Комплекс для подвода криогенной жидкости в емкости, газификации криогенной жидкости и хранения газа высокого давления
SYSTEM FOR THE CRYOGENIC LIQUID SUPPLY INTO THE TANK, THE CRYOGENIC LIQUID GASIFICATION AND THE HIGH PRESSURE GAS STORAGE

Изобретение относится к устройствам для наполнения сосудов высокого давления газами и предназначено для автономного использования, в том числе на отдаленных территориях, на подвижных транспортных средствах - автомобильных, железнодорожных, водных, с целью создания резерва газового топлива и обеспечения топливом транспортных средств, работающих на природном газе высокого давления или водороде, а также других потребителей.
Известны системы заполнения сосудов газом высокого давления, использующие изохорическую газификацию криогенных жидкостей.
Установка по патенту US 5211021 для быстрой газификации криогенной жидкости при давлении не более 0,5 МПа в газ при давлении более 4,0 МПа включает резервуар криогенной жидкости, сосуд высокого давления, теплоизолированные трубопроводы для подачи криогенной жидкости в сосуд высокого давления, запорную арматуру для контроля за потоком криогенной жидкости, насос с расходомером или дозировочный насос для подачи точно известного количества криогенной жидкости в сосуд высокого давления. Установка позволяет заполнить сосуд высокого давления известным количеством криогенной жидкости, при полной газификации которой в сосуде при температуре от -17,8°C до 37,7°C будет получен газ требуемого давления. Наполнение сосуда высокого давления криогенной жидкостью без использования насоса осуществляют через промежуточную криогенную емкость, заполняемую из резервуара самотеком. Из промежуточной криогенной емкости требуемое количество криогенной жидкости поступает в сосуд высокого давления под давлением газа, поступающего из емкости газа высокого давления, соединенного через запорно-регулирующую арматуру с промежуточной криогенной емкостью. Установка предназначена для быстрой заправки автотранспортных газовых баллонов и не предназначена для хранения газа.
Система заправки емкостей газифицированным криоагентом высокого давления по патенту RU 92144 (прототип) позволяет заправлять емкости потребителя газом высокого давления без затрат внешней энергии, за счет использования энергии сжатого газа, поступающего в турбину, механически соединенную с насосом. Система включает резервуар криогенной жидкости, насос, всасывающий и напорный трубопроводы, газификатор для генерации рабочего тела турбины, газопроводы высокого и низкого давления, накопитель-газификатор с внешним газопроводом, турбину, клапаны заправочный, жидкостной, газовый, дренажный и выходной. Насос входом соединен через всасывающий трубопровод с жидкостным клапаном с резервуаром криогенной жидкости, а выходом - через напорный трубопровод с входом газификатора и газификатора-накопителя. Турбина механически связана с насосом. Накопитель-газификатор (две или более параллельно соединенные емкости) выходом соединен через выходной клапан с внешним газопроводом, а входом, через клапан заправочный - с выходом напорного трубопровода. Турбина входом соединена с выходом газопровода высокого давления, содержащего регулятор давления газа, а выходом, через газопровод низкого давления с клапаном газовым, - с резервуаром криогенной жидкости. Клапан дренажный входом соединен с выходом турбины, а выходом - с атмосферой.
Система позволяет одновременно заполнять криогенной жидкостью емкости накопителя-газификатора без привлечения внешних источников энергии, газифицировать криогенную жидкость за счет тепла окружающей среды, хранить газифицированную жидкость в виде газа высокого давления и отпускать газ потребителям по мере необходимости.
Очевидным недостатком описанной системы является отсутствие контроля за заполнением емкостей газификатора-накопителя, что не только не позволяет оперативно управлять работой системы, но может не позволить достичь заданного уровня давления, а при передозировке жидкости может привести к росту давления в процессе газификации выше допустимого.
Другим фактором, снижающим уровень безопасности и надежности работы системы заправки при использовании сжиженных горючих газов (водород, метан и т.д.), является сброс в атмосферу использованных в качестве рабочего тела турбины горючих газов, которые образуют с кислородом воздуха взрывоопасные смеси. Кроме того, запуск системы, использующей для привода насоса собственный газ, полученный при газификации криогенной жидкости, не может быть быстрым и надежным и может потребовать дополнительный источник тепла (пар, электрообогрев), что ставит под сомнение саму возможность автономного функционирования системы заправки.
Важнейшей проблемой является потеря части газа, полученного из криогенной жидкости. Так, при получении водорода высокого давления расход газообразного водорода с температурой 260-310 K через турбину составляет до 17% от расхода жидкого водорода через насос. Предусмотренная в системе заправки для решения этой проблемы возможность снижения потери газа за счет подачи части газа с выхода турбины в криогенный резервуар имеет ограничения, связанные с повышением температуры и давления в резервуаре, а подача отработанного газа во внешний газопровод возможна только в условиях раздачи газа из накопителя-газификатора. Функционирование системы заправки в описанном варианте не решает проблему потери газа высокого давления, что особенно нежелательно при газификации дорогостоящего жидкого водорода.
Таким образом, техническая проблема заключается в создании автономной системы регазификации с повышенным уровнем безопасности и надежности ее функционирования, обеспечивающей одновременное снижение потерь газа высокого давления.
Указанная выше проблема преодолена в предлагаемом комплексе для подвода криогенной жидкости в емкости, газификации криогенной жидкости и хранения газа высокого давления. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, - устранение потерь газа при его регазификации. Устранение потерь регазифицируемого газа обеспечивается за счет использования турбины, приводимой от баллона со сжатым азотом, что в свою очередь позволяет повысить уровень безопасности и надежности функционирования комплекса и его автономность в условиях отсутствия электроснабжения.
Комплекс для подвода криогенной жидкости в емкости, газификации криогенной жидкости и хранения газа высокого давления включает резервуар криогенной жидкости, насос, входом соединенный через всасывающий трубопровод и жидкостной клапан с резервуаром криогенной жидкости, а выходом через напорный трубопровод и заправочный клапан - с входом емкостей, выходом соединенных через выходной клапан с внешним газопроводом высокого давления, механически связанную с насосом турбину, которая входом соединена с источником газа высокого давления, а выходом - с атмосферой, и отличается тем, что включает также массовый расходомер-счетчик криогенной жидкости, подключенный к напорному трубопроводу насоса перед заправочным клапаном, емкости выполнены из двух или более сосудов высокого давления, соединенных между собой через запорные клапаны на входе и выходе каждого сосуда, а в качестве источника газа высокого давления используют баллон с азотом, снабженный выпускным клапаном и регулятором давления.
Новые относительно прототипа признаки комплекса для подвода криогенной жидкости в емкости, газификации криогенной жидкости и хранения газа высокого давления обеспечивают следующие технические результаты:
- исключение потери газа высокого давления, получаемого из криогенной жидкости достигается при использовании в качестве источника газа высокого давления для турбины баллона с азотом, снабженного выпускным клапаном и регулятором давления, обеспечивающего комплекс относительно недорогим и доступным сжатым азотом в качестве рабочего тела турбины;
- повышение уровня безопасности и надежности функционирования комплекса по сравнению с прототипом - обеспечивается применением сжатого азота в качестве рабочего тела турбины, поскольку сброс азота в атмосферу не связан с опасностью образования взрывоопасных смесей с воздухом, а запуск насоса при стационарном расходе сжатого газа из баллона, снабженного выпускным клапаном и редуктором, осуществляется быстро и надежно, вне зависимости от параметров системы; другим признаком изобретения, повышающим безопасность и надежность функционирования комплекса, является включение в его состав массового расходомера-счетчика криогенной жидкости, подключенного к напорному трубопроводу насоса перед заправочным клапаном, и запорных клапанов на входе и выходе каждого сосуда, что позволяет контролировать массу подаваемой в емкости-газификаторы криогенной жидкости.
Емкости для газификации криогенной жидкости с получением газа высокого давления и хранения газа высокого давления выполнены в виде двух или более сосудов высокого давления, причем предпочтительно внутренняя поверхность стенки каждого сосуда покрыта материалом с низким коэффициентом теплопроводности, например фторопластом, что позволяет при заполнении сосуда криогеннной жидкостью защитить стенку сосуда от «теплового удара» - снизить уровень тепловых напряжений, что позволяет увеличить ресурс баллона.
Сосуды высокого давления соединены параллельно для одновременной заправки через запорные клапаны на входе в каждый сосуд. Через запорный клапан на выходе каждый сосуд соединен с внешним газопроводом высокого давления. Сосуды высокого давления могут быть объединены в группы по два или более для оптимизации работы комплекса. Сосуды в группе заправляют одновременно.
Наряду с заправкой сосудов для газификации и хранения газа высокого давления может быть предусмотрена криогенная заправка сосудов, каждый из которых соединен только с напорным трубопроводом через запорный клапан на входе в каждый сосуд.
Подключение массового расходомера-счетчика к напорному трубопроводу насоса перед заправочным клапаном на входе в сосуды высокого давления позволяет дозировать криогенную жидкость, подаваемую в напорный трубопровод. Установка запорных клапанов на входы и выходы сосудов высокого давления позволяет в условиях пренебрежимо малой разности в гидравлическом сопротивлении трубопроводов в условиях заправки сосудов обеспечивать точное дозирование жидкости, подаваемой в сосуды, управлять процессом заправки сосудов и расходования газа высокого давления, что является одним из условий безопасного и надежного функционирования комплекса. В условиях автономной работы комплекса предпочтительно выполнение всех клапанов с электромагнитным приводом от аккумуляторных батарей и дистанционным управлением.
В качестве источника газа высокого давления для турбинного привода насоса используют баллон с азотом, снабженный выпускным клапаном и регулятором давления. Использование сжатого азота из баллона высокого давления в качестве рабочего тела турбины позволяет избежать потери потенциала газа высокого давления, получаемого из криогенной жидкости, увеличивает надежность и безопасность функционирования системы по сравнению с прототипом, обеспечивает независимость работы комплекса от внешних источников энергии - автономность комплекса.
Изобретение поясняется описанием схемы комплекса, представленной на чертеже, и описанием работы комплекса. На схеме комплекса приняты следующие обозначения:
1 - емкости;
2 - резервуар криогенной жидкости;
3 - насос;
4 - всасывающий трубопровод;
5 - напорный трубопровод;
6 - турбина;
7 - жидкостный клапан;
8 - заправочный клапан;
9 - внешний газопровод;
10 - выходной клапан;
11 - массовый расходомер-счетчик;
12 - баллон с газообразным азотом;
13 - выпускной клапан;
14 - регулятор давления;
15 - входной запорный клапан;
16 - выходной запорный клапан.
Комплекс для подвода криогенной жидкости в емкости 1, газификации криогенной жидкости и хранения газа высокого давления включает резервуар криогенной жидкости 2, насос 3 с всасывающим и напорным трубопроводами 4 и 5 соответственно, турбину 6, жидкостный клапан 7, массовый расходомер-счетчик 11 и заправочный клапан 8. Емкости 1 на входе снабжены запорными клапанами 15, а на выходе - запорными клапанами 16 и через выходной клапан 10 соединены с внешним газопроводом 9 высокого давления. Турбина 6 механически связана с насосом 3 и газодинамически входом соединена с источником газа высокого давления - баллоном 12 с газообразным азотом, снабженным на выходе выпускным клапаном 13 и регулятором давления 14. Выход азота из турбины 6 соединен с атмосферой.
3
Емкости 1 представляют собой сосуды высокого давления. Каждая емкость может быть выполнена из двух и более сосудов высокого давления газа, объединенных в группу для одновременной заправки и сообщающихся между собой через запорные клапаны 15 и 16 соответственно на входе и выходе каждого сосуда. В качестве криогенной жидкости в зависимости от производственных потребностей могут быть выбраны жидкий водород, жидкий кислород, сжиженный природный газ и другие криогенные жидкости. В качестве резервуара криогенной жидкости 2 возможно использование стандартной транспортной емкости, например, объемом 25 м (ЦТВ 25/06).
Работа комплекса, в котором каждая емкость 1 выполнена в виде группы параллельно соединенных сосудов высокого давления, осуществляется следующим образом.
Перед пуском все клапаны комплекса закрыты, кроме открытого клапана 8 и клапанов 15 первой группы сосудов. Резервуар 2 комплекса заполняют криогенной жидкостью с давлением выше атмосферного. При запуске открывают клапаны 13 и 7 и включают регулятор 14 давления азота. Инертный газообразный азот высокого давления истекает из баллона 12 через выпускной клапан 13, регулятор давления 14, вращает турбину 6 и выходит в атмосферу. Турбина 6 вращает насос 3. Заданная масса криогенной жидкости из резервуара 2 через клапан 7, насос 3, массовый расходомер-счетчик 11, клапан 8 и клапаны 15 равномерно заполняет сосуды первой группы, после чего клапаны 15 сосудов первой группы закрывают и открывают клапаны 15 второй группы сосудов. Заданная масса криогенной жидкости поступает на вход сосудов второй группы и равномерно распределяется в их объеме. Таким образом поочередно заполняют криогенной жидкостью все группы сосудов. После заполнения сосудов всех групп закрывают клапан 13 и выключают регулятор 14 с одновременным закрытием клапанов 7, 8 и 15. Далее в сосудах за счет тепла окружающей среды осуществляется нагрев криогенной жидкости и ее газификация с повышением температуры и давления газа в заданных пределах.
3
Длительное хранение полностью газифицированной криогенной жидкости с получением газа высокого давления (до 100 МПа и более) нормальной температуры обеспечивается без дренажа сосудов высокого давления и зависит только от герметичности запорных клапанов 15 и 16 сосудов комплекса. Тогда как при хранении криогенных жидкостей в криогенных резервуарах потери из-за испарения могут быть существенными. Так, транспортная емкость ЦТВ 25/06 емкостью 25 м, вмещающая 1500 кг жидкого водорода, теряет в сутки 1% его массы.
При необходимости подачи газа высокого давления внешний газопровод 9 подключают к потребителю, открывают выходной клапан 10 и при закрытых клапанах 8 и 15 через клапаны 16 отпускают газ высокого давления из той или иной группы сосудов, контролируя давление в сосудах по датчику давления (не показаны). Пустые сосуды вновь подключают в группах к резервуару 2 и повторяют процессы заправки и газификации криогенной жидкости в комплексе по заданной программе.
Предложенный комплекс может быть использован на отдаленных территориях для создания резерва топлива для заправки, например, водородных баллонов для применения их в случае необходимости на беспилотных летательных аппаратах.