СПОСОБ ЗАПРАВКИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ КОМПРИМИРОВАННЫМ ПРИРОДНЫМ ГАЗОМ И МАЛОГАБАРИТНОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-СТЫКОВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR REFUELING VEHICLES WITH COMPRESSED NATURAL GAS AND A SMALL-SIZED MEASURING AND DOCKING DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемая группа изобретений относится к газовой промышленности, конкретно к технологии подачи топлива автотранспортным средствам (далее - АТС), использующим компримированный природный газ (далее - КПГ) в качестве моторного топлива, и может быть использована для осуществления заправки газомоторной техники и оборудования, работающего на КПГ.
Известны основные устройства и способы заправки АТС сжатым природным газом.
Например, способ заправки транспортных средств сжатым природным газом (патент РФ на изобретение №2185974, опубл. 27.07.2002 г.), включающий в себя прибытие передвижного газозаправщика (далее - ПАГЗ) с заправочной колонкой на место сбора и заправки транспортных средств, работающих на сжатом природном газе, и заправку транспортных средств сжатым природным газом через заправочную колонку с использованием дожимного компрессора. Дожимной компрессор смонтирован на оборудованной колесной ходовой частью и выдвижными поворотными опорами индивидуальной раме, на которой также смонтированы ресивер, дополнительная заправочная колонка и двигатель внутреннего сгорания, работающий на сжатом природном газе и являющийся приводом дожимного компрессора. У компрессора, по меньшей мере, два входных и два выходных коллектора с узлами подключения ПАГЗов с бескомпрессорным отбором сжатого природного газа. Входные и выходные коллекторы и узлы подключения ПАГЗов с бескомпрессорным отбором сжатого природного газа к дожимному компрессору оснащены запорной арматурой, позволяющей регулировать поступление сжатого природного газа на заправочные колонки и в ресивер дожимного компрессора и обеспечивать перекачку сжатого природного газа из любой секции баллонов для хранения сжатого природного газа в любую другую секцию баллонов для хранения сжатого природного газа одного ПАГЗ с бескомпрессорным отбором сжатого природного газа, а также из секций баллонов для хранения сжатого природного газа одного ПАГЗ с бескомпрессорным отбором сжатого природного газа в любую секцию баллонов для хранения сжатого природного газа другого ПАГЗ с бескомпрессорным отбором сжатого природного газа.
Однако недостатком способа заправки транспортных средств сжатым природным газом по вышеуказанному патенту РФ №2185974 является то, что при значительном потреблении сжатого природного газа в качестве моторного топлива появляется потребность в частой заправке сжатым природным газом ресивера ПАГЗ с компрессорным отбором сжатого природного газа на автомобильной газонаполнительной компрессорной станции (далее -АГНКС), которая, как правило, находится на значительном удалении от места заправки АТС. Кроме того, ПАГЗ кроме полезной нагрузки - КПГ осуществляет постоянную транспортировку дожимного компрессора и собственно баллонов, из которых состоит ресивер КПГ, и служащих для перевозки КПГ, а учитывая то, что вес дожимающего компрессора с приводным двигателем внутреннего сгорания сравним с весом ресивера, общий вес ПАГЗ с компрессорным отбором сжатого природного газа, который складывается из веса: рамы, оборудованной колесной ходовой частью и выдвижными поворотными опорами, ресивера, дополнительной заправочной колонки и двигателя внутреннего сгорания с дожимным компрессором; становится существенным препятствием для его движения по дорогам, имеющим ограничения по массе транспортного средства. Ухудшается соотношение массы полезной нагрузки к общей массе ПАГЗ, вследствие чего снижается экономическая эффективность данного способа заправки по сравнению со стационарными АГНКС. Все вышесказанное обуславливает применимость данного способа только в случаях недоступности инфраструктуры трубопроводного транспорта газа (магистральных трубопроводов и распределительных газовых сетей) в месте организации заправки АТС газомоторным топливом.
Из уровня техники известен пистолет заправочный газовый (патент РФ на полезную модель №42280, опубл. 27.11.2004 г.), состоящий из корпуса с установленным в нем подпружиненным штоком, взаимодействующим с одной стороны с рычагом управления, а с другой стороны - с иглой, упирающейся в пробку подпружиненного клапана, установленного на направляющей с уплотнительными кольцами в сборном клапанном корпусе, штуцера входного, фильтра, штуцера выходного с наконечником и двумя уплотнительными кольцами, декоративных корпусных деталей, скобы предохранительной, закрепленной винтовыми крепежными элементами, фиксатор рычага управления с пружиной. Фильтр выполнен в виде цилиндрической поверхности на стакане с боковыми окнами и установлен и уплотнен между клапанным корпусом и штуцером входным.
Однако недостатком пистолета заправочного газового по вышеуказанному патенту РФ №42280 является наличие механизма для стопорения рычага, управляющего открытием основного заправочного клапана (клапан нормально закрытый), что вынуждает оператора при каждом закрытии пистолета производить действия по расстопорению рычага пистолета. Другим недостатком является большой объем ручных подготовительных операций, увеличивающий вынужденные технологические перерывы между заправками, что приводит к ухудшению коэффициента загрузки оборудования.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ заправки КПГ на автомобильной газонаполнительной компрессорной станции блочного исполнения (далее - АГНКС БИ-40) (Руководство по эксплуатации АГНКС БИ-40 «Метан». Заправка автомобилей), в котором природный газ (далее - ПГ) отбирают из газопровода, осушают, компримируют известным способом и направляют в аккумуляторы давления. Из аккумулятора давления КПГ подают в трубопровод высокого давления до газозаправочной колонки (далее - КГЗ), или колонок (если колонок несколько, то оконечный участок технологического трубопровода, к которому они подключены, выполняется в виде коллектора высокого давления). Колонки (колонка) соединены с технологическим трубопроводом или коллектором посредством разъемных соединений через запорную отсечную арматуру. КПГ подают в технологический трубопровод КГЗ и доводят до нормально закрытого управляемого клапана (далее - НЗУК), который начинает и прекращает подачу в последующую часть технологических трубопроводов КГЗ, оснащенную средствами измерения давления, температуры и расхода, поступающего на заправку КПГ. Для подачи КПГ в баллонную рампу АТС осуществляют подготовительные операции, в ходе которых потребитель вручную соединяет систему технологических трубопроводов газобаллонной установки - топливной системы АТС с технологическими трубопроводами КГЗ в единую герметичную систему, образующую заправочный тракт. Соединение двух систем трубопроводов осуществляют посредством специализированного стыковочного устройства, обычно называемого пистолетом заправочным. Пистолет заправочный соединен с КГЗ гибким рукавом высокого давления, по которому КПГ подают из трубопровода КГЗ в пистолет заправочный.
Пистолет заправочный оборудован по меньшей мере двумя запорными клапанами, обычно с ручным приводом: основным и дренажным. Основной клапан открывают после окончания формирования заправочного тракта. Дренажный при этом остается закрытым. По окончании подготовительной операции покупатель выбирает критерий окончания заправки. Как правило предлагаются следующие опции: до заданного давления, до заданного количества, на заданную сумму, до разрешенного давления. Если разрешенное давление будет достигнуто ранее, чем заданное количество или заданная стоимость, то процесс заправки прекращают автоматически по предельному (разрешенному) давлению, так как во всех случаях разрешенное даление является ограничительным значением. По команде оператора, поданной с пульта оператора, дистанционно открывают НЗУК в КГЗ и КПГ поступает в заправочный тракт, где измеряют его расход, температуру и давление, далее КПГ поступает в баллонную рампу АТС. По достижению выбранной уставкой заданного значения или давлением в заправочном тракте разрешенной величины НЗУК закрывается, заправка прекращается. Потребитель закрывает кран баллонной рампы АТС, затем закрывает основной клапан пистолета заправочного и открывает дренажный клапан пистолета заправочного, стравливая газ на участке заправочного тракта между основным клапаном и краном баллонной рампы АТС для безопасного разобщения систем трубопроводов.
Недостатками способа, принятого за прототип, являются: большой объем и длительность ручных операций, что сокращает эффективность работы технологического оборудования и повышает вероятность ошибочных действий пользователя, способных спровоцировать аварийную или опасную ситуацию, а так же наличие значительного объема балластного газа, заключенного между НЗУК КГЗ и основным клапаном пистолета заправочного с ручным приводом, который ухудшает точность измерений количества КПГ, отпущенного в АТС, ведет к повышению потерь ПГ при утечках и дренировании. Другим недостатком, обусловленным данным способом является необходимость размещения КГЗ на территории АГНКС, что требует сооружения заправочных островков, установки ограждающих конструкций от наезда АТС на КГЗ, и ведет к увеличению площади застройки и удорожанию строительства.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является повышение безопасности оборудования, увеличение точности измерения количества КПГ, отпущенного в АТС, уменьшение количества оборудования и конструкций, участвующих в процессе заправки АТС.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая группа изобретений, является снижение количества балластного газа, уменьшение объемов сброса газа на свечу и стоимости технологического оборудования для заправки АТС, исключение большого объема ручных подготовительных операций, а также минимизация возможных утечек газа.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе заправки ПГ отбирают из газопровода, осушают, компримируют до необходимого давления, направляют в аккумуляторы давления, из которых КПГ подают в трубопровод высокого давления. Из трубопровода высокого давления через гибкий рукав высокого давления КПГ подают непосредственно в малогабаритное измерительно-стыковочное устройство (далее - автоматизированный заправочный пистолет). Операции по открытию и закрытию в автоматизированном заправочном пистолете основного крана, а также операции по открытию дренажного клапана окончании заправки перед разобщением заправочного тракта осуществляют автоматически. Измерение количества отпускаемого КПГ производят в участке заправочного тракта, входящего в состав автоматизированного заправочного пистолета, после основного клапана.
Автоматизированный заправочный пистолет для заправки АТС КПГ содержит прочный корпус, стыковочный наконечник, основной клапан, дренажно-управляющий клапан, присоединительное устройство. Внутри декоративного корпуса, объединяющего составные части автоматизированного заправочного пистолета, размещены: прочный корпус с присоединенными к нему присоединительным устройством и стыковочным наконечником, контроллер стыковочного наконечника, контроллер дренажно-управляющего клапана и центральная плата управления. Измеритель расхода газа, основной клапан и дренажно-управляющий клапан расположены внутри прочного корпуса автоматизированного заправочного пистолета. Прочный корпус обладает свойством герметичности относительно окружающей среды. Присоединительное устройство выполнено в виде штуцера и соединено известным способом с прочным корпусом и коаксиальным рукавом высокого давления, через межстенное пространство которого осуществляют сброс газа на свечу.
Заявка относится к группе изобретений, связанных между собой настолько, что они образуют единый изобретательский замысел. Единство изобретения соблюдено по следующему основанию:
- одно техническое решение предназначено для осуществления другого (устройство для осуществления способа в целом или одного из его действий). Объект по п. 1 формулы относится к способу в целом, а объект по п. 6 формулы относится к устройству, которое предназначено для осуществления способа по п. 1 в целом.
Таким образом, заявляемые технические решения (2 объекта) связаны между собой настолько, что они образуют единый изобретательский замысел и соответствуют всем критериям, предъявляемым к изобретению и обеспечивают получение нового технического результата.
Заявляемая группа изобретений поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показана технологическая схема реализации способа заправки АТС КПГ, на фиг. 2 показана схема автоматизированного заправочного пистолета для реализации способа заправки АТС КПГ.
На вышеуказанных фигурах цифрами обозначены элементы:
1 - магистральный газопровод;
2 - осушитель ПГ;
3 - компрессор;
4 - аккумулятор давления;
5 - баллонная секция более высокого давления;
6 - запорное устройство (кран);
7 - баллонная секция более низкого давления;
8 - запорное устройство (кран);
9 - трубопровод высокого давления;
10 - разрывная муфта;
11 - гибкий коаксиальный рукав высокого давления;
12 - присоединительное устройство (вращающийся штуцер);
13 - прочный корпус автоматизированного заправочного пистолета;
14 - дренажно-управляющий клапан;
15 - основной клапан;
16 - блок с датчиками давления;
17 - датчик температуры;
18 - стыковочный наконечник;
19 - уплотнительные элементы;
20 - сужающее устройство;
21 - центральная плата управления;
22 - баллонная рампа АТС;
23 - заправочная горловина АТС;
24 - кран баллонной рампы АТС;
25 - измеритель расхода газа (измерительное устройство);
26 - приоритетная панель;
27 - аккумулятор;
28 - беспроводное зарядное устройство;
29 - источник питания.
Предлагаемый способ заправки АТС КПГ с помощью автоматизированного заправочного пистолета осуществляется следующим образом. Для подачи КПГ непосредственно в баллонную рампу АТС 22 потребитель газа соединяет топливную систему АТС с автоматизированным заправочным пистолетом в единый герметичный комплекс, образующий заправочный тракт для чего совершает только две ручных операции: вставляет стыковочный наконечник 18 автоматизированного заправочного пистолета в заправочную горловину АТС 23 и открывает кран баллонной рампы АТС 24. В процессе операции, когда потребитель вставляет стыковочный наконечник 18 в заправочную горловину АТС 23, контроллер стыковочного наконечника (на фиг. не показан) передает информацию о деформации уплотнительных элементов 19 (условие герметичности соединения обеспечивается, если деформация уплотнительных элементов 19 находится в установленных пределах) в центральную плату управления 21, которая выдает сигнал об исправности и о правильном взаимном положении устройств (стыковочного наконечника 18 и заправочной горловины АТС 23), на основании которого формируется разрешающий сигнал на начало заправки. Если центральная плата управления 21 выдает сигнал о неисправности и/или о неправильном взаимном положении устройств, то необходимо расстыковать стыковочный наконечник 18 и заправочную горловину АТС 23 и заново вставить стыковочный наконечник 18 в заправочную горловину АТС 23 и/или заменить уплотнительные элементы 19 на исправные. По окончании подготовительной операции потребитель выбирает критерий окончания заправки: до заданного давления, до заданного количества, на заданную сумму, до разрешенного давления (до «полного»). Но во всех случаях заправка прекращается по достижении предельно допустимого давления, если оно будет достигнуто раньше, чем выбранная уставка.
Далее нажимают кнопку, например, «пуск», если управляющей платой выдан разрешающий сигнал, ПГ отбирают из газопровода 1, осушают известным способом в осушителе ПГ 2 до требуемого влагосодержания, обеспечивающего безотказную работу газобаллонного оборудования АТС, направляют по подводящему газопроводу на всас компрессора 3, где компримируют до необходимого давления, например, 25 МПа. Сжатый компрессором 3 газ под давлением, например, 25 МПа направляют в аккумулятор давления 4, объем которого определяется или из условия сглаживания пульсаций, или из условия обеспечения непрерывной работы компрессора 3 на время технологических перерывов между смежными заправками. Для оптимального использования мощности компрессора КПГ подают поочередно из нескольких секций разного давления, входящих в состав аккумулятора давления 4. Выбор секции аккумулятора давления для первоочередной подачи КПГ в АТС зависит от остаточного давления в баллонной рампе АТС.
Операции по заправке и останову процесса заправки осуществляются с помощью автоматизированной системы управления заправкой (далее - АСУ). В начале заправки АТС включают баллонную секцию более низкого давления 7, для этого дистанционно по команде АСУ открывают кран 8, а кран 6 оставляют в положении «закрыто». КПГ подводят в трубопровод высокого давления 9, из которого подают в гибкий коаксиальный рукав высокого давления 11 через разрывную муфту 10, и далее направляют в автоматизированный заправочный пистолет. Дренажно-управляющий клапан 14 автоматизированного заправочного пистолета открывается и подает управляющее давление на основной клапан 15, который служит для начала и прекращения подачи газа в последующую часть автоматизированного заправочного пистолета, при этом основной клапан 15 открывается, КПГ пропускается через измеритель расхода газа 25, который измеряет количество прошедшего через него КПГ, и поступает в баллонную рампу АТС - осуществляется процесс заправки.
АСУ обеспечивает функцию управления приоритетной панелью 26 для ступенчатой заправки газом. При уменьшении разницы давлений между баллонной секцией 7 и баллонной рампой АТС 22 до минимально допустимой величины, при которой обеспечивается требуемый темп заправки и точность учета отпущенного КПГ, заправка продолжается из секции более высокого давления 5 по вышеописанному способу, для этого кран 8 дистанционно по команде АСУ закрывают, а кран 6 приводят в положение «открыто». Если из секций разного давления АТС потребителя не было заправлено до заданного или разрешенного давления, тогда процесс заправки может быть продолжен непосредственно от компрессора по вышеописанному способу, минуя аккумулятор давления 4, при этом краны 6 и 8 будут закрыты.
Измерение количества отпущенного КПГ производят в участке заправочного тракта, входящего в состав автоматизированного заправочного пистолета, после основного клапана 15 в реальном масштабе времени. По мере достижения количества заправленного газа, заявленного потребителем, напряжение с дренажно-управляющего клапана 14 снимается, он переходит в закрытое положение, дренирует давление из управляющей полости основного клапана 15, который закрывается и прекращает подачу КПГ в заправочную магистраль автомобиля. После закрытия основного клапана 15 давление (газ) из полости стыковочного наконечника 18 и сообщающейся с ним внутренней полости заправочной горловины АТС 23 через дренажно-управляющий клапан 14 сбрасывается через межстенное пространство коаксиального рукава высокого давления 11 на свечу - происходит подготовка к расстыковке заправочного тракта.
Автоматизированный заправочный пистолет, с помощью которого осуществляют способ заправки АТС КПГ представляет собой техническое устройство, расположенное внутри декоративного корпуса, объединяющего составные части автоматизированного заправочного пистолета. Внутри декоративного корпуса размещены: прочный корпус 13, обладающий свойством герметичности относительно окружающей среды, с присоединенными к нему присоединительным устройством и стыковочным наконечником, контроллер стыковочного наконечника, контроллер дренажно-управляющего клапана и центральная плата управления 21. Внутри прочного корпуса 13 расположены измеритель расхода газа 25, состоящий из блока с датчиками давления 16, который включает в себя по меньшей мере два датчика давления, датчика температуры 17 и сужающего устройства 20; дренажно-управляющий клапан 14 и основной клапан 15. Присоединительное устройство 12 может быть выполнено в виде штуцера и соединено известным способом с прочным корпусом и коаксиальным рукавом высокого давления для обеспечения возможности вращения автоматизированного заправочного пистолета на 360° относительно продольной оси штуцера коаксиального рукава высокого давления. Контроллер дренажно-управляющего клапана (на фиг. не показан), контроллер стыковочного наконечника, центральная плата управления 21, включающая в себя аккумулятор 27 и беспроводное зарядное устройство 28 закреплены на поверхности прочного корпуса 13. Дополнительно в составе автоматизированного заправочного пистолета может содержаться неизвлекаемое средство идентификации устройства для предотвращения использования неверифицированного устройства для отбора и учета КПГ, например, RFTD метка (на фиг. не показана) или ID, прошитый в контроллере платы управления.
Для обеспечения постоянного функционирования автоматизированного заправочного пистолета в комплекте предусмотрен источник питания 29 с функцией беспроводной зарядки, который заряжает аккумулятор 27 автоматизированного заправочного пистолета и закрепляется в удобном месте, например, на стене в непосредственной близости к месту заправки АТС.
Для обеспечения управления процессом заправки (инициации начала заправки и экстренного останова), выбора критерия заправки через интуитивно понятный интерфейс человек-машина предусмотрен монитор, который поддерживает связь с автоматизированным заправочным пистолетом по беспроводному каналу и также может быть закреплен в месте непосредственной заправки АТС, например, на стене. Он вычисляет в реальном масштабе времени нарастающим итогом количество отпущенного потребителю КПГ на основе данных, полученных от измерителя расхода газа 25 и отображает на экране вычисленное значение, а также текущие значения давления КПГ и сведения о стоимости отпущенного КПГ. На корпусе беспроводного зарядного устройства 28 расположен считыватель, который распознает RFID метку автоматизированного заправочного пистолета (если она в нем предусмотрена), а также кнопки, например, «Пуск» и «Stop». Кнопка «Пуск» может быть виртуальной - на сенсорном экране. Кнопка «Stop» -только физическое устройство, предназначенное для аварийного или экстренного останова процесса заправки.
Если аккумулятор давления 4 организовывают из нескольких, например, из двух баллонных секций разного давления, то в его (аккумулятора давления 4) состав дополнительно включают приоритетную панель 26 для подачи компримированного газа в магистраль из определенной секции 5 или 7 и путем дистанционного открытия и закрытия кранов 6 и 8 по команде АСУ.
Процесс заправки начинается после правильной установки в заправочной горловине АТС 23 стыковочного наконечника 18. Стыковочный наконечник 18 представляет собой полую трубку, заглушенную с одного конца, на внешней поверхности которой выполнены канавки, в которых расположены уплотнительные элементы 19, а на участке между канавками выполнены радиальные отверстия (на фиг. не показаны) для выхода КПГ в заправочную горловину АТС 23. Под каждым уплотнительным элементом 19, находится сенсор, который служит для диагностики исправности уплотнений и правильности положения стыковочного наконечника 18 в заправочной горловине 23 баллонной рампы АТС 22 на основе оценки степени и последовательности деформации уплотнительных элементов 19. Диагностика осуществляется с помощью контроллера стыковочного наконечника.
Управление заправкой происходит автоматически с помощью центральной платы управления 21, которая выдает разрешающий сигнал и открывает дренажно-управляющий клапан 14. КПГ доводят до закрытого основного клапана 15, на который дренажно-управляющий клапан 14 подает управляющее давление для его открытия. Основной клапан 15 начинает подачу газа в последующую часть автоматизированного заправочного пистолета, оснащенную измерителем расхода газа 25, и осуществляет процесс заправки АТС КПГ.
Измеритель расхода газа 25 в реальном времени определяет количество отпущенного КПГ и передает данные на монитор. По окончании процесса заправки центральная плата управления 21 снимает напряжение с дренажно-управляющего клапана 14, который сбрасывает давление из полости основного клапана 15 для его закрытия. Дренажно-управляющий клапан 14 стравливает газ на участке заправочного тракта через коаксиальный рукав высокого давления 11, который представляет собой внешний (низкого давления) и внутренний (высокого давления) рукава, расположенные концентрически и объединенные в единое устройство с помощью оконечных присоединительных устройств (фитингов). По внутреннему рукаву высокого давления подают КПГ в баллонную рампу АТС. После окончания процесса заправки, дренируемый газ выходит в межстенное пространство между внешним и внутренним рукавами и сбрасывается на свечу в безопасную сторону, чем исключается создание взрывопожароопасных концентраций газа в зоне осуществления заправки АТС.
Таким образом, потребителю не нужно вручную закрывать основной клапан 15 автоматизированного заправочного пистолета и открывать дренажно-управляющий клапан 14, сбрасывая газ на участке заправочного тракта между основным клапаном 15 автоматизированного заправочного пистолета и краном баллонной рампы АТС 24, эти операции выполняются под контролем платы управления по жесткому алгоритму и блокируются в случае неисправности и/или негерметичности автоматизированного заправочного пистолета, а также в случае ошибочных действий лица, осуществляющего заправку АТС.