CN111678031A - 一种集成式一体化智能气瓶 - Google Patents

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黄焕涛
刘小玲
张榕灼
陈云潮
李群达
李艺玲
胡杨
谢国清
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Abstract

本发明公开了一种集成式一体化智能气瓶，包括气瓶瓶体、防进液气相管、液相管、介质加热装置、液位传感器、压力传感器、温度传感器、截止阀、安全阀、防撞护圈、气瓶身份识别装置及其安装在气瓶防撞护圈内的气瓶控制单元。本发明将各传感器、介质加热装置集成到瓶体上，用于精确检测气瓶中介质余量、压力、温度；在低温介质蒸发量不足时，介质加热装置对气瓶内介质进行加热，对加热温度进行准确控制，从而保证气瓶内压力稳定，保证介质的持续、稳定供给。本发明结构紧凑、功能完善，兼顾安全性、实用性及可靠性，填补了目前市场上集成式一体化智能气瓶的空白。该气瓶特别适合作为液氨存储的移动源，与柴油机配套使用，处理柴油机排放的氮氧化物。

Description

一种集成式一体化智能气瓶
技术领域
本发明涉及气瓶的技术领域，尤其涉及一种集成式一体化智能气瓶，用以储存液化气体，尤其适用于移动式储存液氨处理柴油机尾气中的氮氧化物。
背景技术
气瓶应用广泛，无论是在生产领域，还是在生活领域，几乎都离不开气瓶。
气瓶是一种承压容器，其储存的介质一般具有易燃、易爆、有毒、强腐蚀等性质，具有爆炸风险；使用环境又因其移动、重复充装、操作使用人员不固定和使用环境变化的特点，比其他压力容器更为复杂、恶劣；气瓶一旦发生爆炸或泄漏，往往发生火灾或中毒，甚至引起灾难性事故，带来人员伤亡、环境污染和财产损失。气瓶的用量很大，从气瓶设计、制造、使用、日常检查、维修、定期检验直至报废，国家颁布了一系列规范，必需要严格遵守。因而气瓶需要专业化的设计与系统化、智能化、专业化的管理。
另外，中国公路运输量占整个运输量70％以上，柴油车因其在动力性、经济性以及可靠性方面比汽油车更具有明显的优势，因而承担着绝大多数的货运。柴油机在船用、铁路、发电机、工程机械等领域的使用量也很庞大。柴油机采用压燃工作方式，其“空燃比”较大，燃烧比较完全；然而高温、富氧的燃烧条件会将空气中的氮转化为大量的氮氧化物(NOx)，NOx对环境的损害作用极大，其既是形成酸雨的主要物质之一，也是形成大气中光化学烟雾的重要物质和消耗臭氧(O3)的一个重要因子；仅2018年柴油车的NOx排放量就高达574.3万吨。
NOx的处理势在必行。早期柴油车采用SCR尿素后处理系统(BASF AdBlue)对NOx进行处理，然而因尿素热解释放氨过程复杂，释放量难以控制，因此该方案难以到达国六标准或未来更严格的排放标准。基于此考虑有必要直接利用液氨对柴油车尾气中的NOx进行处理，而目前市场上尚未存在符合使用要求的液氨气瓶。
液氨属于危险化学品，为了保证液氨的安全使用，国家制定了相关的安全规定，装运液氨的气瓶必须符合中华人民共和国交通部制订的《危险货物运输规则》等有关规定。
综上所述，有必要设计“一种集成式一体化智能气瓶”来满足气瓶安全、稳定的使用及其系统化、智能化、专业化的管理，特别是当该类气瓶存储液氨，用于处理柴油机排放的氮氧化物。
发明内容
基于上述现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种集成式一体化智能气瓶，其具备身份识别、液位精确测量、电控恒压精准释放瓶内介质，智能化管理、安全性高的特点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
一种集成式一体化智能气瓶，包括气瓶瓶体，所述气瓶瓶体上设有：液位传感器，安装在所述气瓶瓶体的筒体上，用于检测气瓶内介质的液位；压力传感器，安装在所述气瓶瓶体的封头上，用于检测气瓶内部压力；介质加热装置，安装在所述气瓶瓶体的内部，用于对气瓶内的介质进行加热，使气瓶内压力上升，当压力达到设定值后自动停止加热，从而保证介质恒压、持续性供给；温度传感器，安装在所述介质加热装置上，用于检测气瓶内的温度；安全阀，安装在所述气瓶瓶体的封头上，用于当气瓶内的压力超过设定值时，自动开启泄放压力；气瓶控制单元，与所述液位传感器、压力传感器、温度传感器、和介质加热装置连接，用于对气瓶进行监测、定位、控制、信息存储和数据通讯。
可选的，当气瓶存储液氨用于处理柴油机尾气氮氧化物时，气瓶上的气瓶控制单元能够与机载电控系统ECU进行通信。
可选的，当气瓶存储天然气、氢气、氨气等压缩气体作为发动机能源时，气瓶上的气瓶控制单元能够与机载电控系统ECU进行通信。
可选的，所述气瓶瓶体两端的封头上分别安装有伸入到气瓶内部的防进液气相管和液相管，所述防进液气相管和液相管位于气瓶外部的端部分别安装有用于释放氨的第二截止阀和用于充装加注氨的第一截止阀。
可选的，所述气瓶瓶体两端的封头外分别焊装有第一防撞护圈和第二防撞护圈，用于气瓶受到外力撞击时，对气瓶瓶体上的部件进行保护。
可选的，所述气瓶瓶体上设有气瓶身份识别装置，用于记录、存储气瓶信息，通过移动终端扫描气瓶身份识别装置上的二维码或射频标签获得气瓶相关的信息。
进一步的，所述气瓶控制单元内置有兼容北斗系统、GPS、GLONASS、Galileo的GNSS位置模块、MCU、信号采集模块、通讯模块、信号执行模块，其可以通过4G/5G或其他无线网络形式将气瓶各种信息包括实时位置、实时状态、充装加注记录传送至云端服务器，可以在上位机上实现远程监控、管理气瓶；其内置有可充电电池，可以在脱离外部电源的情况下独立工作。
进一步的，所述防进液气相管的末端装设有防进液帽。
可选的，所述液位传感器为浮球干簧管式液位传感器，其包括浮球和探杆，所述浮球中内置有永久磁铁，所述探杆中内置有一组串联的电阻，每个电阻对应一个干簧管；气瓶内介质的液位变化带动所述浮球上下运动，在永久磁铁的作用下，所述干簧管内的开关闭合，引起电压变化，该电压变化对应出液位变化。
可选的，所述介质加热装置包括安装在所述气瓶瓶体的封头上的法兰座、穿过所述法兰座并伸入到气瓶内部的发热体管，所述发热体管外设有防泄漏外套管，所述发热体管内通有发热体；所述温度传感器安装在所述发热体管内。
本发明的集成式一体化智能气瓶，能够在气瓶控制单元的配合下的实现实时在线精确监测介质液位、温度、压力的功能从而对风险进行预测；气瓶中氨余量进行实时测量，将数据上报给客户与数据处理中心，以此能为客户提供优异的服务；因气瓶的身份识别码采用电子数据库存档，并通过4G/5G等信号连接云端数据库，以此能够实时了解气瓶使用状态、便于气瓶定期检查与维护。
本发明的集成式一体化智能气瓶构思新颖、功能完善、结构合理，兼顾安全性、可靠性及实用性，填补了目前市场上集成式一体化智能气瓶的空白，满足国家法规对气瓶监管、充装加注等要求。本发明的智能气瓶可以独立和移动使用，气瓶可以安装在车辆上，充装液氨用来处理柴油机排放的氮氧化物。
同时，本发明的集成式一体化智能气瓶也能充装其他任何形式的气体，用于各式各样不同的场合。
附图说明
图1为本发明的集成式一体化智能气瓶的结构示意图。
图2为本发明的集成式一体化智能气瓶的液位传感器的原理示意图。
图3为本发明的集成式一体化智能气瓶的介质加热装置的结构示意图。
图4为氨的温度/压力曲线图。
具体实施方式
下面参见图1，对本发明的集成式一体化智能气瓶进行详细说明。
本发明的集成式一体化智能气瓶包括气瓶瓶体27，气瓶瓶体27及其封头可以采用不锈钢、钢、钛合金等材质加工制造，也可以采用有内胆的含玻璃纤维、碳纤维的缠绕复合材料进行工艺制造。依照设计原则能做出不同容积，长径比的气瓶。例如制备盛装液氨的气瓶，其设计压力为3.0MPa、设计温度为60℃，按照此参数计算瓶体壁厚，以此制造出满足国家规范规定的气瓶。
本发明的气瓶的筒体可以使用不锈钢无缝管或者不锈钢板材卷绕焊接成型，封头常采用液压工艺成型。封头和筒体也可以经过拉伸一次成型后两截焊接在一起，筒体与封头可采用埋弧焊、氩弧焊工艺组合。
气瓶瓶体27两端的封头上分别通过安装座安装有伸入到气瓶内部的防进液气相管15和液相管8，气瓶的筒体上装有液位传感器9，气瓶瓶体27的封头上通过安装座安装有压力传感器2和安全阀19，气瓶瓶体27的内部安装有介质加热装置23，介质加热装置23上安装有温度传感器24，防进液气相管15和液相管8位于气瓶外部的端部分别安装有用于释放氨的第二截止阀20和用于充装加注氨的第一截止阀3。气瓶瓶体27两端的封头外分别套装有第一防撞护圈21和第二防撞护圈4。第一防撞护圈21和第二防撞护圈4可焊接于封头上，防撞护圈的材质可为钢板，具有足够的强度，可以缓冲撞击力，对瓶体、传感器、安全阀、气瓶控制单元等关键部件进行保护。
第一防撞护圈21或第二防撞护圈4内安装有气瓶控制单元28，气瓶控制单元28与所述液位传感器9、压力传感器2、温度传感器24、安全阀19和介质加热装置23连接，用于对气瓶进行监测、定位、控制、信息存储和数据通讯。
气瓶控制单元28内置有兼容北斗系统、GPS、GLONASS、Galileo的GNSS位置模块、MCU、信号采集模块、通讯模块、信号执行模块，其可以通过4G/5G或其他无线网络形式将气瓶各种信息包括实时位置、实时状态、充装加注记录等传送至云端服务器，可以在上位机上实现远程监控、管理气瓶；其内置有可充电电池，可以在脱离外部电源的情况下独立工作。于此同时，当气瓶存储液氨用于处理柴油机尾气氮氧化物，气瓶上气瓶控制单元28能与机载电控系统ECU进行通信。气瓶控制单元28能与充装加注系统进行通讯和控制，以此减少人为干预，实现自动充装加注，从而杜绝安全隐患、利于管理。
气瓶瓶体27上设有气瓶身份识别装置1，用于记录、存储气瓶信息，通过移动终端扫描气瓶身份识别装置上的二维码或射频标签获得气瓶相关的信息，例如包括气瓶制造商、编号、出厂日期、技术参数、检验状态、使用记录等。气瓶身份识别装置1还能被气瓶控制单元28和充装加注系统同时识别，读取气瓶相关的各种信息、技术参数，避免违法充装加注，方便监管部门对气瓶实施监督、管理。
本发明在防进液气相管15的末端装设一个防进液帽，液体从其表面流下，并不影响气体介质顺利进入气相管，达到进气不进液的目的，管道内压力更稳定。
本发明中的液位传感器9可以是浮球干簧管式、磁致式、雷达式等。本发明的实施例中使用浮球/磁铁/干簧管式液位传感器应用在气瓶中。
如图2所示，在浮球中内置永久磁铁14，在探杆中内置一组串联电阻13，每个电阻对应一个干簧管5。液位变化带动浮球上下运动，在其内置磁铁的作用下，干簧管5内的开关闭合，引起电压变化，而此变化对应出液位变化。
液位传感器9检测气瓶内介质的液位，通过气瓶控制单元28对其进行液位高、低检测，提醒使用人员注意介质液位变化，使之得以及时充装加注或停止使用，防范风险。当充装加注液位达到规定值后自动关闭第一截止阀3(介质加注口)。
本发明通过集成有温度传感器24的介质加热装置23实现恒温、恒压供气的实施，如图3所示，介质加热装置23包括安装在所述气瓶瓶体27的封头上的法兰座6、穿过所述法兰座6并伸入到气瓶内部的发热体管7，法兰座6与气瓶瓶体外的发热体法兰11连接，所述发热体管7外设有防泄漏外套管8，所述发热体管7内通有发热体10，利用发热体恒温、恒压的原理对气瓶内的介质进行加热。另外，发热体10和温度传感器24的电缆12通过法兰座6和发热体法兰11穿出，本发明的加热装置可采用电阻丝、PTC陶瓷发热器对气瓶内部介质进行加热。
当压力传感器2检测到压力低于设定值、或液位过低导致介质蒸发量减少时，通过气瓶控制单元28控制介质加热装置23对气瓶内介质进行加热，使得气瓶内压力上升，当压力达到设定值后自动停止加热，保证介质恒压、持续性供给。
当气瓶中充装液氨用于处理柴油机尾气氮氧化物时，液氨属于液化气体，其饱和蒸汽压力随着温度的变化而变化(见图4)，气瓶内的存氨量多少也会导致压力高低变化。在流道截面积一定的情况下，氨的供应压力变化将导致在单位时间内氨的流量大幅度变化；在柴油发动机尾气后处理SCR系统中，稳定的供氨压力有利于氨流量的精确控制，进而才能在催化还原反应过程中尽可能降低NOx的同时又可控制氨逃逸造成新的环境污染。本发明的气瓶中的氨压力的稳定可以通过传感器、介质加热装置、气瓶控制单元实现，并且供氨压力可以在在0.07MPa-2.57MPa之间进行设置。本实例中将气瓶内的压力值设定为1.53MPa，对应温度值为40℃，其控制过程如下：
当气瓶内氨压力＜1.53MPa、温度＜40℃时，压力传感器2、温度传感器24将此时的压力、温度信号传送至气瓶控制单元28，经气瓶控制单元处理后输出指令给介质加热装置，介质加热装置23得电后开始加热；当压力传感器检测压力达到1.53MPa时，信号传送至气瓶控制单元，气瓶控制单元综合分析处理后断开加热装置电源，加热中止；周而复始，达到稳定气瓶内压力的目的。
为了使盛氨气瓶具有更好的安全性，将具体实施例中的集成式一体化智能气瓶的设计压力定为3.26MPa，设计温度定为70℃，瓶体强度能适应在地球上的绝大部分自然环境中安全使用；也可以按照50-70℃时氨的饱和蒸汽压力进行设计。为了应对极端情况，采用安全阀19，正常情况下安全阀19处于关闭状态。
由于任何外部原因，比如火灾、高温导致气瓶内部压力达到设定压力时，安装于瓶体上的安全阀19将会自动开启从而泄放气瓶内压力，由于液氨的气化是一个吸热的过程，泄放过程中会使得气瓶环境温度迅速降低，即便遇上火灾也能保证气瓶的安全，降低气瓶发生爆炸风险；并可以通过管道将安全阀19泄放出来的氨气引导至较高处放散，利用氨气密度小于空气，其会向上飘散的特点，能最大程度避免泄放的氨气对人身和环境的伤害。当气瓶内压力恢复到设定值以下时安全阀19将会自动关闭，使得气瓶不会超压，降低安全事故发生概率。
本发明的集成式一体化智能气瓶可以在汽车柴油发动机尾气后处理SCR系统中作为还原剂液氨的储存装置。当液氨气瓶初次使用或者液位处于最低液位线和最高液位线之间时，可以充装加注液氨到合法的气瓶内；其充装加注过程如下：
一、车辆停稳、熄火、用三角木固定车轮，做好充装加注准备；
二、气瓶经电缆、良好电器接地后，连接液氨气瓶进口的第一截止阀3与充装加注系统管道；电器连接气瓶控制单元28与充装加注系统控制器，实现两者之间通讯，相互识别、协同工作；同时充装加注系统控制器识别气瓶身份识别装置1确认气瓶身份合法、状态正常；
三、气瓶控制单元28将采集到的液位传感器9、压力传感器2、温度传感器24的信号传送到充装加注系统控制器，经充装加注系统控制器处理后确定充装加注量、充装加注参数如压力、温度、流量，人工确认后启动充装加注开关，充装加注自动开始；
四、充装加注量达到加注系统控制器内部运算后确定的加注量，或液位达到最高液位线时，气瓶控制单元28和充装加注系统控制器同时有权发出充装加注停止指令，关断第一截止阀3，充装加注过程自动终止；拆除管道及电气连接，充装加注完成；
五、加注系统控制器检测、识别到气瓶身份不合法，不能进行充装加注操作；充装加注过程中气瓶内的液位、温度、压力由气瓶控制单元28和加注系统控制器全程监控，当检测到任意一项参数值达到或超过气瓶设计值时，气瓶控制单元28和加注系统控制器同时有权发出充装加注停止指令，关断第一截止阀3，充装加注过程立即自动中止。
本发明的气瓶释放氨的过程是：
机载电控系统ECU通过CAN总线传送发动机运转信号到气瓶控制单元，液位传感器9检测到的液位≥低液位线的10mm、压力传感器2检测到压力达到1.53MPa、温度传感器24检测到温度达到40℃时，信号传送至气瓶控制单元，气瓶控制单元随即发出信号打开第二截止阀20(介质输出口)，此时气瓶中的氨开始释放，通过氨输送管道向SCR中的喷射装置供应压力稳定的氨；发动机停止运行，第二截止阀20将关闭，供氨停止。
本发明的集成式一体化智能气瓶也可以立式使用，零部件通用，传感器、截止阀、安全阀可以安装在气瓶的上下两端的封头上。
本发明将液位传感器9、压力传感器2、温度传感器24、介质加热装置集成到瓶体上，用于精确检测液氨储罐中液氨余量、氨压力、液氨储罐环境温度；在低温液氨蒸发量不足时对气瓶进行加热，通过PID对加热温度进行准确控制，从而保证罐体内压力稳定，保证氨的持续性稳定供给。本发明结构紧凑、功能完善，兼顾安全性、实用性及可靠性，填补了目前市场上尚无集成式一体化智能气瓶的空白，特别适合移动使用时液氨的存储，处理柴油机排放的氮氧化物。
可以理解，上述描述的具体应用实例仅仅用以解释本发明在部分场合的应用，并不意味着限定本发明作为“一种集成式一体化智能气瓶”应用于需要液化气体储存、供给的其他不同场合和安装方式。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉相关技术领域的人员在本发明所揭露的技术范围内使用该技术，均可理解为变换或者替换式侵权行为。

Claims (9)

1.一种集成式一体化智能气瓶，包括气瓶瓶体(27)，其特征在于：所述气瓶瓶体上设有：
液位传感器(9)，安装在所述气瓶瓶体(27)的筒体上，用于检测气瓶内介质的液位；
压力传感器(2)，安装在所述气瓶瓶体(27)的封头上，用于检测气瓶内部压力；
介质加热装置(23)，安装在所述气瓶瓶体(27)的内部，用于对气瓶内温度较低的介质进行加热，使气瓶内压力上升，当压力达到设定值后自动停止加热，从而保证介质恒压、持续性供给；
温度传感器(24)，安装在所述介质加热装置(23)上，用于检测气瓶内介质及介质加热装置的温度；
安全阀(19)，安装在所述气瓶瓶体(27)的封头上，用于当气瓶内压力超过设定值时，自动开启泄放压力；
气瓶控制单元(28)，与所述液位传感器(9)、压力传感器(2)、温度传感器(24)、和介质加热装置(23)连接，用于对气瓶进行监测、定位、控制、信息存储和数据通讯。
2.根据权利要求1所述的一种集成式一体化智能气瓶，其特征在于：当气瓶存储液氨用于处理柴油机尾气氮氧化物时，或气瓶存储天然气、氢气、氨气压缩气体作为车用能源时，气瓶上的气瓶控制单元(28)能够与机载电控系统ECU进行通信。
3.根据权利要求1所述的一种集成式一体化智能气瓶，其特征在于：所述气瓶瓶体(27)两端的封头上分别安装有伸入到气瓶内部的防进液气相管(15)和液相管(8)，所述防进液气相管(15)和液相管(8)位于气瓶外部的端部，分别安装有用于释放氨的第二截止阀(20)和用于充装加注氨的第一截止阀(3)。
4.根据权利要求1所述的一种集成式一体化智能气瓶，其特征在于：所述气瓶瓶体(27)两端的封头外分别焊装有第一防撞护圈(21)和第二防撞护圈(4)，用于气瓶受到外力撞击时，对气瓶瓶体(27)上的部件进行保护。
5.根据权利要求1所述的一种集成式一体化智能气瓶，其特征在于：所述气瓶瓶体(27)上设有气瓶身份识别装置(1)，用于记录、存储气瓶信息，通过移动终端扫描气瓶身份识别装置上的二维码或射频标签，获得气瓶相关的信息。
6.根据权利要求1所述的一种集成式一体化智能气瓶，其特征在于：所述气瓶控制单元(28)内置有兼容北斗系统、GPS、GLONASS、Galileo的GNSS位置模块、MCU、信号采集模块、通讯模块、信号执行模块，其可以通过4G/5G或其他无线网络形式将气瓶各种信息包括实时位置、实时状态、充装加注记录传送至云端服务器，可以在上位机上实现远程监控、管理气瓶；其内置有可充电电池，可以在脱离外部电源的情况下独立工作。
7.根据权利要求3所述的一种集成式一体化智能气瓶，其特征在于：所述防进液气相管(15)的末端装设有防进液帽。
8.根据权利要求1所述的一种集成式一体化智能气瓶，其特征在于：所述液位传感器(9)为浮球干簧管式液位传感器，其包括浮球和探杆，所述浮球中内置有永久磁铁，所述探杆中内置有一组串联的电阻，每个电阻对应一个干簧管(5)；气瓶内介质的液位变化带动所述浮球上下运动，在永久磁铁的作用下，所述干簧管(5)内的开关闭合，引起电压变化，对应出液位变化。
9.根据权利要求1所述的一种集成式一体化智能气瓶，其特征在于：所述介质加热装置(23)包括安装在所述气瓶瓶体(27)的封头上的法兰座、穿过所述法兰座并伸入到气瓶内部的发热体管，所述发热体管外设有防泄漏外套管，所述发热体管内通有发热体；
所述温度传感器(24)安装在所述发热体管内。
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