CN107735613A - 多容器流体储存和输送系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种多容器流体储存和输送系统，其特别可用在具有使用气态燃料的内燃发动机的系统中。该系统可以以比仅通过蒸汽压力构建回路可靠地实现的流量更高的流量输送气态流体，并且保持储存容器内的压力较低，从而减少了燃料加注时间并且允许之后的快速起动。该系统被设计成将液化形式的气态流体储存在多个储存容器中，所述多个储存容器包括与泵装置流体连接的主储存容器、以及一个或多个副容器，所述副容器与控制系统一起高效地储存液化气态流体，即使在需要高流量的情况下也可以将是气体的流体快速输送给终端用户。该系统根据测量的流体压力控制泵装置的操作，并且根据基于预定系统操作条件的预定压力值控制供应线路中的流体压力。

Description

多容器流体储存和输送系统
技术领域
本申请涉及一种多容器流体储存和输送系统。更具体地说，该多容器流体储存系统将气态流体以液化形式储存并将其输送给终端用户。在示例性实施方式中，终端用户是内燃发动机，气态流体是诸如天然气之类的气态燃料。
背景技术
当用作内燃发动机的燃料时，气态燃料能够在低温下储存。气态燃料在本文中定义为在标准温度和压力下处于气态的任何燃料，在本申请的上下文中，所述标准温度和压力为20摄氏度(℃)和1个大气压(atm)。举例来说，典型的气态燃料包括但不限于天然气、丙烷、氢气、甲烷、丁烷、乙烷、具有类似能量含量的其他已知燃料以及包括这些燃料的混合物。天然气本身就是一种混合物，并且是内燃发动机的常用气态燃料，因为它比油基液体燃料丰富、价格便宜并且燃烧更清洁，而且天然气源在地理学上广泛分布于世界各地。气态燃料在其沸点附近储存于储存容器内。例如，对于处在约1个大气压的储存压力下的甲烷，其可以在约-161摄氏度(℃)的温度下以液化形式储存。天然气是气体的混合物，其组成取决于来源而变化，而甲烷通常是最大的组成部分，所以虽然储存温度可以变化，但通常接近于甲烷的储存温度。气态燃料可以以液化状态或蒸汽状态从储存容器供应到蒸发器，在蒸发器中气态燃料的温度被升高以将气态燃料在期望的压力和温度下输送至发动机。
以液化状态储存气态燃料具有诸多优点。与超临界状态或气态相比，当气态燃料处于液态时，密度增加，因而按能量计储存等量的燃料时需要的容积较小。当在蒸发器中汽化之后，燃料喷射系统接收汽化的气态燃料并将其直接或间接地引入发动机中的一个或多个燃烧室。如本文所使用的，汽化指的是在气态燃料通过蒸发器时至少增大气态燃料的焓(即温度)，并且取决于气态燃料的压力和温度，汽化还可以指将气态燃料的状态变为气态。尽管天然气(当以液化形式储存时，称为“LNG”)是示例性的气态燃料，但其他气态燃料也同样适用于本文描述的技术。
控制气态燃料在其低温供应容器内的压力以及控制将气态燃料供应给气态燃料发动机系统时气态燃料的压力和温度是重要的。压力和温度必须高于预定最小值，使得燃料能够在需要的喷射压力下输送至发动机，同时保持储存容器内的压力和温度低于会导致排放到大气中的水平。
对于在燃料进入燃烧室之前将燃料输送至发动机进气流中或在压缩循环的早期将燃料直接输送至发动机燃烧室中的发动机而言，根据发动机的特定设计和诸如发动机压缩比之类的发动机系统特性，60-150psig(4-10bar)范围内的燃料输送压力足以以期望的燃料供应速率输送指定量的气态燃料。已知的燃料输送装置使用储存容器内的蒸汽压力来产生期望的输送压力，而无需泵或压缩机。随着时间的推移，热量泄漏到隔热的储存容器中，从而导致蒸汽压力升高。另外，已知一些系统使用压力构建回路，该压力构建回路可以被启动以将加热的燃料流再循环到储存容器中，以在必要时增加压力。然而，对于较大型的发动机系统应用例如在重型卡车、轮船和火车中使用的那些应用，当使用压力构建回路维持所需压力以满足与较高燃料消耗率相关的较高燃料流量需求时，难以满足燃料需求。通过使用更大和更昂贵的蒸发器来试图增加储存容器中的压力以满足燃料需求，现有技术系统已经解决了这种无法满足所述需求的问题；然而，当容器中的冷燃料使蒸汽中的压力大幅下降并且压力必须在蒸汽空间中重新建立时，这些系统容易受到燃料供应中断的影响。与这种方法相关的另一个问题是，容器压力主要由于热量的引入而增加，这导致更短的保持时间以及过度的排放。如果排放的燃料没有被回收，那么从储存容器中排放蒸汽会是浪费的，并且导致不希望的排放。此外，当压力较高时，储存容器需要更长的时间来填充。通常，容器被排放以在再填充之前降低压力，这需要时间。如果车辆在公共汽车加油站被填充，那么车主可能不会获得对排回到汽车加油站的任何燃料的补偿。有些汽车加油站可能没有配置成接收排放的燃料，在这种情况下，排放的燃料将被浪费。因此，当需要再填充时，储存容器内的压力较低是有利的。
美国专利申请公开No.2014/0096539('539申请)教导了一种用于压力构建回路的装置，该压力构建回路采用压缩机，该压缩机可以被启动以对于单个容器而言增加燃料储存容器中的压力，或者增加多容器装置中的所有储存容器中的压力。然而，这种装置的问题在于，由于其被用来增加每个容器中的压力以分配燃料，因此其也升高了每个储存容器内的温度，这会导致更多的排放，以及为了在填充之前排空并且在填充之后建立所需的压力而在汽车加油站花费更长的时间。也就是说，用这种装置对系统进行填充所需的总时间对用户而言可能是不便。
对于运输业而言，液化天然气(LNG)汽车加油站的设计有一些变化。一些站设计成输送具有在50psig至80psig之间的饱和压力的LNG，并且这有时也被称为“低温LNG”，因为要将LNG以较低的饱和压力储存，必须将其储存在较低的温度下(与通常具有100psig至150psig之间的饱和压力的“温热LNG”相比较而言)。“冷LNG”是理想的，因为它更为浓稠，对于给定的容器尺寸提供了增加的范围和更长保持时间的可能。其他LNG汽车加油站设计成输送温热LNG，并且由于较高的饱和压力，温热LNG的温度要比冷LNG的温度高。上述现有技术解决方案的问题在于，当燃料储存容器填充有冷LNG时，储存容器中的压力远低于将燃料输送至发动机所需的压力，因此再填充后立即需要建立压力。对于遵循'539申请的构架的系统，压力构建回路中的压缩机安装在储存容器的外部并且在蒸发器的下游，因此需要很长时间才能使足够的燃料流过压力构建回路以将储存容器中的压力增大到向发动机供应燃料所需的水平。与建立必要的压力相关的延迟可能是大约5至10分钟，这对于LNG燃料车辆的驾驶员来说是很大的不便，其增加了再填充每个LNG燃料车辆所需的时间，并且减少了LNG汽车加油站的潜在收益。
为了解决与较高的燃料消耗和提供足够的燃料相关的问题，本申请人的加拿大专利No.2,796,794('794专利)教导了另一种方法，该专利通过引用并入本文。'794专利教导了一种系统，当容器压力足以输送所命令的量时，该系统从蒸汽空间输送燃料，而当容器压力不够高时，该系统启动设置在燃料储存容器内的泵以输送燃料。该系统不需要向储存容器中引入任何热量(减少排放)，并且容器压力可以保持较低以减少填充时间。因为泵布置在燃料储存容器内，所以其总是处于与储存的燃料相同的温度，因此在其可操作之前不需要冷却时间，并且泵入口浸没在储存于相关联的燃料容器中的LNG中，因此该泵可以操作为在必要的压力下立即输送燃料以起动发动机。另外，与压缩气体或蒸汽相比，泵送液体总是更为高效，因此这种方法的另一个优点是运行消耗的能量更少。缺点是对于多容器系统而言，由于在每个燃料容器中都使用泵，所以它可能更昂贵。
因此，需要一种更便宜的改进的气态燃料输送系统，其能够以比仅由蒸汽压力构建回路能够可靠地实现的流量更高的流量输送燃料，并且保持储存容器内的压力较低，以便在汽车加油站填充时花费的时间较少。
发明内容
本文描述了一种用于将液化形式的气态流体储存在多个储存容器中并将温热气体输送给终端用户的方法和系统。该多容器流体储存和输送系统具有：主储存容器，其用于储存液化形式的气态流体(气态流体在标准温度和压力下为气态形式，但以液化和蒸汽形式储存在主储存容器中)；至少一个辅助容器，其用作副储存容器，用于储存液化和蒸汽形式的气态流体(并且用作蓄积器)；与主储存容器流体连通的泵装置，其用于接收来自所述主储存容器的流体并对流体加压，并通过排放线路将流体输送至所述至少一个副储存容器；以及与所述一个或多个副储存容器流体连通的供应线路，其用于从所述一个或多个副储存容器接收流体并将流体输送至终端用户。另外，该系统具有：第一蒸发器，第一蒸发器在泵装置和供应线路之间设置在排放线路上，并且可操作为对流经排放线路的流体进行加热；第二蒸发器，第二蒸发器设置在供应线路上，并且可操作为对流经供应线路的流体进行加热。在一些实施方式中，第一蒸发器和第二蒸发器集成在单个蒸发器壳体中。另外，存在至少一个压力传感器以用于测量供应线路中的流体压力，并且存在与压力传感器通信的控制系统，该控制系统用于接收来自压力传感器的流体压力测量值。该压力传感器可以与所述至少一个副储存容器的蒸汽空间流体连通，或者与终端用户流体连通，或者与这两者均流体连通。控制系统也与泵装置通信，从而根据测量的流体压力向泵装置发送命令信号以控制操作，并且根据基于预定系统操作条件的预定压力值来控制供应线路中的流体压力。预定操作条件包括终端用户流体流量需求、储存容器液化气态流体液位以及与第一蒸发器的操作温度相关的测量温度中的至少一者。
终端用户可以是内燃发动机，其中气态流体是在内燃发动机中可燃的气态燃料，例如：天然气、甲烷、丁烷、丙烷、乙烷、氢气、生物气或具有这些气态燃料中的至少一种的混合物。第一蒸发器和第二蒸发器可以是热交换器，其中发动机冷却剂从发动机冷却剂系统循环以流过相应的热交换器，从而将热能传递到从相应的主储存容器和一个或多个副储存容器输送的气态燃料。压力传感器能够安装在与第二蒸发器上游的至少一个副储存容器的蒸汽空间流体连通的导管上和/或与第二蒸发器下游的供应线路流体连通的导管上，这取决于系统设计和操作偏好。
当排放线路和供应线路中的至少一者中的压力低于预定低压值时，控制系统命令泵装置将液化气态流体供应至排放线路；并且当排放线路和供应线路中的至少一者中的压力高于预定高压值时，控制系统命令泵装置停止向排放线路供应液化气态流体。
在一些实施方式中，第二压力传感器可以与主容器蒸汽线路相关联，其中主容器蒸汽线路将主储存容器的蒸汽空间与第一蒸发器的入口流体连接，其中控制系统接收来自第二压力传感器的压力测量值，并根据从第二压力传感器接收的压力测量值和指示何时从主储存容器中提取蒸汽而不是液化气态流体的预定操作条件来管理从主容器通过主容器蒸汽线路到达第一蒸发器的流体流量。当排放线路或供应线路中的压力低于预定低压值以及当测量温度高于预定高温值时，控制系统命令泵装置向排放线路供应液化气态流体。
该系统可以包括副容器蒸汽线路，该副容器蒸汽线路与所述至少一个副储存容器中的每一个的入口相关联，其中副容器蒸汽线路将每个副储存容器的蒸汽空间与第二蒸发器的入口流体连接；并且旁路蒸汽线路阀布置在每个副容器蒸汽线路中以控制流过每个副容器蒸汽线路中的流量，其中，控制系统根据从压力传感器接收的压力测量值和指示何时从蒸汽空间中提取蒸汽而不是从所述至少一个副储存容器中的每一个中提取液化气态流体的预定操作条件来管理通过每个副容器蒸汽线路的流量。当副储存容器旁路蒸汽线路阀中的任何一个或全部被打开时，来自主储存容器的气态流体通过与打开的副储存容器旁路蒸汽线路阀相关联的所有副容器蒸汽线路被引导至终端用户。当副容器旁路蒸汽线路阀关闭时，来自主储存容器的气态流体被引导至与关闭的副储存容器旁路蒸汽线路阀相关联的任何副容器的蒸汽空间，并且因此液化气态流体从与关闭的副储存容器旁路蒸汽线路阀相关联的每个副容器被引导至第二蒸发器。
用于打开旁路蒸汽线路阀的预定操作条件之一是当控制系统确定与旁路蒸汽线路阀相关联的副储存容器中剩余的液化气态流体的液位低于预定液位时。而用于关闭旁路蒸汽线路阀的预定操作条件之一是当控制系统确定与旁路蒸汽线路阀相关联的副储存容器中剩余的液化气态流体的液位高于预定高容器液位目标时；在这种情况下，该预定高容器液位目标可以例如根据第二高储存容器液化气态流体液位来设定，以允许容器的液位以均衡的方式下降。
该系统另外可以包括设置在终端用户上游的供应线路上的压力调节器，以用于调节输送至对输送压力范围需要更多控制的终端用户的气态流体压力。
将液化形式的气态流体储存在多个储存容器中并将气体输送至终端用户的优选方法包括：将液化形式的气态流体储存在主储存容器中；将液化形式的气态流体储存在至少一个副储存容器中；测量所述至少一个副储存容器中的压力；以及当所述至少一个副储存容器中的压力低于预定低压值时，从所述主储存容器泵送气态流体、增大流体的焓、然后将流体输送至至少一个副储存容器；当所述至少一个副储存容器中的压力升高到预定高压值以上时，停止从主储存容器泵送流体；以及通过供应线路将是气体的流体输送至终端用户；其中预定低压值和预定高压值是基于预定操作条件而设定的。
该方法还可以包括基于预定操作条件通过(a)或(b)将气体输送至终端用户，其中：(a)将来自主储存容器的流体的一部分引导至至少一个副储存容器旁路蒸汽线路，并且在将是气体的流体输送至终端用户之前增大流体的焓；或者(b)将来自所述至少一个副储存容器的液化气态流体引导至供应线路中，并且在流体输送至终端用户之前将液化气态流体转变为气体。
该方法另外可以包括在主储存容器压力大于预定高压值时或者在测量温度低于预定低温值时将气态流体从主储存容器的蒸汽空间输送至终端用户。另外，该方法可以包括在终端用户流体流量需求高时将来自所述至少一个副储存容器的液化气态流体输送至终端用户。该方法还可以包括测量每个储存容器中的液化气态流体液位并将来自最高液位储存容器的流体引导至终端用户，直至来自最高测量流体液位储存容器的测量流体液位低于预定高容器液位目标。预定高容器液位目标可以根据第二高储存容器流体液位设定。
不同于使用压缩机在每个储存容器中建立压力的'539申请，在所公开的优选实施方式中，主容器内的压力可以保持在较低压力，通过泵的操作使流体泄放到能够保持在较高储存压力下的一个或多个副储存容器中。目前公开的装置享有与'794申请相同的许多优点，即通过将泵浸入主流体储存容器中，在加注燃料之后将副容器中的压力升高到期望的输送压力的延迟要短得多。
尽管存在诸如实际流体饱和压力之类的一些变量，但是在典型的系统中，如果填充有冷LNG，那么在副储存容器中建立压力的时间可以在大约30秒的量级上。另外，所述泵对终端用户持续的高燃料需求的响应要快得多。这些与使用更传统的压力构建回路的现有技术相比是改进之处，并且对驾驶员和汽车加油站都有益。
目前公开的装置的另一个优点在于，与在每个储存容器中都使用泵的系统相比，目前公开的装置允许多容器储存系统仅用一个泵来操作，这降低了系统的成本。
具有泵的燃料输送系统通常在燃料源和发动机之间使用蓄积器。蓄积器的目的是以等于或高于期望喷射器压力的压力提供缓冲量的气态燃料，使得当燃料被消耗时，存在燃料的现成的储备，并且燃料输送压力没有突变。所公开的装置的优点在于，副流体储存容器成为用作储存容器和蓄积器两者的双重用途部件。作为储存容器，它可以具有比用作蓄积器通常所需的容积更大的容积，但是其保持在期望的压力，从而存在以液化形式或气态形式储存的随需可用的现成流体储备。这使得能够通过去除传统的蓄积器而简化流体输送系统，从而减少了部件的数量和构建系统的成本。
附图说明
图1是示例性多容器燃料系统的示意图，其示出了用于向终端用户输送气态燃料的主容器和副容器的实施方式。
图2是替代的示例性多容器燃料系统的示意图，其示出了使用单个蒸发器将气态燃料输送至终端用户的主容器和副容器的实施方式。
图3是描绘用于控制多容器燃料系统中的流体系统压力的方法的步骤的流程图，该多容器燃料系统用于向终端用户输送气态燃料。
图4是多容器燃料系统的替代实施方式的示意图，其中“n”个副容器结合在该系统中。
图5是另一个示例性多容器燃料系统的示意图，其中在燃料被输送至终端用户之前，“n”个副容器通过单个蒸发器供应燃料。
图6是流程图，描绘了用于使多容器燃料系统中的储存容器的液位均衡下降的方法的步骤，该多容器燃料系统用于向终端用户输送气态燃料。
具体实施方式
图1是包括主储存容器10和辅助副储存容器20的多容器燃料系统100的第一实施方式的示意图。在该第一实施方式中，泵装置12设置在主储存容器10内，泵装置12可以浸入储存在主储存容器10中的液化气态流体中。与位于储存容器外部的泵装置不同，泵装置12在运行之前不需要任何冷却，因为它总是处于与储存的流体相同的温度。用于输送液化气体的低温泵需要处于与液化气体相同的温度，因为将液化气态流体吸入到较暖的泵中将使液化气态流体闪蒸成蒸汽，这是不希望的，因为在液化气态流体停止闪蒸成蒸汽之前，泵不能正常工作，而液化气态流体停止闪蒸成蒸汽在泵冷却之前是不会发生的。因此，尽管可以使用外部泵，但是这会导致在系统能够启动之前的时间延迟以及低压蒸汽的产生。尽管本文中所描述的系统可以使用预先冷却至低温温度的外部泵以减少时间延迟，但这样的系统会使设计的体积更大，不太高效，并且具有更多的泄漏路径，因此相对于使用集成到主储存容器10中的低温泵的实施方式而言不太优选。
液化气态流体从泵装置12流动通过与副储存容器20的蒸汽空间23流体连通的排放线路14。蒸汽空间23是副储存容器20的上部区域，因为储存的液化气态流体通常是分层的，其中较高密度的液化气态流体填充储存容器的下部1、21，而蒸汽则填充储存容器的上部区域3、23。流过排放线路14的流体经过第一蒸发器16，第一蒸发器16可以是将热能传递到流体中的任何装置。例如，第一蒸发器16可以是电加热元件或燃烧器。在图示的实施方式中——其为用于内燃发动机40的燃料输送系统，存在可从发动机冷却剂回收的可用废热源，因此示出了热交换器，该热交换器通过循环回路46接收发动机冷却剂以使液化气态燃料温热，并在液化气态燃料流经通往副储存容器20的排放线路14的延续部分之前将液化气态燃料转变为气态。
从排放线路14流入副储存容器20的顶部的流体增加了作用在副容器20内的气态流体上的压力。为了最高效地增加压力，流体在蒸汽状态或气体状态下被输送至副储存容器20的顶部。从泵装置12排出的流体在经由排放线路14流经蒸发器16时流体的焓增大，并且能够作为处于超临界状态、液体状态、蒸汽状态、气体状态或前述各者的混合状态的流体输送至副储存容器20。本文使用术语“超临界”来描述处于高于其临界点的温度和压力下的流体状态，其中不存在明显的液相和气相。温度和压力可以被微调，使得正在被引导通过排放线路14的流体可以表现得更像液体或更像气体。可替代地，如果气态流体的焓增大，使得其在被输送至副储存容器20时是温热的气体，对于较低压力系统操作条件就是这样，则热量也被添加到副容器。虽然温热的气体是增加副储存容器20内的压力的第二来源，但是它不如蒸汽和/或冷气体那样高效。术语“温热气体”在本文中用于描述可供终端用户使用的处于可操作温度的气态流体；通常，对于内燃发动机，该温度范围是-40摄氏度(℃)至85摄氏度(℃)。增加的压力将储存在副储存容器20中的液化气态流体通过止回阀28推出供应线路24，其中止回阀28具有比副容器20中的液化气态流体的压头压力大的开启压力。供应线路24中的液化气态流体流动通过第二蒸发器26。与蒸发器16类似，第二蒸发器26在该实施方式中显示为热交换器，第二蒸发器26接收发动机冷却剂作为温热流体，该温热流体对液化气态流体进行加热以将液化气态流体转变为气体。在图示的实施方式中，流向这两个蒸发器的发动机冷却剂流过具有串联布置的蒸发器的循环回路46。在替代实施方式(未示出)中，发动机冷却剂可以分成多个分支，使得冷却剂并行地流过蒸发器。
多容器燃料储存和输送系统200的替代实施方式在图2中示出。与图1所示的实施方式共同的元件用相同的附图标记表示，并且如果它们以相同的方式操作和工作，则不再关于图2的实施方式进行描述。在该替代实施方式中，与图1中示出的分开地容纳第一蒸发器16和第二蒸发器26不同，采用了将第一蒸发器16和第二蒸发器26集成在一个壳体内的蒸发器36。从主储存容器10流过排放线路14的流体流经第一蒸发器入口16a到达第一蒸发器出口16b，并到达副容器20的蒸汽线路27。流过供应线路24的流体流经第二蒸发器入口26a到达第二蒸发器出口26b，并向下游输送至终端用户40。
由于副储存容器20内的压力能够保持在输送至终端用户40所需的压力范围内，所以不需要用于将液化气态流体从副储存容器20排出的第二泵。对于需要恒定压力供应的简单的终端用户系统，可以将泵装置12预设为维持对容器20的特定流体供应压力，以保持终端用户40处所需的气体供应输送压力。对于需要可变气体供应压力的更复杂的终端用户系统，可以使用电子控制器50来确定终端用户所需的气体供应输送压力，并且通过控制泵装置12的启动和/或相应地控制向排放线路14中的流体传热的速率来控制气体压力流。
再次参照图1中所示的示例性系统，示出了压力传感器30、32和34。在本文所公开的所述系统中，仅需要压力传感器30或压力传感器34来维持对终端用户40的期望流体供应压力。压力传感器34测量与副储存容器20的蒸汽空间流体连通的导管中的流体压力。也就是说，通过与蒸汽空间流体连通，这里测得的静态流体压力表示副储存容器20内的压力。副储存容器20与终端用户40之间的压力损失基于流量是已知的，因此可以根据压力传感器34测量的压力确定供应线路中的流体压力。可替代地，压力传感器30测量与终端用户40流体连通的导管如供应线路24中的流体压力；并且同样地，由于副储存容器20和终端用户40之间的压力损失基于流量是已知的，所以副储存容器20中的流体压力可以根据压力传感器30来确定。取决于系统要求，压力传感器30或压力传感器34或压力传感器30和压力传感器34两者可以用于控制对终端用户40的期望流体供应压力。压力传感器32测量与主储存容器10的蒸汽空间流体连通的导管中的流体压力。
所描述的系统还可以包括蒸汽线路17，蒸汽线路17可以允许来自主储存容器10的蒸汽空间的蒸汽流入蒸发器16上游的排放线路14。在储存容器10中的压力上升到预定压力值以上时的时间，泵装置12可以停止工作以允许蒸汽流入排放线路14。单向止回阀19防止液化气态流体通过蒸汽线路17流回到主储存容器10。与用于主储存容器10的蒸汽线路17类似，蒸汽线路27可以与副储存容器20相关联，使得气体可以从排放线路14直接流动至供应线路24。阀29可以是电子控制的电磁致动阀，该电磁致动阀被电子控制器基于压力传感器30和/或34测量的压力而命令打开或关闭。另外，阀29提供了控制流体从副容器20供应到供应线路24的速率的能力。当阀29打开时，来自容器10的流体能够绕过副容器20并直接抵达终端用户40。而且，当阀29打开时，由于止回阀28的开启或开裂压力大于副储存容器20中的液化气态流体的压头压力，所以副储存容器20中的流体停止向蒸发器26流动。通过打开和关闭阀29，系统可以控制主容器10和副容器20的液位下降，以使液位下降更均衡，而不是在开始排空主容器10之前完全排空副容器20。这种设计还有利地允许在加注燃料之前使少量的LNG留在副容器20中，诸如保持处于大约10％的容器液面位置，因此副容器20保持较冷，使得加注燃料更容易。
在替代性布置中，储存容器可以具有压力传感器，该压力传感器具有在储存空间内的探针，以用于直接测量内部容器压力。另外，为了更大程度的系统控制，传感器30、32和34可以是同时测量压力和温度的双用传感器。
在优选实施方式中，控制系统包括从压力传感器30和/或压力传感器34中的至少一者接收压力测量值的电子控制器或电子控制单元(“ECU”)50。图1中的附图标记52指向具有箭头的线路，该箭头表示从ECU 50发送的信号输出或命令并且从ECU 50通向例如泵装置12。将ECU 50连接到泵装置12的连续的命令线未示出，以避免使该示意图复杂化。类似地，附图标记54指向具有通向ECU 50的箭头的线路，表示信号输入，例如来自传感器如压力传感器30的测量数据。
ECU 50可以是独立单元，或者在所示的实施方式中，当系统是用于发动机的燃料储存和输送系统时，ECU 50可以是还控制发动机、后处理、车辆或其他相关系统的更大单元的一部分。为了控制图示的流体储存和输送系统，ECU 50被编程为基于由从压力传感器30、32和34接收的各个信号确定的测量压力来控制泵装置12的操作。例如，当压力传感器34测量到低于预定低压值的压力时，ECU 50命令泵装置12运行，使得来自主储存容器10的流体通过排放线路14和蒸发器16泄放到副储存容器20中，使得气体流入副储存容器20的蒸汽空间。当压力传感器34(或压力传感器30，这取决于系统设计)测量到高于预定高压值的压力时，ECU 50命令泵装置12停止工作。在设计成根据不同的终端用户操作条件以不同压力输送流体的流体输送系统中，可以根据终端用户操作条件和终端用户操作模式来调节低压值和高压值，所述终端用户操作条件可以包括气体流量需求，所述终端用户操作模式例如包括但不限于：冷起动模式、经济模式、动力模式和加注燃料模式。例如，随着气体流量需求的增加，可以增加低压值和高压值以满足气体流量需求。当系统是用于车辆发动机系统或汽车发动机系统的燃料储存和输送系统时，气体流量需求可以根据诸如发动机转速、扭矩、节气门位置、节气门位置的速率变化等输入以及本领域技术人员已知的其它输入来确定。
图3示出了ECU 50对于正常操作所采用的方法。在步骤300中开始之后，在步骤310中，ECU基于来自压力传感器30和34中的至少一者的输入来确定供应压力。在步骤320中，如果供应压力低于低压力值(Plow)，则下一个步骤是步骤330，在步骤330中泵装置12被启动以开始增加流向蒸发器16的流量。然后在步骤340中，ECU 50确定供应压力是否高于高压值(Phigh)，并且如果供应压力仍然低于高压值，则重复步骤330，直至供应压力高于高压值，此时泵装置12在步骤350中停止工作，然后ECU 50返回到步骤310以监测燃料供应压力。如果在步骤320中确定供应压力不低于低压值，则ECU 50也可以到达步骤340。
现在参照图4，其示出了多容器燃料系统400的替代实施方式，其中“n”个副容器被结合在系统中。与图1所示的实施方式共同的元件由相同的附图标记表示，并且如果它们以相同的方式操作和工作，则可以不再关于图4的实施方式进行描述。液化气态流体从泵装置12流动通过与每个副容器(容器20至20n)的蒸汽空间流体连通的排放线路14。流过排放线路14的流体经过第一蒸发器16，第一蒸发器16向流体添加焓，并且为了最高效的压力增加，在流体流经通向每个副容器(20至20n)的排放线路14的延续部分之前将流体转变为蒸汽和/或气体。从排放线路14流入每个副储存容器(20至20n)的顶部的流体增加了每个副容器内的压力。增加的压力推动储存在副储存容器20至20n中的液化气态流体通过相应的止回阀28至28n并且通过相应的供应线路24至24n。供应线路24中的液化气态流体经过第二蒸发器26，并且在该实施方式中，供应线路24n中的液化气态流体在被通过供应线路24引导至终端用户40之前经过单独的蒸发器26n。图4中的实施方式包括流体系统断流阀42至42n，断流阀42至42n可以通过ECU 50的命令操作至关闭位置以隔离向终端用户40的流体供应。取决于系统，作为断流阀42至42n的补充或替代，每个副容器(20至20n)以及容器10可以在蒸发器上游具有流体隔离阀，作为用于阻止流体流动到蒸发器和终端用户40的附加安全措施。
多容器流体储存和输送系统500的另一个实施方式在图5中示出，其具有在蒸发器26n的上游汇合的供应线路24和24n，来自所有副容器20至20n的流体都能够通过蒸发器26n以输送到终端用户40。可选的压力调节装置76定位在蒸发器26n下游的供应线路24上并且可以用作控制对终端用户40的流体输送压力的附加装置。断流阀42n位于蒸发器26n的下游，以在不操作时将储存容器与终端用户40隔离开。与图1、图2和图4所示的实施方式共同的元件用相同的附图标记表示，并且如果它们以相同的方式操作和工作，则可以不再关于图5的实施方式进行描述。
类似于图1所示的实施方式，图4和图5中所示的每个副容器(20至20n)内的压力可以根据设置在蒸汽线路14上的各个压力传感器(34至34n)中的任一个来确定，或者在蒸汽线路(27至27n)中的任一个与终端用户40流体连通的情况下根据压力传感器30来确定。取决于系统需求，可以采用压力传感器30和压力传感器(34至34n)中的任何一个或全部来控制对终端用户40的期望流体供应压力。
多容器流体储存和输送系统的操作将关于作为内燃发动机系统的终端用户进一步解释。现在与由ECU 50实施的控制策略一起描述示例性系统操作模式。
当例如在增程发动机运行模式(extended engine operation mode)中时，可以采用使每个储存容器中的流体液位均衡地下降的容器均衡策略。在这种模式下，ECU 50致动一个或多个阀以使流体的液位从储存容器10和副储存容器(20至20n)各者均衡地降低。图6示出了为了均衡每个储存容器中的液化气态流体液位而可以由ECU 50采用的逐步降低方法。从600中开始之后，ECU 50在步骤610中确定每个储存容器中的液化气态流体的液位，并且在步骤620中将高容器液位目标(LT)设定为比第二高的储存容器的流体液位低预定增量。该增量可以是第二高液位容器的液位的5％-10％。在步骤530中致动一个或多个阀(29至29n)，以选择具有最高液位的液化燃料的容器向终端用户40供应。在步骤640中，ECU 50确定最高液位容器的液位是否低于设定的高容器液位目标。如果不是，则逻辑流程被引导回到步骤610，在步骤610中ECU 50再次确定容器液位。如果是，则最高液位容器的液位此时低于设定高容器液位目标的液位，并且在步骤650中，致动一个或多个阀以切换容器，并且在步骤610中重复这些步骤，在步骤610中ECU 50再次确定每个容器中的容器液位。本领域技术人员将会理解，可以使用不同的方法来测量每个储存容器中剩余的液化气态流体的液位，并且还将理解，可以通过对液位测量值进行均化以在车辆倾斜或处于一定角度(上坡或下坡)时进行补偿晃动和/或校正，使得液位的确定更准确。
对于图1所示的实施方式，例如，当在采用均衡策略的模式中时，ECU50例如确定容器10中的流体液位比副容器20中的流体液位高20％。ECU50就致动蒸汽线路阀29到打开位置，从而允许来自蒸发器16的流体通过供应线路24中的蒸发器26到达发动机40。当在步骤540中时，ECU 50确定容器10中的液位比副容器20的液位低预定增量(例如5％)；ECU 50致动蒸汽线路阀29到关闭位置，并且储存在副储存容器20中的液化气态流体就通过止回阀28流出供应线路24，到达蒸发器26；在蒸发器26处，温热气体则离开并以期望的压力输送至发动机40。
遵循与图6相同的逻辑流程，现在以ECU 50确定容器20具有最高流体液位并且容器20n具有第二高流体液位的示例来描述如图3和图4中所示的均衡具有多于一个副容器的系统的流体液位的示例性方法。ECU 50然后将副容器20的高容器液位目标设定为比副容器20n的液位低预定增量。ECU50致动蒸汽阀29关闭且致动蒸汽阀29n打开，使得液化气态流体被推出容器20之外并被引导至供应线路24。由于蒸汽阀29n打开，所以蒸汽线路27n中的压力阻止来自副容器20n的液化气态流体经过止回阀28n离开。副容器20中的流体的液位下降，然后在图6的步骤640中，当ECU 50确定副容器20中的流体液位低于高容器液位目标时，在步骤650中ECU 50致动蒸汽阀29n关闭；然后在步骤610中，ECU50再次确定所有的容器流体液位，并在步骤620中重置高容器液位目标。以这种方式，当处于例如增程操作模式时，可以使所有的容器的液位均衡地降低。
当图4和图5的实施方式中所示的多个副容器(20至20n)处于大致平齐的流体液位时，ECU 50能够致动蒸汽线路阀(29至29n)全部关闭；由此，发动机40由来自所有副容器的液化气态流体以大致相同的量供应，从而这些容器的液位均衡地下降。另外，对于图4和图5中图示的系统实施方式，当副容器(20至20n)中的流体液位没有位于相近似的液位时，该系统设计允许重新均衡副容器中的流体液位，这是通过关闭通向具有较低流体液位的一个或多个副容器的一个或多个相应的断流阀(42至42n)直至流体液位变得均衡而实现的。该控制逻辑不能够用于图5所示的系统实施方式，这是因为来自副容器的供应线路在通过蒸发器26n之前汇合成单个供应线路。
对于冷起动模式，例如当冷却剂循环回路46中的冷却剂温度不足够热到使离开储存容器的液化气态流体蒸发时，遵循控制策略以保护蒸发器26和26n。如果ECU 50确定发动机冷却剂低于预定低温值，例如零摄氏度(℃)，则打开蒸汽线路阀29，从而允许来自泵装置12的流体流到排放线路14，或者允许来自容器10的蒸汽空间的流体流动到排放线路14(通过蒸汽线路17)并使用蒸汽线路27绕过副容器20，穿过蒸发器26到达发动机40。当ECU 50确定发动机冷却剂高于预定低温值时，蒸汽阀29关闭。对于多个副容器，阀29至29n将全部由ECU 50致动，使得只有来自容器10的流体被供应至发动机40，直到ECU 50确定冷却剂温度高于预定低温值。
对于热起动模式，当例如由于系统5-10天未运行而使容器(10、20至20n)中的压力较高时或者当容器被填充温热的燃料时，ECU 50不启动LNG泵装置，同时容器中的蒸汽处于足够的压力以满足发动机需求。当容器20至20n中的压力降到低于预定较低压力值时，则ECU 50启动泵装置12以增加副容器压力。
对于某些要求高的发动机状况需要高燃料需求的动力模式，ECU 50将高压力值(Phigh)设定为针对高燃料需求条件而设计的预定高压力阈值，致动所有蒸汽线路阀(29至29n)关闭并且命令泵装置12输出高流体流量以增加副容器(20至20n)中的压力，从而特意地将较高流量的液化气态流体从副容器(20至20n)推出至位于供应线路24上的一个或多个蒸发器，以满足高燃料需求。一旦满足高要求的条件，ECU 50便可以切换到容器均衡策略，并操作泵装置12和蒸汽阀29至29n以允许在所有容器之间均衡流体液位。
加注燃料模式可以有利地用于图1、图2、图4和图5示出的所公开的系统中，例如当一个或多个副容器(20至20n)中的液化气态流体的液位较低(例如总容积的5％至10％)并且驾驶员/操作员期望加注燃料时。通过在一个或多个副储存容器(20至20n)内留下一些液化气态流体，可以减少燃料加注时间，从而防止了所述一个或多个副容器变得更热，这种变热会增加燃料加注时间。通过ECU 50打开与一个或多个低流体液位副容器相关联的相应蒸汽线路阀(29至29n)，一个或多个低流体液位副容器被旁绕。如果每个副容器(20至20n)的燃料液位低，则ECU打开所有的蒸汽线路阀(29至29n)，使得发动机40仅从容器10被供应燃料。与所有来自容器20至20n的剩余流体都被使用并且允许容器在加注燃料之前被温热时相比，这允许驾驶员以更快的速度加注燃料。
通常，对于将燃料输送至进气系统中的发动机燃料系统，难以管理燃料输送压力的突然变化。优选地，燃料以稳定的燃料供应压力输送，或者如果想要改变燃料供应压力，则压力逐渐改变。这非常适合于所公开的多容器流体储存和输送装置，因为一个或多个副储存容器起到储存容器和蓄积器的双重作用，因而提供了以所需供应压力储存的燃料的非常大的缓冲。也就是说，这种大的缓冲有助于缓和瞬态发动机需求，使得更容易管理系统压力。
应当注意的是，示意图被简化以更好地示出所公开的实施方式的特征。本领域技术人员将理解，燃料储存和输送系统的许多其他元件是整个系统的一部分，但未示出，这些其他元件例如但不限于压力释放系统、隔离储存容器的阀以及用于维护的其他部件，并且在泵装置为液压致动的情况下，还有液压驱动器和相关联的液压流体线路。
虽然已经示出和描述了当前公开的多容器燃料系统的特定元件、实施方式和应用，但将理解的是，本发明不限于此，因为本领域技术人员可以在不脱离本公开的范围的情况下，特别是根据前述教导作出改型。

Claims (33)

1.一种多容器流体储存和输送系统，包括：
主储存容器，所述主储存容器用于储存液化和蒸汽形式的气态流体；所述气态流体在标准温度和压力下为气态形式，但以液化和蒸汽形式储存在所述主储存容器中；
副储存容器，所述副储存容器用于储存液化和蒸汽形式的气态流体；
泵装置，所述泵装置与所述主储存容器流体连通，以用于接收来自所述主储存容器的流体、对来自所述主储存容器的流体进行加压并将来自所述主储存容器的流体输送至排放线路；
与所述副储存容器流体连通的所述排放线路；
供应线路，所述供应线路与所述副储存容器流体连通，以用于接收来自所述副储存容器的流体并将来自所述副储存容器的流体输送至终端用户；
第一蒸发器，所述第一蒸发器能够操作为对流过所述排放线路的流体进行加热；
第二蒸发器，所述第二蒸发器能够操作为对流过所述供应线路的流体进行加热；
压力传感器，所述压力传感器用于测量所述排放线路或所述供应线路中的流体压力；以及
控制系统，所述控制系统：
与所述压力传感器通信以接收来自所述压力传感器的流体压力测量值；并且
与所述泵装置连通以根据测得的流体压力向所述泵装置发送命令信号从而控制操作，并根据基于预定操作条件的预定压力值控制所述供应线路中的流体压力。
2.根据权利要求1所述的多容器流体储存和输送系统，其中，所述压力传感器测量所述排放线路中的压力。
3.根据权利要求1所述的多容器流体储存和输送系统，其中，所述压力传感器测量所述供应线路中的压力。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，其中，所述第一蒸发器在所述泵装置与所述供应线路之间设置在所述排放线路上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，其中，所述预定操作条件包括终端用户流体流量需求、储存容器液化气态流体液位以及与所述第一蒸发器的操作温度相关的测量温度中的至少一者。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，其中，所述预定压力值基于所述终端用户流体流量需求而设定。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，其中，当所述排放线路和所述供应线路中的至少一者中的压力低于预定低压值时，所述控制系统命令所述泵装置向所述排放线路供应流体。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，其中，当所述排放线路和所述供应线路中的至少一者中的压力高于预定高压值时，所述控制系统命令所述泵装置停止向所述排放线路供应流体。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，还包括与主容器蒸汽线路相关联的第二压力传感器，其中所述主容器蒸汽线路将所述主储存容器的蒸汽空间与所述第一蒸发器的入口流体连接，其中，所述控制系统接收来自所述第二压力传感器的压力测量值，并根据从所述第二压力传感器接收的所述压力测量值和指示何时从所述主储存容器中提取蒸汽而不是液化气态流体的预定操作条件来管理从所述主容器通过所述主容器蒸汽线路到达所述第一蒸发器的流体流量。
10.根据权利要求1至6中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，其中，当所述排放线路或所述供应线路中的压力低于预定低压值以及当测量温度高于预定高温值时，所述控制系统命令所述泵装置向所述排放线路供应流体。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，还包括：
与所述副储存容器的入口相关联的副容器蒸汽线路，所述副容器蒸汽线路将副储存容器的蒸汽空间与所述第二蒸发器的入口流体连接；以及
旁路蒸汽线路阀，所述旁路蒸汽线路阀布置在所述副容器蒸汽线路中以控制流过所述副容器蒸汽线路中的流量，
其中，所述控制系统根据从所述压力传感器接收的压力测量值和指示何时从所述副储存容器中提取蒸汽而不是液化气态流体的预定操作条件来管理通过所述副容器蒸汽线路的流量。
12.根据权利要求11所述的多容器流体储存和输送系统，其中，当所述副储存容器旁路蒸汽线路阀打开时，来自所述主储存容器的流体通过所述副储存容器旁路蒸汽线路阀被引导至所述终端用户。
13.根据权利要求11或12所述的多容器流体储存和输送系统，其中，当所述副储存容器旁路蒸汽线路阀关闭时，来自所述主储存容器的流体被引导至所述副容器的蒸汽空间，并且因此液化气态流体从所述副容器被引导至所述第二蒸发器。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，其中，用于打开所述旁路蒸汽线路阀的预定操作条件之一是当所述控制系统确定与所述旁路蒸汽线路阀相关联的所述副储存容器中剩余的液化气态流体的液位低于预定液位时。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，其中，用于关闭所述旁路蒸汽线路阀的预定操作条件之一是当所述控制系统确定与所述旁路蒸汽线路阀相关联的所述副储存容器中剩余的液化气态流体的液位高于预定高容器液位目标时。
16.根据权利要求15所述的多容器流体储存和输送系统，其中，所述预定高容器液位目标根据第二高储存容器液化气态流体液位来设定。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，其中，所述第一蒸发器和所述第二蒸发器被集成在单个蒸发器壳体中。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，其中，所述副储存容器用作蓄积器。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，还包括设置在所述终端用户上游的所述供应线路上的气态流体压力调节器。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，还包括多个副储存容器，其中每个所述副储存容器通过所述排放线路流体连接到所述主储存容器。
21.根据权利要求20所述的多容器流体储存和输送系统，其中，所述多个副储存容器中的每一个的蒸汽空间与用于测量其中的蒸汽压力的压力传感器相关联。
22.根据权利要求21所述的多容器流体储存和输送系统，其中，所述多个副储存容器中的每一个与各自副容器蒸汽线路和控制流过所述副容器蒸汽线路中的流量的旁路蒸汽线路阀相关联，其中，所述控制系统根据所述多个副储存容器中的每一个的所述蒸汽空间的测量压力和指示何时从所述多个副储存容器中的每一个提取蒸汽而不是液化气态流体的预定操作条件管理通过每个副容器蒸汽线路的流量。
23.根据权利要求1至21中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，其中，所述终端用户是内燃发动机。
24.根据权利要求1至22中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，其中，所述气态流体是选自天然气、甲烷、丁烷、丙烷、乙烷、氢气、生物气中的一者的气态燃料或包括这些气态燃料的混合物。
25.根据权利要求1至23中任一项所述的多容器流体储存和输送系统，其中，所述第一蒸发器和所述第二蒸发器是热交换器，并且发动机冷却剂从发动机冷却剂系统循环以流过相应的所述热交换器，从而将热能传递至从相应的所述主储存容器和所述副储存容器输送的气态流体。
26.一种将液化形式的气态流体储存在多个储存容器中并将气体输送至终端用户的方法，所述方法包括：
将液化形式的气态流体储存在主储存容器中；
将液化形式的气态流体储存在副储存容器中；
测量所述副储存容器中的压力；
当所述副储存容器中的压力低于预定低压值时，从所述主储存容器泵送流体、增大流体的焓、然后将流体输送至所述副储存容器；
当所述副储存容器中的压力升高到预定高压值以上时，停止从所述主储存容器泵送流体；以及
通过供应线路将是气体的流体输送至所述终端用户；
其中所述预定低压值和所述预定高压值是基于预定操作条件而设定的。
27.根据权利要求26所述的方法，还包括基于所述预定操作条件通过a或b将气体输送至所述终端用户，其中：
a:将来自所述主储存容器的蒸发空间的流体的一部分引导至副储存容器旁路蒸汽线路，并且在将是气体的流体输送至所述终端用户之前增大流体的焓；或者
b:将来自所述副储存容器的液化气态流体引导至供应线路中，并且在流体输送至所述终端用户之前将液化气态流体转变为气体。
28.根据权利要求26或27所述的方法，其中，所述预定操作条件包括终端用户流体流量需求、储存容器液化气态流体液位以及与所述第一蒸发器的操作温度相关的测量温度中的至少一者。
29.根据权利要求26至28中任一项所述的方法，还包括当所述主储存容器的压力大于所述预定高压值时，或者当测量温度低于预定低温值时，将来自所述主储存容器的蒸汽空间中的流体输送至所述终端用户。
30.根据权利要求26所述的方法，还包括当所述终端用户流体流量需求高时，将来自所述副储存容器的液化气态流体引导至供应线路，并且在输送至所述终端用户之前将所述液化气态流体转变为气体。
31.根据权利要求26所述的方法，还包括测量每个储存容器中的液化气态流体的液位，并将来自最高流体液位储存容器的流体引导至所述终端用户，直至来自最高测量流体液位储存容器的测量流体液位低于预定高容器液位目标。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述预定高容器液位目标根据第二高储存容器流体液位而设定。
33.根据权利要求26至32中任一项所述的方法，其中，所述副储存容器是多个副储存容器中的一个。
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