СИСТЕМА И СПОСОБ ЗАПРАВКИ СЖИЖЕННЫМ ПРИРОДНЫМ ГАЗОМ МОТОРНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
SYSTEM AND METHOD OF LIQUEFIED NATURAL GAS FILLING OF MOTOR VEHICLES

Назначение и область применения
Группа изобретений относится к заправочным средствам транспорта, использующего природный газ в сжиженном виде в качестве моторного топлива, в частности, к области заправки криобаков транспортных средств сжиженным природным газом.
Предшествующий уровень техники
В настоящее время во всем мире растет использование сжиженного природного газа (СПГ) как моторного топлива. СПГ обладает заметными экологическими и экономическими преимуществами перед жидкими нефтепродуктами как топливо для двигателей транспортных средств. Также его применение более выгодно, чем применение сжатого (компримированного) природного газа, т.к. СПГ содержит больше энергии в единице объема топлива, что позволяет преодолеть основной недостаток транспорта на газовом топливе - малый запас хода на одной заправке одновременно с большим объемом и массой топливных баллонов.
СПГ - жидкость с температурой кипения около -160°С при атмосферном давлении. Топливный бак для СПГ представляет собой герметичную емкость с рабочим давлением около 1 МПа и вакуумной теплоизоляцией стенок. Процесс заправки бака неизбежно сопровождается нежелательным нагревом СПГ и частичным его испарением, т.к. разность температур СПГ и окружающей среды очень велика. Испарение СПГ приводит к потере части топлива и выбросу в окружающую среду горючего газа, обладающего, к тому же, значительным «парниковым» воздействием.
Заправляемый криобак имеет меньшую теплоемкость, чем резервуар хранения СПГ. Насосы и трубопроводы имеют худшую теплоизоляцию, чем резервуар. По этим причинам, чтобы минимизировать испарение при заправке, в криогенной технике применяется следующая последовательность заполнения криобаков:
На выходе насоса открыт байпасный клапан, возвращающий испарившуюся жидкость в обратный трубопровод к резервуару хранения. Если давление в резервуаре хранения при возврате газа повышается до недопустимого уровня, то производится сброс части газа в атмосферу. Испарение охлаждает насос до тех пор, пока температура на его выходе не понизится до необходимой величины, говорящей о прекращении испарения жидкости. Клапаны переключаются с байпасного режима работы насоса на подачу в приемный криобак.
Криобак подключен к трубопроводу подачи жидкости от насоса и к трубопроводу сброса испарившегося газа в атмосферу или в емкость хранения. Насос подает жидкость в криобак, где она испаряется, охлаждая конструкцию, а полученный газ возвращается по обратному трубопроводу в резервуар хранения. Если давление в резервуаре хранения при возврате газа повышается до недопустимого уровня, то производится сброс части газа в атмосферу. Этот процесс выполняется повторно-кратковременно, продолжается до тех пор, пока температура в криобаке не понизится до необходимой величины, говорящей о прекращении испарения жидкости. После этого клапан на обратном трубопроводе закрывается, начинается заполнение криобака жидкостью.
При помощи насоса в криобак закачивается необходимое количество жидкости. Количество контролируется по весам, датчику уровня или расходомеру.
При необходимости этапы 2, 3 повторяются циклически.
Описанная последовательность, реализуемая в различных вариантах (https://neftegaz.ru/tech-library/azs-pzs-i-dr-oborudovanie-i-uslugi-dlya-ispolzovaniya-nefteproduktov-i-gaza/142239-kriogennaya-avtozapravochnaya-stantsiya-krioazs/; https://gasworld.ru/uploads/issues/d/2014/27052014_134354.pdf) в системах-аналогах, имеет следующие недостатки, общие для любых аналогичных решений:
- необходим контроль состояния (температуры, давления) жидкости в криобаке для точного определения момента окончания охлаждения. Если переход от этапа 2 к этапу 3 выполняется раньше достижения необходимого состояния, то повышение давления в баке препятствует дальнейшей заправке. В том случае, если этот переход выполняется позже необходимого, то заправка сопровождается избыточным испарением и, как следствие, потерей избыточного количества жидкости. Такой контроль осуществляется датчиками, установленными на заправочной колонке, т.к. отсутствует техническая возможность подключения к бортовой системе контроля и управления транспортного средства на время заправки.
- необходим учет массы жидкости, поступившей в бак, и массы газа, испарившегося во время охлаждения, чтобы определить массу жидкости, оставшейся в баке после заправки. Эта задача решается путем установки двух расходомеров, на прямом и обратном трубопроводах, но газовая схема системы должна исключать образование «мертвых» объемов и неучтенные перетекания жидкости в бак и на испарение. Непосредственное взвешивание криобака в данном случае невозможно, т.к. криобак установлен на транспортном средстве, вес которого намного больше, чем вес заправляемого в криобак топлива, поэтому требуются весы с чрезвычайно большим соотношением диапазона измерений и цены деления.
Таким образом, известные в уровне техники системы заправки транспортных средств СПГ не позволяют решить задачу актуального контроля массы СПГ отгруженной в криобак с требуемой точностью, с одновременным снижением массы испаряемого газа.
Сущность изобретения.
Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, заключается в преодолении выявленных проблем известных из уровня техники решений.
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением заключается в повышении эксплуатационных возможностей заявленных системы и способа заправки СПГ транспортных средств, за счет контроля массы СПГ отгруженной в криобак транспортного средства с требуемой точностью, а также сокращение выбросов газа и упрощение процесса заправки.
Заявленный технический результат достигается за счет использования системы заправки СПГ криобаков транспортных средств, включающей заправочную колонку, снабженную, по меньшей мере, входным и дренажным трубопроводами, соединенными с резервуаром хранения СПГ, расходомерами, контрольными датчиками температуры и давления линии подачи СПГ и дренажной линии возврата паров, соединенных с криобаком транспортного средства и соответствующими трубопроводами, отличающейся от прототипа тем, что, линия подачи СПГ в криобак, снабжена последовательно установленными, по ходу подачи СПГ, первым расходомером, первым температурным датчиком, клапаном подачи и датчиком давления, а дренажная линия возврата паров, содержит последовательно установленные по линии возврата паров в резервуар второй температурный датчик, второй расходомер и клапан дренажной линии, соединенный с трубопроводом возврата паров, при этом заправочная колонка дополнительно снабжена байпасным трубопроводом, соединенным с линией подачи СПГ двумя линиями байпасов, снабженными клапанами, первая из которых установлена на входе первого расходомера линии подачи СПГ, а вторая на выходе первого датчика температуры линии подачи СПГ.
В предпочтительном варианте осуществления заявленного изобретения, система может быть дополнительно снабжена блоком управления, сопряженным линиями коммуникации, по меньшей мере, с датчиками контроля температуры и давления, клапанами линии подачи, дренажной и байпасной линий, а также устройством управления подачи СПГ из резервуара, с обеспечением возможности установки и контроля параметров режимов заправки программно-аппаратным образом.
Заявленный технический результат также достигается применением способа заправки СПГ криобаков транспортных средств посредством системы по п. 1 или 2 включающий последовательное выполнение следующих этапов:
- подключение криобака транспортного средства к линии подачи СПГ и дренажной линии,
- запуск подачи СПГ и захолаживания трубопроводов и первого расходомера линии подачи СПГ при открытом клапане второй линии байпаса на выходе первого расходомера линии подачи СПГ и закрытых остальных клапанов линии подачи и дренажной линии,
- захолаживание криобака при открытых клапанах на выходе первого и второго расходомера линии подачи и дренажной линии и закрытых клапанах первой и второй линий байпаса, при достижении предустановленной температуры, контролируемой первым датчиком температуры на выходе первого расходомера линии подачи СПГ, при этом дополнительно контролируют массу СПГ поданного в криобак расходомером линии подачи;
- при достижении заданной уставки массы СПГ в криобак, закрывают клапан линии подачи СПГ и открывают клапан первой линии байпаса на входе первого расходомера, с обеспечением возможности циклического повторения переключения клапанов линии подачи и первой линии байпаса в попеременно открытое и закрытое состояние при контроле температуры пара на выходе из криобака и массы СПГ подаваемого в криобак;
- осуществляют заправку криобака при открытом клапане линии подачи СПГ и закрытых всех остальных клапанов дренажной и байпасной линий при достижении заданных значений температуры пара на выходе криобака и массы СПГ поданного в криобак,
- закрывают клапан линии подачи СПГ и останавливают подачу СПГ из резервуара на вход заправочной колонки при достижении заданной массы СПГ, поданной в криобак, контролируемой расходомером и блоком управления, а также датчиком давления.
При этом, в предпочтительном варианте осуществления, управление этапами заправки СПГ криобака транспортного средства осуществляют в автоматизированном режиме, программно-аппаратным образом посредством блока управления.
Краткое описание чертежей.
Сущность заявленного решения поясняется следующим иллюстративными материалами.
Фиг. 1 - общая схема системы заправки СПГ транспортного средства
Фиг. 2 - схема реализации этапа захолаживания трубопровода и расходомера линии подачи;
Фиг. 3 - схема реализации этапа захолаживания криобака;
Фиг. 4 - схема реализации этапа заправки криобака;
Фиг. 5 - блок-схема реализации способа заправки СПГ транспортного средства;
Фиг. 6 - блок-схема реализации этапа захолаживания криобака способа заправки СПГ транспортного средства;
Фиг. 7 - блок-схема реализации измерения массы среды по данным расходомера;
Фиг. 8 - блок-схема контроля окончания этапа захолаживания криобака;
Фиг. 9 - структурная схема блока управления системы заправки СПГ транспортного средства.
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один из наиболее предпочтительных вариантов выполнения изобретения и не могут рассматриваться в качестве ограничений его содержания, которое может включать другие возможные варианты осуществления.
Осуществимость изобретения
Как следует из представленного на иллюстративных материалах фиг. 1-4 варианта осуществления заявленного решения систем заправки СПГ состоит из резервуара 1 СПГ и средства 2 его подачи на вход колонки 3 заправки СПГ (колонка), являющиеся, как правило внешними по отношению к колонке 3 заправки устройствами. Колонка 2 и резервуар связан между собой трубопроводами подачи 4 и дренажа 5, формирующими соответствующие линии подачи и дренажа системы заправки СПГ криобака транспортного средства. В качестве средства подачи СПГ на вход колонки может быть использован, например, погружной насос.
Линия подачи СПГ колонки включает последовательно расположенные по ходу подачи СПГ первый расходомер 6, вход которого соединен с трубопроводом подачи СПГ, а на выходе установлен первый датчик температуры 7, выход которого соединен со входом первого клапана 8 линии подачи, на выходе которого установлен датчик давления 9 выход которого сопряжен с гибким шлангом подачи СПГ на вход криобака транспортного средства.
При этом, колонка 3 дополнительно снабжена байпасной 10 линией сброса СПГ, сопряженной с линией подачи двумя параллельными линиями байпаса, первая 11 из которых расположена на входе расходомера 6, а вторая 12 на выходе первого датчика температуры 7, снабженные соответственно клапанами 13 и 14, выходы которых соединены между собой и с линией сброса СПГ.
Дренажная 5 линия, в свою очередь, на входе соединена с криобаком, а на выходе с линией сброса газа, и содержит по ходу возврата паров, установленный на выходе из криобака и. соответственно, на входе в гибкий рукав 15 возврата паров второй 16 датчик температуры, на выходе которого и гибкого рукава возврата паров, последовательно установлены второй 17 расходомер линии дренажа и клапан 18 линии дренажа, выход которого сопряжен с линией сброса газа.
Система работает следующим образом (фиг. 1-8).
После необходимых подготовительных операций оператор заправки (заправщик, водитель заправляемого ТС) подключает гибкие шланги к заправочной и дренажной горловинам криобака, подает команду «начать заправку» в блок управления системы заправки ПГ транспортного средства (ТС) (фиг. 9).
При простое заправочной колонки 3 между заправками идет нагрев трубопроводов и испарение СПГ в них. Чтобы избежать подачи в бак автомобиля газообразной фазы, заправка ведется в три этапа, включающие последовательное захолаживание трубопроводов и расходомера и криобака транспортного средства (фиг. 1-5).
На первом этапе осуществляют захолаживание трубопроводов и расходомера (фиг. 2).
Вначале СПГ заполняется подводящий трубопровод 4 колонки. Для этого блок управления формирует сигнал «включить крионасос» инициирующий включение двигателя крионасоса (внешний элемент по отношению к колонке 3), после чего по трубопроводу подачи 4 начинает поступать СПГ. Образовавшиеся пары отводятся по байпасной линии 10, через расходомер 6, нормально-открытый клапан 14 второй линии байпаса 12, в трубопровод возврата СПГ (байпасная линия 10) в емкость хранения 1. Расходомер 6 на линии подачи должен быть захоложен для корректного измерения заправленной массы топлива. Это достигается тем, что байпасная линия обходит расходомер (открыт клапан 14 второй линии байпаса 12), и при первичном захолаживании весь расход СПГ идет через расходомер. Клапан линии подачи 8 при этом закрыт, соответственно, в криобак транспортного средства (ТС) расход отсутствует и не учитывается. По мере прокачки температурным датчиком 7 контролируется температура СПГ на входе в колонку, когда достигается температура ниже температуры кипения (температура уставки) - трубопровод заполнен СПГ, система заправки переходит к следующему этапу - захолаживание криобака. Переключение на этап захолаживания криобака по достижению указанного уровня (уставки) температуры обеспечивает наиболее точное, не зависящее от параметров входного СПГ, охлаждение расходомера до рабочей температуры, чем достигается минимальная погрешность измерения массы СПГ, заправляемого в криобак. При этом, обеспечивается минимально-необходимые (вплоть до нулевых, если система захоложена при предыдущей заправке и не успела прогреться) потери СПГ на испарение и охлаждение.
s
s-1
На этапе захолаживания криобака (фиг. 3, 6, 8) открываются клапан 18 линии дренажа 5 и клапан линии подачи 8, закрывается клапан 14 второй линии байпаса 12, после чего при помощи расходомера 6 и электронного блока управления измеряется масса СПГ, поданного в криобак. По достижении заданной уставки массы клапан линии подачи 8 закрывается, открывается клапан 13 первой линии байпаса 11, в таком состоянии система находится предустановленное блоком управления время. Байпасирование осуществляется клапаном первой линии байпаса, а не клапаном второй линии байпаса, для исключения погрешности измерения расхода, вызванной неопределенностью направления потока газа во время переключения с линии подачи на байпасную линию 10 и обратно. Затем повторяется состояние «открыты клапаны линий подачи и дренажа, закрыты клапаны линий байпаса», снова до достижения заданной массы СПГ, поданного в криобак. Расход СПГ в подающем трубопроводе и расход газа в дренажном трубопроводе непрерывно измеряются (фиг.7), электронный блок управления вычисляет их разность и накапливает значение, соответствующее массе СПГ, находящегося в криобаке (на блок-схеме фиг. 7 значение M массы СПГ - текущее измеряемое значение, M - предшествующее измеряемому значение). Действия повторяются циклически, при этом непрерывно измеряется температура испаряемого газа на датчике температуры линии дренажа и давление на датчике линии подачи(фиг. 4). Когда температура газа снижается до заданной уставки, и одновременно давление газа начинает снижаться, происходит переход к этапу «заправка криобака».
р
Второй этап выполняется импульсами, при этом, в бак подается порция СПГ заданной заранее массы. В блоке управления задается именно масса, а не длительность импульса подачи СПГ, чтобы при различном расходе СПГ, обусловленном нагрузкой на насос, сопротивлением труб и т.д., количество тепловой энергии было постоянным. Закрытие клапана линии подачи с одновременным открыванием клапана первой линии байпаса осуществляется на заданное время паузы (фиг. 6, где контролируемое время Т - время паузы), предназначенное для рассеивания тепла в баке. В данном случае используют первый байпасный клапан 13, т.к. нет способа достоверно определить момент полного закрытия клапана и переключение потока в бак и на байпас на выходе расходомера 6 вносит существенную погрешность в измерение массы заправленного СПГ. В рассматриваемом варианте осуществления заявленного изобретения эта погрешность исключена физически: вся масса СПГ, попавшего в бак, проходит через расходомер 6 линии подачи. Обратный расходомер 17 (линии дренажа 5) при этом измеряет массу испарившегося газа, возвращаемого в емкость хранения.
В ходе второго этапа контролируется температура паров на выходе бака и давление в баке, чтобы определить момент, когда в баке достигнуто «холодное» (ниже температуры кипения СПГ) состояние, и можно переходить к бездренажной заправке. Важно: используется комбинация признаков «текущая температура ниже заданной температуры кипения СПГ И давление в баке начало падать». Для повышения точности измерения датчик температуры 16 линии дренажа установлен непосредственно на выходе бака, т.е. в дренажном пистолете, а не в колонке.
На этапе «заправка криобака» (фиг. 4, 5) все клапаны, кроме клапана 8 линии подачи, закрыты, а через расходомер 6 проходит гарантированно жидкая среда, что обеспечивает корректный учет СПГ. В криобак подается СПГ от насоса через расходомер 6, клапан 8 и заправочный шланг линии подачи. Дренаж отсутствует. Масса заправленного СПГ измеряется расходомером 6 и интегрирующим электронным блоком управления (на схемах не показан). Заправка заканчивается, когда достигается заданная масса СПГ или резко повышается давление в криобаке фиксируемое датчиком давления 9 линии подачи, что свидетельствует о заполнении криобака до максимально-допустимого уровня. Возможна также остановка заправки криобака СПГ по команде оператора, передаваемой на блок управления, или по достижении предустановленной массы СПГ в криобаке. По окончании этапа клапан 8 линии подачи закрывается, электронный блок подает команду отключения крионасоса (внешний элемент по отношению к описываемой колонке), двигатель крионасоса останавливается.
Оператор заправки отключает заправочный и дренажный шланги от криобака. Электронный блок колонки выдает на табло и в информационный канал к внешним системам данные о массе СПГ, заправленного в криобак.
Заявленное решение системы заправки СПГ может быть реализовано с использованием известного из уровня техники оборудования, применяемого для заправки и контроля параметров заправки СПГ транспортных средств, и не требует разработки специализированных технологических средств, обеспечивающих реализацию заявленного способа заправки СПГ транспортных средств.
Управление системой заправки может осуществляется в автоматизированном режиме, программно-аппаратным образом, для этого технологическое оборудование соединяется посредством линий коммутации, в том числе, электрическими сигнальными линиями, с электронным блоком управления (фиг. 9), имеющим следующую структуру:
Модуль дискретного ввода обеспечивают прием сигналов вида «включено/выключено», т.е. кнопок на панели управления, контактов от внешней системы управления и т.д.
Модуль дискретного вывода обеспечивает подачу управляющих сигналов вида «включить/отключить» на электроприводы или электропневмопреобразователи клапанов, участвующих в технологическом процессе, а также подачу управляющего сигнала «включить насос» во внешнюю систему;
Модуль аналогового ввода обеспечивает прием сигналов от датчиков давления и температуры;
Модуль цифрового интерфейса связи с расходомерами обеспечивает прием сигналов от расходомеров;
Модуль человеко-машинного интерфейса обеспечивает вывод информации о ходе заправки на табло для информирования оператора;
Модуль центрального процессора обеспечивает прием и обработку поступающих сигналов и информации от датчиков и расходомеров, внешних систем управления, а также иных исполнительных и управляющих устройств и модулей системы заправки СПГ транспортных средств, формирование управляющих команд каждому из них, обеспечивающих выполнение программы, реализующей описанные выше алгоритмы управления системой заправки, на каждом этапе выполнения способа заправки СПГ в соответствии с заявленным изобретением.
Блок управления также может быть оснащен модулем цифрового интерфейса с внешними системами обеспечивающим обмен сигналами с внешней системой управления заправочным комплексом.
В качестве вышеуказанного блока управления также могут быть использованы известные из уровня техники аппаратные решения, например, такие как блоки управления ЛПА и Топаз-306БУ10.
Таким образом, использование предварительного захолаживания расходомера на подающей линии(трубопроводе), использование схемы байпасирования расходомера при захолаживани криобака, в которой вся масса СПГ, попадающего в криобак, гарантированно проходит через расходомер, а байпасируемый СПГ минует расходомер, а также использование в критериях окончания этапов захолаживания физических параметров, таких как масса, температура, давление, а не фиксированных отсчетов времени и установка датчика температуры испаряемого газа в непосредственной близости к баку, в конструкции дренажного пистолета (что исключает нагрев газа в рукаве между криобаком и датчиком и повышает точность измерения температуры), позволяет обеспечить измерение массы СПГ, отгруженной в криобак, с требуемой высокой точностью при снижении временных затрат на заправку транспортного средства, с одновременным повышением экологической безопасности эксплуатации заявленной группы изобретений благодаря снижению массы испаряемого газа до возможного минимума, повышения пожаробезопасности. Кроме того, заявленная группа изобретений способствует повышению эксплуатационной безопасности благодаря исключению ручных операций в технологической последовательности заправки. Это достигается созданием алгоритма автоматического управления, реализующим последовательность заправки, не требующую корректировки в зависимости от объема криобака, температуры СПГ на входе системы, начальной температуры криобака и т.д.
Применение заявленной группы изобретений позволяет повысить эксплуатационные возможности заявленных системы и способа заправки СПГ транспортных средств, за счет контроля массы СПГ отгруженной в криобак транспортного средства с требуемой точностью, а также сокращение выбросов газа и упрощение процесса заправки.