專利名稱：回收高壓天然氣加氣槍排空天然氣的閥門、系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓縮天然氣汽車加注技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及回收排空天然氣，并加以利 用的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
天然氣汽車燃料供應(yīng)系統(tǒng)工作過(guò)程壓縮天然氣汽車車載瓶?jī)?nèi)的高壓天然氣經(jīng)過(guò) 調(diào)壓設(shè)備減壓后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)汽車行駛。天然氣汽車車載瓶用于儲(chǔ)存高 壓(20MPa以上壓力)的天然氣。壓縮天然氣(CNG)汽車加注站的功能是將天然氣通過(guò)加壓機(jī)壓縮，加壓至20MPa 左右壓力，再經(jīng)過(guò)售氣機(jī)(也稱加氣機(jī))計(jì)量后，借助于加氣槍(附屬在售氣機(jī)上)向汽車 車載瓶加注高壓天然氣。加氣槍上設(shè)置有一個(gè)兩位控制閥門，負(fù)責(zé)控制加氣操作，其工作原 理如圖1所示。壓縮天然氣加注操作過(guò)程如下①.將加氣槍前端槍頭部分1’的加氣接口與車載瓶加注口連接，打開車載瓶進(jìn)氣 口球閥。②.操作加氣槍兩位閥門使1’ -2’通道關(guān)閉，1，-3’通道接通。此時(shí)車載瓶與 加注站高壓的天然氣供應(yīng)回路聯(lián)通，使經(jīng)過(guò)加氣機(jī)計(jì)量后的高壓天然氣向車載瓶注入，車 載瓶?jī)?nèi)天然氣壓力逐漸升高。③.待到車載瓶?jī)?nèi)天然氣壓力升到所要求值，關(guān)閉車載瓶上的進(jìn)氣球閥。此時(shí)，車 載瓶進(jìn)氣通路被切斷。但加氣槍兩位閥門頂端400mm長(zhǎng)的槍頭部分壓力仍為20MPa左右 (因?yàn)檩^高壓力的原因，此時(shí)，槍頭無(wú)法從車載瓶上拔出，可避免產(chǎn)生危險(xiǎn))。④.實(shí)施泄壓操作。操作加氣槍上的兩位控制閥門使1’ _3’通道關(guān)閉，1’-2’通 道接通。此時(shí)，加氣機(jī)的高壓天然氣供應(yīng)通路被切斷，同時(shí)，排放通路被打開，儲(chǔ)存在槍頭頂 端部分400mm長(zhǎng)、內(nèi)徑8mm、壓力為20MPa的天然氣直接排入大氣中，儲(chǔ)存在槍頭部分的高壓 天然氣壓力迅速被釋放。⑤.將槍頭直接從車載瓶上拔出，加氣過(guò)程結(jié)束。對(duì)天然氣汽車實(shí)施加氣操作時(shí)，按照操作規(guī)程規(guī)定及實(shí)際需要，對(duì)車載瓶每充完 一次壓縮天然氣(CNG)后，都必須排放掉加氣槍頂部一段管內(nèi)殘存的高壓天然氣(泄壓操 作)，以便再進(jìn)行下一步操作，準(zhǔn)備下一個(gè)循環(huán)。計(jì)算表明，每加注一臺(tái)汽車，實(shí)施一次泄壓操作，排放掉的天然氣量約為1.2升。 眾所周知，天然氣是一種寶貴的能源，直接排放是極大的浪費(fèi)；且天然氣中的甲烷組分又是 極強(qiáng)的溫室氣體，對(duì)大氣環(huán)境破壞力很大，其溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍，對(duì)臭氧層的破 壞力是二氧化碳的7倍。此外，直接排放還構(gòu)成許多的安全隱患。而一個(gè)常規(guī)的天然氣加 注站，一天要對(duì)約1200輛汽車加注，也就是要進(jìn)行1200次泄壓操作，排放總量是很可觀的?？梢?，避免或減少天然氣的直接排放，無(wú)疑能夠產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的環(huán) 保效益，并消除或減少安全隱患。顯然，在國(guó)內(nèi)率先開發(fā)出壓縮天然氣汽車加氣槍排空氣體 回收技術(shù)并加以利用，具有明顯的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于彌補(bǔ)現(xiàn)有CNG加注技術(shù)的不足，提供一種能夠回收泄壓操作過(guò) 程中排空天然氣并加以利用的方法和裝置，達(dá)到加注過(guò)程“零排放”目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種加氣槍三位控制閥，包 括閥體，閥體內(nèi)設(shè)有內(nèi)部管路，閥體上設(shè)有與加氣槍連接的閥接頭、通往大氣的排空口及與 加氣機(jī)內(nèi)高壓天然氣供應(yīng)回路連接的閥接頭，其特征在于還包括一與余氣回收管道連接 的閥接頭，及一作用于閥體內(nèi)部管路的復(fù)位彈簧，所述彈簧在外力作用狀態(tài)下可使所述與 加氣槍連接的閥接頭和所述與余氣回收管道連接的閥接頭連通，在外力消除狀態(tài)下可使所 述與加氣槍連接的閥接頭和所述通往大氣的排空口連通。所述與余氣回收管道連接的閥接頭處設(shè)有一防止氣體倒灌的自動(dòng)切斷機(jī)關(guān)，起單 向閥門作用，阻止已回收的天然氣倒回至加氣槍頭。為了實(shí)現(xiàn)高壓天然氣加氣槍的排空氣體回收，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種 回收高壓天然氣加氣槍排空天然氣的系統(tǒng)，包括如上所述的三位控制閥，還包括天然氣余 氣回收管路、天然氣排空管路，所述天然氣余氣回收管路包括連接各加氣槍槍頭的余氣回 收管道、集氣總管、液封隔離儲(chǔ)氣裝置及后續(xù)的低壓儲(chǔ)氣柜和低壓供氣系統(tǒng)；或者，所述天 然氣余氣回收管路包括連接各加氣槍槍頭的余氣回收管道、集氣總管、單向隔離閥門及后 續(xù)的中壓儲(chǔ)氣罐和中壓供氣系統(tǒng)，所述余氣回收管道匯集于同一集氣總管，集氣總管通過(guò) 管路連接所述液封隔離儲(chǔ)氣裝置或單向隔離閥門，所述余氣回收管道及天然氣排空管路分 別連接于所述三位控制閥中的其中一個(gè)閥接頭上。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，所述儲(chǔ)氣裝置為一水封儲(chǔ)罐，包括一主罐體及一用于接納所述集氣 總管的側(cè)罐體，主罐體與側(cè)罐體底部連通，主罐體液面上方設(shè)有至少一層水/氣分離板。再進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，所述水/氣分離板有三層，每?jī)蓪娱g隔為200mm。為了實(shí)現(xiàn)高壓天然氣加氣槍的排空氣體回收，本發(fā)明還提供了一種回收高壓天然 氣加氣槍排空天然氣的方法，包括以下步驟(1)操作如上所述的加氣槍三位控制閥，連通天然氣加氣槍槍頭與余氣回收管道， 使加氣槍槍頭部分儲(chǔ)存的天然氣回收進(jìn)入余氣回收管道；(2)切換所述三位控制閥至排空口，完成加氣槍內(nèi)殘存氣體的排空；(3)進(jìn)入余氣回收管道的天然氣匯入一集氣總管，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)余氣集中處理；(4)集氣總管接入一液封隔離儲(chǔ)氣裝置或單向隔離閥門；(5)從液封隔離儲(chǔ)氣裝置或單向隔離閥門出來(lái)的天然氣被送入中、低壓儲(chǔ)氣罐或 城市燃?xì)夤芫W(wǎng)中的中、低壓燃?xì)夤艿乐泄┯脩羰褂?。本發(fā)明的核心技術(shù)在于開發(fā)出一種能夠?qū)崿F(xiàn)余氣回收的三位控制閥門，及相應(yīng)的 排空氣體回收與集氣、隔離、儲(chǔ)存裝置及利用技術(shù)，包括安全保障體系的設(shè)置與運(yùn)行，以此 實(shí)現(xiàn)將原排空天然氣加以回收利用的目的。通過(guò)操作三位控制閥門，可以完成對(duì)車載瓶加 氣、余氣回收儲(chǔ)存、殘存氣體排空、待機(jī)(加氣機(jī)待加氣狀態(tài)，即非加注狀態(tài))等操作步驟。 在此基礎(chǔ)上，回收的余氣通過(guò)液封隔離裝置或單向隔離閥門進(jìn)行隔離，并輸送往中、低壓儲(chǔ) 氣罐備用或送往城市燃?xì)夤芫W(wǎng)中的中、低壓燃?xì)庥脩羰褂?。?duì)于一個(gè)典型規(guī)模的加氣站(2.0萬(wàn)m3/日)，實(shí)施本發(fā)明回收加注過(guò)程中的排空 天然氣，總量可達(dá)1200m3/年左右，經(jīng)濟(jì)效益次之，環(huán)保效益無(wú)限。


圖1是現(xiàn)有的天然氣汽車加氣操作兩位控制閥門操作原理圖。圖2是本發(fā)明的三位控制閥工作原理圖。圖3是回收的CNG余氣進(jìn)入低壓系統(tǒng)的原理圖。圖4是回收的CNG余氣進(jìn)入中壓系統(tǒng)的原理圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的三位控制閥門與原加氣槍上的兩位控制閥外形及尺寸一致，閥門操作過(guò) 程與原兩位閥基本一樣，沒有增加操作難度和工作量，操作習(xí)慣也完全一樣，具有同等的安 全可靠性。新型的三位控制閥工作原理圖如圖2所示。三位控制閥門1處設(shè)有與加氣槍槍頭部分連接的閥接頭。三位控制閥門2A處設(shè)有與余氣回收管道連接的閥接頭。各加氣機(jī)的加氣槍的余 氣回收管道之間通過(guò)匯管相互聯(lián)通，并匯入一條集氣總管中。三位控制閥門2處設(shè)有與大氣相連通的排空口，當(dāng)加氣槍處于待機(jī)狀態(tài)，即非加 注狀態(tài)時(shí)置于此位置。三位控制閥門3處設(shè)有與加氣機(jī)內(nèi)高壓天然氣供應(yīng)回路連接的閥接頭。彈簧4作用于閥體內(nèi)的管路，在外力條件作用下，使三位控制閥處于2A位置，此時(shí) 1-2A通道接通，閥門處于過(guò)渡狀態(tài)，天然氣余氣經(jīng)2A接口進(jìn)入余氣回收管道中；外力消除 后，在彈簧4的回復(fù)作用下，三位控制閥自動(dòng)置于2位置，此時(shí)1-2通道接通，處于非加注狀 態(tài)。從以上可知，非加注狀態(tài)(待機(jī)狀態(tài))時(shí)，三位控制閥位置與原兩位控制閥完全一 樣加氣通道1——3關(guān)閉，1——2A關(guān)閉，而排空通道1——2聯(lián)通。加注狀態(tài)時(shí)，三位控制閥位置與原兩位控制閥也完全一樣加氣通道1——3打 開；1——2排空通道及1——2A通道關(guān)閉。此時(shí)，加氣槍高壓天然氣供應(yīng)通路通過(guò)槍頭部 分與車載瓶相通。過(guò)渡狀態(tài)時(shí)(余氣回收狀態(tài))此為加注狀態(tài)向非加注狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的一個(gè)短 暫階段。三位控制閥的1——2A聯(lián)通，1——2及1——3關(guān)閉。儲(chǔ)存在槍頭部分一段管道 內(nèi)的高壓天然氣，通過(guò)回收通道被送入儲(chǔ)存裝置儲(chǔ)存或供用戶設(shè)施使用，壓力被迅速釋放。 之后，借助于彈簧的作用，三位控制閥迅速自動(dòng)回復(fù)“非加注狀態(tài)”加氣通道關(guān)閉；排空通 道打開。以便進(jìn)行下一個(gè)加注循環(huán)。由此可以看出，本發(fā)明在原加注操作基礎(chǔ)上增加了一個(gè)環(huán)節(jié)——過(guò)渡環(huán)節(jié)在此 階段，原本向大氣排空的那部分高壓天然氣被排入用戶系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)排空氣體的回收。本階 段結(jié)束后，槍頭部分的高壓力得以釋放，之后，少量殘存氣體排入大氣，大大減少了排放量。具體地來(lái)說(shuō)，采用以下操作 ①.將加氣槍前端加氣接口與車載瓶加注口連接，打開車載瓶進(jìn)氣口球形閥門。
②.操作加氣槍三位控制閥門由原2位置(待機(jī)位置)扳向3位置。1-2及1-2A 通道關(guān)閉，1-3通道聯(lián)通。此時(shí)車載瓶與加氣機(jī)高壓天然氣供應(yīng)回路聯(lián)通，使經(jīng)過(guò)加氣機(jī)計(jì) 量后的高壓天然氣向車載瓶注入，車載瓶?jī)?nèi)天然氣壓力逐漸升高；
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③.待到車載瓶?jī)?nèi)天然氣壓力升到所要求值，關(guān)閉車載瓶上的進(jìn)氣球閥。此時(shí)，車 載瓶進(jìn)氣通路被切斷。④.操作加氣槍上的三位控制閥門由3位置(加氣位置)越過(guò)2位置扳向2A位 置，做短暫停留。1-2A通道接通，1-2及1-3通道關(guān)閉。此時(shí)，加氣機(jī)的高壓天然氣供應(yīng)通 路被切斷，同時(shí)，加氣槍槍頭部分儲(chǔ)存的高壓天然氣通過(guò)此通道，進(jìn)入天然氣儲(chǔ)存裝置儲(chǔ)存 (中低壓供氣系統(tǒng))或供用戶設(shè)施使用，槍頭部分一段管道內(nèi)的高壓天然氣得以回收利用， 高壓迅速得到釋放。之后，操作人員松開手(外力消失)，在彈簧4的作用力驅(qū)動(dòng)下，閥門由2A位置自 動(dòng)回復(fù)到2位置，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。⑤.將槍頭直接從車載瓶上拔出，加氣過(guò)程結(jié)束。準(zhǔn)備下一個(gè)循環(huán)。整個(gè)余氣回收系統(tǒng)包括回收與集氣1000、隔離2000、儲(chǔ)存及利用3000各環(huán)節(jié)。余 氣進(jìn)入低壓用戶系統(tǒng)的工作原理如圖3所示(1)操作加氣槍三位控制閥，使之連通天然氣加氣槍槍頭與余氣回收管道，使各加 氣槍槍頭部分儲(chǔ)存的天然氣得以回收并進(jìn)入各余氣回收管道201、202……η ；(2)進(jìn)入各余氣回收管道的天然氣匯入集氣總管20，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)余氣集中處理；(3)集氣總管20接入一液封隔離儲(chǔ)氣裝置30 ；圖中的液封隔離儲(chǔ)氣裝置30同時(shí)具有儲(chǔ)氣功能。如圖3所示，這實(shí)質(zhì)上是一個(gè)水封隔離裝置，作用有二。一是將收集到的高壓天然 氣快速釋放降壓，并儲(chǔ)存待用。二是阻止低壓用戶系統(tǒng)的氣體回流，起單向閥的作用。該液 封隔離儲(chǔ)氣裝置包括一主罐體302及一側(cè)罐體301，主罐體與側(cè)罐體底部連通，主罐體302 液面上方設(shè)有至少三層水/氣分離板303。罐內(nèi)儲(chǔ)水高度大約在500mm左右，視低壓用戶系 統(tǒng)運(yùn)行壓力而定。集氣總管20的輸出端，即罐體301的進(jìn)氣管，在罐體水面以上。該液封隔離儲(chǔ)氣裝置設(shè)有水位觀測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)50，確保水位保持在規(guī)定高度不 變。水位高度一般大于低壓用戶系統(tǒng)運(yùn)行壓力IOOmm以上。由于來(lái)自匯管的天然氣瞬間壓力太高(近20MPa)，穿過(guò)水封隔離裝置快速減壓釋 放過(guò)程中，必定會(huì)對(duì)水封內(nèi)的水造成極大的沖擊，形成水氣混合物。因此，本發(fā)明設(shè)置有三 層抗沖擊的水/氣分離板，用于將高壓氣體帶出的混合物中的水滴遮擋并借助于重力讓其 回流至水封中，保持水位不變。而混合物中的氣體則順利通過(guò)。起到水/氣分離的作用。水/氣分離板上鉆有許多小孔，便于氣體自下而上穿過(guò)、水滴由上而下墜落，每層 分離板相距約為200mm。(4)從液封隔離儲(chǔ)氣裝置30出來(lái)的低壓天然氣被送入低壓儲(chǔ)氣罐(干式氣柜、鐘 罩式緩沖罐等)備用，或供城市燃?xì)夤芫W(wǎng)中的低壓系統(tǒng)用戶40中進(jìn)行利用，包括居民、公商 用戶的低壓供氣管道(因?yàn)榛厥樟坎⒉皇翘?，不?huì)造成管道超壓)。余氣進(jìn)入中壓用戶系統(tǒng)的工作原理如圖4所示隔離環(huán)節(jié)2000由一個(gè)單向控制閥門41及截止閥42組成，41起隔離作用，避免中 壓用戶系統(tǒng)內(nèi)的天然氣倒灌。為了確保安全，本發(fā)明設(shè)置有安全保障體系，確保生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備與人身的安全。實(shí)施例1 回收的余氣進(jìn)入低壓儲(chǔ)氣罐或低壓用戶供氣系統(tǒng)河北廊坊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)加油加氣站，加氣站周邊有現(xiàn)成的低壓干式氣柜，柜內(nèi)
6天然氣壓力為3. OkPa,同時(shí)也有低壓用戶供氣系統(tǒng)。按照?qǐng)D3的工藝流程，回收的余氣經(jīng)過(guò)隔離水封后降壓至略高于3. OkPa壓力進(jìn)入 氣柜儲(chǔ)存，或者直接進(jìn)入低壓用戶供氣系統(tǒng)供用戶直接使用，達(dá)到余氣回收利用之目的。預(yù) 計(jì)，每年回收天然氣1080m3/年，經(jīng)濟(jì)效益約為3000元人民幣。實(shí)施例2 回收的余氣進(jìn)入中壓管道系統(tǒng)適用于周邊有天然氣中壓管網(wǎng)的加氣站。按照?qǐng)D4的工藝流程，回收的余氣由高 壓狀態(tài)快速釋放，降至略高于中壓管網(wǎng)的運(yùn)行壓力，經(jīng)過(guò)單向控制閥門后進(jìn)入中壓用戶供 氣系統(tǒng)儲(chǔ)存待用。一個(gè)典型CNG加注站，每年回收天然氣可達(dá)900m3/年，經(jīng)濟(jì)效益約為2500 元人民幣。實(shí)施例3 回收的余氣進(jìn)入儲(chǔ)存容器適用于周邊沒有低壓氣柜，也沒有天然氣中低壓管網(wǎng)的加氣站。按照?qǐng)D4的工藝 流程，回收的余氣由高壓狀態(tài)快速釋放，降至略高于儲(chǔ)存容器的壓力，經(jīng)過(guò)單向閥后進(jìn)入儲(chǔ) 存容器儲(chǔ)存?zhèn)溆?。一個(gè)典型CNG加注站，每年回收天然氣可達(dá)800m3/年，經(jīng)濟(jì)效益約為2000 元人民幣。
權(quán)利要求
一種加氣槍三位控制閥，包括閥體，閥體內(nèi)設(shè)有內(nèi)部管路通道，閥體上設(shè)有與加氣槍槍頭連接的閥接頭、通往大氣的排空口及與加氣機(jī)內(nèi)高壓天然氣供應(yīng)回路連接的閥接頭，其特征在于還包括一與余氣回收管道連接的閥接頭，及一作用于閥體內(nèi)部管路通道的復(fù)位彈簧，所述彈簧在外力作用狀態(tài)下可使所述與加氣槍槍頭連接的閥接頭和所述與余氣回收管道連接的閥接頭連通，在外力消除狀態(tài)下可使所述與加氣槍槍頭連接的閥接頭和所述通往大氣的排空口連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加氣槍三位控制閥，其特征在于所述與余氣回收管道連接 的閥接頭處設(shè)有一防止氣體倒灌的自動(dòng)切斷機(jī)關(guān)。
3.一種回收高壓天然氣加氣槍排空天然氣的系統(tǒng)，其特征在于包括如權(quán)利要求1 2 所述的三位控制閥，還包括天然氣余氣回收管路、天然氣排空管路，所述天然氣余氣回收管 路包括連接各加氣槍槍頭的余氣回收管道、集氣總管、液封隔離儲(chǔ)氣裝置及后續(xù)的低壓儲(chǔ) 氣柜和低壓供氣系統(tǒng)；或者，所述天然氣余氣回收管路包括連接各加氣槍槍頭的余氣回收 管道、集氣總管、單向隔離閥門及后續(xù)的中壓儲(chǔ)氣罐和中壓供氣系統(tǒng)；所述余氣回收管道匯 集于同一集氣總管，集氣總管通過(guò)管路連接所述液封隔離儲(chǔ)氣裝置或單向隔離閥門，所述 余氣回收管道及天然氣排空管路分別連接于所述三位控制閥中的其中一個(gè)閥接頭上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于所述液封隔離儲(chǔ)氣裝置為一水封儲(chǔ)罐，包 括一主罐體及一用于接納所述集氣總管的側(cè)罐體，主罐體與側(cè)罐體底部連通，主罐體液面 上方設(shè)有至少一層水/氣分離板。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于所述水/氣分離板有三層，每?jī)蓪娱g隔為 200mm。
6.一種回收高壓天然氣加氣槍排空天然氣的方法，其特征在于包括以下步驟(1)操作如上所述的加氣槍三位控制閥，連通天然氣加氣槍槍頭與余氣回收管道，使加 氣槍槍頭部分儲(chǔ)存的天然氣回收進(jìn)入余氣回收管道；(2)切換所述三位控制閥至排空口，完成加氣槍內(nèi)殘存氣體的排空；(3)進(jìn)入余氣回收管道的天然氣匯入一集氣總管，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)余氣集中處理；(4)集氣總管接入一液封隔離儲(chǔ)氣裝置或單向隔離閥門；(5)從液封隔離儲(chǔ)氣裝置或單向隔離閥門出來(lái)的天然氣被送入中、低壓儲(chǔ)氣罐或城市 燃?xì)夤芫W(wǎng)中的中、低壓燃?xì)夤艿乐泄┯脩羰褂谩?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種加氣槍三位控制閥，還公開了一種回收高壓天然氣加氣槍排空天然氣的系統(tǒng)。本發(fā)明通過(guò)操作三位控制閥門，可以完成對(duì)車載瓶加氣、余氣回收儲(chǔ)存、殘存氣體排空、待機(jī)等操作步驟?；厥盏挠鄽馔ㄟ^(guò)液封隔離裝置或單向隔離閥門進(jìn)行隔離，并輸送往中、低壓儲(chǔ)氣罐備用或送往城市燃?xì)夤芫W(wǎng)中的中、低壓燃?xì)庥脩羰褂谩?br> 文檔編號(hào)F17C5/06GK101975336SQ201010545799
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者李樹旺, 羅東曉 申請(qǐng)人:羅東曉