CN102575678B - 用于利用离心泵输送流体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于利用离心泵(11)输送流体的方法。在离心泵(11)之前布置有机器(1，6)和/或装置(3，8)，其影响流体的压力和/或温度。在到离心泵(11)中的入口处，流体被调节到一定的进入状态。根据本发明，借助于机器(1，6)和/或装置(3，8)这样调节流体的进入状态，使得流体在离心泵(11)中仅呈现这样的状态，在该状态中流体的真实气体因子已经达到或超过其最小值。

Description

用于利用离心泵输送流体的方法

技术领域

本发明涉及一种用于利用离心泵(Kreiselpumpe)输送流体的方法，其中在离心泵之前布置有机器和/或装置，其影响流体的压力和/或温度。此外，本发明涉及一种用于隔绝(Sequestrierung)二氧化碳的方法，其中，二氧化碳被带到适合于所设置的贮藏的压力和/或温度上并且被输送到贮藏中。

背景技术

在发电厂中燃烧化石燃料时产生二氧化碳，其决定性地对温室效应负责。因此目标为减少二氧化碳到大气中的排放。十分有效的措施为二氧化碳的隔绝。在此，将在发电厂中产生的二氧化碳隔绝并且输送给存储部(Deponierung)。作为贮藏适用地质学上的成形，如石油贮藏天然气贮藏、含盐的地下蓄水层(Grundwasserleiter)或煤层还研究深海中的层理(Lagerung)。

在传统的方法中，气态的二氧化碳的输送借助于压缩机实现。压缩机以多级实现，其中，所压缩的气体的各种中间冷却(Zwischenkühlung)是必要的。不仅压缩而且冷却是非常耗能的。压缩从气态的状态直接实现到超临界的状态中。

个别地，液态的二氧化碳也可利用膜片式泵来输送。如果液态的二氧化碳被这样泵送，则必须确保在泵中不产生气穴现象(Kavitation)。二氧化碳仅允许呈现这样的状态，在其中没有达到或低于蒸汽压力。否则导致汽泡(Dampfblase)的形成，汽泡在压力上升时在泵中内爆(implodieren)并且导致严重的损坏。因此，蒸汽压力曲线为对于液态的二氧化碳的输送的边界线(Grenzlinie)。

在输送液态的二氧化碳时，在泵中可能发生不可避免地转换到超临界状态中。二氧化碳处于其相对较低的仅31.0℃的临界温度和其相对较低的仅73.8bar的临界压力。此外存在方法，在其中二氧化碳已经在进入泵中时超临界地存在。

原理上，已知利用离心泵输送超临界的二氧化碳。在文件WO2005/052365A2中描述了一种单级的密闭式电机泵(Spaltrohrmotorpumpe)，其循环地输送超临界的二氧化碳。流体利用固定在轴上的叶轮来输送，该轴布置在防腐蚀的轴承中。由此，研磨的颗粒的形成应被阻止，该颗粒可破坏高速的密闭式电机。

在文件WO 00/63529中描述了一种用于输送液态的或超临界的二氧化碳的泵系统。根据布置在罐体中的潜水式电机泵(Unterwassermotorpumpe)的类型，该泵系统包括多级泵。该布置依赖于一种封闭的输送系统，在其中相当高的泵进入压力占优势。由于提到的边界条件，待输送的二氧化碳仅以液相存在。该系统用于增强油回收(Enhanced Oil Recovery)(EOR)，其中，在油田中注入二氧化碳，以便提高所输送的油的产量。该系统还用于二氧化碳的隔绝。

在借助于离心泵输送超临界的二氧化碳时，经常出现严重的问题，这是因为二氧化碳在超临界范围中总是再次呈现这样的状态，其导致不平稳的泵行为(Pumpverhalten)且可能还导致离心泵的损坏。当离心泵中的压力上升时，出现流体的大的密度变化，其引起该行为。

发明内容

本发明的目的是提出一种方法，其允许利用离心泵输送超临界的流体，其中可靠地避免待输送流体的不允许的密度变化。

根据本发明，该目的由此实现，即，借助于机器和/或装置这样调节流体到离心泵中的进入状态，使得流体在离心泵中仅呈现这样的状态，在其中流体的真实气体因子(Realgasfaktor)已经达到或超过其最小值。

真实气体因子(其也被称作可压缩性因子或压缩因子)定义为

$z=\frac{p\·V}{n\·R\·T}=\frac{p\·V}{m\·R_i\·T}=\frac{p\·v}{R_i\·T}$

在此，各个公式符号代表以下变量：

尽管对于理想气体，真实气体因子等于一，但它对于实际气体根据压力和温度而偏离。在此，真实气体因子在低于所谓的玻意耳温度的情况下随着压力升高首先减小、达到最小值并且然后再上升。通过根据本发明的方法确保，流体在离心泵中仅呈现这样的状态，在其中真实气体因子已经达到或超过其最小值。如果离心泵在该允许的运行范围中工作，则在输送超临界的流体时可靠地排除不平稳的泵行为和离心泵的损坏。

在液态的范围中长久以来对于离心泵的运行的边界线是已知的，在输送中不允许达到或低于该边界线。对于液体，该边界线为蒸汽压力曲线。如果其低于，则产生气穴现象。与此相对，对于超临界范围不存在类似于蒸汽压力曲线的边界线，这是因为其在临界点处终止。

根据本发明，对于超临界范围首次定义对于离心泵的运行的边界线，在输送中不允许低于该边界线。通过根据本发明的方法，确保在超临界范围中可靠地避免待输送的流体的不允许的密度变化。

在泵操作(Pumpvorgang)期间，在离心泵中发生压力升高和温度上升。流体在离心泵中所呈现的状态取决于所使用的离心泵的类型和输送情况。这对于操作者(Betreiber)通常是已知的。在该方法中所使用的机器和装置这样配置流体的进入状态，使得其真实气体因子至少在进入离心泵中时已经达到或超过其最小值。

在该方法中流体在进入离心泵中时可已经存在于超临界的状态中。同样可能的是，流体在进入离心泵中时首先以液态的方式存在并且在离心泵中才呈现超临界的状态。也在该情况中，要遵守根据本发明的边界线。

优选地，利用压缩机和换热器调节流体的进入状态。在此，当流体穿过至少一个压缩级和冷却级时，证明为有利的。通过压缩级和冷却级的数目来调节流体到离心泵中的进入状态。

通常，流体在进入离心泵的吸入接头(Saugstutzen)中时的状态视为进入状态。然而，最晚在流体进入叶轮中时，必须达到根据本发明的进入状态。

在本发明的特别优选的实施形式中，流体的进入温度和/或进入压力被测量并且被传输到控制和/或调节单元中。商业上通用的控制部或调节器可用作控制和/或调节单元。也可考虑使用过程控制系统(Prozessleitsystem)。经由控制和/或调节单元可有目的地影响机器和装置，以便调节流体的进入状态。对此，控制和/或调节单元将信号发送到机器和装置处。通过该信号影响机器和装置的驱动马达或伺服驱动装置(Stellantriebe)。在本发明的有利的实施形式中，如果流体的真实气体因子在进入泵中时仍没有达到其最小值，则控制和/或调节单元触发警报。补充地或替代地，设备在该情况中还可被带到安全位置。在此，也可发生离心泵的关断(Abschaltung)。

附图说明

根据附图从说明书中得出本发明的其它的特征和优点。在此，其中：

图1显示了根据本发明的方法的流程图；

图2显示了一个图表，在其中二氧化碳的真实气体因子根据压力示出；

图3显示了一个图表，在其中二氧化碳的乘积p·v示出为压力的函数；

图4a显示了二氧化碳的相图，其中，在超临界范围中标出对于离心泵的运行的根据本发明的边界线，并且离心泵的运行曲线完全在允许的范围中延伸；

图4b显示了二氧化碳的相图，其中，在超临界范围中标出对于离心泵的运行的根据本发明的边界线，并且离心泵的运行曲线首先完全在禁止的范围中延伸；

图4c显示了二氧化碳的相图，其中，在超临界范围中标出对于离心泵的运行的根据本发明的边界线，并且进入点处于允许的范围中，然而出口点首先处于禁止的范围中。

具体实施方式

在图1中作为示意图显示了根据本发明的方法的流程图。流体、这里二氧化碳首先进入压缩机1中。压缩机1利用马达2来驱动。该示意图适用于单级或多级压缩机结构型式。压缩机级和换热器级的数目根据在所示出的过程中流体和冷却剂的进入状态而变化。出于清晰的目的，这里仅示出2个工艺级；然而通常为多个。

在压缩机1中，流体被带到更高的压力上，其中流体的温度升高。在压缩机1之后，流体进入换热器3中。由冷却介质所流经的换热器3吸收流体流(Fluidstrom)的热量并且由此降低其温度。冷却介质量利用阀4来调节。作为伺服驱动装置，阀4利用马达5来驱动。

在换热器3之后，二氧化碳可进入另一压缩机6中或进入另一压缩机级中，这里压缩机6利用马达7来驱动。在另一压缩机6中，在流体进入另一换热器8(其也可构造成中间冷却器)中之前，流体获得新的压力和温度上升。在换热器8中，二氧化碳流被重新冷却。这同样利用冷却介质流发生，冷却介质流通过阀9来调整，阀9具有作为伺服驱动装置的马达10。

根据本发明，通过机器1、6和装置3、8这样调节流体到离心泵11中的进入状态，使得流体在离心泵11中仅呈现这样的状态，在其中真实气体因子已经达到或超过其最小值。对此，在进入离心泵11中时借助于常用的压力和温度测量点13、14来检测流体的聚集状态(Aggregatzustand)。测量点13、14与调节单元15相连接，调节单元15调节机器1、6和装置3、8。调节单元15确保在离心泵11之前调节这样的聚集状态，由于该聚集状态离心泵可以无损坏地运行。如果相应地构造有离心泵11的马达12，它也可由调节单元15影响。有利地对于该过程使用转速可调节的马达。这取决于该方法或者其设备的相应给出的边界条件。

压力测量点13(通过缩写PI标记)测量二氧化碳的压力。如果存在该危险，即二氧化碳在离心泵11之内在禁止范围中呈现这样的状态，在其中真实气体因子仍没有达到其最小值，则其信号通过调节单元15传输到压缩机1、6的马达2、7处，通过马达2、7可调节二氧化碳的压力。

温度测量点14(通过缩写TI标记)测量二氧化碳的温度。如果存在该危险，即二氧化碳在离心泵11之内在禁止范围中呈现这样的状态，在其中真实气体因子仍没有达到其最小值，则其信号通过调节单元15传输到阀4、9的马达5、10处，通过马达5、10借助于冷却介质流可调节二氧化碳的温度，冷却介质流流经换热器3、8。监测机器1、6和装置3、8的可能的另外的传感器出于更好的清晰性原因而没有示出并且同样与用于行为影响(Verfahrensbeeinflussung)的调节单元15相连接。

二氧化碳以对于后续过程所需要的状态离开离心泵11。与传统的方法(在其中仅压缩机用于输送二氧化碳)相比，利用根据本发明的方法可在没有附加的中间冷却的情况下在离心泵中实现高的压力差。

在图2中显示了一个图表，在其中对于待输送的流体二氧化碳，其真实气体因子z描绘为压力p的函数。根据本发明，借助于机器1、6和/或装置3、8这样调节流体的进入状态，使得流体在流过离心泵11时仅呈现这样的状态，在其中真实气体因子已经达到或超过其最小值。在离心泵中的压力提高时，流体的真实气体因子保持相等或增加。在图2中示出对于离心泵11的运行曲线16，在其中不仅流体的进入状态E而且排出状态A处于允许的范围中。流体在到离心泵11中的入口处存在于这样的状态中，在其中真实气体因子z已经超过其最小值。在泵11中流体的压力p和温度T改变。这里，流体在95bar的压力下进入离心泵11中，而在300bar的压力下离开离心泵11。流体的进入温度为大约35℃，而流体的排出温度(Austrittstemperatur)为大约70℃。根据本发明，通过机器1、6和/或装置3、8这样调节流体的进入状态，使得流体在离心泵11中仅呈现这样的状态，在其中真实气体因子z已经达到或超过其最小值。

通过在图2的图表中的流体的各个以虚线示出的等温线的最小值的连接，在超临界范围中对于可泵送的流体定义了粗体的连续的边界线17。该超临界范围处于流体的超临界点kP右侧。根据本发明，由此对于超临界范围，定义了对于离心泵的运行的边界线17。二氧化碳允许在离心泵11中仅呈现这样的状态，该状态处于该边界线17上或其右侧。在该范围中，二氧化碳的真实气体因子已经达到或超过其最小值。离心泵11的运行曲线16完全处于允许的范围中。

图3显示了一个图表，在其中乘积p·v描绘为二氧化碳的压力p的函数。乘积p·v可类似于真实气体因子z来考虑。尽管对于理想的气体特性，等温线水平地伸延，然而实际气体显示在图3中以虚线的等温线所示出的特性。首先，乘积p·v在等温线上随着压力升高而变小直至达到最小值。在经过相应的最小值后，乘积p·v随着压力升高而再次变大。在此，乘积p·v近似线性地增加。根据本发明，借助于机器1、6和/或装置3、8这样调节流体的进入状态，使得流体的乘积p·v在离心泵11中已经达到或超过其最小值。在图3中示出对于离心泵11的运行曲线16，在其中不仅流体的进入状态E而且排出状态A处于允许的范围中。流体在到泵11中的入口处具有这样的状态，在其中真实气体因子z已经超过其最小值。在泵中，流体的压力p和温度T改变。流体在95bar的压力下进入泵中，而在300bar的压力下离开泵。流体的进入温度为大约35℃。流体的排出温度为70℃。根据本发明，通过机器1、6和/或装置3、8这样调节流体的进入状态，使得流体在离心泵11中仅呈现这样的状态，在其中流体的真实气体因子z已经达到或超过其最小值。运行曲线16完全处于允许的范围中。类似于图2，作为粗体的连续的边界线17这里还示出泵送极限(Pumpgrenze)。

图4a、4b和4c显示二氧化碳的相图，其经常也称为状态图或p-T图。除通常的聚集状态(气态的gf和液态的fl)之外，还标示出超临界状态ük。从该图表中显而易见的是，二氧化碳在1.013bar的标准压力下不能以液态的方式存在，而在-78.5℃下仅观察到升华。在更高的压力下二氧化碳才能以液态的方式存在。对于输送液态的二氧化碳，蒸汽压力曲线18显示对于运行状态的边界线，其允许在离心泵中呈现流体。液态的二氧化碳不允许在离心泵中呈现这样的状态，在其中达到或超过蒸汽压力曲线18，这是因为否则在离心泵中产生气穴现象。蒸汽压力曲线18由三相点TP和临界点kP划界。

在图4a中的图示中，待输送的流体的进入状态E处于允许的范围中。流体在到离心泵11中的入口处呈现这样的状态，在其中真实气体因子z已经超过其最小值。在离心泵内部，流体的压力和温度改变。流体在95bar的压力下进入泵中，而在220bar的压力下离开泵。流体的进入温度为35℃。流体的排出温度为59℃。根据本发明，通过机器1、6和/或装置3、8这样调节流体的进入状态，使得流体在离心泵11中仅呈现这样的状态，在其中流体的真实气体因子已经达到或超过其最小值。运行曲线16完全处于由边界线17所划分的、允许的临界范围中。在图4a的该图示中，允许的泵区域位于边界线17左侧。

在图4b的图示的示例中，进入状态E既不处于、排出状态A也处于允许的范围中。整个运行曲线16位于边界线17右侧并且由此在禁止的超临界的范围中，这是因为待输送的流体的真实气体因子z还没有达到其最小值。根据本发明，借助于机器1、6和装置3、8这样改变流体的进入状态，使得整个运行曲线16′处于允许的范围中，也就是说流体在离心泵11中仅呈现这样的状态，在其中流体的真实气体因子已经达到或超过其最小值。由此，整个运行曲线16移位并且此时作为允许的运行曲线16′完全在允许的范围中行进。通过机器1、6和/或装置3、8这样改变进入状态，使得流体在更低的进入温度T下进入离心泵11中。由此，整个运行曲线从16移动到16′，使得此时根据本发明流体在离心泵11中仅呈现这样的状态，在其中真实气体因子z已经达到或超过其最小值。对此替代地，更高的进入压力p也可被调节。根据进入状态的该变化，所有的状态处于允许的范围中。

在图4c中的图示中，虽然流体的进入状态E处于允许的超临界范围中，但是排出状态A处于禁止的范围中。在此，流体首先在到泵中的入口处存在于这样的状态中，在其中真实气体因子z已经超过其最小值。在泵内部，流体的压力和温度改变。

流体在95bar的压力下进入泵中，而在220bar的压力下离开泵。流体的进入温度为35℃。流体的排出温度为130℃。从运行曲线16与粗体地且连续地绘出的边界线17的交点V起，流体的运行状态呈现这样的值，在其中流体的真实气体因子还没有达到或超过其最小值。从该交点V起，运行曲线在禁止的范围中伸延。根据本发明，此时借助于机器1、6和装置3、8这样改变流体的进入状态，使得整个运行曲线16处于允许的范围中，也就是说流体在离心泵中仅呈现这样的状态，在其中流体的真实气体因子已经达到或超过其最小值。曲线16的进入点E被继续向右移动，使得流体在进入点E′在更低的进入温度下进入离心泵11中。由此，整个、这里不允许的运行曲线16作为新的且允许的运行曲线16′被移动到允许的超临界的范围中。对此替代地，更高的进入压力p也可被调节。根据本发明，此时流体在离心泵中仅呈现这样的状态，在其中真实气体因子已经达到或超过其最小值。根据进入状态的该变化，所有的状态处于允许的范围中。

Claims (16)

1. 一种用于利用离心泵(11)输送流体的方法，其中，在离心泵(11)之前布置有机器(1, 6)和/或装置(3, 8)，其影响所述流体的压力和/或温度，其特征在于，借助于所述机器(1, 6)和/或装置(3, 8)这样调节所述流体到所述离心泵(11)中的进入状态，使得所述流体在所述离心泵(11)中仅呈现这样的状态，在所述状态中所述流体的真实气体因子(z)已经达到或超过其最小值，并且在提高所述离心泵(11)中的压力时，所述流体的真实气体因子(z)保持相等或增加。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体在进入所述离心泵(11)中时和/或在所述离心泵(11)中存在于超临界的状态中。

3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述流体的进入温度(T)和/或进入压力(p)被测量并且被传输到控制和/或调节单元(13, 14)处。

4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制和/或调节单元(13, 14)将信号传输到所述机器(1, 6)和/或装置(3, 8)处，经由所述机器(1, 6)和/或装置(3, 8)能够调节所述流体的进入状态。

5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，如果所述流体的真实气体因子(z)在进入所述离心泵(11)中时仍没有达到其最小值，则所述控制和/或调节单元(13, 14)触发警报。

6. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，如果所述流体的真实气体因子(z)在进入所述离心泵(11)中时仍没有达到其最小值，则所述控制和/或调节单元(13, 14)将所述方法带到其中所述离心泵(11)被关断的安全状态中。

7. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，利用构造成压缩机的机器(1, 6)和/或构造成换热器的装置(3, 8)能够调节所述流体的进入状态。

8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，待输送的所述流体穿过至少一个压缩级和/或冷却级。

9. 一种用于隔绝二氧化碳的方法，其中，所述二氧化碳被带到适合于所设置的贮藏的压力和/或温度上并且被输送到所述贮藏中，其特征在于，离心泵(11)将所述二氧化碳泵到所述贮藏中，其中，在所述离心泵之前布置有机器(1, 6)和/或装置(3, 8)，其影响所述二氧化碳的压力和/或温度，其中，借助于所述机器(1, 6)和/或装置(3, 8)这样调节进入状态，使得所述二氧化碳在所述离心泵(11)中仅呈现这样的状态，在所述状态中所述二氧化碳的真实气体因子(z)已经达到或超过其最小值，在提高所述离心泵(11)中的压力时，所述二氧化碳的真实气体因子(z)保持相等或增加。

10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳在进入所述离心泵(11)中时和/或在所述离心泵(11)中存在于超临界的状态中。

11. 根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳的进入温度(T)和/或进入压力(p)被测量并且被传输到控制和/或调节单元(13, 14)处。

12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制和/或调节单元(13, 14)将信号传输到所述机器(1, 6)和/或装置(3, 8)处，经由所述机器(1, 6)和/或装置(3, 8)能够调节所述二氧化碳的进入状态。

13. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，如果所述二氧化碳的真实气体因子(z)在进入所述离心泵(11)中时仍没有达到其最小值，则所述控制和/或调节单元(13, 14)触发警报。

14. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，如果所述二氧化碳的真实气体因子(z)在进入所述离心泵(11)中时仍没有达到其最小值，则所述控制和/或调节单元(13, 14)关断设备。

15. 根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，利用构造成压缩机的机器(1, 6)和/或构造成换热器的装置(3, 8)来调节所述二氧化碳的进入状态。

16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，待输送的所述二氧化碳穿过至少一个压缩级(1, 6)和/或冷却级(3, 8)。