壓縮的天然氣系統和方法與流程

本公開大體上涉及用于壓縮氣體的系統和方法。更具體地，本公開涉及用于在燃料加注站中分配壓縮的天然氣的系統和方法。

背景技術：

傳統上，通過諸如汽油或柴油的燃料油的一個或更多個蒸餾生成物而給內燃機加注燃料。在填充的期間，汽油或柴油處于大氣壓。近來，制造或改裝了越來越多的車輛，而它們的發動機以天然氣代替更長的鏈的烴來運行。燃燒天然氣優于燃料油蒸餾生成物的可用性、低成本以及更低的排放在持續增大以天然氣提供動力的車輛的數量的方面獲得關注。典型地，天然氣以超過200巴的壓力填充車輛，該壓力大大地超過傳統的燃料的大氣壓條件。天然氣的高的填充壓力要求在將天然氣分配至車輛之前壓縮天然氣。因此，雖然存在以天然氣給車輛提供動力的動機，但在天然氣的輸送中出現障礙。

技術實現要素：

根據一個方面，本公開涉及用于壓縮氣體的系統，該系統包括氣體源，例如氣體管道或氣體分配網，氣體入口管路能夠與氣體源連接，以用于將氣體輸送至往復式壓縮機。往復式壓縮機布置且配置成用于壓縮來自氣體源的氣體并將壓縮的氣體朝向公共設施輸送。在一些實施例中，公共設施能夠包括分配器，例如用于給車輛加注燃料的分配器。在一些實施例中，公共設施能夠由壓縮氣體存儲罐組成。能夠設置(多個)壓縮氣體存儲罐和一個或更多個分配器的組合，氣體由往復式壓縮機壓縮并輸送至存儲罐，并且，根據請求而從存儲罐輸送至分配器，例如，以用于給車輛加注燃料。系統進一步包括傳動地連接至往復式壓縮機的斯特林發動機(Stirling engine)。焚燒器從氣體源接收氣體，并且在焚燒器中焚燒的氣體用于將熱功率提供給斯特林發動機，以用于將熱功率轉化成機械功率并驅動往復式壓縮機。焚燒器能夠連接至在往復式壓縮機的吸入側供給氣體的同一氣體供給管路。能夠設置諸如干燥器、過濾器等的氣體處理裝備，以用于在將氣體供給至氣體焚燒器和往復式壓縮機入口之前，處理來自氣體源的氣體。

因而，能夠設計壓縮氣體站，壓縮氣體站能夠安裝于可獲得烴氣源的任何位置，例如氣體管道。氣體用作能源，該能源用于使氣體壓縮機運行且將壓縮的氣體分配至分配器，例如，以用于給車輛加注燃料。斯特林發動機提供高效的功率轉換，以使壓縮機運行，并且能夠最低限度地維護或幾乎不維護而容易地運行。氣體能夠例如從氣體管道改道且部分地輸送至焚燒器以用于生成給斯特林發動機提供動力的熱能，以及部分地輸送至往復式壓縮機。后者壓縮氣體且將壓縮的氣體輸送至壓縮氣體存儲罐和/或分配器，例如用于給車輛加注燃料的目的。

根據又一方面，本公開涉及供給例如烴氣的壓縮的氣體的方法，該方法包括：

設置烴氣源；

設置往復式壓縮機；

將所述往復式壓縮機連接至所述烴氣源；

設置傳動地連接至所述往復式壓縮機的斯特林發動機；

通過使來自所述源的烴氣焚燒而生成熱功率；

在所述斯特林發動機中至少部分地將所述熱功率轉化成機械功率；

以由斯特林發動機生成的機械功率驅動往復式壓縮機；

在所述往復式壓縮機中壓縮來自所述源的烴氣；

將壓縮的烴氣輸送至公共設施，例如分配器和/或繼而連接至分配器的壓縮氣體存儲罐。

在下文中公開特征和實施例，并且，在所附權利要求書中進一步闡述這些特征和實施例，權利要求書中形成本描述的組成部分。上文的簡述闡述本發明的各種實施例的特征，以便可以更清楚地理解隨后的詳述，并且，以便可以更清楚地意識到本發明對本領域的貢獻。當然，存在本發明的其他特征，將在下文中描述這些特征，并且，將在所附權利要求中闡述這些特征。在這點上，在詳細地解釋本發明的若干實施例之前，應理解到，本發明的各種實施例在其應用上不限于構造的細節和在下文的描述中闡述或在附圖中圖示的構件的布置。本發明能夠是其他實施例，并且，能夠以各種方式實踐并執行。同樣地，將理解到，本文中所采用的用語和術語是為了描述的目的，且不應當被認為是限制的。

因而，本領域技術人員將意識到，本公開所基于的概念可以容易被用作設計用于執行本發明的若干目的的其他結構、方法和/或系統的基礎。因此，重要的是，只要這樣的等效的構造不背離本發明的精神和范圍，權利要求就被認為是包括這些構造。

附圖說明

由于在結合附圖而考慮時，通過參考下文的詳述而更清楚地理解本發明的所公開的實施例及其許多附隨的優點，因而將容易更充分地意識到這些實施例及優點，在附圖中：

圖1示意地圖示具有由斯特林發動機驅動的往復式壓縮機的CNG燃料加注站；

圖2圖示用于驅動CNG燃料加注站的往復式壓縮機的處于“α”配置的斯特林發動機的橫截面圖；

圖3示意地圖示由自由活塞型斯特林發動機布置驅動的往復式壓縮機的布置。

具體實施方式

示范性的實施例的下面的詳述參閱附圖。不同的附圖中的相同的參考編號識別相同的元件或相似的元件。另外，附圖不一定按比例繪制。同樣地，下文的詳述不限制本發明。而是，本發明的范圍由所附權利要求限定。

整個說明書中參考“一個實施例”或“一實施例”或“一些實施例”意味著結合實施例而描述的具體的特征、結構或特性被包括在所公開的主題的至少一個實施例中。因此，在整個說明書中的各處的出現的短語“在一個實施例中”或“在一實施例中”或“在一些實施例中”不一定是指相同的(多個)實施例。而且，可以將具體的特征、結構或特性以任何合適的方式在一個或更多個實施例中組合。

圖1是壓縮的天然氣(CNG)系統10的示意圖示，系統10顯示為具有用于將氣體輸送至CNG系統10的入口管路12。入口管路12附接至供給管路14，在示例中，供給管路14與天然氣管道14A或天然氣公共設施分配系統連通，天然氣管道14A或天然氣公共設施分配系統將天然氣分配給天然氣的住宅及商業客戶，并且，在大約0.03巴至大約14巴的示例的壓力下運行。備選地，供給管路14能夠與傳輸管路連通，并且，具有大約14巴至大約105巴的示例的運行壓力。示例的氣體包括處于標準的溫度及壓力的氣體的烴，諸如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷以及這些烴的混合物，但不限于此。

在示例中，烴可能是飽和的或不飽和的，并且，氣體可能包括微量的非烴，諸如氮氣、氫氣、氧氣、硫。在入口管路12與供給管路14之間的連接部處，示出截流閥16，截流閥16可以任選地是自動的或手動的，用于選擇性地將入口管路12與供給管路14之間的連通阻斷。任選地，可以在位于閥16的下游的入口管路12中設置另外的閥18。入口管路12終止于過濾器20處，過濾器20可以用于從在入口管路12內流動的氣流內去除顆粒及其他不理想的物質。過濾器20經由管路22而連接至干燥器24，干燥器24可以包括用于從氣流去除水分的干燥劑。

任選地，干燥器24可能是空的，并且，提供開放的空間，以作為分離鼓(knockout drum)而運行，從而通過重力分離而去除水分。閥26安置于管路22中，以用于選擇性地將過濾器20與干燥器24之間的流動阻斷。出口管路28將干燥器24連接至第二過濾器30，以用于干燥器24的下游的另外過濾。在管路28中示出閥32，并且，閥32選擇性地將干燥器24與過濾器30之間的連通阻斷。任選的再生管路34、36顯示為分別在干燥器24與閥26、32之間連接至管路22和管路28。通過將閥26、32關閉以使干燥器24隔離，將再生管路34、36中的閥打開，以及使熱的且/或干燥的氣體循環通過再生管路34、36和干燥器24，來使干燥器24中的干燥劑再生。管路38在一端處連接至過濾器30，并且，在另一端處連接至壓縮機組件40，以用于從過濾器30傳輸待在壓縮機組件40內壓縮的氣體。在管路38中示出壓力控制閥42，壓力控制閥42用于對管路38內的氣體的流動進行控制。

圖1的示例的壓縮機組件40顯示為具有多級往復式壓縮機41。在圖1的示范性的實施例中，往復式壓縮機41包括四級，每級都包括汽缸43，汽缸43容納往復式地移動的活塞，該活塞滑動地布置于汽缸43中，由曲柄軸45驅動，壓縮機驅動器47給曲柄軸45提供動力。往復式壓縮機41能夠進一步包括飛輪46。中間冷卻器或級間冷卻器(未示出)能夠設置在往復式壓縮機41的兩個相繼地布置的汽缸之間，以降低溫度并增大由上游級朝向下游級輸送的壓縮氣體的密度。往復式壓縮機41能夠是雙效壓縮機，該雙效壓縮機包括十字頭和活塞桿，以用于每個活塞都滑動地容納于相應的汽缸43中。每個十字頭都通過拉桿連接至曲柄軸45。

退出管路94連接最后一個壓縮機汽缸，并且，提供用于從壓縮機組件40排放壓縮氣體的傳輸管路。因而，在一個示例中，壓縮機組件40接收處于大約供給管路14中的壓力的氣體，并且，使氣體壓縮至超過大約210巴的壓力，并且，備選地，使氣體壓縮至超過大約250巴的壓力。任選地，退出管路94 中的排放壓力能夠超過大約300巴，并且，備選地，達到超過大約400巴的壓力。與本文中所描述的方法和系統一起使用的壓縮機不限于四級壓縮機。存在備選的實施例，其中，利用具有一級、兩級、三級、五級或多于五級的壓縮機來使氣體壓縮。同樣地，在更多的實施例中，能夠設置多于一個往復式壓縮機，每個往復式壓縮機都由相應的壓縮機驅動器47驅動。

仍然參考圖1，過濾器20、30、干燥器24以及壓縮機組件40示意地圖示為位于容器120內，其中，閥18正好安置于容器120的內側。如從例如WO 2013/134344(其內容通過引用而合并于本文中)所得知的，示例的容器可以包括根據國際標準組織(ISO)，且更具體地，根據ISO標準6346而制造的容器。容納CNG系統10的標準化的容器的優點是，在將CNG系統10安裝于容器120中之后，容器120及其內含物容易地作為單個模塊化單元而運輸。這是因為，大部分的貨運承運商使用裝備成接收并裝載標準化的航運容器的車輛(例如火車、拖拉機拖車裝備、貨船)。此外，設置于可容易地獲得的ISO容器上的附接點使容器能夠安全地緊固于航運車輛中或航運車輛上。

圖1的CNG系統10進一步包括管路122、124、126，管路122、124、126在壓縮機組件40的下游從退出管路94的一部分分支。管路122、124、126分別連接至壓縮氣體存儲罐128、130、132的入口。雖然圖示三個存儲罐128、130、132，但存在具有零個、一個、兩個、四個以及多于四個存儲罐的本文中所公開的CNG系統10的實施例。在圖1中示意地示出，存儲罐128、130、132是基本細長的圓柱形部件，在一個示例中，存儲罐128、130、132布置成平行，并且例如裝配于容器120的上表面上。在備選的布置中，罐128、130、132能夠設置于容器120的側面或下表面上，或諸如在同一水平面上與容器120分離。閥134、136、138分別設置于管路122、124、126中，并且用于選擇性地調節至罐128、130、132的流動。

壓縮氣體的終端用戶能夠經由分配器140、142而得到在CNG系統10中壓縮的氣體。分配器140、142上的噴嘴144、146為在CNG系統10中壓縮的氣體提供通向車輛(未示出)或客戶所購買的用于壓縮氣體的其他存儲器皿的流路。因而，分配器140、142可以裝備有讀卡器或其他付款設備，使得客戶可以在分配器140、142處購買壓縮氣體量。雖然示出兩個分配器140、142，但CNG系統10可能具有一個、三個或多于三個分配器。

管路94、148、150、152提供CNG系統10與分配器140、142之間的示例的流路。在圖1的示例中，管路148、150、152具有入口端，該入口端連接至管路122、124、126，并且，位于閥134、136、138的下游。閥154、156、158分別設置于管路148、150、152中；閥154、156、158的選擇性的打開和關閉與閥134、136、138、159的選擇性的打開和關閉結合而將壓縮氣體選擇性地輸送至存儲罐128、130、132或直接地輸送至分配器140、142。任選地，能夠通過將閥154、156、158關閉而將存儲于罐128、130、132內的氣體選擇性地通過管路148、150、152中的一個而輸送。在一個示例中，壓縮氣體能夠直接地從壓縮機組件40通過退出管路94而流動至分配器140、142。在該示例中，管路94中的閥159打開，以允許通過退出管路94的流動。

如所提到的，壓縮機組件40的壓縮機驅動器47包括斯特林發動機。斯特林發動機能夠具有任何已知的配置。根據一些實施例，如在圖2中圖示且在下文中更詳細地描述的，斯特林發動機47是α類型。在其他實施例中，未示出，斯特林發動機47可能是β類型或γ類型的斯特林發動機。

參考圖2，所謂的α類型的斯特林發動機47包括第一汽缸251，在其中第一活塞253可滑動地移動。進一步設置有第二汽缸255，第二汽缸255相對于汽缸251而以例如90°定向。第二活塞257滑動地布置于第二汽缸255中。

第一連接桿259將第一活塞253連接至曲柄銷261，從而形成輸出端263的一部分。第二連接桿265將第二活塞257連接至同一輸出端263。飛輪267能夠裝配于輸出軸63上。

斯特林發動機47能夠包括具有加熱器269的熱端，加熱器269從焚燒器48接收熱量。加熱器與第一汽缸251的內部流動連通。流路將加熱器269連接至再生器273、冷卻器275以及第二汽缸255的內部。冷卻器275能夠與冷源或熱沉熱接觸，并且，形成斯特林發動機47的冷端。熱沉可能是環境空氣。在一些實施例中，具有例如水冷卻回路之類的冷卻回路的冷卻器能夠用作熱沉。在圖2中，冷卻回路由入口歧管277和出口歧管279示意地表示。

斯特林發動機的運行對本領域技術人員而言是已知的，并且，將不在本文中詳細地描述。概括地說，由汽缸活塞系統251、253、汽缸活塞系統255-257、加熱器269、再生器273、冷卻器275以及相關的管道的內部體積形成的封閉系統中所含有的工作氣體經歷包括循環的壓縮、加熱、膨脹以及冷卻的熱循環中。斯特林發動機47中的由工作氣體執行的熱力循環將由熱源271輸送至斯特林發動機的熱端的熱能的一部分轉化成可在輸出軸263上獲得的有用的機械功率。

圖2中所示出的α類型的斯特林發動機只是斯特林發動機的幾種可能的配置中的一種。其他有用的斯特林發動機布置是β類型及γ類型的斯特林發動機，這些發動機將不在本文中描述，并且，對本領域技術人員而言是已知的。

本文中所公開的系統的各種實施例能夠利用如圖2中示意地示出的α類型的斯特林發動機47，或另外適合于將可從熱能源或熱源271獲得的熱能轉化成機械功率的任何其他合適的斯特林發動機配置，如將在下文中描述的，該機械功率用于驅動往復式壓縮機1且/或產生電功率。

斯特林發動機47的輸出軸能夠直接地連接至往復式壓縮機41的曲柄軸45。

斯特林發動機47的熱端從焚燒器48接收熱量，在焚燒器48中，使來自供給管路14的天然氣焚燒。能夠在過濾器和干燥器布置20、24、30的上游獲得輸送至焚燒器48的氣體。在優選的實施例中，然而，在過濾和干燥之后，從管路38獲得氣體。氣體改道管路50將管路38連接至燃燒器48。閥52能夠沿著改道管路50設置，以停止對焚燒器的燃料輸送。

根據一些實施例，壓縮機組件能夠設計使得自由活塞型斯特林發動機的工作活塞直接地作用于壓縮機的壓縮活塞，因而避開曲柄軸。在圖3中圖示使用用于對CNG系統10的往復式壓縮機進行驅動的此類的自由活塞型斯特林發動機的實施例。斯特林發動機又標記為47，并且，往復式壓縮機又標記為41。斯特林發動機47能夠包括汽缸301，置換器302和動力活塞303滑動地布置于汽缸301中。汽缸301的內部分成位于發動機的熱端處的膨脹室301E和位于發動機的冷端處的壓縮室301C。加熱器305和冷卻器307沿著將壓縮室與膨脹室301E連接的流道設置。再生器308布置在加熱器305與冷卻器307之間。設置有彈跳體積或另一有彈力的系統，例如一組彈簧，以給動力活塞303加偏壓。到目前為止描述的自由活塞型斯特林發動機的運行是已知的，并且，將不在本文中描述。

動力活塞303能夠用活塞桿313直接地連接至往復式活塞315，往復式活塞315滑動地容納于往復式壓縮機41的汽缸317中。在一些實施例中，往復式壓縮機41可能是雙效壓縮機。汽缸317的內部能夠通過活塞314而分成第一室317A和第二室317B。每個室317A、317B都能夠設置有至少一個自動吸入閥318A、318B和一個自動排放閥319A、319B。吸入閥318A、318B選擇性地將兩個室317A、317B與吸入導管321連接，從吸入導管321吸入低壓氣體。吸入導管321能夠例如連接至氣體供給管路38。排放閥319A、319B選擇性地將兩個室317A、317B與排放導管連接，排放導管能夠與一個或更多個分配器140、142和/或一個或更多個存儲罐128、130、132直接或間接流體連通。

氣體供給管路38還將氣體供給至焚燒器48，焚燒器48將熱量提供給斯特林發動機47的熱端。

自由活塞型斯特林發動機提供發動機的動力活塞303與往復式壓縮機41的往復式活塞315之間的直接鏈接，因而進一步使系統的結構簡化。

壓縮機組件40、任選的過濾器以及干燥器布置20、24、30能夠布置于例如ISO容器的用于航運或運輸的容器中。存儲罐128、130、132能夠裝配于容器中或容器上，或與容器分離地安裝。因而獲得可運輸的模塊化壓縮系統，該系統能夠容易地運輸至具有烴氣源的供給的位置，并且，能夠迅速地連接至氣體源。由系統壓縮的同一氣體還用作使斯特林發動機運行的燃料。消除對電功率分配網的需要。

根據一些實施例，斯特林發動機還能夠設置成用于驅動發電機160，以用于生成可在地區電功率網G上獲得的電功率。由發電機160所生成的電功率能夠用于給系統10的輔助設備和/或外部的另外的用戶供能。

使用諸如斯特林發動機的外燃機，而不是內燃機的結構導致壓縮機組件更可靠且幾乎不要求維護。在斯特林發動機與內燃機相比的各種優點中，以下的優點值得注意：有限地需要或不需要(取決于斯特林發動機的配置)潤滑油，這降低或消除對潤滑回路添油、定期的油及濾油器的更換的需要；不需要火花塞、空氣過濾器、定時鏈以及定時系統的其他構件；不需要燃料注入系統；并且，因此降低管理及維護成本。這導致系統特別地適合于在例如備件的供應商難以到達的位置使用。

此外，斯特林發動機與CNG往復式壓縮機結合而特別地有利，這是因為，斯特林發動機的旋轉速率與往復式壓縮機的旋轉速度基本相同，并且，因而能夠避開齒輪箱，這提高系統的總效率及其可靠性。

斯特林發動機與內燃機相比而減少振動和噪聲的結構導致其使用更有吸引力。

雖然本文中所描述的主題的公開的實施例已在附圖中示出，并且，在上文中結合若干示范性的實施例而具體地且詳細地全面地描述，但對本領域普通技術人員將顯而易見的是，在實質上不背離本文中所闡述的新穎的教導、原理和概念以及所附權利要求中所敘述的主題的優點的情況下，有可能作出許多修改、改變和省略。因此，所公開的創新的適當的范圍應當僅由所附權利要求的最廣義的解釋確定，以便于包括所有的這樣的修改、改變和省略。能夠使各種實施例的不同的特征、結構和工具不同地組合。