CN102027236B - 用于泵送低温流体的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于泵送低温流体的装置，包括：用于存储低温流体的容器(1)，该低温流体包括低温液体；具有入口压头损失(净正吸入压头，NPSH)的低温泵(3)；和将容器(1)连接至泵(3)的吸入管线(2)，所述泵送装置包括用于控制容器(1)内的压力的系统(9、18、19)，以用于将所述压力选择性地维持为至少等于下列数值的总和：被存储的低温流体的饱和压力加上低温泵的入口压头损失(NPSH)以及可选地加上由将容器(1)与泵(3)相连接的吸入管线的管道造成的压头损失值。本发明的特征在于，压力控制系统(9、18、19)包括将泵(3)的高压出口连接至容器(1)的管道(9)，以用于选择性地将被泵送的冷流体返送至容器(1)，所述管道(9)包括用于将冷气体返送至容器(1)的膨胀阀(99)。

Description

用于泵送低温流体的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于泵送低温流体的装置和方法。
本发明尤其涉及一种用于泵送低温流体的装置，该装置包括：用于存储低温流体的存储容器，所述低温流体包括低温液体；具有入口压头损失(NPSH)的低温泵；将容器与泵相连接的吸入管线，所述泵送装置包括用于控制容器内的压力的系统，以用于将容器内的压力选择性地保持为至少等于下列数值的总和：被存储的低温流体的饱和压力加上低温泵的入口压头损失(NPSH)以及可选地还加上由将容器与泵相连接的吸入管线的管路造成的压头损失值。
背景技术
本发明特别有利地应用在泵送低密度低温流体的领域中，所述低密度低温流体包括气体、例如氢或氦以及它们的同位素。
与压缩气态氢相比较，压缩液态氢可能会减少压缩成本，因为压缩一定体积的不可压缩的液体比压缩一定体积的气体更容易。
就压缩能量而言，这种高压力的产生是花费巨大的。另外，如果该泵没有被最优使用，则泵内液态氢的蒸发损失也可能是高的。因此，减小所述损失(既有摩擦损失又有气体损失)是优化高压氢生产成本的关键因素。
通常低温泵尤其是液态氢泵的问题之一是待泵送流体的密度非常低(在1bar压力下为70g/l)。因此，仅通过在具有压头(静水压头)的泵送设备上物理式安装(物质)源容器来提供泵所需的吸入压力即便可能也是困难的。问题在于，吸入压力不得不考虑到泵的入口压头损失(NPSH＝净正吸入压头，也就是待泵送气体的饱和压力与在没有气蚀的纯液体相中使泵运行所需的流体吸入压力之间的差值)。
例如，在700bar下的液态氢(LH2)泵具有大约250mbar的压头损失(NPSH)，这对应于液态氢的35m的压头。具有35m压头、安装有(物质)源容器的泵不可能运行(即使这在工业上是有可能的，但是在管线中的压头损失将会抵消已在这种压头下安装容器的事实)。因此，一种解决方案是使液体“过冷”并且在该液体处于“过冷”状态时吸入该液体。过冷涉及将流体的压力增大至饱和(压力)或在不变的压力下降低流体的温度，而不需要等待新的液体-蒸汽平衡的建立。
然而，被增压的氢的密度甚至小于大气压力下的氢的密度。例如，饱和氢在1bar绝对压力下的密度是70g/l，而在7bar绝对压力下的密度是56g/l。鉴于液态氢泵是正排量系统(systèmes volumique，positive-displacingsystem)，因此在氢密度尽可能大的时候和因此当氢在最低可能压力(温度尽可能低)下饱和时吸入氢是有利的，其目的是使泵送量最优化。
在下文中描述的本发明尤其使得能够在低压力下(在1bar和12bar之间)以液/气平衡的方式从氢源连续使用液态氢泵送设备，并且能够通过允许泵连续运行并且同时使被泵送的氢的密度最大化而使这种设备的运行最优化，因此使泵送输出最大化。
在现存的解决方案中，使用热虹吸(一种建立大气压力的加热器)或直接使用来自于气体罐的处于环境温度下的高压氢来为容器加压。
在这些已知系统运行期间，注入容器顶部的环境温度下的氢缓慢地加热液体，从而降低了可利用的过冷水平。
这随后增加了容器的额定压力，导致的结果是减小了在容器达到其最大运行压力之前的可利用的泵送时间。
属于本申请人的文献WO2005/085637A1尤其描述了一种泵送系统，该泵送系统包括压力控制装置，该压力控制装置能够将泵的吸入管线中的压力保持为至多等于下列数值的总和：低温流体的饱和压力加上低温泵的入口压头损失。
发明内容
本发明的一个目的是减少现有技术中的上述缺点中的全部或一些。
为此，根据本发明的装置的主要特征(其它方面依照上面导言中给出的一般限定)在于，压力控制系统包括下列部件中的至少一个：将泵的高压出口连接至容器的管道，以用于选择性地将被泵送的冷流体重新注入容器内；将高压气体源通过冷却气体的冷却元件连接至容器的管道，从而选择性地将已冷却的气体注入容器内。
另外，本发明的一些实施方式可包括一个或多个下列特征：
-压力控制系统包括：将泵的高压出口连接至容器的管道，以用于在泵运行时将被泵送的流体重新注入容器内；以及将高压气体源通过冷却元件连接至容器的管道，以用于尤其在泵不运行时将已冷却的气体注入容器内。
-将泵的高压出口连接至容器的管道包括用于将冷气体重新注入容器内的膨胀阀，
-位于将高压气体源连接至容器的管道内的冷却元件包括热交换器，该热交换器能够选择性地将来自高压气体源的气体与来自容器的被泵送的低温流体进行热交换，
-热交换器包括冷能量蓄积器，以用于通过热惰性在泵的两种使用状态之间维持冷却功率，
-高压源通过至少一个下列部件连接至泵的高压出口：阀，膨胀阀，加热器，以用于允许流体选择性地从容器充入所述源。
-所述装置包括排放管线，该排放管线用于将通过运行泵而产生的气体排放出来，所述气体排放管线将泵的气体出口连接至容器或连接至单独的脱气存储设备，
-冷能量蓄积器包括至少一个下列特征：大量铝、大量乙二醇溶液、大量铜或大量铅基合金，
-热交换器的冷能量蓄积器具有在1400与4000kJ.m-3.K-1之间的比热容量(在不变压力下的热容量×密度)以及在30与400W/m-K之间的导热率，
-压力控制系统包括用于容器内和/或吸入管线内的低温流体的压力传感器和温度传感器，这些传感器与控制和运算逻辑单元相连接，以便提供测量信号，从而指令从泵(3)(通过管道9)和/或从高压气体源(16)(通过管道10、9)向容器中注入流体，
-所述装置包括气体供给管线，该气体供给管线的一端可连接至用户，并且一端通过至少一个加热器和一个膨胀阀连接至泵的高压出口，
-压力控制系统包括至少一个指令和运算单元，该指令和运算单元能够由所述温度传感器测得的温度计算出通过所述压力传感器测得的压力的最小值，该值等于在所述温度下液体的饱和压力加上泵的入口压头损失(NPSH)并加上吸入管线的管路中的任何压头损失，
-容器充有处于其蒸汽饱和状态下的低温流体，所述低温流体优选是低密度流体、例如氢或氦，
-用于高压气体源的气体来自于容器。
本发明还涉及一种将低温流体从低温流体容器泵送出来的方法，所述低温流体包括低温液体，通过吸入管线来泵送所述流体，所述吸入管线包括具有入口压头损失(NPSH)的低温泵，所述方法包括控制容器内的压力的步骤，从而选择性地将容器内和/或吸入管线内的压力保持为至少等于下列数值的总和：低温流体的饱和压力加上低温泵的入口压头损失(NPSH)并可选地还也加上由将容器与泵相连接的吸入管线中的管路造成的压头损失值。
根据一个有利的具体特征，所述方法的特征在于，控制容器内的压力的步骤涉及将所谓的冷气体在低于容器外的环境温度的温度下、优选在40°K与100°K之间的温度下以及在1bar与12bar之间的压力下引入容器内。
另外，本发明的一些实施方式可包括一个或多个下列特征：
-被引入容器内用于控制容器内的压力的冷气体通过至少一个下列部件被供给：将泵的高压出口连接至容器的管道；将高压气体源通过冷却气体的冷却元件连接至容器的管道，
-被引入容器的冷气体选择性地在泵运行时通过将泵的高压出口连接至容器的管道被供给和在泵关闭时通过将高压气体源经由气体冷却元件连接至容器的管道被供给，
-通过使来自泵的高压出口的流体膨胀而获得由将泵的高压出口连接至容器的管道输送的冷气体，将来自高压气体源的气体冷却的元件使用从容器泵送的流体的冷能量。
本发明还可涉及具有在上文或下文中列出的特征的任意组合的任何可供选择的装置或方法。
附图说明
其它的具体特征和优点将通过阅读参考附图给出的下列描述而显见，在附图中：
图1示出了根据本发明第一实施方式的用于泵送低温流体的装置的结构及运行的示意图，
图2示出了根据本发明第二实施方式的用于泵送低温流体的装置的结构及运行的示意图。
具体实施方式
现在参照图1，所述装置包括低温流体容器1(真空隔离)，所述低温流体包括例如在一定温度以及1bar与12bar之间的一绝对压力下的液体-气体混合物。通过相应的传感器101、100测量容器1内的温度和压力。
容器1的下部通过吸入管线2连接至低温泵3的吸入入口处，吸入管线2被真空隔离并具有一个或多个隔离阀。
泵3包括气体排放管线4(用于例如通过加热/摩擦产生的气体)，气体排放管线4将气体排放到容器1的上部并装配有阀。
所述泵与通常结合有输送阀(被泵送流体的高压出口)的高压输送管线5相连接。高压输送管线5与冷氢供给管线6相连接，冷氢供给管线6将冷氢供给至交换器10、优选高惰性的交换器。在离开交换器10之后，流体通过冷的高压管线11，随后通过高压大气再热器(réchauffeuratmosphérique haute pression)12(或等同物)，直至到达气体供给管线111处，气体供给管线111的一端部能通过压力调节器13连接至用户U(例如容器或气体罐)。
隔热的高压输送管线5还通过管道9连接至容器1的上部，以便借助来自泵3的已冷却的氢来使容器1增压。使容器1增压的管道9具有膨胀阀99和/或控制阀。容器1的上端部例如通过增压管道9连接至容器减压阀20(排出到外面)。
增压管道9还通过管线29与已增压气体源16、例如在环境温度下的气体罐16相连接，管线29通过高惰性的交换器10(与其交换热量)并且具有控制阀15(例如膨胀阀)。
气体供给管线111也通过膨胀阀14连接至高压源16。
用于控制容器1内的压力的单元18接收来自压力传感器100的压力信息并且驱动选择器17，选择器17选择性地致动增压管道9的膨胀阀/控制阀99以及连接至已增压气体源16处的管线29的控制阀15。运算单元19根据卸压阀101记录的温度来确定容器1内的饱和压力，并根据该结果向控制单元19下指令。
在运行过冷液态氢容器1的一个可能实施例中，在容器1的压力和温度下的氢由容器1经过真空隔离管线2供给到泵3处。所述氢通过泵3被泵送并且在高压力(例如在200bar与850bar之间的压力)下通过输送管线5被排放至交换器10处，并随后被排放至冷的高压管线11处。
再热器12将氢的温度升高至环境温度。
膨胀阀14确保使容器16处于最高压力下。上游的调节器13控制泵内的压力。
根据本发明，所述系统控制容器1内的压力。通过运算单元19计算容器1的设定压力，使得容器内的所述压力等于下列数值的总和：氢在升高温度(101)下的饱和压力加上泵3的入口压头损失(NPSH)以及吸入管路2中的压头损失。例如通过泵3的供货商提供所述压头损失(NPSH)值。
根据本发明的装置能够在泵3运行时使用直接来自于泵3的冷高压出口5的氢(例如，对于450bar压力在大约70°K温度下的氢)。由泵3供给的这种氢能够通过增压管道9内的阀99被膨胀并以冷气体和/或液体的形式被重新注入容器1。
此外，根据本发明的装置能够在泵3启动之前使用处于环境温度下的高压气体罐16来将冷氢(“冷”是因为其穿过交换器/能量蓄积器10)注入容器1内，以便使氢过冷，从而对容器1增压。
例如在泵3的前期运行期间预先将冷能量蓄积器(在交换器10中)冷却。可使用聚氨酯泡沫或类似物隔离对所述冷能量蓄积器隔热。
这使得能够避免在泵3的吸入侧上的任何气蚀。
在泵3停止时，可使用容器1的减压阀20来对容器1减压，从而能冷却容器1内剩下的氢。
根据本发明的一个有利的具体特征，由此预先冷却用于使容器1增压的氢。从而所述容器内气体的热分层较少，其压力的增加较慢，这增加了容器1在到达其最大运行压力之前的可利用的泵送时间量。
另外，优选与外界隔离的高惰性交换器10提供了冷源，并允许即使是在泵3不运行(使用气体罐16或等同物)时也能使用冷氢来对容器1增压。交换器10的热惰性以及隔离交换器10的方式被确定成使得其温度优选在泵3的两个运行状态之间维持不变(+/-10℃)。
与现有技术相比，特别是与热虹吸系统相比，所述装置允许更精确和更快地控制容器1内的压力。
附图示出了一种替代的方式，该方式仅在气体排放管线4方面与图1的实施方式不同。其它元件由相同的附图标记表示并且将不再被描述。
在图2的实施例中，氢排放或返回管线4返回至被称为脱气容积的容积21。在这种构造方式中，返回管线4与脱气容积21连通，在通过大气再热器22加热之后，由阀23、24来控制该脱气容积21的液位。这种构造方式可防止热的氢返回低温容器1以及防止容器1内容纳的所有液态氢被加热。
因此，本发明可实现低温流体的过冷以及由此过冷的流体的吸入。因此补偿了入口压头损失，从而避免了泵3内的任何气蚀现象，同时流体被保持在足够低的压力下以使得流体的密度和因此被泵送的流体量为最大。
另外，根据本发明控制容器1增压的方法对容器内的液位产生很小影响或没有影响，并且因此对容器1达到其最大运行压力之前的可利用的泵送时间产生很小影响或没有影响。

Claims (13)

1.一种用于泵送低温流体的装置，包括：用于存储低温流体的存储容器(1)，所述低温流体包括低温液体；具有入口压头损失(NPSH)的低温泵(3)；将所述容器(1)与所述泵(3)相连接的吸入管线(2)，所述装置包括用于控制容器(1)内的压力的系统(9、18、19)，以用于将容器(1)内的压力选择性地保持为至少等于下列数值的总和：被存储的低温流体的饱和压力加上所述低温泵的入口压头损失(NPSH)，所述装置的特征在于，所述压力控制系统(9、18、19)包括将所述泵(3)的高压出口连接至所述容器(1)的管道(9)，以用于将被泵送的冷流体选择性地重新注入所述容器(1)内，将泵(3)的高压出口(5)连接至容器(1)的所述管道(9)包括用于将冷气体重新注入所述容器(1)内的膨胀阀(99)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力控制系统(9、18、19)将容器(1)内的压力选择性地保持为至少等于下列数值的总和：被存储的低温流体的饱和压力加上所述低温泵的入口压头损失(NPSH)并加上由将容器(1)连接至泵(3)的所述吸入管线(2)的管路造成的压头损失值。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力控制系统(9、18、19)包括将高压气体源(16)通过冷却元件(10)连接至所述容器(1)的管道(9、29)，以用于将已冷却的气体注入所述容器(1)内。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，将高压气体源(16)通过冷却元件(10)连接至所述容器(1)的管道(9、10)用于在所述泵(3)不运行时将已冷却的气体注入所述容器(1)内。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，位于将高压气体源(16)连接至所述容器(1)的所述管道(9、10)内的冷却元件(10)包括热交换器(10)，所述热交换器能选择性地将来自所述高压气体源(16)的气体与从所述容器(1)泵送出来的低温流体进行热交换。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述热交换器(10)包括冷能量蓄积器，以用于通过热惰性在所述泵(3)的两种使用状态之间维持冷却功率。
7.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，通过至少一个下列部件将所述高压气体源(16)连接至所述泵(3)的高压出口：阀，膨胀阀(14)，加热器(10、12)，以用于允许选择性地将流体从容器(1)充入所述高压气体源(16)内。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，通过至少一个下列部件将所述高压气体源(16)连接至所述泵(3)的高压出口：阀，膨胀阀(14)，加热器(10、12)，以用于允许选择性地将流体从容器(1)充入所述高压气体源(16)内。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括用于将由运行所述泵(3)而产生的气体排放出来的排放管线(4)，所述气体排放管线(4)将所述泵(3)的气体出口连接至所述容器(1)或连接至单独的脱气存储设备(21)。
10.一种用于将低温流体从低温流体容器(1)泵送出来的方法，所述低温流体包括低温液体，所述流体通过吸入管线(2)被泵送，该吸入管线(2)包括具有入口压头损失(NPSH)的低温泵(3)，所述方法包括控制容器(1)内的压力的步骤，以便将所述容器内或吸入管线(2)内的压力选择性地保持为至少等于下列数值的总和：低温流体的饱和压力加上所述低温泵的入口压头损失(NPSH)，所述方法的特征在于，控制容器(1)内的压力的步骤涉及将冷气体在低于容器(1)外部的环境温度的温度下以及在1bar与12bar之间的压力下引入所述容器(1)内，引入容器(1)内的冷气体选择性地在所述泵(3)运行时通过将所述泵(3)的高压出口(5)连接至所述容器(1)的管道(9)供给、和在所述泵(3)关闭时通过将高压气体源(16)经由气体冷却元件(10)连接至所述容器(1)的管道(9、29)供给。
11.根据权利要求10所述的泵送方法，其特征在于，所述控制容器(1)内的压力的步骤将所述容器内或吸入管线(2)内的压力选择性地保持为至少等于下列数值的总和：低温流体的饱和压力加上所述低温泵的入口压头损失(NPSH)并且还加上由将所述容器(1)与所述泵(3)相连接的吸入管线(2)的管路造成的压头损失值。
12.根据权利要求10或11所述的泵送方法，其特征在于，所述控制容器(1)内的压力的步骤涉及将冷气体在40°K与100°K之间的温度下以及在1bar与12bar之间的压力下引入所述容器(1)内。
13.根据权利要求10或11所述的泵送方法，其特征在于，通过使来自所述泵(3)的高压出口(5)的流体膨胀而获得由将所述泵(3)的高压出口连接至所述容器(1)的管道(9)供给的冷气体，使来自高压气体源(16)的气体冷却的元件(10)使用从所述容器(1)泵送的流体的冷能量。
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