[發明專利]估算以低溫貯存的多相流體的體積和質量的裝置和方法

有效

• 申請號: 201280047366.3
• 申請日: 2012-09-11
• 公開（公告）號: CN103998904B
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: G·C·哈珀;G·A·貝騰博格;P·S·施蘭茨
• 申請（專利權）人: 西港能源有限公司
• 主分類號: G01G17/04
• 分類號: G01G17/04;B60K15/00;G01F25/00;G01F23/14;G01F23/26;G01F23/296;G01F23/30;G01G19/40;G01N9/24
• 代理公司: 北京超凡志成知識產權代理事務所(普通合伙)11371
• 代理人: 李丙林,曹桓

技術領域

公開了一種用于估算以低溫溫度貯存在器皿中的多相流體的體積和質量的裝置和方法。當所述多相流體是被車輛消耗的燃料時，所述裝置和方法可被用于估算車輛行車范圍。

背景技術

采用替代燃料例如液化天然氣（LNG）以為機動車輛提供動力具有如下一些優勢：與常規碳氫燃料例如汽油和柴油相比，既經濟又對環境無害。因此，對排他地通過LNG加燃料的車輛以及對發動機能夠從除了LNG之外的汽油或柴油加燃料的雙燃料車輛存在不斷增長的需求。

汽油和柴油是不可壓縮的液體，因此不同于氣體燃料，它們的密度不會作為壓力的函數而改變。汽油或柴油的熱值基本恒定，且與壓力正交。測量保留在燃料罐中的汽油或柴油的體積提供了充足的信息來確定可用于為車輛提供動力的能量值。對于LNG，情況并非如此。

測量LNG的體積為車輛操作者提供了如下信息：他們可使用所述信息來估算何時行至一個加油站是必要的。然而，LNG的密度是溫度、壓力和流體成分的函數，從而任何給定體積中的能量值是可變的。在典型貯存LNG的壓力和溫度時，它是多相流體，且液化氣體的密度作為飽和壓力和溫度的函數是可改變的。與汽油或柴油相比，燃料罐中的液體體積的測量提供了較小精度的信息來估算可用于為車輛提供動力的能量值。例如，在典型貯存條件下，低溫貯存罐中的LNG的密度可改變高達20%或者更多。由于罐絕緣的有限熱阻力導致從外部環境到低溫空間中的熱泄漏，所以LNG沸騰和自然膨脹，從而低溫貯存罐內的蒸氣壓力改變。然而，對于給定質量的LNG，可用于為車輛提供動力的能量值是相同的，盡管它的體積和密度可改變20%。因而，確定LNG的質量提供了對其能量值從而對車輛的燃料續航力（fuelling range）的更加精確的估算。

已知使用液面（level）傳感器來測量低溫貯存罐中的LNG的液體液面。然而，精確地測量保持在貯存罐中的低溫液體的液體液面仍是一種挑戰性的應用?？赡苡绕涮魬鸬氖蔷_測量移動貯存罐（例如，貯存LNG的車輛燃料罐）中的低溫液體的液體液面。存在采用液面傳感器來確定保持在貯存罐內的低溫液體的液體液面的可用的多種已知方法。存在各種類型的液面傳感器，包括機械浮子型液面傳感器、基于壓力的液面傳感器、超聲液面傳感器和電容型液面傳感器。已知使用電容型液面傳感器用于測量低溫貯存罐內側的液體液面。

已證明，電容型液面傳感器尤其好地適于測量貯存罐中的LNG的液面。電容型液面傳感器的演變已經提供了為特定應用需求定制的不同復雜度和精度的傳感器。電容型液面傳感器的基本運行原理是在罐內待被測量液體液面處布置兩個導體。所述導體是通過提供電介質材料的空間而電絕緣的。也就是說，導體之間的、液體或蒸氣形式的LNG用作電介質材料。導體及其間的電介質材料的組合提供了電容器。電容器的電容直接成比例于導體的表面面積、分隔導體的距離和它們之間的電介質材料的有效介電常數。隨著液體液面在罐內上升或降低，導體之間的電介質的有效介電常數改變，同樣電容也改變。通過檢測電容器的電容的變化，罐中的液體的液面可被確定。

出于該應用的目的，低溫燃料包括在大氣壓力下、在-100℃時或-100℃以下的溫度沸騰的那些液體燃料。例如，LNG在大氣壓力下、在約-162℃沸騰。盡管本發明關于LNG來討論，但是通常同樣可適用于其他多相流體，例如甲烷、乙烷、丙烷、碳氫衍生物、氫氣、氮氣、氬氣和氧氣。本領域普通技術人員將理解。

精確檢測保留用于車輛燃料罐應用的液體的液面是重要的，因為不精確的液面測量的后果可導致：如果燃料用盡，則車輛擱淺；或者，如果車輛比必要時需要更頻繁地再加燃料（re-fuelled），則降低運行效率。此外，對于使用高壓泵將燃料遞送至發動機的車輛，當燃料罐是空的時，如果泵頻繁地運行，則泵的部件可能加速磨損。

在對低溫貯存罐再加燃料（refuelling）時，缺量空間需要被提供用于由于低溫液體沸騰造成的蒸氣的自然膨脹。LNG的一個挑戰是，在許多應用中，一旦遞送到貯存罐中，當LNG變暖時，需在額外的空間中膨脹。過量的熱泄漏到低溫罐中以及導致LNG自身膨脹將導致低溫液體沸騰。最終，由于持續熱泄漏，LNG將沸騰或蒸發，導致在貯存罐中構建壓力。