TW201727132A - 恆壓儲存單元 - Google Patents

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Robert Adler
Sascha Dorner
Markus Rasch
Michael Stefan
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Linde Ag
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Abstract

本發明涉及一種恆壓儲存單元及運轉儲存單元的方法，目的是以恆壓儲存及輸送氫(12A，12C)，恆壓儲存單元包括至少一個可移動的分隔活塞(11A，11B，11C，11D)分隔成兩個區的恆壓儲存器(A，B，C，D)、至少一個輸送液體(1)用的流體泵(9)、以及至少一個流體儲存器(4)，其特徵為：測量裝置(2)測量流體儲存器(4)內的液位，並經由一調節單元(5)向流體泵(9)發送信號。這樣在恆壓儲存單元被抽空，就可以即時關閉流體泵。

Description

恆壓儲存單元
本發明涉及一種以恆壓儲存氣體的恆壓儲存單元，其包括至少一個被一可移動的分隔活塞分隔成兩區的恆壓儲存器、至少一個輸送液體用的流體泵、以及至少一個流體儲存器。此外，本發明還包括操作此種恆壓儲存單元的方法，尤其是用於儲存氫。
恆壓儲存單元是指一種可以為小型、移動式、或固定式儲存裝置裝填燃料的裝置。恆壓儲存單元本身可以是一個固定式的裝置，尤其是可以作為加油站的一個組成部分，也可以安裝在可移動的油罐車上。恆壓儲存單元通常包括一或複數個恆壓儲存器、一個包括至少一個流體泵及至少一個流體儲存容器的流體供應裝置，另必要時還包括一個氣體調節單元，以滿足耗能器對氣體的要求。當然，除此之後還包括運轉設施所需的各式閥、調節器及傳感器。
在使用恆壓儲存器時，可以不必在恆壓儲存器及耗能器之間設置壓縮機或空壓機。這有助於降低投資及維修成本。
傳統型高壓儲存裝置在抽空及裝填時會經歷 多次負荷變換。氣態燃料(尤其是氫)的儲存主要是利用較高的儲存壓力以提高儲存容量。但是這樣做會因為負荷變換導致負荷進一步升高。由於市場對氫及氫氣加油站的需求上升，因此對於穩定、使用壽命、且不太需要維修的儲存系統的需求也跟著升高。但是這方面的傳統材料及設施的成本過高，或是不夠穩定。如WO2015051894所述，恆壓儲存單元可提供另外一種選擇，因為其可以大幅減少負荷變換的次數。因此可以大幅延長加油站的使用壽命。先前技術提出的恆壓儲存單元主要是用於壓縮的天然氣，其儲存壓力最高達300bar。
恆壓儲存器是指對預定的耗能器提供一具有特定之恆壓的氣體的裝置，因此也算是一種高壓氣體儲存器。氣體儲存器內的壓力通常取決於其內液態氣體的液位，同時在輸送到耗能器時，必須透過壓縮機調整氣體壓力，以便與耗能器適配。可以利用移動式裝置(例如適當的油罐車)或固定式裝置(例如增壓裝置)在一個儲存階段中將恆壓儲存器裝填滿。恆壓儲存器通常包括一個圓筒，該圓筒被一可移動的分隔活塞分成兩區。第一區的作用是容納氣體，第二區的作用是容納液體。
恆壓儲存器的原理是，在儲存階段，在第一區的氣體的壓力會因為第一區的容積變大而得以保持不變，因此分隔活塞會移動，使第二區的容積變小。在轉儲存階段，第一區的容積變小，使更多的液體被輸送到第二區，同時第二區的容積會變大，因而使第一區的壓力得以保持不變。所謂轉儲存階段是指抽空恆壓儲存器 內的氣體。
如果恆壓儲存器在轉儲存的過程中完全被抽空，則分隔活塞會移動到最終位置。也就是說，第一區，氣體變到最小或不復存在，而第二區，液體則達到其最大的容納量。此時流體泵必須關機，否則恆壓儲存器內的壓力便會高於最大設計壓力。這其中的一個問題是壓力上升的速度非常快。因此關閉流體泵的必要反應時間非常短。壓力上升會造成非必要的能源損耗、導致泵受損、或甚至使液體經由過壓安全閥流出。不只是恆壓儲存器有這個問題，具有複數個恆壓儲存器的恆壓儲存單元也會有這個問題，因為總是會有一個恆壓儲存器最後達到其最終位置，因而造成壓力上升。
本發明的目的是提出能夠即時關閉流體泵的方法及相應的裝置，以避免出現不容許的壓力上升。
為達到本發明的目的，本發明在方法面及裝置面的作法是利用一測量裝置測量流體儲存器內的液位，並經由一調節單元向流體泵發送信號。根據本發明，流體儲存器包括一測量液體之液位用的測量裝置，同時該測量裝置經由一調節單元與流體泵連接。根據一種有利的實施方式，當測量裝置測量到流體儲存器內的最低或最高液位，就會停止從該一或複數個恆壓儲存器輸入或輸出液體。為了將該一或複數個恆壓儲存器完全裝滿，也就是要將所有的氣體從恆壓儲存器轉儲存出去，所需的液體量是已知的。透過對恆壓儲存器內液位的測量 ，可以推論出該一或複數個恆壓儲存器儲存的液體量，也就是推論出分隔活塞的位置。當液體低於一特定的最小值，流體泵就會被關閉。另一種可能性是，在液位接近該特定的最小值時，就開始降低流體泵的輸送功率。
這樣就可以防止壓力升高到不容許的值，因此過壓安全閥就不必打開。這樣就可以達到提高恆壓儲存單元的運轉安全性的目的。不會有任何物質被排放到周圍環境。也可以避免設施損壞或儲存物損耗，進而提高設施的經濟效益及使用壽命。
根據一種有利的實施方式，恆壓儲存單元的第二區內的液體較佳是水或一種難燃的液壓油，例如一種含有水及聚乙二醇(例如HFC)的液壓油、或是一種以礦物油為主要成分的液壓油(例如HLP)。第一區內的氫是以235至5000bar、301至1200bar、或最好是620、850、900、或1000bar的壓力被儲存。與此相應的，也必須透過第二區內的液體施以相同的壓力。
較佳是以一種液面傳感器作為測量液位用的測量裝置，尤其是一種超音波傳感器、壓力傳感器、或帶有浮體的路徑測量系統，其作用是測量流體儲存器內液面的變化。也可以使用複數個傳感器。
一種可能的方式是使用一或複數個秤測量流體儲存器的重量，以推論出液體的量，或是在流體儲存器及恆壓儲存器之間設置一個質量或體積流量表。
恆壓儲存單元較佳是包括一個、2個、3個、4個、或更多個恆壓儲存器。
根據一種有利的實施方式，複數個恆壓儲存器與一流體泵及僅僅一流體儲存器連接。這樣做有助於降低機具的成本。
另一種可能性是測量分隔活塞的最終位置。可以使用感應式、電容式、磁鐵式、超音波、或其他的測量裝置達到這個目的。但這樣做必須為每一個恆壓儲存器安裝這些測量裝置，因此會造成投資成本升高。
上述的測量方法是經由電連接將信號傳送到流體泵，以停止或啟動液體輸入。電連接可以是直接或間接的電連接。可以經由電線或沒有電線的方式形成電連接。
本發明的方法及裝置的另一個優點是，如果是以測量液位、測量流體儲存器的重量、或是在流體儲存器及恆壓儲存器之間設置質量或體積流量表的方式測量液體的量，則本發明的方法亦可用於偵測氣體的輸送量。因為已經知道必須將恆壓儲存器內第一區(氣體區)的容積縮小多少，因此可以推論出已輸送或儲存的氣體量。
因此使用本發明的方法及裝置具有多個優點。
測量分隔活塞的最終位置的另一種方法是在分隔活塞的靠第一區的那一面(也就是面對氣體那一面)安裝一個強力彈簧。這個彈簧在到達最終位置之前，壓力的上升是可以測量到的，並產生一可利用的關閉信號。這個彈簧在長度約200mm時的彈力較佳是20.000N。
這種恆壓儲存單元不只可應用於氫的儲存及 輸送，亦可應用於其他的壓縮氣體，尤其是天然器或其他含碳氫化合物的氣體。同樣的，這種恆壓儲存單元亦可應用於氮、氦、氧、氟或三氟化硼。
以下將配合圖說明本發明的一個實施例。為了簡化圖面，熟習該項技術者所習知的閥、調節元件及傳感器元件等並未在圖式中繪出。
1‧‧‧流體儲存器內的液體
1A，1B，1C，1D‧‧‧流體儲存器內的液體
2‧‧‧測量裝置
3‧‧‧安全閥
4‧‧‧流體儲存器
5‧‧‧控制單元
6，7‧‧‧電連接
8‧‧‧流體管道
9‧‧‧流體泵
10，10A，10B，10C，10D‧‧‧流體管道
11A，11B，11C，11D‧‧‧恆壓儲存器內的分隔活塞
12A，12C‧‧‧恆壓儲存器內的氣體
13，13A，13B，13C，13D‧‧‧氣體輸送管道
14‧‧‧單向閥
A，B，C，D‧‧‧恆壓儲存器
第1圖係以示意方式顯示一恆壓儲存單元的結構。
第1圖顯示恆壓儲存單元的一種可能的實施方式。根據這種實施方式，恆壓儲存單元包括一個流體儲存器4，其內儲存一種液體1，在本實施例中，液體1是一種難燃的液壓油。流體儲存器4包括一個測量裝置2，尤其是一個超音波傳感器或超音波液面傳感器，其作用是偵測儲存在流體儲存器4內的液體1的量。流體儲存器4還包括一個安全閥3，例如可以是一個爆破片、溢流閥、或熟習該項技術者習知的其他釋壓裝置。測量裝置2經由電連接6及7與控制單元5及流體泵9連接。另外流體泵9還經由流體管道8與流體儲存器4連接，以便將液體1輸送到連接處。
流體儲存器4內的液體1是在環境溫度-40℃至+80℃及壓力301至1200bar的情況下被儲存。液體1會經由流體泵9及流體管道10(10A，10B，10C，10D)被輸送到恆壓儲存器A至D，以便在該處推動分隔活塞11(A至 D)，因而使氣體保持恆壓，在這是實施例中是使氫12(12A及12C)保持恆壓。
在圖式的實施例中，所有的恆壓儲存器共同使用一個儲存液體1用的流體儲存器4。氣體(尤其是氫12)會經由輸送管道13(13A，13B，13C，13D)及單向閥14流入或流出恆壓儲存器。氫12的壓力在301至1200bar之間。
在儲存階段，氣體，也就是氫12，會經由輸送管道13流入恆壓儲存器A至D。此時分隔活塞11A、11B、11C、11D會被移動，使儲存液體1的液體區達到最小容積，儲存氫12的氣體區達到最大容積。液體1被儲存在流體儲存器4內。
在轉儲存階段，氫會從恆壓儲存單元被送出。液體1從流體儲存器4經由流體管道8、流體泵9及輸送管道(10A，10B，10C，10D)被導入恆壓儲存器A、B、C及/或D。分隔活塞11A、11B、11C及/或11D會被移動，使儲存液體1的液體區達到最大容積，儲存氫12的氣體區達到最小容積。這個實施例是利用測量裝置2(超音波傳感器)測量流體儲存器4內的液位。當液位達到一最小值，就會經由控制裝置5及電連接7及6關閉流體泵9。此時恆壓儲存器A、B、C、D內的分隔活塞11A、11B、11C及11D達到其最終位置，同時恆壓儲存器儲存的液體1(1A，1B，1C，1D)達到最大值，也就是說氣體全部或幾近全部被轉儲存出去。關閉流體泵9，也就是停止輸入液體，可以避免恆壓儲存器內形成壓力峰值。
在其他的實施方式中，也可以使用其他的測量原理及其他的測量裝置，以便停止液體輸入。
1‧‧‧流體儲存器內的液體
1A，1B，1C，1D‧‧‧流體儲存器內的液體
2‧‧‧測量裝置
3‧‧‧安全閥
4‧‧‧流體儲存器
5‧‧‧控制單元
6,7‧‧‧電連接
8‧‧‧流體管道
9‧‧‧流體泵
10，10A，10B，10C，10D‧‧‧流體管道
11A，11B，11C，11D‧‧‧恆壓儲存器內的分隔活塞
12A，12C‧‧‧恆壓儲存器內的氣體
13，13A，13B，13C，13D‧‧‧氣體輸送管道
14‧‧‧單向閥
A，B，C，D‧‧‧恆壓儲存器

Claims (10)

  1. 一種運轉恆壓儲存單元的方法，目的是恆壓地儲存及輸送氫(12A，12C)，該恆壓儲存單元包括至少一個可移動的分隔活塞(11A，11B，11C，11D)分隔成兩個區的恆壓儲存器(A，B，C，D)、至少一個輸送液體(1)用的流體泵(9)、以及至少一個流體儲存器(4)，其特徵在於：以測量裝置(2)測量該流體儲存器(4)內的液位，並經由一調節單元(5)向該流體泵(9)發送信號。
  2. 如請求項1的方法，其中，當該測量裝置(2)測量到該流體儲存器(4)內的最低或最高液位，就會停止從一個或複數個該恆壓儲存器(A，B，C，D)輸入或輸出液體。
  3. 如請求項1或2的方法，其中，該恆壓儲存單元在第二區內的該液體(1)是一含有水及聚乙二醇的難燃的液壓油，或是一以礦物油為主要成分的液壓油。
  4. 如請求項1至3中任一項的方法，其中，第一區內的氫是以235至5000bar、301至1200bar、或最好是620、850、900或1000bar的壓力被儲存。
  5. 如請求項1至4中任一項的方法，其中，該測量裝置是一液位傳感器，尤其是一超音波傳感器。
  6. 一種以恆壓儲存氣體的恆壓儲存單元，包括至少一個可移動的分隔活塞(11A，11B，11C，11D)分隔成兩個區的恆壓儲存器(A，B，C，D)、至少一個輸送液體(1)用的流體泵(9)、以及至少一個流體儲存器(4)，其特徵在於該流體儲存器(4)包括一測量液體(1)的液位用的測量裝置(2)，同時該測量裝置經由一調節單元(5)與該 流體泵(9)連接。
  7. 如請求項6的恆壓儲存單元，其中，複數個該恆壓儲存器(A，B，C，D)與一個該流體泵(9)及僅僅一個該流體儲存器(4)連接。
  8. 如請求項6或7的恆壓儲存單元，其中，測量該液體(1)的液位用的該測量裝置(2)是一液面傳感器，尤其是一超音波傳感器、壓力傳感器、或帶有浮體的路徑測量系統，其作用是測量該流體儲存器內液面的變化。
  9. 如請求項6至8中至少任一項的恆壓儲存單元，其中，該恆壓儲存單元儲存的氣體可以是氫。
  10. 如請求項6至9中至少任一項的恆壓儲存單元，其中，該恆壓儲存單元能夠以235至5000bar、301至1200bar、或最好是620、850、900、或1000bar的壓力儲存氫。
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