热率和固定总质量的流动意味着无论分流通过热交换器的流动比例，每单位质量的结果热量不变（且因此饱和压力不变）。在这样的情况下，进一步加热流体的唯一途径是放慢总体质量流速。如果流速下降太多则可能引发有效喷射装填（efficient spray filling）的问题。图1和图3A至图3C中的实施例（通过热池（heat battery）或中间罐32的方式）实现液体流动，或通过设计使其蒸发（热交换器34够大足以这样做）。通过这样配置热交换器可改变热量，因为分流（divert）通过有热交换器的路径的流速进而使该距离存在低温温度。然后冷LNG与相对较温的（可能接近环境）天然气蒸气在混合接头36处混合。最终结果为较温液体。
进行分配之后，管线33中的温LNG在中间罐出口和热交换器34的入口之间流动，并且管线中的温LNG在热交换器34的出口和混合阀40之间流动，排回中间罐32中用于在下次分配循环或运行中在热交换器之前对LNG进行预加温。结果，中间罐起到热池或热容器（thermal capacitor）的作用。在下次分配进行过程中，LNG在接头26分流（divert）通过中间罐32（其将所存储的热量加入LNG）以及热交换器34（其加入更多的热量）。因此，可使用较小的热交换器，因为中间罐分担了一些加热负荷。
而且，在进行分配之后，管线46中的温LNG蒸腾并经由从分配器50通向集液罐10底部的排出管线（vent line）返回集液罐。然而，通过使中间罐32和混合阀40之间的经加热的LNG返回中间罐，返回以加热集液罐的蒸气的量降低。
在泵16排放处的大小适当的中间罐32和该罐后的热交换器34可被设计成在正常工作过程中保持中间罐基本上装满液体。中间罐的尺寸还被设置成使得在其中所存储的液体的热质量（thermal mass）可接纳从热交换器或蒸发器返回的沸腾物（boil），从而存储热量用于下次饱和（saturation）请求，并不将其发送回主存储集液罐10。
如图2中示出的本发明的系统的第二实施例中，大体上以81指示的热回路的中间罐或容器（capacitor）80加入了内部电加热器82。容器的容积则用于存储由于状态调节产生的热量，用于后续使用，并且还起到热质量的作用，以实现瞬间混合动作，因为罐将液体保持在高于所需的温度和压力下，以能够进行可控混合。加热器82可被整合到中间存储罐体中，并不超出中间存储罐体80。因此，中间罐对于LNG起到类似“水加热器”的作用，并且需要被设置尺寸，使得在LNG分流进入中间罐时，热LNG离开中间罐。除电加热器以外本领域已知的加热器也可代替电加热器82。
图2中的系统中的剩余部分以与图1中系统相同的方式起作用。更具体地，如图2所示，集液罐60包括LNG61的供给部。该系统包括第一和第二调节和分配支路，其大体上分别以62a和62b指示。虽然本系统将针对支路62a进行说明，但是可理解支路62b以类似的方式工作。LNG从集液罐60经由管线68行进至贮槽64，其包含泵66。集液罐和贮槽二者均优选为绝热的。贮槽64包括LNG72，其由泵66经由管线74被泵送至接头76。优选地为绝热的中间罐或容器80的入口与接头76连通。如以上所说明的，中间罐或容器80包含电加热器82。中间罐80的出口经由管线83、通过混合阀90与混合接头86连通。旁通导管92具有与接头76连通的入口以及与接头86连通的出口。旁通导管92还配备有旁通阀94。混合阀90和旁通阀94可以是例如双向阀。但是，置于混合接头的单个三通阀，如图3A至图3C中110所示，可用于替换混合阀和旁通阀90和94。管线96从混合接头86引至分配器100。
在操作过程中，LNG被泵压至更高的压力，并且被泵送至接头76，且一部分行进至中间罐或容器80，同时其余部分行进通过旁通导管92。在中间罐80中由加热器82加温之后，LNG从中间罐80流至混合接头86，以与通过旁通导管92流至该混合接头的冷LNG混合。混合阀和旁通阀90和94可以是自动的，并可由温度传感器102控制，该温度传感器可包括处理器或其它控制器装置，使得在接头86处被加入冷LNG的热的量导致饱和的或过冷却的LNG通过分配管线96流至分配器100。
进行分配之后，管线83中的温LNG在中间罐出口和混合阀90之间流动，排回中间罐80，用于在加热器82的帮助下，在下次分配循环或流动过程中加温LNG。结果，中间罐80也起到热池或热容器（thermal capacitor）的作用。在下次分配进行过程中，LNG在接头76处分流（divert）通过中间罐32，其将所存储的热量加入LNG，并加上来自加热器82的热量。
此外，在进行分配之后，管线96中的温LNG蒸腾并经由从分配器100通向集液罐60底部的排出管线返回集液罐。然而，通过使在中间罐80和混合阀90之间加热LNG返回中间罐，返回以加热集液罐的蒸气的量减少。
关于在图1和图2的系统之间的选择，图1中的系统的中间罐32更大，且由于具有环境热交换器34，所以可产生雾。相反地，图2中的中间罐80和加热器82更为昂贵但不起雾。
转向图3A至图3C，示出了中间罐32的可选实施例。如图3A所示，中间罐32包括限定缺量空间104的缺量罐。中间罐包括对LNG106的供给，LNG106从泵（图1中16）通过止回阀116提供。
正如现在将解释的，图3A至图3C中的中间罐或容器32实现了在罐体内最小分层（stratification）。图3A示出了正常的装填或分配操作。连自泵的冷LNG入口通过止回阀116通到中间罐32的底部。LNG通过开口117进入罐体32的底部，开口117配备有挡板119，以保持新液体处于罐体的下部。通过止回阀114a和管线33传输至加热器34的液体是经由管线108来自中间罐上半部的较温层。温液体和气体从加热器返回，通过止回阀114b去往中间罐内管部121里面的混合区。这里可以可选性地具有屏蔽件（screen），屏蔽件上带有小孔，用于更好地气体再凝结，并且具有较热液体出口，该出口经由管部在中间管体的上部。R1为节能调节器，R2为蒸腾调节器，用于在较长的待用之后，排放过剩压力，以返回至集液罐底部。
在正常装填或分配过程中，进入的LNG可推动蒸气通过在罐的上部的罐液体出口（管线108的入口），并到达热交换器34并到达混合阀110，混合阀110处于温度传感器112的控制下。进入的LNG（通过止回阀116）将向中间罐填充液体至管线108的入口。管线108入口的位置还可部分地确定缺量空间（ullage），以提供无缺量罐的实施例。最大液面水平将在管线108的入口和通向引至R1/R2的管线118的出口之间。
图3B示出了在分配循环或工作之后的操作。更具体地，如上参考图1所说明的，在进行分配之后，管线33中的温LNG在中间罐出口和热交换器34之间流动，并且管线中的温LNG在热交换器34的出口和混合阀110之间流动，排回至中间罐32，用于在下一次分配循环或工作过程中在热交换器之前预加温LNG。因此，中间罐起到热池或热容器的作用。来自热交换器的气体使得在中间罐内的LNG饱和，并且在容器32内出现压力上升。过量的蒸气/液体通过管线118和120以及蒸腾调节器R2行进至集液罐。
图3C示出了在高于节能调节器R1设定压力下的装填或分配。过量液体/蒸气从容器32行进穿过管线118、节能调节器R1和管线122，在此其与经由管线33去往热交换器34的LNG汇合。在容器中由于压力降低而蒸发的任何饱和LNG都去到缺量空间104（图3A）。
虽然已经示出了并且说明了本发明的优选的实施例，但是对于那些本领域技术人员显而易见的是，可对这些实施例进行改变和修改而不背离本发明的实质，本发明的范围是通过随附的权利要求来限定的。

Claims (20)

1.一种用于分配低温流体的系统，包括：
a)集液罐，其被设置成容纳有供给的低温液体；
b)加热回路，其包括中间罐和加热装置，所述加热回路具有与所述集液罐流体连通的入口，并具有出口；
c)旁通接头，其被定位在所述集液罐和所述加热回路的所述入口之间，并与所述集液罐和所述加热回路的所述入口流体连通；
d)旁通回路，其具有与所述旁通接头流体连通的入口，并具有出口；
e)混合接头，其与所述旁通回路的所述出口以及所述加热回路流体连通；以及
f)分配管线，其与所述混合接头流体连通。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述旁通回路包括旁通导管。
3.如权利要求1所述的系统，还包括泵，所述泵具有与所述集液罐流体连通的入口，以及与所述旁通接头流体连通的出口。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述中间罐是绝热的，并且包括缺量罐。
5.如权利要求1所述的系统，还包括温度传感器，所述温度传感器与流出所述混合接头的低温流体连通，并且其中，所述加热回路包括由所述温度传感器控制的混合阀。
6.如权利要求5所述的系统，还包括旁通阀，所述旁通阀被定位在所述旁通回路中，并且由所述温度传感器控制。
7.如权利要求1所述的系统，还包括温度传感器，所述温度传感器与流出所述混合接头的低温流体连通，并且其中，所述混合接头包括3通混合阀。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述加热回路中的所述加热装置包括热交换器，所述热交换器具有入口和出口，所述热交换器的所述入口与所述中间罐的出口流体连通，且所述热交换器的所述出口与所述混合接头连通。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述低温流体为低温液体，并且，所述热交换器为环境热交换器，其被设置成使流入所述热交换器的全部低温液体蒸发，使得低温蒸气被引至所述混合接头。
10.如权利要求8所述的系统，还包括与流出所述混合接头的低温流体连通的温度传感器、和由所述温度传感器控制的混合阀，所述混合阀被定位在所述热交换器的出口和所述混合接头之间。
11.如权利要求1所述的系统，其中，所述加热回路中的所述加热装置包括被定位在所述中间罐内的加热器。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述加热器是电加热器。
13.如权利要求1所述的系统，其中，所述低温流体为液态天然气。
14.一种用于分配低温流体的系统，包括：
a)集液罐，其容纳有供给的低温流体；
b)加热回路，其包括中间罐和加热装置，所述加热回路具有与所述集液罐流体连通的入口，并具有出口；
c)旁通接头，其被定位在所述集液罐和所述加热回路的所述入口之间，并与所述集液罐和所述加热回路的所述入口流体连通；
d)旁通回路，其具有与所述旁通接头流体连通的入口，并具有出口，使得低温流体的一部分从所述集液罐流过所述加热回路并被加温，并且低温流体的一部分从所述集液罐流过所述旁通回路；
e)混合接头，其与所述旁通回路的所述出口以及所述加热回路流体连通，使得来自所述加热回路的被加温的低温流体与来自所述旁通回路的低温流体混合，从而对来自所述旁通回路的低温流体进行调节；
f)分配管线，其与所述混合接头流体连通，从而被调节的低温流体能被分配；
其中在分配之后在所述加热回路中剩余的被加温的低温流体被引至所述中间罐，并被用于加温通过所述加热回路的低温流体。
15.如权利要求14所述的系统，其中，所述低温流体是低温液体，并且所述加热装置是环境热交换器，并且被引导通过所述热交换器的低温液体蒸发，使得在所述混合接头处使用低温蒸气对被引导通过所述旁通回路的所述低温液体进行调节。
16.如权利要求15所述的系统，其中，所述低温液体是液态天然气且所述低温蒸气是天然气蒸气。
17.如权利要求14所述的系统，还包括与流出所述混合接头的低温流体连通的温度传感器，以及与所述加热回路流体连通且由所述温度传感器控制的混合阀。
18.一种分配低温流体的方法，包括以下步骤：
a)提供所述低温流体的供给、具有中间罐和加热装置的加热回路，和与所述加热回路并联的旁通回路；
b)将低温流体的一部分从所述供给引导通过所述加热回路；
c)使用所述加热装置将被引导通过所述加热回路的所述低温流体加温；
d)将低温流体的一部分从所述供给引导通过所述旁通回路；
e)将来自所述加热回路的被加温的低温流体与来自所述旁通回路的所述低温流体混合，对所述低温流体进行调节；
f)分配经调节的所述低温流体；和
g)在分配后将在所述加热回路中剩余的被加温的低温流体引至所述中间罐；和
h)将步骤g)的所述中间罐中的被加温的低温流体用于加温在步骤c)的过程中被引导通过所述加热回路的所述低温流体。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述低温流体是液态天然气。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述加热装置使被引至所述加热回路的所述液态天然气蒸发，使得天然气蒸气与步骤e)中来自所述旁通回路的所述液态天然气混合。
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