CN104114930A - 包括复合材料压力容器的cng储存器 - Google Patents

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L·莫塔
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G·尼索
P·雷东迪
R·罗西
V·N·托马瑟利
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Abstract

一种用于压缩天然气的储存系统，所述储存系统包含用于储存CNG的至少一个储存容器以及冷却站，其中所述储存容器连接到所述冷却站，以使CNG可以在经过冷却站之后储存在储存容器中，并且一旦储存的气体条件离开设定范围，所述气体就在所述冷却站中进行冷却，并且返回到储存容器，其中由于制成压力容器的复合材料以及尤其是玻璃增强的聚合物，所述储存容器与其外部隔热。

Description

包括复合材料压力容器的CNG储存器
技术领域
本发明涉及压缩天然气(CNG)的储存。更确切地说，本发明涉及一种包括压力容器的CNG储存器和储存系统。
背景技术
以CNG的形式储存的燃料气主要由气态的甲烷组成，但在一些情况下，所述燃料气在高压下可以含有液体组分。
术语CNG意指压缩天然气，无论是井内液气流流体，即从源头未经处理地接纳的气体和液体碳氢化合物，或是将具有较少杂质的经处理的压缩天然气。
CNG流体可以包含具有可变混合比的多种可能的组成成分，一些呈气相并且另一些呈液相，或气相和液相的混合物。那些组成成分典型地包括以下化合物中的一者或多者：C2H6、C3H8、C4H10、C5H12、C6H14、C7H16、C8H18、C9+碳氢化合物、CO2和H2S，可能加上液态的甲苯、柴油和辛烷。
在通常定义为约15℃的环境温度下测量时针对CNG储存的最佳条件是压力约为250巴，或如果在较低温度下、即约-30℃下测量，则CNG储存的最佳条件是压力约为160巴。
与在低压下用液体形式的气体(LNG-液化天然气)进行的气体储存的常规方法相比，使用CNG的优势不容忽视。所述优势特别是包括当将气体运输到储存器或从储存器运走气体时在总体投资和处理成本方面、在设备需求方面以及在加载/卸载过程中所涉及的时间方面的节省。具体而言，CNG技术涉及更标准化或更简化的加载和卸载终端的结构。这些平台可以是例如离岸平台或浮标。
在CNG的情况下，通常可以在已适于开始出售或交付的压力和温度条件下在终端处加载气体。另一方面，在LNG的情况下，卸载的LNG通常在开始使用之前需要在综合的重新气化厂中进一步处理，因为LNG通常以液体形式并且在低温下卸载。所述重新气化设备可能极其昂贵并且从环境角度来说可能是不合需要的或危险的，由此所述重新气化设备通常不适合沿地中海的欧洲海岸线，所述区域通常人口稠密，例如意大利的海岸线。
CNG加载和卸载过程和设备取决于与气体源位置和有关气体的组分相关联的若干因素。
关于用于连接到船舶上的设备(浮标、平台、码头等…)，需要提高灵活性并且将基础设施的成本最小化。通常，通过考虑如下标准来选择使用何种设备：
安全性；
可靠性和规则性；
水深度和移动特征；以及
船舶操作：接近和操纵。
典型的平台包括与海床相连的用于收集气体的基础设施。
码头是用于连接到船舶(加载或卸载)的另一种典型的解决方案，当气体源在岸上时可以应用码头。气体管道从将气体处理和压缩到作为CNG的合适加载压力的处理厂延伸到码头并且用于加载和卸载操作。机械臂从码头延伸到船舶。
码头是一种相对公认的解决方案。然而，建造新的码头非常昂贵且耗时。码头还需要大量的空间并且具有相对较大的环境影响，尤其在受保护区域中和用于海上交通时。
利用浮标的解决方案可以按以下分类：
CALM浮标；
STL系统；
SLS系统；以及
SAL系统。
悬链锚腿系泊(CALM)浮标特别适合于浅水。所述系统基于使船舶系泊于在水表面上浮动的浮标上。所述系统的主要部件是：具有集成塔楼的浮标；旋转接头；管道系统；公用设施；一个或多个软管；用于连接到船舶上的缆索；包含连接到海床上的锚和链条的系泊系统。所述系统还包括连接到海床上的柔性立管。这种类型的浮标需要用于将缆索和管道系统连接到船舶上的辅助/维护容器的支撑。
浸没式塔楼加载系统(STL)包括用于风大浪急的海面条件的连接和断开装置。所述系统是基于系泊到海床的浮动浮标的(浮标将在准备用于连接的海面下方的平衡位置中浮动)。当连接到船舶上时，浮标被向上拉动且固定到船舶内部的配合锥体上。所述连接使船舶船体能够围绕浮标塔楼自由旋转。所述系统还包括连接到海床上的柔性立管，但是需要船舶内部的专用空间来允许所述连接。
浸没式加载系统(SLS)由连接到加载/卸载立管上的海床安装的旋转接头系统以及声波应答器组成。浮动软管的连接可以在不具有支撑容器的情况下容易地执行。借助于拾起绳索，所述柔性立管可以被提起并且随后连接到船舶上的对应连接器上。
单锚加载(SAL)包括系泊用具和具有单个系缆的流体旋转接头、用于流体传递的柔性立管；以及用于锚定到海床上的单个锚。油轮通过将系缆和立管从海床拉在一起并且朝向容器向上拉动而连接到所述系统上。随后系缆被紧固且立管连接到容器上。
此外，CNG技术一般来说比LNG更有效，因为CNG技术在气体处理过程中的能量消耗通常低很多，这进而会产生较小的温室气体覆盖区。
MMSCF(或mmscf)用于指气体的标准化体积。其意指百万标准立方英尺-用于量化所储存的可用CNG量的标准术语。
标准立方英尺(简化为scf)是对气体量的度量，等于在60华氏度(15.6摄氏度)以及14.696psi(磅/平方英寸)(1个大气压或101.325kPa)或14.73psi(30英寸汞柱(inHg)或101.6kPa)的压力下的体积的立方英尺。因此标准立方英尺并非体积单位而是量的单位，并且转化到标准立方米与将立方英尺转化到立方米(乘以0.0283...)并不相同，因为所使用的标准温度和压力是不同的。假定一种理想气体，使用14.73psi的约定的标准立方英尺表示1.19804摩尔(0.0026412磅摩尔)，等同于0.026853标准立方米。
气体体积的常见油田单位包含ccf(百立方英尺)、Mcf(千立方英尺)、MMcf(百万立方英尺)、Bcf(十亿立方英尺)、Tcf(万亿立方英尺)、Qcf(千万亿立方英尺)等。M是指千的罗马数字。两个M为一千个千或一百万。有时包含用于“标准”的s，但经常被省略和暗指。在大多数情况下，我们在上文和下文中使用它。
通常，气体的压力和温度条件对储存系统的总体构造极其重要，并且还对气体储存装纳器(压力容器)的大小、重量和结构特性极其重要。具体而言，由于与LNG相比，关于CNG的操作/储存/运输压力本质上增加，因此不断需要发明和设计新的CNG装纳器(通常被称作压力容器)以及相关联的填充、运输和排空系统。
专门设计用于CNG的海上运输的压力容器必须符合由国际法规规定的安全标准和需求，例如，ASME和IMO标准，从而允许用于航行。这些要求还取决于其中使用的结构类型而改变。例如，压力容器可以由金属(例如钢)、聚合物、复合材料或不同材料层制成。因此，此领域的操作者开发用于提供更大或等效耐压性但具有较低压容器重量的新的容器结构和新的材料。
已知能够承受高达250巴的压力并且还具有较大尺寸(例如，直径3米)的装纳器的使用需要较大的壁厚，以便安全地容纳加压气体。因此，这些容器非常笨重，尤其是钢制容器。较重容器比较轻容器需要更大程度的增强和支撑。因此，与包括较轻容器的储存器或储存系统相比，具有较重容器的储存器或储存系统构造和维护起来更昂贵。
还已知，使用极高压等级需要压力容器对应地更为牢固，因此它们的制造成本增加。此外，这可能引起压力容器具有复杂结构或耗时的制造过程。毕竟，需要此种设计完整性，因为在发生破损或事故的情况下，压力容器必须能够完好无损，从而不会造成危险后果。
最广泛用于CNG储存的系统设想多个圆柱形装纳器，取决于它们的形状被称为容器或管道。通常出于特定目的，这些容器具有共同的长度和直径，但不同应用可以允许这些容器具有不同直径和长度。所述容器主要具有1米的直径以及适合于船舶大小的长度。
这些容器或管道通常彼此并排地、垂直或水平地布置在平行阵列中，并且通常由钢(类型1)或钢加上复合材料主体包裹物(类型2或类型3)制成。类型2和类型3都具有用复合材料包裹的内层，但是类型2仅包裹圆柱形部分，因此并未包裹拱顶，而类型3则包含拱顶在内全部进行包裹。
所述容器或管道专门设计成承受与它们的目的相关联的高压，并且被装在设计用于此目的的台架内部。
用于填充所述装纳器的过程设想在储存压力和温度(通常在15℃为250巴)下调节气体。调节操作可以在船上或在陆地上执行。然而，必须考虑针对所选择的方法所需的管道系统以及在适当情况下暴露于大气条件所引起的成本和困难。
用于排空装纳器的过程通常起初涉及气体的自然膨胀，这常规地称为“自然卸载”。膨胀的气体随后直接以输送位置所需的压力值进行输送。然而，这个值可以取决于位置或应用而改变。通常压力将在40巴与120巴之间的范围变化。
在自然卸载之后，其它气体可以使用强制抽气进行卸载。在此过程中，剩余的或残余的气体从压力容器泵出，该过程通常被称作“清扫(scavenging)”，在所述过程期间气体可以并且一般进行再压缩，因此与仅通过自然卸载的过程可实现的相比，更多气体从压力容器移除。
再压缩和清扫步骤涉及能量使用，因此通常被视为不期望的但又必需的处理步骤，尤其是在需要使储存的CNG的体积转移最大化、同时仍在适于开始出售或分销的条件中转移CNG的情况下。
在这些处理步骤过程中，有时会修改CNG的压力和温度值。这是为了便于操作，或为了确保在所需温度或压力条件下的排放-CNG的膨胀或再压缩将确保CNG在从储存器排出时被正确地再调节到适当的值。
已知膨胀/排放气体的温度是显著改变该气体状态的特性，并且该温度实际上是一个变量，因为该温度取决于压力容器所暴露的大气条件以及膨胀(或再压缩)率。例如，就此而言已知在排放过程中温度不必下降到太低的值，这是为了防止液化或将液化减到最少，否则会以不期望的量出现液化。
此外，温度还直接决定气体的压力，由此温度还影响在给定的储存体积中实际可运输的产品的量-较低温度产生较小压力，因此在给定的储存体积中针对给定的储存压力允许更多CNG储存。或者，通过在低于环境温度的温度下调节气体，可以降低装纳器内的压力。例如，对于约-30℃的温度下的相同体积，天然气的压力从例如250巴下降到约160巴。因此，通过在较低温度下储存气体，而不是进一步添加CNG以再次增加压力，较低额定压力的装纳器现在可以储存更多气体，这种冷却处理可以替代地用于为可替代方法提供机制：选择壁较薄的且因此更轻的压力容器，即，设计用于160巴而不是250巴的压力容器。此类较轻的压力容器体积较小且较轻/更易于制造，因为这些压力容器具有较小的壁厚，这样又允许在给定的压力容器体积内储存更大量的产品(与较高温度情形相比)。
尽管如此，需要理解在填充和储存操作过程中，调节(冷却)操作会增加气体处理过程的复杂度。
与250巴的常规值相比通过降低储存压力，可以限制与容器的结构相关联的重量、体积和成本，并且还可以降低意外事故情况下的潜在危险。然而，气体通过制冷的额外处理会引起更高的工厂投资成本和能量消耗。关于CNG，特别是这些处理操作会造成引入有效冷却系统的需要，所述冷却系统也可以受到精确控制，从而防止液化、传递正确数量的气体并且还防止装纳器内部的压力危险地增加。
此外，如果操作温度低于环境温度，则有必要为装纳器系统提供合适的隔热，以便限制与装纳器周围的环境的热交换。
还已知冷却阶段需要引入用于防止气体状态变化的合适装置，例如，热交换器和垂直分离器，并且还需要引入用于控制和修改压力的系统，例如，旋转涡轮机和分层阀。
通常还已知如果还需要回收内部或外部能量、特别是热能以限制压缩机的使用以及提高总体效率，则强制激冷过程涉及包含到现有管道内这方面的困难。
应用于近岸和离岸气体运输的温度降低和控制的常规系统基本上可以如下分类：
a)“自然冷却”通常使用强制空气流或与海水的热交换来执行，而除了循环流之外不需要添加外部能量；
b)“强制激冷”通常借助于压缩机/蒸发器类型的闭合圈的制冷机来执行。
尽管关于CNG的气体运输过程是新近的并且仍在发展和提高，但是其它领域的运输过程(例如，LNG的领域)进一步得到发展。它们利用极低的操作温度(低温)，并且因此包含多种冷却和激冷装置以及热交换器、压缩机、分离器和在填充过程中以及在储存和输送过程中有助于液化气体的调节过程和控制的其它装置。在相关领域(例如，石油化学工业)中还已知的是多种特定的冷却和调节应用。然而，这些应用与本发明不具有相同目标。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供一种CNG储存系统，包括：储存器，其具有至少一个压力容器，用以在储存条件下储存CNG，其中储存条件不同于环境条件；以及调节器，用以将储存在至少一个压力容器中的CNG维持在储存条件下，其中所述至少一个压力容器具有复合结构。
在本发明的某些实施例中，复合结构包含复合材料，其中至少两个相包含在所述复合材料中，并且其中两个相具有基本上不同的机械特性并且分别具有增强功能和连续性功能，即，纤维和基质。纤维可以是无机的(例如，玻璃、碳、石墨等)，而基质可以是热固性或热塑性聚合物。由纤维制造的增强相可以在需要大部分强度之处对齐，从而提供各向异性(不同方向上具有不同特性)的但仍有效的结构。
储存条件可以包括降低的压力和或温度。在此种布置中，储存条件可以包括在环境温度下(15℃)约250巴的压力。在另一实施例中，储存条件包括-30℃的温度以及约160巴的压力。
调节器可以包括交换器。在其它实施例中，调节器此外或替代地包括压缩机和/或焦尔-汤普森阀(Joule-Thompson valve)。在实施例中，调节器包含一个或多个海水交换器。
在根据本发明的布置中，储存在储存器的压力容器中的CNG由监测系统监测并且在储存的CNG的条件从储存条件改变多于预定量时被运输到调节器。在一实施例中，根据所使用的储存器的危险可能性以及制造公差，所述预定量是不超过储存条件的1％、2％或5％的温度和/或压力的变化。
所述预定量可以取决于要求而改变。较小的预定量将是更加能量集中的，但是还确保储存的气体的体积以及其它特征的变化较小。这些以及其它参数可以根据操作要求改变。
所述系统可以包括预储存处理单元，所述预储存处理单元包括用于降低流体温度的多个处理步骤，所述多个处理步骤包括a)气流冷却；b)海水冷却；以及c)利用使用压缩机/蒸发器的制冷循环或低温循环进行激冷；其中所述处理步骤用于降低流体的工作压力或允许提高流体密度同时保持基本上相同的工作压力。
步骤a)至c)可以顺序执行。
海水冷却可以使用海水热交换器来执行。
在完成填充一个或多个压力容器之后，用于CNG的储存的工作条件可以是-30℃(+/-4℃)的温度以及160巴(+/-10％)的压力。
在完成填充一个或多个压力容器之后，用于CNG的储存的工作条件可以是-30℃(+/-1℃)的温度以及160巴(+/-2％)的压力。
在填充过程中用于降低温度的处理步骤可设置成将进入流体的压力和温度水平调节至由最小和最大温度和压力值界定的预定范围内。
处理步骤a)可设置成将进入流体的温度调节至55℃与65℃之间的温度。
处理步骤b)可设置成将进入流体的温度调节至10℃与20℃之间的温度。
处理步骤c)可设置成将进入流体的温度调节至-35℃与-25℃之间的温度。
在步骤c)中，制冷流体可以是丙烷和乙烯的混合物，其中丙烷的百分比量在74％与76％之间以及乙烯的互补百分比量在26％与24％之间。
压力容器可以包括：
具有直径和轴向长度的圆柱形主体；
各自具有轴向深度的两个圆柱端部，圆柱形主体和圆柱端部一起限定大体上凸起的外表面以及大体上凹入的内表面，所述内表面界定用于容纳CNG的内部体积；以及
CNG入口/出口，
其中压力容器的总长度通过将圆柱形主体的轴向长度加上圆柱端部的对应轴向深度来定义，每个均在外部进行测量，并且排除CNG入口/出口的长度，并且
压力容器的总长度与圆柱形主体的外直径之间的比率包括在2:1与1:1之间的范围内，并且包含值2:1。
储存器可以包括多于一个压力容器。
当考虑不存在任何入口或出口或其任何颈部时，圆柱端部中的至少一个可以呈拱顶形状。
所述拱顶就其径向范围的至少90％而言可具有基本上恒定的半径。然而，在压力加载到容器上时，可以将短范围与圆柱形主体融合，以减少容器材料内的应力集中。
两个圆柱端部可以呈此种拱顶形状。
两个圆柱端部可以具有相同的轴向深度。这可以用类似形状或不同形状来实现。
容器的体积和表面可以是绕圆柱形主体的轴线为大体上轴对称。
圆柱形主体的外直径可跨越5米与50米之间的范围。30m也是可能的直径。
容器可以适合于承受50巴与160巴之间的内部压力。通常容器将适合于承受至少160巴的内部压力。
然而，本发明的实施例还可以适合于使用其中压力仅替代地超过60巴，或可能超过100巴、150巴、200巴或250巴中的至少一个，以及可能处于峰值在300巴或350巴的压力下的情况。在此类实施例中，类型3或类型4的“圆柱形”压力容器(例如，具有带有圆形截面的基本上圆柱形的中间部分的压力容器)。
纤维增强的聚合物层可设置在容器周围。
纤维增强的聚合物层可全设置在容器的圆柱形主体周围。
纤维增强的聚合物层可以是环形包裹的纤维增强的聚合物层。
纤维增强的聚合物层可以覆盖容器的圆柱端部的至少80％或达到入口或出口的颈部、加上圆柱形主体。
圆柱端部可以是测地(geodesic)拱顶。
圆柱端部可以具有不小于容器总长度的一半的半径，该长度在上文陈述中已定义。
纤维增强的聚合物层可通过旋转的螺旋环螺旋形包裹在圆柱端部上。
缠绕的各环可以与相应层内的相邻各环邻抵，由此提供表面覆盖纤维层。所述缠绕的各环可以替代地间隔开。
多个纤维增强层可形成在容器的表面上。各层可以在环形缠绕与螺旋形缠绕之间交替，并且角度可以在相邻各层之间或甚至在间隔开的对应各层(例如，间隔开的环形缠绕物)之间变化。由于容器结构中的负载分布，因此环形(圆柱形)部分所具有的纤维增强的聚合物量可以是端部所具有的纤维增强的聚合物量的两倍。
容器可以包括金属内衬。内衬可以具有在1mm与50mm之间的范围内的横截面厚度。其它厚度也是可能的，厚度可以在此范围内，或厚度可以大于此范围，尤其在内衬需要承受缠绕力的情况下，直径越大，则内衬塌缩或弯折的风险就越大，由此内衬就越厚。在某些实施例中，厚度不超过10mm(或不超过直径的1％)，内衬在最终产品中通常是非结构性的，即，缠绕物/层、而不是内衬提供绝大部分的结构强度。非承重或非结构性内衬是由于内部压力而能够承受不超过10％的应力的内衬。
优选地，容器包括由聚酯树脂、乙烯基酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂、高纯度双环戊二烯树脂、双马来酰亚胺树脂以及聚酰亚胺树脂中的一种制成的聚合物层。
优选地，容器包括缠绕的纤维增强物，所述缠绕的纤维增强物包括碳纤维、玻璃纤维和(芳族聚酰胺纤维)中的至少一种。
纤维增强的聚合物层可以施加在容器的表面上。对于较大尺寸的容器，例如直径2.5米或更大，层可以具有至少100mm的厚度。
附图说明
图1是CNG提取、运输和处理系统的示意图；
图2是根据本发明的实施例的CNG储存系统的示意图；
图3是用于包含到根据本发明的实施例的储存系统内的调节器的示意图；
图4示出大体上圆柱形的压力容器；
图5是来自图4的放大的横截面切去部分；
图6是从侧面看纤维包裹压力容器的方法的示意性表示，容器为根据本发明的实施例的；
图7是纤维包裹球形压力容器的方法的示意性表示；
图8是就体积和表面积之比与可制造性之间的比较而言、一般说明了圆柱形压力容器和球形压力容器的相对定位的曲线示意图，包含对本发明的压力容器可以放置的对比区域的又是一般的说明；以及
图9是根据本发明的容器的示意性横截面图。
具体实施方式
图1是CNG提取、运输和处理循环的示意图。所述循环包含在离岸平台10处从地下储罐提取CNG。CNG随后被运输到通常附连到平台10上的FPSO(浮式生产储油卸油船)12。如本领域中已知，FPSO 12包含用于处理CNG以确保CNG处于用于运输的合适条件下的设备。此种处理可以包含脱水单元11、压缩单元13、储存器等。FPSO 12可以包含根据本发明的实施例的储存系统15。
图1中所说明的循环还包括与FPSO 12对接以承接CNG的多个船舶14，所述CNG随后通过船舶14运输到卸载码头16。码头16连接到根据本发明的实施例的CNG储存系统20。CNG储存系统20又连接到气体网22上，由此气体被运输到多个地面使用点。
应当明白，图1中所说明的循环仅通过实例提供。在实践中发现此种循环的多种变化。例如，图示为位于图1中的FPSO 12上的处理设备同样可以位于离岸平台10上。
重要的是，平台10处的气流不能被中断。因此，如所提及，可能有利的是将根据本发明的实施例的气体储存系统包含在平台10或FPSO 12中。类似地，重要的是维持到至气体网22的不间断的气体供应，因为许多用户依赖于此。因此，使用连接到气体供应网22的、根据本发明的实施例的供应系统。随后应明白，根据本发明的实施例的供应系统因此能够用作用于气体的不连续供应(例如，由从一个船舶到下一船舶的供应中断引起)的缓冲器。
图2说明了根据本发明的实施例的气体储存系统20。气体储存系统20包含入口管28。入口管28连接到如下装置上，CNG通过所述装置传送到储存系统20。在图1的实施例中，这可以是码头16，但同样可以是任何其它CNG源。此外，在此实施例中进入储存系统的CNG被冷却和压缩。气体入口130连接到压缩机132、风扇134和交换器136上，所有这些装置用于在气体进入系统20的入口28之前冷却和压缩气体。压缩机132、风扇134和交换器136形成预储存处理单元138。
储存系统20还包括多个压力容器32。每个压力容器32包括：入口38，CNG通过所述入口被引入压力容器32；以及出口36，CNG通过所述出口离开压力容器32。此外，每个压力容器32包括确定储存的CNG的条件的传感器40。在此实施例中，传感器40确定储存的CNG的压力和温度，但是在其它实施例中，仅确定温度或仅确定压力，或确定CNG的其它特征。
压力容器32的出口36连接到调节器44，所述调节器的操作在下文的进一步细节中描述。调节器44连接到压力容器32的入口38中的每一个上。压力容器的入口38还连接到出口41上，CNG可以通过所述出口离开储存系统20。在所说明的实施例中，出口41由出口阀42控制，所述出口阀进而连接到将气体引向输送条件的预输送处理单元46。在其它实施例中，预输送处理单元可以包括加热器和压缩机。预输送处理的组成是基于气体储存系统20所安装的位置。当气体储存系统20安装在FPSO 12上(在经由船舶进行气体运输的上游)时，预输送处理单元处理气体，以使其适合于运输中所涉及的船舶。另一方面，在气体储存系统20连接到气体网22(在经由船舶进行气体运输的下游)的情况下，预处理单元使气体适合于通过气体网22的运输。
图2中所说明的储存系统20还包括监测系统50，所述监测系统连接到压力容器中的每一个的传感器40、入口阀38和出口阀36。监测系统50监测传感器的输出并且当压力箱中的CNG的压力和温度降到预定值或值范围以下或以上时，为该压力容器打开对应的出口阀36，使得储存在所述容器中的气体被运输到调节器44，在所述调节器处，压力和温度恢复到可接受的水平。
此外，如图2所说明，系统包括烧放区(flare)56，该烧放区连接到出口36上并且由监测系统50控制。在紧急情况下，可以使储存的气体经由烧放区56快速离开。
在打开压力容器32的出口阀36的同时，入口阀38也由监测系统50打开，由此使先前通过调节器进行处理的CNG能够进入压力容器32。
以此方式，储存系统20维持储存在压力容器的每一个中的CNG的压力和温度。监测系统50能够同时控制进入压力容器32的一个或多个中的流。
图2中示出三个压力容器32。这些压力容器32构成储存器52。在本发明的其它实施例中，如图2的压力容器之间的虚线所说明，储存器可以具有多于或少于三个的压力容器。在实施例中，储存器52包括单个压力容器。
取决于储存器52的构造，构成储存器52的压力容器可以包含直径变化的(在一个实施例中为1米)且长度不同的基本上圆柱形的装纳器。这些高压装纳器彼此并排地并联布置并且互连。
本发明的实施例可以包含可检查的类型的压力容器。这些压力容器可以垂直地布置，并且在某些实施例中可以通过非限制性实例的方式组合在模块中。在实施例中，压力容器具有1米与6米之间的直径、垂直地布置并且以达到每模块七十个单元的数量进行布置。此外，在实施例中，模块中的每个容器被成行地以“串联”布置互连，并且其中每一“行”并联到模块的主集管上。每个模块又并联到主要管道系统上，被称为“多级”。
考虑基准情况，气体将通常储存在250巴以及标准温度(约15℃)下。通过使用创新的制冷系统，获得-30℃左右的温度以及约160巴的工作压力。在加载阶段过程中(在气体被引入到储存系统20中时)，由如上文所述的预储存处理单元138执行冷却和压缩。在容易提供海水之处，交换器136可以利用海水来操作。一旦完成储存系统的加载，调节器44就将气体维持在预定条件(例如，-15℃、160巴)。合适的流体(例如，丙烷)通过压缩机和分层阀周期性地执行从液体到蒸气的过渡，从而从CNG中提取热量。在另一实施例中，预输送单元、预储存单元以及调节器可以作为单个压缩和/或冷却单元提供。
图3说明了调节器44。在此实施例中，调节器44用于压缩和冷却CNG。如图3中所示，处理后的天然气通过经过压缩机80进行再压缩，以达到所需的储存压力值，例如160巴。由于在天然气离开压力容器时温度提高，并且由于当天然气由压缩机80压缩时其温度也会提高，因此也需要冷却阶段。
调节器44包含：入口60，由此CNG进入调节器44；以及出口62，由此CNG离开调节器44。CNG的冷却在低温热交换器64中发生。热交换器64包含制冷剂并且热量以已知方式在热交换器64中、于制冷剂与CNG之间交换，由此冷却CNG。图3中还说明用于制冷剂的冷却循环66。
在此实施例中，用于冷却循环66中的制冷剂是混合制冷剂。混合制冷剂由压缩机68压缩到约20巴，并且随后由海水交换器70冷凝，然后以约25℃储存在混合制冷剂储存筒72中。所述混合制冷剂随后由海水交换器74过冷却到约15℃以及由低温交换器64过冷却到约-30℃。过冷却的混合制冷剂随后以约3.8巴被放在焦尔-汤姆森阀76中。混合制冷剂的温度随后大约为-33.5℃。冷的混合制冷剂被引入到低温热交换器64中，在此所述混合制冷剂将被完全蒸发，因此所述混合制冷剂能够将天然气冷却到约-30℃。蒸发的混合制冷剂将被送到筒78，然后送回压缩机68。
所说明的实施例的冷却阶段利用两个海水交换器70和74。出于此原因，此实施例的储存系统20位于接近海水的位置。在其它实施例中，用替代的冷却装置替换海水交换器。
考虑到制冷循环中的工作流体，我们应注意，就潜在的环境影响而言，这些工作流体应提供良好的效率以及较低的危险性。例如，有用的工作流体可以是丙烷、乙烯和甲烷。氮气循环尽管消耗高得多但也是可能的。虽然其电量需求更高，但仍是可管理的。例如，利用液烃(HC)环流和混合制冷剂循环，储存600MScf的碳复合材料情况所需的功率是1.3MW。利用氮气循环和氮气环流，所需的电量是4.1MW。
返回参考图2，调节器44连接到控制调节器44的运行的监测系统50。
在替代实施例中，调节器44具有独立于储存系统20的其余部分的控制和调节系统的控制和调节系统。
上文提及的所需功率假定使用设计成每天损失不超过约2℃的隔热系统。
尽管冷却过程可以被提供有单独的预定压力和温度目标，但是当将甲烷用作容纳在PV中的气体时，仅针对基准情况进行的研究已证实以下值是可实现的：
a)气流冷却：
●输入温度＝约92℃；
●输出温度＝约60℃；
●输入压力＝约160巴；
●输出压力＝约159.8巴；
b)海水冷却：
●输入温度＝约60℃；
●输出温度＝约15℃；
●输入压力＝约159.8巴；
●输出压力＝约159.3巴；
c)激冷：
●输入温度＝约15℃；
●输出温度＝约-30℃；
●输入压力＝约159.3巴；
●输出压力＝约158.8巴；
由此可见，在优选布置中，气体压力可以考虑为在温度降低阶段中基本上是恒定的。
此外应注意，如果气体组分不是基本上纯净的甲烷，则这些值(温度和压力)有可能不同，并且其它预定目标值可能更合适。尽管如此，作为目标，需要在以下边限内处理每个步骤：
步骤a)60℃+/-ΔT，其中ΔT不超过5℃；
步骤b)15℃+/-ΔT，其中ΔT不超过5℃；
步骤c)-30℃+/-ΔT，其中ΔT不超过5℃；
对于每个步骤，需要基本上维持160巴+/-Δp的恒定输出压力值，其中Δp不超过10巴，并且更优选地为1、2、3、4或5巴。这些指示目标值为每个处理步骤提供合适的阶跃下降水平，但其它水平也在权利要求书的范围内，例如，其中特定步骤适合于温度(或压力)的更大或更小的阶跃变化。
CNG的优选流体可能包含直接来自钻井的原态气体，包含原态天然气，例如当压缩时为原态CNG或RCNG，或处理后的天然气(甲烷)，或原态或经部分加工的天然气，例如，具有高达14％摩尔的CO2许用量、高达1000ppm的H2S许用量或H2和CO2气体杂质，或其它杂质或腐蚀性的物质。然而，包含H2的类似物的其它气体可以替代地进行加载或运载。然而，本发明的优选用途涉及CNG应用，无论是原态CNG、经部分加工的CNG或者经处理达到可传送给终端用户(例如，商业、工业或住宅)的标准的纯净的CNG。
CNG将通常在160巴的压力下进行运载。然而，本发明的实施例预期用于本发明使用的应用，其中压力替代地超过60巴，或可能超过100巴、150巴、200巴或250巴中的一种，并且可能处于峰值在300巴或350巴的压力下。
适合于CNG的运输和输送的压力容器可以由各种材料制成并且使用多种生产技术制成。我们可以在下文列出八种不同种类的压力容器：
1.全钢压力容器(被称为类型1)，其中金属被用作用于装纳的结构；
2.具有结构钢头(拱顶)以及混合材料主体(钢+纤维增强的聚合物，纤维增强物位于环形部分内)的复合材料环形包裹的钢罐，混合材料处于共同承担负载的条件下(被称为类型2)；
3.具有非金属结构外包裹物的金属内衬(被称为类型3)。金属内衬此处仅用于流体装纳的目的。非金属外部结构外包裹物在优选布置中由纤维增强的聚合物制成；其它非金属外包裹物也是可能的。
4.具有非金属结构外包裹物的非金属内衬(被称为类型4)。非金属内衬(例如，热塑性或热固性聚合物内衬)此处仅用于流体装纳的目的。非金属外部结构外包裹物在优选布置中也可由纤维增强的聚合物制成。
5.完全非金属结构(不具有单独的内衬)，其中非金属结构已被建立于在制造过程之后移除的基质上(被称为类型5)。
6.装有复合材料头或拱顶的钢主体部分(被称为类型6)。压力容器具有结构钢主体部分以及用密封接头装到该结构钢主体部分上的纤维增强的聚合物头或拱顶；
7.具有复合材料头或拱顶的、复合材料环形包裹的钢主体(被称为类型7)。压力容器具有混合钢+纤维增强的聚合物环形包裹的主体部分，所述主体部分具有处于共同承担负载的材料以及用密封接头装到其上的纤维增强的聚合物头或拱顶。
接近球形的压力容器由具有非金属结构外包裹物的非金属内衬制成(与上文中的类型4相似，但是具有特定的接近球形的形状)。这些压力容器具有仅用于流体装纳目的的非金属内衬(例如，热塑性或热固性聚合物)。非金属外部结构外包裹物在优选布置中通常由纤维增强的聚合物制造。
描述这些容器的优选方面的在先申请包含PCT/EP2011/071793、PCT/EP2011/071797、PCT/EP2011/071805、PCT/EP2011/071794、PCT/EP2011/071789、PCT/EP2011/071799、PCT/EP2011/071788、PCT/EP2011/071786、PCT/EP2011/071810、PCT/EP2011/071809、PCT/EP2011/071808、PCT/EP2011/071800、PCT/EP2011/071811、PCT/EP2011/071812、PCT/EP2011/071815、PCT/EP2011/071813、PCT/EP2011/071814、PCT/EP2011/071807、PCT/EP2011/071801、PCT/EP2011/071818以及PCT/EP2011/071796，所有这些申请均以引用的方式全文并入本发明中。在那些先前申请文件中揭示的压力容器的特征与本发明的相关之处在于，所述压力容器可以提供用于储存燃料的储存装置。因此，这些文件可以单独地或共同地有助于将本发明与现有技术布置区分开。
图4示出用于与图1至图3的储存系统20的储存器52一起使用的双层圆柱形压力容器34。压力容器34的形状大体上根据从现有技术中已知的容器的形状。因此，容器34具有大体上圆柱形形状，结构或主体主要在一个方向上延伸，即，沿其纵向轴线方向延伸，由此容器类似于圆柱体而不是球体。
容器形成有包含双层的壁。参见图5。内层(即，内衬)100由例如低碳钢等钢制成。外层(其可以是复合材料增强层)由例如碳纤维增强的复合材料(CFRC)等的纤维增强的复合材料聚合物200制成。根据现有技术其它材料也是可能的。
内层通常直接与CNG交界，而外层通常暴露于外部环境。
在此容器34中，两个层100、200的厚度示出为大致相等。然而，所述厚度可以是不同的。例如，内层，即内衬100的厚度可以使得其在CNG运输过程中提供极少的结构能力或不提供结构能力。相反，外层200将提供容器的结构能力，即承受容器内的升高压力所需的强度，这些容器将暴露于所述升高压力(这些容器将用于运输CNG，CNG在高压下加载到容器中，从而通常使得CNG基本上呈气态形式。因此，现有技术的容器设计成承受的标称压力在20℃下通常约为250巴或300巴。因此，这可以作为容器经设计以安全承受的压力)。
金属内衬的使用在此类容器行业中是很常见的，这是因为金属内衬可以容易地设计成提供CNG容纳(它们通常是“气密的”)以及耐腐蚀性(不锈钢可以高度耐盐水腐蚀以及同样地对甚至来自通常存在于所储存的CNG中的许多或所有侵蚀剂的化学侵蚀具有高度抵抗性)，以上情况都是必要的，因为CNG经常是原态的或未经处理的。
图4中的容器也被示为具有两个端部84、86并且那些所图示的端部84、86的形状是新的。此外，所述端部彼此不同。
如图4所示，底端86容纳用于将CNG 20加载到容器34中以及使CNG20从容器34中卸载的入口/出口孔120。优选的是12英寸(30cm)的出口。所述出口通常适合于连接到使多个此类容器互连的管道系统上，例如，图2所示的导管。另一方面，顶端84容纳用于容器的内部检查的人孔88。所述人孔通过螺栓固定到容器34上。通过移除螺栓并且移除盖90，用户可以爬进容器中进行检查。在此实施例中，人孔88是18英寸(45cm)的人孔。在另一实施例中，所述人孔是24英寸(60cm)的人孔。
提供不同端部以及尤其是不同尺寸也需要顶端84和底端86的几何形状略有不同。尽管两个端部84、86的大体形状可定义为大体拱顶形或拱顶状时，但具有颈部和盖，顶部拱顶在轴向方向上略深，而底部拱顶在轴向方向上略平坦或看起来更加紧凑。然而，其它布置也是可能的。
在使用时，顶端84将通常位于最上面。
因此容器34具有圆柱形主体92以及顶端或顶部拱顶84和底端或底部拱顶86，并且它们一起界定容器的轴向内部总长度。圆柱形主体92也界定容器的内直径。如图4描绘，这些提供长度与直径(内部)之比。长度在点A-A之间(即，颈部的底部之间)测量，直径在点B-B之间测量(点B-B位于容器内表面的相对侧上)。
大于2.5:1的此种比率使容器具有圆柱形外观。在此实施例中，所述比率约为5:1。
本发明的容器可以具有这些特征中的多个特征。具体而言，这些容器通常被设计成承受类似的安全工作压力。然而，如下文所描述，本发明的容器的形状、形式和结构通常都是不同的。
图6示出根据本发明的压力容器110。与图4的压力容器相比，所述容器在轴向维度上(纵向)看起来更加紧凑。这是因为此容器的内部长度与直径之比约为2:1。内部长度又是主腔室的内部长度，即，到达颈部的底部(在此实施例中仅一个颈部)。该内部长度根据图6的点A-A沿容器的纵向轴线测量。内直径根据图6的点B-B从内侧壁开始横贯中部测量。如果侧壁基本上不完全是圆柱形的(例如，如果侧壁具有平缓的曲率)，则该测量值可能是峰值内直径。
根据本发明的实施例，容器将具有落入1:1与2.5:1之间的范围内的内部长度与直径比率，或更优选地达到并且包含2:1。因为球体被明确排除，因此应明白1:1的比率被排除，但是表示一个极限值。此外，所述容器通常具有为此用于界定纵向轴线的圆柱形部分。再者，所述容器通常具有带有内部凹面的端壁(从内部看，在纵向和横向方向上是凹入的)。此外，那些端壁中的一个或多个通常具有入口/出口，从端壁的内部凹面到所述入口/出口的颈部的接合部形成凹入/凸起部分(在纵向平面上看是凸起的，而在横向平面上看是凹入的)。
还优选的是，两个端壁112(如图6中所看到的左端壁和右端壁)平滑地融入容器的圆柱形部分1000中或从容器的圆柱形部分1000平滑地融合(参看曲线111)，但所述端壁可以比示出的角度更大(例如，参见图9)。然而，在将CNG加载到容器中(即，增加容器内的压力)之后，融合的接合部会减少在那些接合部处的应力集中。融合的接合部首先还有助于缠绕操作，因为就铺放细丝以及在确定确保紧密层压而不破坏或损坏细丝所需的张力这些方面，在缠绕过程中尖锐的角度是更加不可预测的。
在本发明的实施例中，与现有技术容器的一样，容器的内部长度可以被计算为容器的圆柱形部分或主体的内部长度(主体部分界定穿过其中部的容器的纵向轴线)加上各端处的拱顶端部的高度(或对应的轴向深度)之和。
参考图6，通常为类型3、4或8压力容器的较薄非结构内衬1100示出为正经历纤维缠绕过程。所述过程包含：环形包裹，以形成界定线性螺旋154的圈154；以及螺旋缠绕，以形成具有连续各圈155、156、157和158的旋转螺旋线。
容器110的缠绕过程的基本特征是纤维(在第一自由端152处起始且止于第二点153或超出第二点153)(所述纤维可以是单细丝、纤维带或织物或其组合)沿主体1000以第一环或螺旋状形式154缠绕成线圈，然后沿主体1000并且在两个端部111、112上以由旋转各环155、156、157、158界定的重复、旋转、螺旋形式来回通过。因此，缠绕过程是上文关于圆柱形容器和球形容器所论述的两种形式、即环形包裹和螺旋缠绕的复合或组合，从而交替地通过多个角度将纤维放在圆柱形部分和端壁上。
更详细地，初始缠绕从第一端152开始(其位置是任意的，但示出为靠近容器的端部或融合的角部111)。随后，缠绕以相对于容器圆周的恒定角度的圈沿圆柱形部分1000传递，以形成螺旋形式154。随后，在简单地包裹在第一端112周围之后，使纤维卷过一角度，以开始朝向另一端返回圈或弧155，也许再次靠近融合的角部111，并且随后通过使用重复来回的、端对端的相对旋转的各圈155、156、157、158、151执行旋转的螺旋形包裹，所述旋转环中的每一个保持在容器的中心点150处的基本上共用的旋转中心，这种螺旋形包裹不断地改变其包裹角度，以将旋转中心保持在中心点150处。通过沿圆柱形部分再次开始以纵向螺旋进行缠绕，螺旋形包裹然后又转换为环形包裹，以形成第三层的复合物。随后继续此种包裹，以便交替各层(可能以替代角度来设置其它层)，直到已形成用于提供容器110的所需强度的足够厚度的复合材料为止。
尽管示意性地示出形成有开环，但通常的做法是使相继的各圈154或相继的各螺旋线155、156、157、158邻抵于之前的圈或螺旋线，由此，通过每道环向包裹和每道螺旋形包裹(其中，纤维呈带的形式，这种邻接能以较少次的转动来覆盖表面)形成各圈的表面覆盖层。
在一技术中，在缠绕之前(或甚至在纤维进行缠绕时)，用合适的聚合物或树脂(基质)浸渍纤维。因此，缠绕的纤维在缠绕在容器表面上时着床在容器表面上的最终位置，即，已处于它们合适的树脂床内(用于完成制造过程所需要固化的物质)。然而，可能的是每个纤维层可能缠绕到预施加的树脂基底上，其中新的树脂层随后通过喷溅被施加到那层新纤维层顶上。另一替代方案可以是连续地进行喷溅。然而，所述方法包括形成纤维的树脂粘合层，从而提供所需的复合结构。
通过在容器110围绕容器的纵向轴旋转时传送纤维、细丝或带而提供线圈154或螺旋形成物155、156、157、158。带沿该轴线分布以形成纵向线圈或旋转螺旋线均是借助于机器或机器组件(例如，带馈送头)来实现的，所述机器或机器组件在容器110旋转时平行于容器110的轴线、在容器110旁线性移动(即使螺旋圈纵向延伸，容器110在那一瞬间也是静止的)。
带馈送头沿该轴线具有可变的横过速度，并且同样地容器110具有可变的旋转速度。
从以上论述中明显地看到，环形缠绕和螺旋绕组两者的原理本质上是直观的。因此，现有的缠绕设备可以用于执行这些方法。
环形包裹角度(在容器110的圆周处形成于容器的横向平面与纤维本身之间的角度)的范围例如通过改变容器的旋转速度或机器组件(带馈送头)的横过速度是可实现的且可选择的。
带从馈送头输出的馈送速度适当地变化，以确保带在适当拉紧的条件下施加到容器110的表面上。
在缠绕方法中，带以邻接的方式施加到先前施加的环或圈上，该环或圈通常为前面的环或圈。在紧密邻接的情况下，可保持均匀的强度特征。若给定此特征，明显的是图6所示的环(间隔开的环)对于放置各环来说不总是最佳的布置。然而，如此示出这些环是为了提高图的清晰度。
缠绕设备的控制可以涉及改变容器的旋转速度以及馈送头的行进速度。根据环正在以纵向延伸的螺旋施加还是旋转的螺旋线施加，将不同地改变所述速度。对于各环，带馈送头在第一方向上沿圆柱形主体1000的长度匀速穿过，其中带以恒速馈送出头部。然而，在带馈送头到达圆柱形部分1000的第一端之后，馈送头可设置成减速并且随后反转方向，以协调如下成环过程：将纤维的圈或弧155螺旋形地铺放在该第一端112上，然后朝向容器110的另一端返回运动。然后，可控制馈送头朝向该另一端的横过速度，以便将所述速度增加到高于先前的横过速度(即，在第一方向上横过)，相应地调整带的馈送，以在相反的横过方向上、以比之前各环陡得多的角度在容器110的第一侧周围延伸螺旋圈。随后，馈送头再次减速并且反向以将另一圈或弧156放在相对端周围，然后再次以增加的速度在第一方向上横过(用于将螺旋圈的连续施加在容器110的相对侧上)。因此，为缠绕机器提供馈送头速度以及还可能容器转速的连续控制，这些速度可能需要减慢以实现适当的缠绕，而不会使带过度拉紧。
最后，在完成适当数目的螺旋圈155、156、157、158之后，设备可以返回到其用于沿容器110的圆柱形主体1000提供新的环形包裹154的模式。
每个环形包裹层可设置有与先前的环形包裹层不同的角度，但优选地是对每个环形包裹层保持恒定的角度。
圆柱形容器110的端部112具有拱顶的大致形状。为了便于对其进行螺旋形包裹，那些拱顶优选地是相对于彼此的测地表面，即它们遵循共同的圆或它们是测地兼容的(它们的对应半径不小于两个表面之间距离的一半，该距离如通过容器110的中心点150测得)。因此，尽管仍具有根据以上定义的测地或测地兼容的构造，但是假定为那些表面提供恒定半径，那么允许用于拱顶的最小半径是图6所示的长度A-A的一半。应注意，那些表面与圆柱形主体之间的接合点的任何倒圆应该保持最小以将那些测地或测地兼容表面的范围最大化，但一些倒圆仍然是优选的，以减少发生在那些接合点处的应力集中度。
端部112的这些测地或测地兼容表面的优势在于，纤维155围绕拱顶的螺旋形缠绕更容易实现。这是因为所述纤维可以在张力下缠绕，而不会倾向于从拱顶的各侧滑落，尽管张力被施加到所述纤维上，纤维在缠绕之后将倾向于也保持在表面上的适当位置，或纤维将倾向于仅朝向端部的中心滑动，后者情况在测地兼容表面的情况下发生。在后一种设置的情况下，将缠绕施加成让它们均与端部112的中心相交或靠近中心，例如抵靠于出口160的颈部或抵靠在已与其邻接(或最可用的邻近)的缠绕物上，由此具有每次后续缠绕将趋向于迫于紧紧邻抵在之前的、更中心的缠绕物上的布置，从而为所述端部提供稳定的、仍紧密布置的表面覆盖。通过变得稳定，绕组不再趋向于从拱顶的各侧面滑落。然而，如果端部的半径小于容器的内部长度的一半，则将趋向于发生此种滑动。
最佳的测地效果是通过遵循共同圆的表面来实现(最好是测地条件)，因此，缠绕物将会横贯其后的端部进行缠绕，而不会穿过那些端部的中心，同时仍然不会趋向于从端部滑落。
容器的入口160也可以通过使用缠绕机器进行复合材料包裹，但这通常在后面的阶段且利用不同的设备来完成。因此，首先，容器110的此部分160不会在包裹圆柱形主体1000和拱顶端112的同时进行包裹。
在图7中，示出替代的缠绕过程。具有大体球形的不锈钢内衬210用纤维315进行包裹。如通常的那样，留出球体对应于入口/出口孔230的部分不包裹纤维315。然而，纤维315绕球体的包裹是困难的，因为需要纤维的若干程度的旋转。
通过提供位于支撑弧311上而不是位于上述直线上的纤维传送头300，可以实现图7中的过程。纤维传送头300因此可以沿弧311上下移动301。
此外，支撑弧311可绕其自身的支撑物312旋转313。
球形容器本身也位于旋转支撑物(未示出)上，因此球形容器也可以绕轴线旋转211。在示出的实施例中，所述轴线为垂直轴线。
在其它实施例中，所述球形容器可以使用已知的三维纤维传送头进行细丝包裹。
使用这些机器绕球形容器的纤维包裹遵循与上述用于图6的容器的螺旋型式类似的旋转螺旋型式316。纤维以一系列连接的线圈进行包裹，这些连接线圈具有对应于纤维所要铺设到的球体圆周的半径。因此，纤维在球体的中部350上居中。这样使得纤维不会在其施加的张力下趋向于从球体的表面滑落(类似于上述测地情况)。
如上文所论述，在该类型的容器(球形容器)中，由于容器壁的全方向的曲率，所以每单位需要更多纤维来达到要求的加强。因此，横贯多层来施加缠绕，在横贯球体表面的每个连续层内对于缠绕可能有多个不同的角度。多个轴和弧311有助于此。
图8是说明了大体上球形的压力容器(上半部)、大体上圆柱形的压力容器(下半部)以及管道(底部线)(关于制造方便性(x轴)对它们进行比较)的相对定位的图表。
在上半部中(较大的y轴值)提供球形压力容器，因为这些压力容器具有最高的体积与表面积之比。然而，出于已给定的原因，球形容器相对难以制造，因此朝向图表的左手侧指示球形容器(它们被给出表示不易于制造的较低x轴值)。
由于圆柱形主体易于包裹，因此圆柱形容器相对易于制造。这使得圆柱形容器具有高于球形容器的x轴值。然而，就体积与表面积之比而言，圆柱形容器并不是理想的。因此，圆柱形容器被赋予低于球形容器的y轴值。
最后，管道甚至比圆柱形容器更易于制造(不需要制造端盖)。因此，管道在易于制造方面获得高分。然而，就体积与表面积之比而言，管道通常较窄的截面使得管道变得低效。因此，管道在y轴上处于非常低。
本发明的实施例的容器优选地经设定大小和成形为在图8的图表中占据球形容器与圆柱形容器之间的中间位置。这通过标记为“优化球体”的云状区域示出。本发明的实施例中的容器因此是看起来相对紧凑的压力容器，所述压力容器明显不是球形容器，因为所述压力容器包括基本上圆柱形的部分；也不是圆柱形容器，因为所述压力容器相对于它们的直径太短(具有在2:1与1:1之间的比率(内部长度与内直径之比)，包含2:1但排除1:1)。
图9示出根据本发明的实施例的容器410的另一实例。此处长度412与深度411之间的比率约等于1.05。
除了测量内部尺寸之外，可以使用外部尺寸。毕竟，当不允许进入容器内部时，外部尺寸更容易测量。再次忽略入口/出口的颈部。根据本发明的另一方面，因此外部尺寸具有在2:1与1:1之间的比率，包含2:1但排除1:1。
此最终实施例的容器410由单层结构钢制成，其中厚度由针对容器410的设计的所需安全最大工作压力来确定。
可以提供容器用于高压应用或低压应用。取决于容器的壁等的强度，类似尺寸的容器因此可以配备有不同的压力额定值。在此最后的实施例中，容器410可能经设计用于中间等级的压力，所述中间等级的压力可以是例如达到150巴的压力。
容器的主体可以制造成类似于管道，而两个端部拱顶415、416被焊接在主体上。端部拱顶中的一个设有入口/出口孔420。
在图9的实施例中，容器410的外直径D为2米长并且容器的长度L约为2.25米。钢的壁厚度也许不超过120mm。
在其它实施例中，容器的直径可以长达50米，由于储存在其中的CNG的体积较大，因此这些容器也较大。
图9的容器是相对易于制造的、带有端盖的圆柱形主体，由此表示用于储存CNG的相对便宜的钢容器。所述容器具有显著有利的体积与表面积之比，并且因此尤其适合于在其内必须储存有大量CNG的应用。
体积可以通过延长圆柱形部分并且通过增加直径来增加。然而，如果需要较大直径，则容器的压力额定值将需要进行重新评定(可能需要更厚的钢)。
将被称为优化球体的这些容器提供尤其好地适合于CNG储存和/或运输领域中的大容量以及中等压力应用的设计。
由于存在圆柱形中间部分，因此图9的容器也相对易于用增强纤维进行环形包裹，由此增加强度而不会成比例地增加容器的重量(复合材料增强层比钢轻)。
所谓的优化球体的便利之处实质上是相对高的体积与表面之比与保持圆柱轴线组合的结果，由此它们更容易制造而不会产生不当成本。
替代金属内衬，可以使用塑料内衬，例如，由高密度聚乙烯或高纯度聚双环戊二烯制成的内衬。与金属内衬相比，聚合物/塑料内衬还将提供额外的隔热效果。
此外，所述内衬可以用可移除内衬或内部可拆卸的支架型内衬替换，其中所述内衬在缠绕之后被移除并且所得的复合材料本身提供完整的容器。
本文所揭示的容器可以储存多种气体，例如，直接来自钻井的原料气体，包含原料天然气，例如当压缩时为原料CNG或RCNG，或H2，或CO2，或处理后的天然气(甲烷)，或原料或经部分加工的天然气，例如，具有高达14％摩尔的CO2许用量、高达1,000ppm的H2S许用量，或H2和CO2气体杂质，或其它杂质或腐蚀性的物质。然而，优选的用途是CNG运输，无论是原料CNG、经部分加工的CNG或经处理达到可传送给终端用户(例如，商业、工业或住宅)的标准的纯净CNG。
本发明仅通过实例的方式已在上文中进行描述。在随附的权利要求书的范围内可以对本发明做出细节上的修改。

Claims (36)

1.一种压缩天然气(CNG)储存系统，包括：
储存器，所述储存器具有至少一个压力容器，用以在储存条件下储存CNG，其中所述储存条件不同于环境条件；以及
调节器，所述调节器用于将储存在所述至少一个压力容器中的CNG维持在所述储存条件下，其中所述至少一个压力容器具有复合材料结构。
2.根据权利要求1所述的储存系统，其特征在于，所述储存条件包括降低的压力和或降低的温度。
3.根据权利要求2所述的储存系统，其特征在于，所述储存条件包括在环境温度15℃下约250巴的压力。
4.根据权利要求2所述的储存系统，其特征在于，所述储存条件包括-30℃+/-4℃的温度以及约160巴+/-2％的压力。
5.根据任一前述权利要求所述的储存系统，其特征在于，调节器包括交换器。
6.根据权利要求5所述的储存系统，其特征在于，所述调节器还包括压缩机和/或焦尔-汤普森阀。
7.根据任一前述权利要求所述的储存系统，其特征在于，还包括监测系统，用以监测储存在所述压力容器中的CNG，并且所述储存系统包含压缩机，用以在所储存的CNG的条件从所述储存条件改变多于预定量时将所述CNG运输到所述调节器。
8.根据权利要求7所述的储存系统，其特征在于，所述压缩机还用于对所述CNG再加压。
9.根据任一前述权利要求所述的储存系统，其特征在于，所述调节器包括热交换器和/或用于激冷所述CNG的冷冻机。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的储存系统，其特征在于，所述热交换器和/或所述冷冻机使用压缩机/蒸发器的制冷循环或低温循环来操作。
11.根据任一前述权利要求所述的储存系统，其特征在于，还包括预储存处理单元，所述预储存处理单元包括用于降低流体温度的多个处理步骤，所述多个处理步骤包括：a)气流冷却；b)海水冷却，以及c)借助使用压缩机/蒸发器的制冷循环或低温循环进行激冷；所述处理步骤用于降低所述流体的工作压力或允许增加流体密度同时保持基本上相同的工作压力。
12.根据权利要求11所述的储存系统，其特征在于，顺序执行步骤(a)至(c)。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的储存系统，其特征在于，在填充过程中用于降低温度的处理步骤设置成将进入流体的压力和温度水平调节至由最小和最大温度和压力值界定的预定范围内。
14.根据权利要求11至13中任一权利要求所述的储存系统，其特征在于，步骤(a)设置成将所述进入流体的温度调节至55℃与65℃之间的温度。
15.根据权利要求11至14中任一权利要求所述的储存系统，其特征在于，处理步骤(b)设置成将所述进入流体的温度调节至10℃与20℃之间的温度。
16.根据权利要求11至15中任一权利要求所述的储存系统，其特征在于，处理步骤(c)设置成将所述进入流体的温度调节至-35℃与-25℃之间的温度。
17.根据权利要求11至16中任一权利要求所述的储存系统，其特征在于，在步骤(c)中，制冷流体可以是丙烷和乙烯的混合物，其中丙烷的百分比在74％与76％之间以及乙烯的互补百分比在26％与24％之间。
18.根据任一前述权利要求所述的储存系统，其特征在于，所述储存器包括多于一个压力容器。
19.根据任一前述权利要求所述的储存系统，其特征在于，所述压力容器包括：
具有直径和轴向长度的圆柱形主体；
分别具有轴向深度的两个圆柱端部，所述圆柱形主体和所述圆柱端部一起限定大体上凸出的外表面以及大体上凹入的内表面，所述内表面限定用于容纳CNG的内部体积；以及
CNG入口/出口，
其中，所述压力容器的总长度通过将所述圆柱形主体的所述轴向长度加上所述圆柱端部的对应轴向深度来定义，每个值均在外部进行测量并且排除所述CNG入口/出口的长度，并且
所述压力容器的所述总长度与所述圆柱形主体的外直径之间的比率包括在2:1与1:1之间的范围内，并且包含值2:1。
20.根据权利要求19所述的储存系统，其特征在于，当考虑不存在任何入口或出口或其任何颈部时，所述圆柱端部中的至少一个呈拱顶形状。
21.根据权利要求20所述的储存系统，其特征在于，所述圆柱端部为测地拱顶。
22.根据权利要求19或20所述的储存系统，其特征在于，所述拱顶就其径向长度的至少90％而言具有基本上恒定的半径。
23.根据权利要求21所述的储存系统，其特征在于，两个圆柱端部都呈此种拱顶形状，其中两个圆柱端部具有相同的轴向深度。
24.根据任一前述权利要求所述的储存系统，其特征在于，所述至少一个压力容器包括设置在所述容器周围的纤维增强的聚合物层。
25.根据权利要求24所述的储存系统，其特征在于，所述纤维增强的聚合物层是环形包裹的纤维增强的聚合物层。
26.根据权利要求25所述的储存系统，其特征在于，多个纤维增强层形成在所述容器的表面上，并且各层在环形缠绕与螺旋缠绕之间交替，并且角度在相邻各层之间或在间隔开的对应各层之间变化。
27.根据权利要求1至15中任一权利要求所述的储存系统，其特征在于，所述至少一个压力容器包括用玻璃纤维包裹的近球体。
28.一种储存CNG的方法，所述方法包括：
在储存条件下将CNG储存在具有复合结构的至少一个压力容器中，其中所述储存条件不同于环境条件；以及
将储存在所述至少一个压力容器中的所述CNG保持在所述储存条件。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述储存条件包括在环境温度15℃下约250巴的压力。
30.根据权利要求28或权利要求29所述的方法，其特征在于，还包括监测储存在所述压力容器中的CNG并且在储存的CNG的条件从所述储存条件改变多于预定量时将所述CNG运输到调节器。
31.根据权利要求28至30中任一权利要求所述的方法，还包括用于降低流体温度的多个处理步骤，所述多个处理步骤包括：a)气流冷却；b)海水冷却；以及c)借助使用压缩机/蒸发器的制冷循环或低温循环进行激冷；其中，所述处理步骤用于降低所述流体的工作压力或允许提高流体密度同时保持基本上相同的工作压力。
32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，顺序执行步骤(a)至(c)。
33.根据权利要求31或权利要求32所述的方法，其特征在于，在填充过程中用于降低温度的所述处理步骤设置成将进入流体的压力和温度水平调节至由最小和最大温度和压力值界定的预定范围内。
34.根据权利要求28至33中的任一权利要求所述的方法，其特征在于，步骤(a)设置成将所述进入流体的温度调节至55℃与65℃之间的温度。
35.根据权利要求28至34中的任一权利要求所述的方法，其中处理步骤(b)设置成将所述进入流体的温度调节至10℃与20℃之间的温度。
36.根据权利要求28至35中的任一权利要求所述的方法，其特征在于，处理步骤(c)设置成将所述进入流体的温度调节至-35℃与-25℃之间的温度。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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