CN102112753B - 气动排空泵 - Google Patents

Abstract

一种气动排空泵，该气动排空泵包括：进口组件(10)，该进口组件具有进口阀门(14)和可选择性操作的吹扫空气注入装置(20)，该进口阀门插设在装料端口(17)和接收来自物料供给装置的物料的进口(13)之间，该可选择性操作的吹扫空气注入装置位于所述进口阀门的装料端口一侧上；腔室(11)，该腔室具有可选择的长度和基本不变的横截面并且具有排放末端和通向所述装料端口的装料末端；以及输送组件(12)，该输送组件具有：通向所述排放末端并且延伸至输送出口的通道，在所述排放末端和所述输送出口之间的所述通道内插设的输送阀门(24)，通向在所述排放阀门和所述排放末端之间的所述通道的可选择性操作的文丘里管真空源(31)，以及可选择性操作的排出空气注入装置(41)，该排出空气注入装置位于所述排放阀门的下游并且利用来自文丘里管的排出空气；压缩空气供给装置，其为所述文丘里管和吹扫空气注入装置提供供给；以及控制装置，该控制装置用于协调所述文丘里管真空源、所述吹扫空气注入装置、所述排出空气注入装置和所述进口阀门和输送阀门的运行周期。

Description

气动排空泵

技术领域

这项发明涉及一种气动排空泵。本发明特别应用于一种用于输送钻井泥浆以及夹带有物料的其他采矿和钻井液流的气动排空泵，并且为了说明性的目的，本发明将参照这一应用进行描述。但是我们设想本发明还可以应用于其他应用，例如输送在流体流中夹带的颗粒，通常诸如输送湿润的、潮湿的或干燥的固体，泥质物品，泥浆和液体以及粒料。

背景技术

在本说明书中对于任何现有技术的引用不是并且也不应被认为是承认或以任何形式认可所述引用的现有技术组成澳大利亚的公知常识的一部分。

带式输送机和螺旋输送机不受物料的约束和/或维护要求很高。由于叶轮与具有磨蚀作用的混合物接触，因此叶轮泵是不适宜的。

越来越多地使用用于夹带颗粒的物料的气动方式操作的泵，特别用于海上和陆地的钻井应用中。该技术利用具有最少量的运动部件的泵提供了大吞吐量，该泵可以被硬化或者设置廉价的牺牲部件以适应热的、磨蚀性和/或高腐蚀性的物料流。使用气动动力可以基本上从侵蚀性环境中去除了电气元件。

WO/2006/037186描述了这样的泵设备，该泵设备包括：壳体，该壳体具有用于所要泵送物料的物料进口和输送出口；在所述进口和出口的每一个上的阀门；以及控制装置，该控制装置用于选择性地打开和关闭各个阀门并且使得压力在壳体内循环变化。当壳体内的压力较低同时进口阀门打开时，物料能够进入壳体。当控制装置关闭进口阀门时，壳体内被增压并且出口阀门打开以从壳体排出所述物料。通过压缩空气和文丘里管实现压力循环变化。该设备可以完全以气动方式操作，避免了在其基本操作方面对电子设备的依赖。

为了调节吞吐量，可以使用多个单元。然而，所述单元具有特定的不可缩减的尺寸，该特定的不可缩减的尺寸由形成用于其所在的喷射/压力系统的工作腔室的罐的容积确定。

PCT/AU2007/001107描述了对上述泵的输出可大小变化的开发，其中四个罐与通向各个进口的进口歧管相关联，每个进口均由刀闸阀门控制。成对的罐的下末端将物料穿过相应的出口刀闸阀门输送至相应的第一输送管线和第二输送管线。成对的罐的各个刀闸阀门和出口刀闸阀门可以由各自的共同的气动致动器操作。每个罐均具有具有上腔室的喷射器组件、空气喷射器喷嘴和加速器管，以产生文丘里管作用。空气循环阀门使得该上腔室在降压空间和增压空间之间转换。加速器管排至各自的输送管线。喷射器组件空气经由空气控制阀供应。各个输送管线各自均有排放装置端口，该排放装置端口使得空气能够输入管线。通过气动PLC和气动计时器来控制已完成的加载循环和排出循环。通过操作PLC来停用一对罐或一对罐中的一个罐，输出可以变化大小。

以具有4个罐的基底面为代价获得输出的可调节性(scalability)。

发明内容

一方面，本发明主要在于一种气动排空泵，该气动排空泵包括：

进口组件，该进口组件具有进口阀门和可选择性操作的吹扫空气注入装置，该进口阀门插设在装料端口和接收来自物料供给装置的物料的进口之间，该可选择性操作的吹扫空气注入装置位于所述进口阀门的装料端口一侧上；

腔室，该腔室具有可选择的长度和基本不变的横截面并且具有排放末端和通向所述装料端口的装料末端；以及

输送组件，该输送组件具有：通向所述排放末端并且延伸至输送出口的通道，在所述排放末端和所述输送出口之间的所述通道内插设的输送阀门，通向在所述排放阀门和所述排放末端之间的所述通道的可选择性操作的文丘里管真空源，以及可选择性操作的排出空气注入装置，该排出空气注入装置位于所述排放阀门的下游并且利用来自文丘里管的排出空气；

压缩空气供给装置，其为所述文丘里管和吹扫空气注入装置提供供给；以及

控制装置，该控制装置用于协调所述文丘里管真空源、所述吹扫空气注入装置、所述排出空气注入装置和所述进口阀门和输送阀门的运行周期。

进口组件可设有到物料供给装置的任意适宜的连接。例如，进口组件的进口可被配置为通过偏心夹式接合装置(cam locking coupling arrangement)选择性地与料斗出口接合。为此目的，进口可被构造为诸如100mm名义内径(notional bore)(NB)的标准内径尺寸。在可调节性方面，料斗或其它物料供给装置可以包括歧管，以接收两个或更多个进口组件。

进口阀门可以是由所要泵送的物料所确定的任意类型。例如进口阀门可以是闸阀、球阀或者其他阀门。在钻井应用中，该阀门可以是刀闸阀门。优选地，进口阀门以气动方式操作，虽然设想的是该阀门可以以机电的方式或液压方式来操作。

装料端口可以仅仅包括进口阀门下游端口的管接头延伸部(pipe stubextension)，基本上将所述装料端口延伸充足的长度以使得可选择性操作的吹扫空气注入装置能够安装在该端口上。另选地，阀体可以与下游可选择性操作的吹扫空气注入装置一体形成。优选地，吹扫空气注入相对于装料端口的轴线倾斜，从而以下行的方向分量引导注入空气。

装料端口可特别地配置为与腔室装料末端开口接合。例如，各个末端可以被配置为诸如偏心夹式管道接头等的互补的可释放的锁定装置，或者可以被配置为通过常规的管道卡箍结合。由于以下给出的原因，装料端口优选地具有标准内径形式。

腔室可以具有任选的横截面，但优选地具有圆形横截面。为了便于供给，腔室优选地由已知的在所要泵送的物料的运输中可使用的类型的、选定长度的标准内径管道形成。例如在钻井和采矿应用中，腔室可以由选定长度的100mm NB的钢制管道形成。这种管道可以6.5m的默认标准长度使用或者可以根据需要被缩短或者通过连接而延长。所述腔室可以根据物料和生产量(duty)的需要而由任意其它的标准管道尺寸例如75mm或150mm，或5”等形成。

如上文所述，可以使得装料末端开口特别地连接至装料端口。另选地，连接可被选择为使得腔室装料末端开口为平管口(plain pipe end)。通过这种方式，通过简单地切割管道，可以在实地进行长度的选择。可将排放末端制造至输送组件通道开口的末端。然而，优选地，腔室可与输送组件分离。相应地，排放末端可以特别地易于与该输送组件结合，例如通过偏心夹式管道接头，或者可被配置成通过常规管道卡箍结合，或者可以是平管头。

输送组件可以包括整体铸造组件(integral cast assembly)，该整体铸造组件包括本体，该本体具有贯穿其中的通道并且包括有输送阀体。另选地，可以由管状坯料和制造到该管状坯料上的阀体来形成所述通道。输送出口可以设有到输送管线或者诸如旋风分离器等的后处理装置的任意适宜连接。例如，输送出口可配置有偏心夹式接合装置。为此目的，出口以及形成本体自身的通道可以由诸如100mm NB的钢制管道等的标准内径的管道构造而成。

排放阀门可以是由所要泵送的材料所确定的任意类型。例如该排放阀门可以是闸阀、球阀或者其他阀门。在钻井的应用中，所述阀门可以是刀闸阀门。优选地，该排放阀门以气动方式操作，虽然设想的是该阀门可以以机电的方式或液压方式来操作。

可选择性操作的文丘里管真空源可安装在输送组件上或者可以仅仅与该输送组件流体连通。该文丘里管通常将具有在壳体内的高速空气流喷口，并且用于在壳体内产生低压区域，该低压区域被可选择性操作的真空阀门接入，以降低腔室内的空气压力。

在输送阀门关闭时，自文丘里管排出的高速空气可以扩散开，以被排出空气注入装置用来为在输送管线的该输送阀门下游的那一侧上的物料提供驱动力。当输送阀门打开时，在下游施加的空气压力通常会起到相反作用。相应地，扩散器排出气流优选地在循环的排出阶段的过程中通过扩散器阀门关闭。由于当扩散器阀门关闭时高速空气流没有地方扩散因而没有文丘里效应，因此文丘里管停止工作并且文丘里管壳体增压。

可以打开真空阀门来使得腔室增压，从而辅助腔室的排放。然而，优选地将真空阀门关闭以允许吹扫空气注入从而使得腔室排空并且增大在文丘里管腔室内的压力，以使得用于由排出空气注入装置所提供的下行推动的管线压力最大。这一配置意味着，仅通过真空阀门和扩散器阀门的控制就可使文丘里管循环，而不需要通向文丘里管喷口自身的循环空气供应阀门。

文丘里管真空源可以包括文丘里管组件，该文丘里管组件包括文丘里管壳体，该文丘里管壳体安装有轴向文丘里管喷口，该壳体变换成与所述喷口共轴的扩散器管，真空输出口(vacuum take off)通过可选择性操作的真空阀门被横向引导从而与在排放阀门和排放末端之间的通道相交。此配置便利了文丘里管与输送组件本身、与具有与输送通道轴线平行的共同轴线的文丘里管喷口和扩散器管的整合。从这种配置中，在几何意义上直接地提供了排出空气注入装置，该排出空气注入装置包括由简单的可选择的阀门操作的排出空气管线，该排出空气管线相对于输送通道轴线倾斜从而以下行的方向分量引导排出空气。在此实施方式中，输送组件是易于操纵的一体的紧凑单元。

压缩空气供给装置可以是常规的标准压力压缩空气供给装置。文丘里管和吹扫空气注入装置可以根据需要设置手动或远程控制的隔离器旋塞。典型地是825Kpa(120PSI)的名义空气供应工作压力，尽管设想的是可以使用更高或更低的压力。

控制装置可以采取任何适当的形式，例如定时周期控制装置或条件响应控制装置。控制装置可以通过机电的、气动的或液压的方式中的一种或多种方式，或者以各自的方式、方式的组合来操作相应的阀门。控制装置自身可以是电子式或气动式的。控制装置可以是可编程逻辑控制器。

可以通过控制装置的任何适当的预编程序或条件响应能力来调节运行周期。为简单起见，其中物料的成分适度地保持一致，运行周期优选地是可选择的定时运行周期。然而，设想的是控制装置可以接收来自一个或多个负载传感器和一个或多个压力传感器的输入，以提供所有的控制输入或某些控制输入。

在典型的定时循环型的运行中，在完全气动的实施方式中，压缩空气供给装置连接至吹扫管线、文丘里管喷口和控制系统。当输送阀门关闭并且真空阀门和进口阀门都打开时，空气沿着扩散器管穿过文丘里管壳体和喷嘴，排出空气离开穿过打开的扩散器阀门到达在关闭的输送管线下游的输送器通道。该动作在文丘里管壳体内产生真空并使得空气被从腔室抽出。物品在该真空以及由喷管的料斗提供的对于进入的物料的任意压头的作用下穿过进口组件被吸入腔室。

在典型的控制系统中，一旦时间已经过去从而使得腔室填满，时间由可变气动计时器支配，信号被发送至控制螺线管系统，该控制螺线管系统进而又关闭真空阀门、进口阀门和扩散器阀门。输送阀门打开并且吹扫阀门打开，使得压缩空气能够对腔室的内含物施加压力，该腔室进而又经由输送阀门和相连的排出管道将所捕获的物料排出。完成该循环的时间并且重复该过程。

例如，当将压缩空气供给至文丘里管和吹扫管线两者时，空气也可以供给至远程控制箱。压缩空气可被输入以激励计时器组块(timer block)和它的螺线管以及双致动器控制螺线管，将空气输入以扩散器阀门，操作排放阀门致动器以关闭和打开真空阀门致动器。可以将空气输入以激励在进口阀门刀闸致动器上的螺线管以及默认处于进口刀闸阀门打开位置的弹簧。空气然后激活排放循环计时器，经由气动管线行进以激活螺线管，该螺线管将空气输入至输送阀门致动器的开放端口以及输入至真空阀门致动器的闭合端口。信号空气同时被供应至螺线管，该螺线管进而又将空气输入至进口阀门刀闸致动器的关闭的端口。位于刀闸的关闭侧上并且被不断地激励的位置指示器微开关激活并打开吹扫阀门，使得压缩空气进入腔室并使得内含物排出。

一旦气动排出计时器的时间已过，空气则经由螺线管被改变方向至加载计时器，空气穿过并且激活加载计时器然后被终止。由于去除了信号，排放阀门致动器螺线管和进口阀门致动器螺线管和他们相应的致动器，连同扩散器阀门和吹扫阀门返回至他们的默认位置。一旦加载计时器的时间已过就重复该周期。

附图说明

本发明将参考如附图中图解的本发明的非限制性实施方式来描述并且其中：

图1是根据本发明的设备的俯视图；

图2是图1的设备的立面图；以及

图3是用于图1的设备的控制系统的示意图。

具体实施方式

在图1和图2中提供了一种气动排空泵，该气动排空泵包括进口组件10、细长的筒形腔室11和输送组件12。

进口组件10包含一进口端13，该进口端13配置为通过100mm NB的偏心夹式接合装置(cam-lock coupling arrangement)与料斗出口(未示出)可选择性地接合。进口组件10包括进口阀门组件14，该进口阀门组件14包括由气动致动器16操作的刀闸进口阀门(knifegate inlet valve)15。

进口阀门组件14的下游侧安装有装料端口17，该装料端口17包括管接头(pipestub)，该管接头延伸充足的长度以使得能够安装吹扫空气注入管线20。吹扫空气注入管线20相对于装料端口17的轴线倾斜，从而以下行的方向分量引导注入空气。吹扫空气注入管线20经由主空气旋塞9和可选择性操作的吹扫空气球阀18由压缩空气源8供给，其中该可选择性操作的吹扫空气球阀18通过吹扫阀门致动器19操作。

装料端口17的一个末端被成形为与腔室11的装料末端接合并且通过管道卡箍(collar clamp)21紧固到该腔室11的装料末端。

腔室11为100mm NB的钢制管道并且由用于输送被夹带的钻井颗粒的标准管道形成。腔室11的排放末端被配置为通过常规的管道卡箍22结合至输送组件12。

输送组件12由被制造到输送阀门24的100mm NB的管状钢制坯料管道(steelstock pipe)23形成。输送出口末端25配置有偏心夹式接合末端。输送阀门24是由气动致动器26操作的刀闸阀门。

文丘里管组件27包括：文丘里管壳体28，该文丘里管壳体28安装有轴向文丘里管喷口31，该壳体28变换成与喷口31共轴的扩散器管32；真空输出口33，该真空输出口通过可选择性操作的真空阀门34被横向导向，该可选择性操作的真空阀门34接入且被支撑于在输送阀门24和腔室11排放末端之间的管道23上。真空输出口33将文丘里管壳体28支撑在管道23上。经由通过文丘里管球阀致动器29操作的文丘里管球阀30为喷口31提供压缩空气。真空阀门34由气动真空阀门致动器38操作。

柔性排出气体管线36将扩散器球阀37连接至倾斜套管(spigot)41，该扩散器球阀37安装在扩散器管32末端上并且可由扩散器阀门致动器40可选择性地操作，该倾斜套管41被制造到该输送出口末端25的区域并且为该区域提供了空气注入点。该套管41相对于输送通道轴线倾斜，从而以下行的方向分量引导排出空气。

在使用中，压缩空气供给装置既连接至主空气旋塞9也连接至主文丘里管旋塞35，该主空气旋塞9和主文丘里管旋塞35都被手动或遥控开启以允许该设备运行。当输送阀门24关闭并且真空阀门34和进口阀门15打开(默认阀门位置)时，文丘里管球阀30接收到打开的信号，空气穿过文丘里管壳体28和文丘里管喷口31沿着扩散器管穿过V3流出至柔性排出空气管线36进入倾斜套管41。这一动作在文丘里管壳体28中产生真空，使得空气被从腔室11中抽出。在由快速抽取的空气所产生的真空和相应的气流的共同作用下，通过连接柔性软管和物料喷管(未示出)将物品吸入腔室11。

一旦腔室11被充满，动作由可变气动计时器支配，信号被发送至控制螺线管，该控制螺线管进而又关闭真空阀门34、进口阀门15和文丘里管球阀30。随着输送阀门24打开，信号被发送至被打开的吹扫空气球阀18。压缩空气穿过吹扫空气球阀18输入，对腔室11中的内含物施加压力，该腔室进而又经由输送阀门24和相连的排放管道将所捕获的物料排出。完成该循环的时间并且重复此过程。

本实施方式中的腔室11为100mm NB并且是6.5米长。在此实施方式中使用825Kpa(120PSI)的名义工作压力。

参照图3，压缩空气既供给至远程控制箱46也供给至安装在气动致动器16上的螺线管43。压缩空气通过气动配件(pneumatic fittings)和管线被输入，以激励排放计时器44和该排放计时器的控制螺线管45以及也位于控制机壳内的双致动器控制螺线管46。该双启动器控制螺线管46被激励，输入空气以关闭扩散器球阀37，输送气动致动器26关闭端口，并且真空阀门致动器38打开端口。空气同时被输入以激励安装在进口刀闸阀门致动器16上的螺线管43，其中螺线管43弹簧默认处于进口刀闸阀门15打开位置。

空气进入并激活排放循环计时器44。空气然后经由气动管线行进至双制动器控制螺线管46。该双制动器控制螺线管46被激活并将空气输入至输送气动致动器26的开放端口和输入至气动真空阀门致动器38的闭合端口。信号空气同时供给至螺线管43，该螺线管43进而又将空气输入至进口阀门致动器16的闭合端口，一旦上述动作完成，位于吸收进口刀闸阀门15的闭合侧上并且被不断地激励的位置指示器微开关47就激活且打开吹扫空气球阀18，压缩空气因而经由空气吹扫球阀18进入腔室11，使得腔室11的内含物排出。

一旦气动排放计时器的时间已过，空气则经由计时器螺线管45被改变方向至加载计时器50，空气穿过并且激活加载计时器50然后被终止。由于去除了信号，双致动器控制螺线管46和螺线管43以及他们各自的致动器26、38和16，连同扩散器球阀37和吹扫空气球阀18，都返回它们的默认位置。一旦加载计时器的时间已过就重复该周期。

根据前述实施方式中的设备具有通过选择腔室11的长度，通过增加多个单元以及通过改变气动控制的参数，可变化大小的特殊优势。当将设备分解为三个主要部件10、11和12时，该设备是非常轻便的。该设备与基于罐的泵设备相比具有更小的妨碍性基底面(footprint)。本实施方式实现了标准长度的任意APL5标准管道变换成真空加载压力排出固体泵的相对简单的转换。这一概念容易变换以匹配各种管道材料以及包括半径弯曲等的构型。所述单元100％利用空气来驱动和操作，因而在本质上是安全的。

当然可以认识到，虽然通过本发明的说明性实例进行了以上描述，但如本领域普通技术所明了的，对本发明所进行的各种改型和变化都落入在所附的权利要求书中所陈述的本发明的宽泛的范围和界限之内。

Claims (19)

1.一种气动排空泵，该气动排空泵包括：

进口组件，该进口组件具有进口阀门和可选择性操作的吹扫空气注入装置，该进口阀门插设在装料端口和接收来自物料供给装置的物料的进口之间，该可选择性操作的吹扫空气注入装置位于所述进口阀门的装料端口那一侧上；

腔室，该腔室具有可选择的长度和基本不变的横截面并且具有排放末端和通向所述装料端口的装料末端；以及

输送组件，该输送组件具有：通向所述排放末端并且延伸至输送出口的通道，在所述排放末端和所述输送出口之间的所述通道内插设的输送阀门，在所述输送阀门和所述排放末端之间通向所述通道的可选择性操作的文丘里管真空源，以及可选择性操作的排出空气注入装置，该排出空气注入装置位于所述输送阀门的下游并且利用来自所述文丘里管的排出空气；

压缩空气供给装置，其为所述文丘里管和所述吹扫空气注入装置提供供给；以及

控制装置，该控制装置用于协调所述文丘里管真空源、所述吹扫空气注入装置、所述排出空气注入装置和所述进口阀门和输送阀门的运行周期。

2.根据权利要求1所述的气动排空泵，其中所述进口由APL5标准管道构造而成。

3.根据权利要求1所述的气动排空泵，其中所述进口阀门是刀闸阀门。

4.根据权利要求3所述的气动排空泵，其中所述进口阀门以气动方式操作。

5.根据权利要求1所述的气动排空泵，其中吹扫空气的注入相对于所述装料端口的轴线倾斜，从而以下行的方向分量引导注入空气。

6.根据权利要求1所述的气动排空泵，其中所述装料端口被配置为通过管道卡箍与所述装料末端开口结合。

7.根据权利要求1所述的气动排空泵，其中所述腔室由100mmNB的钢制AP5标准管道形成。

8.根据权利要求1所述的气动排空泵，其中所述输送组件包括管状坯料本体，该管状坯料本体具有贯穿其中的通道并且具有制造到该管状坯料本体上的输送阀体。

9.根据权利要求8所述的气动排空泵，其中所述管状坯料本体包括100mm NB的钢制AP5标准管道。

10.根据权利要求1所述的气动排空泵，其中所述输送阀门是以气动方式操作的刀闸阀门。

11.根据权利要求1所述的气动排空泵，其中所述可选择性操作的文丘里管真空源安装在所述输送组件上。

12.根据权利要求11所述的气动排空泵，其中所述文丘里管真空源具有在壳体内的高速空气流喷口，并且所述高速空气流喷口用于在该壳体内产生低压区域，该低压区域被可选择性操作的真空阀门接入，以降低所述腔室内的空气压力。

13.根据权利要求12所述的气动排空泵，其中在所述输送阀门关闭时，自所述文丘里管真空源排出的高速空气扩散开，以被排出空气注入装置用来为在所述通道的所述输送阀门下游的那一侧上的物料提供驱动力。

14.根据权利要求13所述的气动排空泵，其中所述文丘里管真空源包括：文丘里管组件，该文丘里管组件包括所述文丘里管壳体，该文丘里管壳体安装有轴向文丘里管喷口，该壳体变换成与所述喷口共轴的扩散器管；真空输出口，该真空输出口通过所述可选择性操作的真空阀门被横向引导从而与在所述输送阀门和所述排放末端之间的所述通道相交。

15.根据权利要求14所述的气动排空泵，其中所述排出空气注入装置包括由可选择的阀门操作的排出空气管线，该排出空气管线相对于输送通道轴线倾斜从而以下行的方向分量从所述扩散器管引导排出空气。

16.根据权利要求1所述的气动排空泵，其中所述控制装置选自定时周期控制装置或条件响应控制装置。

17.根据权利要求16所述的气动排空泵，其中所述控制装置是气动式的并且通过气动方式操作相应的阀门。

18.根据权利要求17所述的气动排空泵，其中所述控制装置是可编程逻辑控制器。

19.根据权利要求16所述的气动排空泵，其中所述运行周期是可选择的定时运行周期。

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