CN112424447B - 泵送系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于泵送介质的泵送系统。系统包括：至少一个横向压力交换室，但是优选多个压力交换室。每个压力交换室在每一端处具有阀装置。系统还包括在系统的输送端处的加压排放部和可操作以用介质填充压力交换室的填充机构。正排量泵可操作以泵送与介质直接接触的驱动流体，使得介质从压力交换室泵送到加压排放部。本发明还描述了一种泵送介质的方法。

Description

泵送系统

技术领域

本发明涉及一种泵送系统。特别地，尽管非排他性地，本发明涉及一种用于矿物加工工业中的泵送系统。

背景技术

在矿物加工工业中，一个问题涉及将矿石从地下或海底位置运输到地表平面。在大多数这样的应用中，该运输包括竖直升高矿石以及水平运输矿石。

对于相对较小的竖直距离，皮带或卡车运输安排是主要的运输方法。对于地下矿山，最主要的运输方法是箕斗提升，其中箕斗在地下装载有矿石之后提升到地表。在作为相对较新应用的海床采矿中，正在考虑多种方法，例如箕斗提升，气升或液压提升。在液压提升中，将矿石与载送流体(例如水)混合以形成矿石颗粒的悬浮物，然后将其泵送到地表。固体颗粒和载送流体的混合物称为浆料。

在海床采矿中，液压提升被认为是最合适的，原因是矿石通常是使用水基挖掘方法开采，所述水基挖掘方法将水中的矿石的悬浮物作为所谓的原矿(ROM)矿石输送。将液压提升应用于地下和海床矿山有许多优势。这些优点包括以下。

从地下矿山进行液压提升的立管的建造比箕斗提升系统的建造更具成本效益，原因是用于立管的孔可以被钻出并且具有比箕斗提升机所需的轴小得多的横截面。

立管的建造和液压提升所需的地表基础设施比箕斗提升所需的侵入性小得多。

用于液压提升的立管不必完全竖直，这允许地表点相对于地下起点的位置具有更大的自由度。

最后两个优点对于人口稠密地区或地表地形条件恶劣的矿山特别有利。

与箕斗提升的分批过程相比，液压提升是连续过程，其允许更多的过程自动化，而对操作员的依赖性和干扰更少。

对于箕斗提升，特定横截面轴的能力与深度成反比，原因是箕斗的行进时间决定每单位时间可以提升的批数。对于液压提升，该能力由流速和管直径限定，所述能力不受深度影响。

在挖掘过程期间，矿石被分解成较小的颗粒，使得矿石可以作为粒状材料被处理。然而，在提升步骤之前的尺寸减小优选地被限制以减少在可能位于海床处或地下矿山下方的挖掘位置附近安装昂贵的高能耗粉碎设备(颗粒尺寸减小)的要求。

未进行太多额外尺寸减小的ROM矿石的颗粒尺寸在1至100mm的范围内。当与水混合时，这会产生所谓的沉降浆，其中当混合物停滞时颗粒会迅速沉降。浆料是两相混合物(固体颗粒悬浮或以其他方式位于其中的液体)。这与矿物加工应用中常见的混合物不同。在具有细颗粒(直径小于50μm)的混合物中，颗粒仅缓慢沉降，使得沉降不会对浆料的运输造成任何问题。

在液压矿石提升中，必须将1至100毫米范围内的较大颗粒悬浮在载送流体中，同时经由立管输送到地表。提升深度对于地下采矿通常在100至2000m的范围内，对于海床开采为5000m。在这样的环境中液压矿石提升系统的主要挑战是待运输的较大颗粒尺寸与典型提升深度所需的高泵送压力的组合。

较大颗粒尺寸限制了可以用于液压矿石提升系统的泵送设备。可以使用可以处理典型颗粒尺寸的大通道浆料离心泵，但其扬程受到限制，所述扬程通常小于50m。这将需要将大量这样的泵串联放置以克服液压矿石提升系统中的压力要求。随着串联的离心泵数量的增加，系统的复杂性增加，并且系统的可靠性降低。此外，与多级清洁液体离心泵或正排量泵相比，大通道浆料离心泵的能量效率受到限制，通常为70％对80％和90％。由于这些缺点，多个大通道浆料离心泵在液压矿石提升系统中的使用因此受到限制。

显然现有技术的高效多级清洁液体离心泵是不合适的，原因是内部通道面积通常太小并且内部速度太高，导致在处理含固体的流体或浆料时出现过高的磨损率。确实存在能够处理研磨浆料的现有技术的正排量泵，但是当处理大于1mm的颗粒时存在限制。这些限制主要与泵室隔离阀的操作有关，所述泵室隔离阀在存在较大颗粒时无法正确关闭和密封。此外，现有技术的正排量泵中的流速通常太低而不能可靠地悬浮较大的颗粒，从而在处理大量的这些较大颗粒时造成阻塞。

为了克服这些问题中的一些，过去已经提出了几种压力交换概念。在压力交换系统中，压力交换室首先通过低压填充系统经由阀装置填充待泵送的流体(称为泵送流体)。在填充时泵送流体通过另一阀装置将压力交换室中已经存在的流体(称为驱动流体)从室排出。一旦室填充有泵送流体，关闭泵送流体入口和驱动流体出口阀。依次打开高压驱动流体入口阀和高压泵送流体出口阀，允许高压驱动流体进入压力交换室，并且由此将泵送流体经由泵送流体出口阀从室排出到高压排放连接中。

然而所有现有技术的压力交换系统依靠清洁液体泵来向系统供应高压驱动流体。为此，大多数现有技术的压力交换系统使用高效多级清洁液体离心泵。在用泵送流体填充室时从压力交换室出来的流体通常重新用作驱动流体以最小化驱动流体的任何浪费。因此大多数现有技术的压力交换系统使用压力交换室中的分离元件以将泵送流体和驱动流体分离。该分离元件的功能是在驱动流体和泵送流体之间交换压力时防止它们混合。现有技术的压力交换系统使用不同形式和形状的分离元件，包括：在竖直布置的压力交换室中的浮子，在水平布置的压力交换室中的浮子，以及各种形状和形式的气密密封挠性分离元件，例如圆柱形隔膜或膜和囊状或软管状的几何形状。

然而浮动分离元件不能在泵送流体和驱动流体之间提供气密密封，从而导致两种流体的混合。在处理研磨浆料的压力交换系统中，这导致在用泵送流体填充室期间从压力交换室排出的驱动流体受到污染。在再使用之前该污染需要从驱动流体去除以防止高压驱动流体泵中的过大磨损率。对驱动流体进行完全去污染是不可行的或不可能的，这然后由于驱动流体中的污染而导致高压驱动流体泵的可靠性受损。

一些现有技术的压力交换系统试图通过使用允许颗粒沉降离开分离元件的竖直布置的压力交换室来限制浮动分离元件上的混合。尽管这可能适用于100至500μm的中间颗粒尺寸范围，但是较小颗粒不会足够快地沉降离开分离元件，并且还由于压力交换室中的湍流而保持悬浮。大于约500μm的颗粒会沉降离开分离元件，但将沉降得太快，并且将在压力交换室的底部上形成沉淀物。如果较大颗粒的数量或总体积太大，则将在压力交换室的底部处形成阻塞，从而阻碍将泵送流体排放到高压排放连接中。

此外，必须限制浮动分离元件的速度以确保其耐用性。这对压力交换室中的流体速度施加约束，进一步限制了它们成功应用于液压矿石提升应用中存在的大颗粒沉降混合物，而与压力交换室的竖直或水平布置无关。这是由于需要相对较高的流率来防止浆料中的颗粒沉降。

使用气密密封分离元件的现有技术的压力交换系统防止泵送流体和驱动流体的混合。然而，气密密封分离元件在压力交换室的尺寸和纵横比上施加几何约束。尺寸的限制导致每个周期要排出的体积相对较小。与压力交换室中用于悬浮待运输颗粒的最小流速要求组合，这将导致相对较短的周期时间。短周期时间导致大量的阀致动，从而在存在较大颗粒的情况下操作时导致阀中的高磨损率。短周期时间进一步限制了阀周围的空闲流动时期，否则其可以用于允许较大的颗粒沉降离开阀中的功能性密封表面。现有技术的气密密封压力交换系统通常使用压力交换室的竖直或至少倾斜布置，其中泵送流体入口和出口阀在底端上，并且驱动流体入口和出口阀在顶端上，由此在周期的排放阶段期间使用较大颗粒的沉降以帮助排空压力交换室。然而，竖直布置会导致较大颗粒在压力交换室的底部处沉降，从而在沉积物量太大时阻碍室的排放。这限制了可以由这样的压力交换系统处理的固体浓度，并且在处理具有较大颗粒的沉降混合物时需要在2至5秒范围内的较短的填充和排放阶段。

当分离元件已经达到其允许行程的终点时，使用分离元件的所有现有技术的压力交换系统都需要停止压力交换室的填充或排放。超出这些限制的操作将损坏分离元件，或者导致压力交换室的流入或流出难以停止。这在系统操作中带来了额外约束，尤其是在并行使用要依次填充和排放的多个室时。首先，需要检测行程的终点，其通常需要可能不重要的某个检测装置。当使用固定填充排放流率时，填充和排放阶段的时间是固定的，并且当序列中的下一室尚未就绪时，不允许例如一个室的排放阶段的延长。由于分离元件必须留在压力交换室内，因此在排放阶段结束时一些泵送流体将保留在压力交换室中。尤其是在运输较大颗粒浆料时，这需要额外措施来防止较大颗粒在压力交换室内逐渐堆积。预期用于处理较大颗粒浆料的大多数现有技术的压力交换系统将试图使用压力交换室的竖直或至少陡峭倾斜布置来做到这一点。

一些提出的现有技术的开放式压力交换系统可以使用细长管形式的压力交换室，但是由于它们使用高效清洁流体多级离心泵，因此依赖于向高压驱动流体泵的清洁流体供应。这限制在填充阶段从压力交换室排出的驱动流体的直接再使用，这是由于其被介质和驱动流体的混合所污染。

在运输或提升系统的端部分离固体之后载送流体(泵送介质的液体部分)的再使用受到限制，原因是载送流体也被较小颗粒污染。在这两种情况下都需要进行广泛的固体分离以确保驱动流体泵的可靠操作，所述驱动流体泵并未设计成处理污染流体。

此外，现有技术的开放式压力交换系统通常将刀闸阀用于流体入口和出口阀。这些阀在致动时打开，与阀上的压力差无关。在压力不平衡的情况下打开时，这会导致高流速，从而在处理研磨浆料时导致高磨损率。

离心驱动流体泵的使用进一步使液压矿石提升系统中的压力交换室和到地表的运输管线或立管的流量保证复杂化。离心泵输送的流率取决于其必须输送的压力，所述压力还受到泵的叶轮的磨损状态影响。在液压矿石提升系统中，非常重要的是保证系统中的运输速度高于临界沉积速度以防止固体在系统中堆积，这会导致系统阻塞。可以通过离心驱动流体泵的速度控制来对流率进行一些控制，但是这受到限制，原因是离心泵具有它们可以高效可靠地操作的相对较窄的流量范围。

避免或减轻现有技术的上述缺点或其他缺点是本发明的实施例的目标。

下文详述的各个方面彼此独立，除非另有说明。对应于一个方面的任何权利要求不应解释为包含其他方面的任何要素或特征，除非在该权利要求书中明确陈述。

本说明书中对任何现有公布(或从现有公布中导出的信息)或任何已知事项的引用均不是，也不应该被视为承认或接受或以任何形式暗示现有公布(或从现有公布中导出的信息)或已知事项形成本说明书所涉领域的公知常识的一部分。

发明内容

本发明内容被提供为以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

根据第一方面，提供了一种用于泵送介质的泵送系统，所述系统包括：(i)包括横向细长管的至少一个压力交换室，所述横向细长管在每一端处具有阀装置；(ii)在所述系统的输送端处的加压排放部；(iii)填充机构，所述填充机构可操作以用所述介质填充所述压力交换室；以及(iv)正排量泵，所述正排量泵可操作以泵送与所述介质直接接触的驱动流体，使得所述介质由所述驱动流体从所述压力交换室排出到所述加压排放部。

介质可以包括单相或多相混合物。水是单相混合物的示例；两相混合物的示例是带有矿石颗粒的液体(也称为浆料)或糊状物(由很小颗粒的高浓度悬浮物形成的混合物)。矿石颗粒的尺寸可以从1mm以下到大约100mm不等。浆料可以包括在载送流体中的沉降颗粒，所述混合物被称为沉降浆料。

压力交换室(有时称为泵室)包括横向细长管。管可以相对较长，例如，长度为100m，在一些实施例中，管的长度可以为至少10m。管可以在横向取向(比竖直取向更接近于水平取向)上延伸。横向取向可以是大体平坦(水平或大体水平)取向或以直线，曲线或螺旋方式相对较浅倾斜的取向。管可以沿着海床、地面或其他表面以大体水平取向(尽管有局部偏离)延伸。管长度可以由(填充管的介质的)流速和所需的填充和排放时间确定或影响；例如，在25s的填充时间内4ms^-1的流速需要100m的管长度。在一些实施例中，管长度可以选自20m至400m的范围。

驱动流体可以包括单相流体，例如水(海水，淡化水，未处理的水等)。

第一阀装置优选地位于压力交换室的一端处，并且包括驱动流体入口阀，驱动流体出口阀，压缩阀和减压阀。这些阀优选地适用于高压力(例如大于40巴)。这些阀可以包括致动阀。

为了允许驱动流体入口和出口阀在大体压力平衡的环境中打开，可以提供压力平衡管线。压力平衡管线可以包括在旁通装置(即，旁通驱动流体入口和出口阀)中的用于压力交换室的压缩或减压阀。

压缩阀设置成旁通驱动流体入口阀，使得在打开驱动流体入口阀之前可以升高压力交换室中的压力；由此减小打开阀所需的力并且减小打开时通过驱动流体入口阀的流体流率。这具有延长驱动流体入口阀的寿命的优点。

类似地，减压阀设置成旁通驱动流体出口阀，使得可以在打开驱动流体出口阀之前降低压力交换室中的压力；由此在打开驱动流体出口阀时易于通过驱动流体出口阀排放驱动流体。

压缩阀和减压阀优选设计成克服高压力差而打开。然而，这些阀主要允许驱动流体(而不是正被泵送的介质)的流动，并且因此在更清洁的流体(具有更少的颗粒或至少更少的大尺寸颗粒)上操作。

通过使用正排量泵，泵送系统具有不需要复杂控制装置来确保流量足以防止由于重力而沉降的优点。这是由于正排量泵会产生与压力无关的固定流率。通过使用正排量泵将介质驱动到横向压力交换室之外，可以按时间控制阀的打开和关闭以允许驱动流体的进出，而无需精巧的传感器。

通过使用正排量泵，驱动流体不需要是清洁水，而是可以包含较小颗粒，例如小于500μm的颗粒。

使用压力交换系统的优点是，填充机构可以用待泵送到加压排放部的介质预填充压力交换室(而无需高压泵)；此后，正排量泵可以将介质在高压下排出到加压排放部。

第二阀装置优选地位于压力交换室的靠近加压排放部的一端处，并且包括泵送流体(或介质)出口阀(也称为排放阀)和泵送流体(或介质)入口阀(也称为吸入阀)。当压力交换室分别适当地减压或压缩时，泵送流体入口阀和泵送流体出口阀在压力平衡的情况下打开。这些阀可以包括致动阀。

泵送流体出口和入口阀优选地适用于高压力(例如，大于约40巴)。

驱动流体入口阀可以与泵送流体出口阀同时(或大约同时)打开，在此期间驱动流体出口阀和泵送流体入口阀保持关闭。

类似地，泵送流体入口阀可以与驱动流体出口阀同时(或大约同时)打开，在此期间泵送流体出口阀和驱动流体入口阀保持关闭。

在优选实施例中，相对于驱动流体入口和出口阀延迟关闭泵送流体入口和出口阀；换句话说，在泵送流体入口和出口阀之前关闭驱动流体入口和出口阀。这具有在关闭泵送流体入口和出口阀之前停止驱动流体的流动(并且因此也停止介质的流动)的优点。在关闭泵送流体入口和出口阀之前，这允许介质中的较大颗粒沉降离开泵送流体入口和出口阀；由此降低将介质的大颗粒捕获在阀中的风险(否则可能会损坏阀并阻止其关闭，由此阻止操作序列的继续)。

在优选实施例中，驱动流体入口和排出阀可以包括致动阀，例如致动、止回、提升座阀，使得阀的几何形状有助于阀的打开和关闭。提升阀打开时的压力差通常比阻止相反方向上的流动时它们所承受的压力负荷小。

泵送流体入口和出口阀可以包括自作用阀，但是在优选实施例中，这些阀包括致动阀，例如致动、止回、提升座阀。

与自作用阀相比，致动阀通常允许更大的阀开度。与自作用阀相比，较大的阀开度允许较大的颗粒通过。此外，致动阀在定时方面具有更大的灵活性，例如，这允许泵送流体入口和出口阀分别相对于驱动流体出口和入口阀延迟关闭。

仅当阀上的压力差较小时才打开阀的优点是，一旦两侧的压力大致相等，阀就会自动打开。如果以大的压力差打开阀，则当阀开始打开时流体将以高速流过阀以试图平衡阀两侧的压力。在通过阀的流体为浆料的情况下，高速流包含将迅速侵蚀阀体和阀座的固体颗粒。

在一些实施例中，提升阀是致动提升阀。优选地，由致动器施加的力在压力差低(例如，小于5巴)时帮助阀打开，而不是即使压力差高(例如，大于40巴，或者无论泵上的全压力差是多少)时也迫使阀打开。

优选地，提升阀布置成使得在关闭时阀上的压力差有助于将阀保持在关闭位置。对于泵送流体入口阀和泵送流体出口阀，泵送流体(介质和驱动流体)的流动方向有助于打开那些阀。对于驱动流体入口和出口阀，泵送流体(介质和驱动流体)的流动方向以相反方式工作，从而帮助阀关闭。

在一些实施例中，压缩阀和减压阀包括致动球阀或提升阀，或可以在阀上存在高压力差的情况下致动的任何其他类型的阀。压缩和减压阀所处的旁路管线可以进一步具有与压缩阀和减压阀串联安装的节流阀以限制和控制压缩和减压期间的流率。

第一和第二阀装置可以包括致动、提升、止回阀，其定向和构造成使得每个阀上的压力差作用在阀的高压侧上，从而在未致动阀时有助于将阀保持在关闭位置。这样做的优点是不需要额外的(外部)力来将阀保持在关闭位置。

第一阀装置可以包括致动、提升、止回阀，其定向和构造成使得驱动流体的流动方向有助于关闭这些阀。

第二阀装置可以包括被致动、提升、止回阀，其定向和构造成使得泵送介质的流动方向有助于打开这些阀。

可以选择致动器力，使得即使在致动时，阀也仅在存在小压力差(例如，＜10巴)的情况下打开。这避免了打开阀的精确定时的要求，原因是可以在压力差足够低之前致动阀，因为当达到正确的压力差时阀将自动打开。这样做的优点是避免了由于高压力差引起的高流速产生的过度磨损。

在一些应用中，例如在深海采矿中，驱动流体出口阀可能将驱动流体排放到周围水中。在其他应用中，例如在地下采矿中，驱动流体出口阀可以将驱动流体排放到储器或另一泵送流体泵(例如第二正排量泵)的进给部中。

当压力交换室填充有介质时，驱动流体入口阀必须将高压驱动流体供应管线密封到压力交换室中的低压。当介质从压力交换室排放时，驱动流体出口阀必须将高压压力交换室密封到低压驱动流体出口管线。当介质从压力交换室排放时，泵送流体入口(吸入)阀必须将高压压力交换室密封到低压介质供应或吸入管线。当压力交换室填充有介质时，泵送流体出口(排放)阀必须将高压介质排放管线密封到压力交换室中的低压。

优选地，正排量泵在与介质排出到输送端时的流动方向相同的方向上(而不是在横向于流动方向的方向上)泵送驱动流体。有利地，在压力交换室是管的情况下，驱动流体和介质都相对于压力交换室被纵向泵送。

填充机构可以包括离心泵，所述离心泵具有可以直接处理大颗粒并且可以具有较高流率的优点。替代地，填充机构可以包括重力进给系统，所述重力进给系统具有避免需要额外的泵的优点。其他选项包括螺杆泵，或任何其他适宜的泵或进给机构。

加压排放部可以包括到立管的进给部，其中立管从加压排放部延伸至地表平面。地表平面可能比加压排放部高100m以上。替代地，加压排放部可以包括到加压容器的进给部或进入需要高压的某个较长长度的水平输送管线的进给部。

在一些实施例中，多个压力交换室并行连接。

如果仅使用一个压力交换室，则可能由于泵送介质的脉动而出现问题。此外，使用一个压力交换室，填充阶段和排放阶段不能是连续的。

并行使用两个压力交换室的优点在于，其中一个压力交换室可以用介质填充(或处于填充过程中)，而另一压力交换室使用驱动流体进行排放。不间断的排放是可能的，但是必须相对于排放阶段加速填充阶段，以使其准备好在另一室完成其排放阶段后就可以转换。

并行使用三个压力交换室的优点在于，至少一个压力交换室可以完全填充有介质并准备好排放，而另一压力交换室正在排放。例如，压力交换室中的一个可以完全填充，等待排放；另一压力交换室可以遭受填充过程，但尚未完全填充(即，该压力交换室正在进行填充过程)；并且第三压力交换室可以遭受排放过程(即，第三压力交换室正在进行排放过程)。

这允许不间断的填充和排放，并在各个阶段的定时上具有一定的安全裕度。

如果需要冗余，例如，在进入压力交换室进行维护或更换可能很困难或昂贵的深海安装中，可以使用三个以上的压力交换室。

在提供多个压力交换室的情况下，可以提供系统控制器(或增强阀致动器)以在适当的时间致动压缩和减压阀以及入口和出口阀以确保一个压力交换室充满介质，而另一压力交换室填充有介质。

正排量泵可以位于与一个或多个压力交换室大约相同的海拔(或深度)。这具有的优点是，正排量泵位于压力交换室附近，由此改善在压力交换室之间切换时的负荷响应时间。

在压力交换室位于地下的情况下(与在海床上相反)，这具有缺点是，正排量泵必须输送全部功率以克服加压排放(即，将介质提升到地表)。所需压力是立管中混合物的静水压力(从加压排放部到地表)和立管中摩擦压力损失的总和。此外，由于正排量泵必须克服高压以将介质提升到地表，因此能耗高。在压力交换室位于海床上的情况下，可以将周围的水用作驱动流体，并且这具有基于水深的静水压力，因此正排量泵只需克服由于海水和立管中介质的密度差以及立管中的摩擦损失而引起的压力差。

另外，在压力交换室所处的位置(例如，在矿山下方或在海床上)提供高能量动力源可能是昂贵的。

替代地，正排量泵可以位于比一个或多个压力交换室明显更高的海拔处(例如，在矿山上的地表平面，或者在水面上的浮动平台或船上)。通过将正排量泵定位在地表处，可以在地表处安装高能量动力源。由于正排量泵产生的最大压力要低得多，因此正排量泵壳的额定压力会明显更低，原因是当泵送到压力交换室时，驱动流体受益于静水压力。在地下采矿的情况下，在驱动流体供应管线中使用静水压力时能耗要低得多。

正排量泵需要使用流体源作为驱动流体。驱动流体源可以是外部源，或者它可以由从驱动流体出口阀排出的驱动流体提供，或者它可以通过在较大颗粒已从泵送介质去除之后再使用载送流体而从泵送系统的排放部提供，或者它们的组合。该流体必须回收(供再使用)，更换或两者的组合。在一些实施例中，用过的驱动流体可以不再用作驱动流体，而是可以再用作要泵送的介质的载送流体。

可以从地表或从与一个或多个压力交换室相同的海拔提供驱动流体。如本文所使用的，正海拔是指地表平面(可以是海平面)上方的高度，负海拔是指地表下方的深度，因此海拔可以指地表上方的高度或下方的深度；并且地表可以在海平面下方，处于海平面或在海平面上方。

在从地表提供驱动流体的实施例中，驱动流体立管可以用于在地表和压力交换室之间提供流体连通。如果介质包含水或其他流体，则这可以从介质立管(其从加压排放部延伸到地表)回收(通过去除矿石或其他大颗粒)，并通过将其流入驱动流体立管(或正排量泵，如果正排量泵也位于地表处)而被再使用。

通过在地表处提供驱动流体，泵送系统受益于静水压力，由此降低了正排量驱动流体泵的能量需求。

在地下应用中，当介质填充压力交换室时，再使用排出的驱动流体可能是有益的；否则，该流体可能需要作为矿井脱水操作的一部分被泵送到地表。如果额外的(较小的)泵位于压力交换室水平处，则排出的驱动流体可以用于补充通过与来自正排量泵的驱动流体并行泵送而从地表提供的驱动流体。排出的驱动流体的较大剩余部分可以用于生成要泵送的介质(即，其可以用作矿石颗粒所处的载送流体)。该额外的(较小的)泵可以在地下应用中使用，并且可以以闭环配置被提供，使得不需要驱动流体或用于产生要泵送介质的流体的外部流体源。

在从与压力交换室相同的海拔提供驱动流体的实施例中，可能不需要单独的驱动流体立管。然而，需要有用于产生介质的流体和用于产生驱动流体的流体。在海床应用中，两种用途都可用海水。在地下采矿应用中，该流体可以从地表供应(但不一定经由立管)，或者可用作矿井水，否则需要通过矿井脱水系统将其提升到地表。在这样的应用中，对驱动流体和介质流体的需求可以消除或减少对任何单独的矿井脱水设备的需求。

在驱动流体端处从压力交换室泵出的任何介质都可以回收以备将来使用。

可以并行提供多个正排量泵以泵送与介质直接接触的驱动流体。正排量泵可以全部设置在相同海拔处，或者它们可以设置在不同海拔处；例如，一个或多个正排量泵可以位于地表处，并且一个或多个正排量泵可以位于压力交换室海拔处。

现在将领会，正排量泵可以位于地表处或负海拔处。类似地，可以从地表或从负海拔或两者的组合提供驱动流体。

通过使用正排量泵来泵送直接与介质接触的驱动流体，在驱动流体和介质之间不会有机械分离(没有浮子或隔膜)。如果没有机械分离器，则可以根据需要将驱动流体驱动到压力交换室之外，并确保没有必须遵守的行程位置的终端。

通过具有多个压力交换室，可以通过低压泵(例如离心泵)用介质填充压力交换室，可以允许介质沉降，使得大颗粒安置在压力交换室的底板上，然后可以关闭阀，减少由于颗粒沉降而被大颗粒堵塞或损坏的风险。然后可以通过在其中泵送驱动流体来对压力交换室加压和排空。可以将驱动流体泵送到出口阀之外以减少阀接近来自介质的任何颗粒的可能性。

根据第二方面，提供了一种泵送介质的方法，所述方法包括：(i)使压力交换室减压；(ii)用将使用相对低压源泵送的介质填充所述压力交换室中；(iii)使用正排量泵对所述压力交换室加压；以及(iv)使用与所述介质直接接触的驱动流体驱出所述介质，其中使用所述正排量泵输送所述驱动流体。

步骤(ii)还可以包括填充所述压力交换室，使得所述介质穿过所述压力交换室(或所述压力交换室的大部分)并经由驱动流体出口阀离开。

步骤(iv)还可以包括使用与所述介质直接接触的驱动流体驱出所述介质，使得所述驱动流体穿过所述压力交换室(或所述压力交换室的大部分)并经由泵送流体出口阀离开。

所述方法可以包括在第一压力交换室上执行步骤(i)至(iii)，并且在所述第一压力交换室上执行步骤(iv)之前或同时在第二压力交换室上执行步骤(i)至(iii)中的至少一些。

根据第三方面，提供了一种用于将介质泵送到升高水平的泵送系统，所述系统包括：至少一个非竖直管，每个管在每一端处具有阀装置；可操作以填充所述非竖直管的填充系统；立管，所述立管从所述非竖直管延伸到所述升高水平并用于向其输送所述介质；其特征在于正排量泵，所述正排量泵可操作以泵送与升高到所述升高水平的所述介质直接接触的驱动流体，使得所述介质从所述管通过所述立管泵送到所述升高水平。

泵送系统还可以包括控制器，用于控制系统的操作，包括打开和关闭每个非竖直管中的阀。

非竖直管均可以包括在压力交换室中。

根据第四方面，提供了一种用于将介质泵送到升高水平的泵送系统，所述系统包括：多个非竖直管，每个管在每一端处具有阀装置；可操作以顺序地填充所述非竖直管的填充系统；立管，所述立管从所述非竖直管延伸到所述升高水平并用于向其输送所述介质；正排量泵，所述正排量泵可操作以泵送与升高到所述升高水平的所述介质直接接触的驱动流体，使得所述介质依次从所述管的每一个通过所述立管泵送到所述升高水平；其中所述填充系统的流率使得在将所述正排量泵施加到所述管之前用所述介质填充所述管中的至少一个，由此确保介质从所述管到所述升高水平的恒定流量。

根据第五方面，提供了一种用于压力交换系统的浮动平台，所述浮动平台包括：(i)安装在所述平台上的正排量泵，用于联接到立管，所述立管向下延伸到海床并联接到所述压力交换系统，所述正排量泵可操作以泵送与所述压力交换系统中的介质直接接触的驱动流体，使得所述介质由所述驱动流体从所述压力交换室排出；以及(ii)流体回收过滤器，所述流体回收过滤器安装在所述平台上并联接到第二立管，所述第二立管可操作以将由所述驱动流体排出的介质输送到所述流体回收过滤器，所述流体回收过滤器可操作以从所述介质去除流体并将其提供给所述正排量泵以用作驱动流体。

根据该方面，来自介质的不需要的流体(尾渣)可以通过将其用作驱动流体而返回到海床。

浮动平台可以包括驳船、轮船、浮船或任何其他浮动结构。

现在应当领会，这些方面中的一个或多个允许非常大的颗粒沉降混合物可靠地输送进出压力交换室。

与在现有技术的压力交换系统中使用的多级离心泵相比，使用正排量泵驱动流体具有若干优点。

一个优点是，与离心泵的高度压力相关流率相比，正排量泵的流率基本独立于压力。这允许在压力交换室(其可以包括水平管)中以及在联接到加压排放部的任何容器(例如立管)中都具有非常稳定的流率。由于压力交换室中沉降床的重新启动产生的泵上的压力负荷变化，立管(或其他容器)中的密度变化以及立管(或其他容器)中的压力损失变化对立管(或其他容器)中的流率没有影响。由此显著增强流量保证，从而导致更可靠的液压矿石提升系统。

使用正排量泵的第二优点是，与多级离心泵相比，它更适合处理污染的驱动流体。当使用正排量浆料泵时，驱动流体本身甚至可以是高浓度的浆料，可能具有更高的粘度，使得其可以用作粘性载送流体。例如，在将正排量泵安装在液压矿石提升系统的底部处的实施例中，这将允许在回填(填充或吸入)行程期间直接再使用从压力交换室出来的污染的驱动流体。在地表处，矿石颗粒可以与载送流体分离，然后可以将其再用作驱动流体。当使用正排量泵来泵送驱动流体时，驱动流体的严重污染是可接受的。与多级离心泵必须泵送作为驱动流体的循环载送流体的情况相比，这大大降低了分离要求。

根据第六方面，提供了一种用于泵送介质的泵送系统，所述系统包括：(i)包括横向细长管的至少一个压力交换室，所述横向细长管在每一端处具有阀装置；(ii)在所述系统的输送端处的加压排放部；(iii)填充机构，所述填充机构可操作以用所述介质填充所述压力交换室；(iv)位于第一海拔处的第一正排量泵，以及(v)位于第二较低海拔处的第二正排量泵，所述正排量泵协作以泵送与所述介质直接接触的驱动流体，使得所述介质由所述驱动流体从所述压力交换室排出到所述加压排放部。

所述第一正排量泵优选地可操作以接收来自从泵送介质提取的流体的驱动流体。

第二正排量泵优选地可操作以接收来自压力交换室附近的流体的驱动流体。该流体可以从排放的驱动流体或从本地可用的流体(海水，湖水，池塘，地下水源，脱水设备等)提取。

通过使用横向地(例如水平地)布置的开放式压力交换系统，以上方面中描述的压力交换系统消除或减少了现有技术的压力交换系统的缺点，其中开放是指介质和驱动流体之间的直接接触而不使用分隔元件。每个压力交换室的细长管形状使得能够在压力交换室中具有高速度，由此促进沉降浆料中的颗粒的悬浮和输送。

附图说明

这些和其他方面将从仅借助于实例参考附图给出的以下具体描述显而易见，在附图中：

图1是根据本发明的第一实施例的泵送系统的简化示意图，其中第一实施例仅使用单个压力交换室，并且其中压力交换室位于要向其泵送介质的地表下方；

图1A是图1的泵送系统的一部分(即压力交换室)的简化示意图以示出该室中的阀装置；

图2是流程图(分成两张图纸)，示出了操作图1的泵送系统所涉及的步骤；

图3是图1的泵送系统的简化示意图，以一般方式示出了图1的一部分(开放式压力交换系统)；

图4是根据本发明的第二实施例的另一泵送系统的简化示意图，其中第二实施例包括三个压力交换室(在替代图1的开放式压力交换系统中)和升级的控制器；

图5是流程图，示出了在填充(或回填)操作期间操作图4的泵送系统所涉及的步骤；

图6是流程图，示出了在排放操作期间操作图4的泵送系统所涉及的步骤；

图7是示出了泵送系统的第三实施例的简化示意图，所述泵送系统具有用于图1或图4的泵送系统的一部分(正排量泵)的替代位置；以及

图8是示出根据本发明的实施例的用于地下系统的泵送系统810的一般配置的简化示意图，其中以虚线示出变型，其在闭合回路中使用地下正排量驱动流体注入泵。

具体实施方式

首先参考图1，其是根据本发明的第一实施例的泵送系统10的简化示意图。在典型的实施例中，大多数或全部泵送系统10位于比泵送系统10将输送介质的最终输送点低的海拔处。在该实施例中，介质包括位于液体载体中的尺寸在1至100mm范围内的矿石颗粒以产生夹带和悬浮矿石颗粒的浆料。

泵送系统10包括单个压力交换室12，所述单个压力交换室在其每一端处具有阀装置14、16，即驱动流体阀装置14和泵送介质阀装置16。

还参考图1A，其是压力交换室12的简化示意图，更详细地示出了阀装置14、16。

加压排放部20设置在系统10的输送端22处。在该实施例中，加压排放部20是泵送介质立管24的入口，所述泵送介质立管在大致竖直方向上从输送端22延伸到地表28处的收集容器26。介质出口管线29联接在泵送介质阀装置16和加压排放部20之间。

提供离心泵形式的填充机构30，其可操作以用待泵送到地表28的介质32填充压力交换室12。离心泵30经由介质入口管线31用介质32填充压力交换室12。

泵送系统10还包括正排量泵34，所述正排量泵可操作以将驱动流体36泵送通过压力交换室12并与介质32直接接触，使得介质32从压力交换室12排出到加压排放部20并经由泵送介质立管24从那里到达地表28。

正排量泵34经由驱动流体立管38和驱动流体入口管线40联接到驱动流体阀装置14。

驱动流体出口管线42将压力交换室12连接到驱动流体排放点44。

压力交换室12，驱动流体阀装置14，泵送介质阀装置16，驱动流体入口和出口管线40、42以及介质入口和出口管线31、29的组合在本文中称为开放式压力交换系统46。“开放”是指驱动流体36和介质32之间的直接接触。“压力交换”是指正被泵送的两种不同流体(驱动流体36和介质32)之间的压力交换。

驱动流体阀装置14位于正排量泵端48处，并且包括驱动流体入口阀50，驱动流体出口阀52，压缩阀54，减压阀56，节流阀57和主阀致动器58。提供主阀致动器58以在正确时间致动各种阀50至56以有效地操作泵送系统10。

如图1A中所示，驱动流体入口阀50包括液压致动器58a以打开和关闭流体入口阀50。类似地，液压致动器58b、c、d与驱动流体出口阀52，压缩阀54和减压阀56中的每一个成对。这些液压致动器58a、b、c、d中的每一个由主阀致动器58控制。为了清楚这未在图1A中示出。

在该实施例中，主阀致动器58包括液压动力单元。该动力单元58联接到多个单独的阀致动器58a、b、c、d，在每个阀50、52、54、56中有一个。响应于主阀致动器58从系统控制器70接收命令，这些致动器58a、b、c、d可操作以控制它们的相应阀50、52、54、56。

在该实施例中，这些阀都是高压(例如，大于40巴)致动、止回、提升座阀；然而，在其他实施例中，可以使用不同类型的阀。

节流阀57(在图1中示出了一个；而在图1A中示出了两个)与压缩阀54和减压阀56串联安装以在压力交换室12的压缩和减压期间限制和控制流率。通过限制驱动流体36(和穿过这些阀54、56的任何介质32)的流率，减少了压缩阀54和减压阀56中的磨损。

在其他实施例中，可以为压缩阀54和减压阀56中的每一个提供独立的专用节流阀(即，可以使用两个节流阀，如图1A中所示)。节流阀可以包括固定几何形状限制件，例如孔板，并且可以定位在压缩和减压阀的上方或下游。

为了允许入口阀50和出口阀52在大体压力平衡的环境中打开，提供压力平衡管线60。该压力平衡管线60以旁通布置(即，旁通驱动流体入口阀50和出口阀52)联接用于压力交换室12的压缩阀54和减压阀56。

压缩阀54设置成旁通驱动流体入口阀50，使得可以在打开驱动流体入口阀50之前升高压力交换室12中的压力；由此减小打开阀50所需的力，并且减小在打开时通过驱动流体入口阀50的流体流率。这具有延长驱动流体入口阀50的寿命的优点。

类似地，减压阀56设置成旁通驱动流体出口阀52，使得可以在打开驱动流体出口阀52之前降低压力交换室12中的压力；由此在打开驱动流体出口阀时防止驱动流体36通过驱动流体出口阀52的高流率。

压缩阀54和减压阀56设计成克服高压力差而打开。然而，这些阀主要允许驱动流体36(而不是正在泵送的矿石承载介质32)的流动，并且因此对更清洁的流体(具有更少的颗粒或至少更少的大尺寸颗粒)进行操作。这意味着这些阀不会受到过度磨损。

泵送介质阀装置16位于输送端22处，并且包括泵送流体出口阀62(也称为排放阀)，泵送流体入口阀64(也称为吸入阀或填充阀)，以及在适当时间致动阀62、64的主阀致动器66。当压力交换室12被适当地减压或压缩时，泵送流体入口阀64和出口阀62在压力平衡的情况下打开。

如图1A中所示，泵送流体出口阀62包括液压致动器66a以打开和关闭流体出口阀62。类似地，液压致动器66b与泵送流体入口阀64配对。这些液压致动器66a、b中的每一个由主阀致动器66(在图1A中以虚线示出)控制。

在该实施例中，主阀致动器66也是液压动力单元。该动力单元66联接到两个单独的阀致动器66a、b，每个阀62、64中有一个。响应于主阀致动器66接收到来自系统控制器70的命令，这些致动器66a、b可操作以控制它们的相应阀62、64。泵送流体出口阀62和入口阀64适用于高压(例如大于40巴)。

在该实施例中，在关闭相应的驱动流体入口阀50和出口阀52之后关闭泵送流体入口阀64和出口阀62。换句话说，驱动流体入口阀50在泵送流体出口阀62之前关闭；并且驱动流体出口阀52在泵送流体入口阀64之前关闭。这具有在关闭泵送流体入口阀50和出口阀52之前停止驱动流体36的流动(以及因此介质32的流动)的优点。在关闭泵送流体入口阀64和出口阀62之前，这允许介质32中的较大颗粒沉降离开泵送流体入口阀64和出口阀62；由此降低来自介质32的大颗粒捕获在那些阀62、64中的风险。

如图1A中所示，入口和出口阀50、52、62、64布置成使得当关闭时阀50、52、62、64上的压力差有助于将阀50、52、62、64保持在关闭位置。对于泵送流体入口阀64和泵送流体出口阀62，泵送流体(介质和驱动流体)36、32的流动方向有助于打开那些阀64、62。对于驱动流体入口阀50和出口阀52，泵送流体(介质和驱动流体)36、32的流动方向以相反方式工作，从而帮助阀50、52关闭。这确保在关闭时借助于压力差在没有附加致动器力的情况下适当密封阀50、52、54、56、62、64。当致动器58a、b、c、d和66a、b仅施加小力时，阀50、52、54、56、62、64将在接近压力平衡的状态下打开。小是指相对于处于关闭位置的阀50、52、54、56、62、64上的液压关闭力较小，系统10的高压和低压部分之间的全压力差存在于阀50、52、54、56、62、64上。

在接近压力平衡状态下的打开施加到驱动流体入口阀50和出口阀52和泵送流体入口阀64和出口阀62。在接近压力平衡的情况下打开消除打开时阀50、52、54、56、62、64中的高流速，否则由于阀50、52、54、56、62、64上的高压力差而会发生高流速。否则这些高流速会损坏阀50、52、54、56、62、64的功能性密封表面，原因是驱动流体36和泵送介质32中都存在小的研磨颗粒。

在接近压力平衡的情况下自动打开允许在打开压缩或减压阀54、56时在压力平衡完成之前施加相对小的致动器力。这明显简化了系统控制器70，原因是在致动驱动流体36和泵送介质32入口和出口阀50、52、64、62之前其不需要压力测量以确定正确的压力平衡。

压缩和减压阀54、56设计成在仍然存在全压力差时打开，因此相对于由其上的压力差产生的液压关闭力，需要更大的致动器力。为了限制压缩和减压阀54、56的功能性密封表面中的流速，可以在单独的压缩和减压阀54、56的上游或下游安装一个或多个节流阀57。在该实施例中，节流阀57是诸如孔板的旁路管线中的限制部。由此，具有较高磨损余量的节流功能与具有较低磨损余量的压缩和减压阀54、56的密封功能分离，从而降低了其对耐磨性的要求。换句话说，通过使用限制部(节流阀57)，减少了阀54、56所经历的磨损。通过将流速控制功能与密封功能分离，比设计必须保留互补构造的高耐磨密封部件更容易设计出执行速度控制功能的耐磨部件。

在一些实施例中，主阀致动器58和66可以在单个主阀致动器中组合，所述主阀致动器控制所有致动阀50、52、54、56、62、64中的所有阀致动器58a、b、c、d和66a、b。

泵送系统10还包括用于控制整个系统的操作的系统控制器70，包括泵30、34，阀50至56和62至64，以及主阀致动器58、66。

每个泵30、34需要被提供流体。

在该实施例中，第一(地表)流体源74设置在地表28处以为驱动流体36提供水。这从地表28提供水，对于海床或湖床应用其可以是海水或湖水，或在地下(或露天)采矿应用中是来自脱水泵的水。这提供了使用地表水的静水压力益处。流体源74可以包括过滤器，用于在将流体提供给正排量泵34之前从流体去除大颗粒。

流体源74可以用于从收集容器26中的泵送介质32提取和再使用流体，使得来自介质32的流体可以用作驱动流体36，可选地，附加流体由本地来源的水提供(在地下或露天应用中，从用于从矿井泵送多余水的脱水设备，或如果容易可获得的话，过量水；在海床或湖床应用中，从地表水)。在海床或湖床应用中，来自泵送到地表的介质的尾渣的再使用具有消除在地表处处置尾渣(来自介质32的不需要的流体或颗粒)的要求的优点。这是因为在压力交换室填充步骤(图2中的步骤106和图5中的步骤402、406、410)期间从压力交换室12排出的驱动流体36(包含尾渣)可以直接排放到海床或湖床。

在该实施例中，第二流体源76设置在与压力交换室12大致相同的水平处以提供水以与矿石混合以产生介质32。这使用本地水，对于海床或湖床应用其可以是海水或湖水，或在地下(或露天)采矿应用中是矿井水。

现在还参考图2，其是流程图(100)，示出了在泵送系统10的操作期间执行的步骤。

所示的第一步骤(步骤102)是减压步骤。在该步骤中，主阀致动器58打开减压阀56以将压力交换室12减压到驱动流体出口管线42中的压力，由此允许驱动流体出口阀52和泵送流体入口阀64打开。

减压步骤继续直到接收到填充命令(步骤103)。

一旦接收到填充命令(一旦压力交换室12被充分减压就会发生)，主阀致动器58打开驱动流体出口阀52(步骤104)。主阀致动器58可以在减压步骤(步骤102)期间为出口阀52赋能。由于阀52的有限打开压力，只有当压力差下降到由主阀致动器58的打开力确定的阀52的打开压力时，它才会打开。在该实施例中，优选的(但不是必须的)是，主阀致动器58在驱动流体36排出压力交换室12之前关闭减压阀56以防止介质32穿过减压阀56。

一旦室被减压，主阀致动器66然后打开泵送流体入口阀64(吸入阀)，并且一旦泵送流体入口阀64(吸入阀)打开，介质32将由于离心泵30的操作自动流动到压力交换室12中(步骤106)。主阀致动器66可以在减压步骤期间为入口阀64赋能(步骤102)。由于有限的打开压力，一旦压力差下降到由主阀致动器66的打开力确定的阀64的打开压力，阀64才会打开。进入压力交换室12的介质通过驱动流体出口阀52将驱动流体36从压力交换室12排出，使得介质32开始填充压力交换室12。介质32以相对较高的流率但相对较低的压力被泵送，使得压力交换室12相对较快地填充。

一旦压力交换室12被填充(其可以通过直接或间接测量或估计填充体积来确定，例如通过系统控制器70对所测量或估计的流率进行时间积分)(步骤108)，主阀致动器58关闭驱动流体出口阀52(步骤110)，由此停止驱动流体36从压力交换室12的流出，并且停止介质32向压力交换室12的流入。

在介质32的流动停止之后，主阀致动器66等待预定时间(步骤112)。在该实施例中，等待时间是3秒，但是在其他实施例中，可以在零秒至十秒之间的时间中选择等待时间。该等待时间允许介质32中的较大颗粒沉降到压力交换室12的下部并远离阀64的阀座，由此允许更好地关闭阀64。

在预定的等待时间过去之后，主阀致动器66关闭泵送流体入口阀64(吸入阀)(步骤114)。

一旦泵送流体入口阀64(吸入阀)关闭，主阀致动器58就打开压缩阀54(步骤116)，由此允许由正排量泵34输送的高压驱动流体36进入压力交换室12。这将压力交换室12中的内容物压缩到驱动流体入口管线40中的压力。

在压力交换室12的压缩达到足够水平并且接收到空(或开始)命令之后(步骤117)，主阀致动器58、66打开驱动流体入口阀50和泵送流体排出阀62(步骤118)。如上所述，主阀致动器58、66可以在压力平衡之前致动阀50、62，原因是仅当压力差下降至由主阀致动器58、66的打开力确定的阀50、62的打开压力时，阀50、62才会打开。在该实施例中，优选的(但不是必需的)是，当压力平衡时，主阀致动器58关闭压缩阀54，使得驱动流体36主要流过驱动流体入口阀50而不是压缩阀54。

一旦这些阀50，62打开，驱动流体36由于正排量泵34的操作通过驱动流体入口管线40和驱动流体入口阀50流动到压力交换室12中(步骤120)。驱动流体36将介质32通过泵送流体出口阀62，介质出口管线29，加压排放部20，并且部分地向上沿着泵送介质立管24(取决于立管24的高度)排出。

一旦介质32被排出到介质出口管线29中(其可以通过对填充体积的直接或间接测量或估计来确定，例如通过系统控制器70对所测量或估计的流率进行时间积分)(通过由系统控制器70生成的停止命令实现，步骤121)，关闭驱动流体入口阀50(步骤122)。这停止驱动流体36流入压力交换室12中，并且停止介质32从压力交换室12的流出。

在介质32的流出停止之后，主阀致动器66等待预定时间(步骤124)。在该实施例中，等待时间是3秒，但是在其他实施例中，可以在零秒至十秒之间的时间中选择等待时间。该等待时间允许介质32中的较大颗粒沉降到压力交换室12的下部并远离泵送流体出口阀62的阀座，由此允许阀62的更好关闭。

在其他实施例中，作为附加或替代，步骤120被扩展，使得驱动流体36流过泵送流体出口阀62。这确保了泵送流体出口阀62在存在驱动流体36的情况下关闭，所述驱动流体可以比介质36更清洁，或者可以具有更少的大颗粒。在这样的实施例中，泵送流体(或介质)32可以包括一些驱动流体36。这还防止来自介质的颗粒在压力交换室12中的堆积。

在预定的等待时间过去之后，主阀致动器66关闭泵送流体出口阀62(排放阀)(步骤126)。

一旦泵送流体出口阀62关闭，序列就返回步骤102以进行压力交换室12的减压并开始新的介质填充过程。

现在参考图3，其是图1的泵送系统10的简化示意图。在图3中，开放式压力交换系统46(即，压力交换室12，驱动流体阀装置14，泵送介质阀装置16，驱动流体入口和出口管线40、42，以及介质入口和出口管线31、29)大体上用数字46指示。

现在参考图4，其是根据本发明的第二实施例的另一泵送系统310的简化示意图。为了清楚起见，已去除与图1实施例的部件相同的那些部件。该泵送系统310与泵送系统10非常相似。主要区别在于开放式压力交换系统346包括三个压力交换室312a、b、c而不是一个压力交换室12，并且系统控制器370管理三个压力交换室312的顺序填充和排放。

三个压力交换室312a、b、c中的每一个包括与参考图1的泵送系统10所述的阀相同的阀(为清楚起见，在图4中未示出节流阀57，但是它包括在每个压力交换室312中)。三个压力交换室312a、b、c中的每一个都与图1的压力交换室12相同(或者对于所有实际目的而言至少非常相似)。泵送系统310还包括泵送系统控制器370，其类似于泵送系统控制器70，但另外管理三个压力交换室312的顺序填充和排放。压力交换室312a、b、c填充和排放的顺序可以主要由泵送系统控制器370中的定时设置管理，或者可以由另一压力交换室312a、b、c的状态(或条件)影响。

通过具有并行布置的多个压力交换室312，泵送系统310可以确保至少一个压力交换室312总是填充有介质32并且准备排放，由此允许将驱动流体36连续地进给到压力交换室312并且将介质32连续地进给到压力交换室312。

现在参考图5和6，其是流程图400、420，示出了在泵送系统310的操作期间执行的步骤(分别为填充和排放)。

最初，使用图2的过程100的步骤106填充压力交换室中的一个(例如，第一压力交换室312a)(步骤402)。

系统控制器370然后允许第一压力交换室312a填充直到到达步骤108(图2)(步骤404)。

一旦第一室312a已到达步骤108(图2)，则系统控制器370开始填充下一压力交换室312b(步骤406)。

系统控制器370然后允许第二压力交换室312b填充直到到达步骤108(图2)(步骤408)。

一旦第二室312b已到达步骤108(图2)，则系统控制器370开始填充下一压力交换室312c(步骤410)。

系统控制器370然后允许第三压力交换室312c填充直到到达步骤108(图2)(步骤412)。

该过程然后回到填充第一压力交换室312a(步骤402)。

参考图6，最初，系统控制器370使用图2的过程100的步骤120开始排放第一压力交换室312a(步骤422)。

系统控制器370然后允许第一压力交换室312a排放直到到达步骤122(图2)(步骤424)。

一旦第一室312a已到达步骤122(图2)，则系统控制器370开始排放下一压力交换室312b(步骤426)。

系统控制器370然后允许第二压力交换室312b排放直到到达步骤122(图2)(步骤428)。

一旦第二室312b已到达步骤122(图2)，则系统控制器370开始排放下一压力交换室312c(步骤430)。

系统控制器370然后允许第三压力交换室312c排放直到到达步骤122(图2)(步骤432)。

该过程然后回到排放第一压力交换室312a(步骤422)。

该填充和排出序列提供了从一个压力交换室312到下一压力交换室的填充流和从一个压力交换室312到下一压力交换室的排放流的逐渐转换。

为了维持进出泵送系统310的不间断进给，单独的压力交换室312的序列的定时由系统控制器370控制和对准。

可以使用多个参数来控制序列的定时。例如，可以调节驱动流体36的流率。驱动流体36的流率与正排量泵34的泵速成正比。可以调节压力交换室排放步骤(步骤120)的持续时间。在优选实施例中，在将介质32从压力交换室312中排出之后继续进行室排放步骤(步骤120)，从而允许泵送流体出口(排放)阀62通过污染较少的驱动流体36而不是在泵送介质32中关闭。

可以调节填充机构(在上述实施例中为离心泵)30的流率。这种泵的流率可以通过改变泵30本身的速度或者通过使用驱动流体出口管线42中的流量控制阀来改变泵30上的压力负荷来改变。由于离心泵的流率取决于泵的速度以及泵的压力负荷两者，因此驱动流体出口管线42中的流率测量可以用于确定实际流率。

可以调节室填充步骤(步骤106)的持续时间。在优选实施例中，在通过驱动流体出口阀52将介质32从压力交换室312排出之前停止室填充步骤(步骤106)，从而允许驱动流体出口阀52在污染较少的驱动流体36中而不是在泵送介质32中关闭。

驱动流体36和泵送介质32之间直接接触的泵送系统10、310的一个优点是，填充和排放步骤的持续时间几乎可以不受限制地延长。这与曲轴或液压驱动泵或在驱动流体和泵送混合物之间使用分离元件的压力交换系统上的行程固定端部止挡不同。即使在由于泵34中的条件变化而导致定时变化的情况下，这也允许序列的定时的很大灵活性，使其非常可靠。

作为图1至6的实施例的替代，可以将第一流体源74定位在与压力交换室12、312相同的水平处。这在图1中以虚线示出为低水平流体源74'。低水平流体源74'可以在压力交换室填充步骤(图2中的步骤106和图5中的步骤402、406、410)期间再使用由压力交换室12、312排出的驱动流体36，通过将其部分地(从别处提供一些驱动流体)或完全地(从流体源74'提供所有驱动流体)进给到驱动流体入口管线40中。然而，该排出流体处于比地表正排量泵34的位置低得多的海拔，并且驱动流体入口管线40处于高压(由正排量泵34供给)，因此需要低水平流体源74'由位于压力交换室12(图1中的虚线所示)的水平处的第二正排量泵34'驱动。第二正排量泵34'可以用于输送所有驱动流体，而无需地表正排量泵34(如图7中所示)。这在地下矿井位置具有优势，其中在地下水平可利用水来形成浆料混合物，并且来自泵送介质的过量水可以被去除并在地表进行处置。这将降低大多数地下矿井已经具有的矿井脱水要求。

可以将配置成从泵送介质32提取和再使用流体使得来自介质32的流体用作驱动流体36的地表流体源74与配置成再使用在泵填充室步骤(图2中的步骤106和图5中的步骤402、406、410)期间排放的驱动流体36的第二正排量泵34'组合，使得提供了一种理论上闭环的流体系统，其一旦在操作就不需要任何(或仅非常少的)外部流体输入，原因是所有驱动流体36和介质32流体被再使用(图8中的实线所示)。在该示例中，第二正排量泵34'补偿由于介质32在地表28处的脱水而产生的驱动流体36的短缺。正排量泵驱动流体泵34、34'的使用允许对于并行离心驱动流体泵更难处理的该并行驱动流体泵安装，原因是流率的压力敏感性将会导致单独的离心泵之间的相互作用。

现在将参考图7，其是示出泵送系统710的第三实施例的简化示意图，所述泵送系统具有用于图1或图4的泵送系统的一部分(正排量泵)的替代位置。

在第一和第二实施例中(图1至6)中，正排量泵34位于地表28处，明显高于压力交换室12、312。例如，地表28可以在海拔上比压力交换室12高50m至5000m。然而，可以将正排量泵定位在与压力交换室12或室312大致相同的水平(或海拔或深度)。这在图7中示出为低水平正排量泵734。

这具有的优点是，正排量泵734位于压力交换室12、312附近，由此改善在压力交换室312之间切换时的负荷响应时间。另一优点是不需要驱动流体立管(图1中的立管38)，原因是驱动流体36可以由低水平流体源74'提供。替代地，可以使用驱动流体立管将来自地表28的驱动流体36直接提供给正排量泵734。这具有的优点是，驱动流体立管中的静水压力在正排量泵734上产生高抽吸压力，从而减少能源消耗。

在压力交换室12、312位于地下(与在海床或湖床上相反)的情况下，正排量泵734必须输送全功率以克服加压排放部20(即，将介质32提升到地表28)。在压力交换室12、312位于海(或湖)床上的情况下，周围的水可以用作驱动流体36，并且这具有基于水深的静水压力，因此正排量泵734仅需克服由于海水和泵送介质立管24中的介质32的密度差以及泵送介质立管24中的摩擦损失而引起的压力差。

替代地，以与参考图1描述的类似的方式，可以经由驱动流体立管38从地表流体源74供应驱动流体36。

将正排量泵34设置在与压力交换室312相同的水平处具有的缺点是，在压力交换室312所处的位置(例如，在矿山下方或海床上)提供高能量动力源可能是昂贵的。

现在将领会，正排量泵34可以位于地表28处或位于负海拔处。类似地，可以从地表28或从负海拔或两者的组合提供驱动流体36。

现在将参考图8，其是示出根据本发明的实施例的用于地下系统的泵送系统810的一般配置的简化示意图，其中以虚线示出变型，其在闭合回路中使用地下正排量驱动流体注入泵。泵送系统810包括如上所述的开放式压力交换系统46、346。

在图8中，C_v是指浆料中固体的体积浓度，并且Q_up是指泵送系统810输送的总流率。地表流体源74示出为在大气压下的水箱。可以在需要时根据使用哪种系统变型通过来自海洋，湖泊或池塘的地表或来自脱水设备的任何容易获得的水(由框74”表示)供给该(第一)地表流体源74。

在第二正排量泵34'(或在一些实施例中，仅正排量泵34')和第二流体源76周围示出了虚线框811。在地下(非海床或湖床)环境中，第二流体源76需要从开放式压力交换系统46、346捕获流体，否则排放的驱动流体将淹没该区域。在这样的应用中，第二流体源76可以供给浆料制备混合器813，所述浆料制备混合器将来自第二流体源76的流体与已开采的矿石(未示出)混合。图1、3和7的实施例还包括浆料制备混合器813，但是为了清楚起见在那些图上未示出它。在海床或湖床环境中，不需要第二流体源76，原因是不需要从开放式压力交换系统46、34捕获流体，因为它可以排放到压力交换室12、312周围的海水或湖水。

图8还示出了地下流体源876(其可以是用于保持水的池塘或水槽)，其可以在需要时根据使用哪种系统变型用于供应任何流体短缺或接收任何过量流体。

本文所述方法的步骤可以按任何合适的顺序执行，或者在适当的情况下同时执行。

术语“包括”、“包括”、“并入”和“具有”在本文中用于叙述一个或多个元件或步骤的开放式列表，而非封闭列表。当使用这些术语时，列表中列出的要素或步骤不排除可能添加到列表中的其他要素或步骤。

除非上下文另外指示，否则术语“一(a/an)”在本文中用以表示其后提到的要素、整数、步骤、特征、操作或部件中的至少一个，但不排除额外元素、整数、步骤、特征、操作或部件。

在一些情况下，诸如“一个或多个”、“至少”、“但不限于”的扩展单词和短语或其他类似短语的存在并不意味着，并且不应被解释为表示在不使用此类扩展短语的情况下想要或需要更窄的情况。

在其它实施例中,填充机构30可以包括排泥泵或任何其他适宜的泵。

下面提供了本文使用的附图标记和相应部件：

10           泵送系统

12           压力交换室

14           驱动流体阀装置

16           泵送介质阀装置

20           加压排放部

22           输送端

24           泵送介质立管

26           收集容器

28           地表

29           介质出口管线

30           填充机构

31           介质入口管线

32           介质(泵送的浆料)

34           正排量泵

34'          第二正排量泵

36           驱动流体

38           驱动流体立管

40           驱动流体入口管线

42           驱动流体出口管线

44           驱动流体排放点

46           开放式压力交换系统

48           正排量泵端

50           驱动流体入口阀

52           驱动流体出口阀

54           压缩阀

56           减压阀

57           节流阀

58           主阀致动器(用于阀50至56)

60           压力平衡管线

62           泵送流体出口阀

64           泵送流体入口阀

66           主阀致动器(用于阀60、62)

70           系统控制器

72           第二正排量泵

74           地表流体源

74'          低水平流体源

76           第二流体源

100          流程图

310          替代泵送系统

312a、b、c     压力交换室

346          开放式压力交换系统(3个室)

370          系统控制器

400          用于填充压力交换室310的流程图

420          用于排放压力交换室310的流程图

710          泵送系统

734          低水平正排量泵

810          泵送系统

811          具有可选部件的框

813          浆料制备混合器

876          地下流体源

Claims (21)

1.一种用于将包括具有矿石颗粒的液体的介质从地下或海底位置泵送到处于升高水平的地表的泵送系统，所述系统包括：

至少一个压力交换室，所述至少一个压力交换室位于比所述升高水平明显更低的海拔处，并且包括细长管，所述细长管在横向取向上延伸，并且具有在一端处的驱动流体阀装置，和在相对端处的泵送介质阀装置；

加压排放部，所述加压排放部在所述压力交换室的泵送介质阀装置侧在所述系统的输送端处；

立管，所述立管从所述输送端向上延伸到所述升高水平并且用于向所述升高水平输送所述介质；

流体源，所述流体源在与所述压力交换室大约相同的水平处以提供水与矿石混合以产生所述介质；

填充机构，所述填充机构可操作以用所述介质填充所述压力交换室；以及

正排量泵，所述正排量泵连接到所述压力交换室并且可操作以泵送与所述介质直接接触的驱动流体，使得所述介质由所述驱动流体从所述压力交换室排出到所述加压排放部。

2.根据权利要求1所述的泵送系统，其中所述驱动流体阀装置位于所述压力交换室的与所述正排量泵连接的一端处，并且包括驱动流体入口阀和驱动流体出口阀，并且所述泵送介质阀装置包括能够将介质进给到所述压力交换室中的泵送流体入口阀和能够从所述压力交换室排放介质的泵送流体出口阀，以及致动器，所述致动器与每个阀关联并且配置成在打开位置和关闭位置之间移位所述阀，所述阀配置成使得泵送流体的流动有助于关闭所述驱动流体入口阀和所述驱动流体出口阀并且有助于打开所述泵送流体入口阀和所述泵送流体出口阀。

3.根据权利要求2所述的泵送系统，其中所述驱动流体阀装置还包括旁通所述驱动流体入口阀使得所述压力交换室中的压力能够在打开所述驱动流体入口阀之前升高的压缩阀和旁通所述驱动流体出口阀使得所述压力交换室中的压力能够在打开所述驱动流体出口阀之前降低的减压阀以及与所述压缩阀串联连接以限制驱动流体通过所述压缩阀的流率的节流阀。

4.根据权利要求1所述的泵送系统，其中所述泵送系统包括多个压力交换室，所述多个压力交换室并行地连接并且用待泵送的介质顺序地填充并且用驱动流体顺序地排空。

5.根据权利要求2所述的泵送系统，其中所述泵送系统还包括压力交换室控制器，所述压力交换室控制器可操作以在适当的时间致动任何压缩阀和减压阀、所述驱动流体入口阀和所述驱动流体出口阀，并且在需要时致动所述泵送流体入口阀和所述泵送流体出口阀，以确保当正在排放的压力交换室排空介质而另一压力交换室正在用介质填充时，所述至少一个压力交换室充满介质。

6.根据任一前述权利要求所述的泵送系统，其中所述正排量泵在与所述介质流动相同的方向上泵送所述驱动流体。

7.根据权利要求1所述的泵送系统，其中所述填充机构包括离心泵。

8.根据权利要求1所述的泵送系统，其中所述正排量泵位于与所述压力交换室大约相同的海拔处。

9.根据权利要求1所述的泵送系统，其中所述正排量泵位于比所述压力交换室明显更高的海拔处。

10.根据权利要求1所述的泵送系统，其中所述系统还包括在地表处联接到所述正排量泵的驱动流体立管，和驱动流体源，所述驱动流体源位于地表处并且可操作以抽取和再使用来自所述介质的流体使得来自所述介质的流体能够用作驱动流体。

11.根据权利要求10所述的泵送系统，其中所述系统还包括流体回收过滤器，用于在将所述介质提供给所述正排量泵之前从所述介质去除大颗粒。

12.根据权利要求1所述的泵送系统，其中所述系统还包括驱动流体源，所述驱动流体源位于与所述压力交换室大约相同的海拔处，其中所述驱动流体源在所述压力交换室的填充步骤期间再使用从所述压力交换室排出的驱动流体。

13.根据权利要求12所述的泵送系统，其还包括位于所述压力交换室的水平处的第二正排量泵。

14.根据权利要求13所述的泵送系统，其中所述系统还包括在地表处联接到所述正排量泵的驱动流体立管，和驱动流体源，所述驱动流体源位于地表处并且可操作以抽取和再使用来自所述介质的流体使得来自所述介质的流体能够用作驱动流体，由此提供闭环流体系统，所述闭环流体系统在其操作时即使需要也需要很少的外部流体输入，原因是所有驱动流体和介质流体都被再使用。

15.根据权利要求1所述的泵送系统，其中所述加压排放部包括进给部，所述进给部连通到加压容器，或所述进给部连通到需要高压的细长运输管线中。

16.根据权利要求1所述的泵送系统，其中所述驱动流体阀装置和所述泵送介质阀装置包括致动、提升、止回阀，所述致动、提升、止回阀定向和构造成使得：(i)当未致动所述阀时每个阀上的压力差作用于所述阀的高压侧以有助于将所述阀保持在关闭位置，(ii)所述驱动流体的流动方向有助于关闭所述驱动流体阀装置；并且(iii)所述介质的流动方向有助于打开所述泵送介质阀装置。

17.根据权利要求16所述的泵送系统，其中选择致动器力，使得即使在被致动时，所述阀也仅在存在小压力差的情况下打开。

18.一种使用根据权利要求1至17中任一项所述的系统将包括具有矿石颗粒的液体的介质从地下或海底位置泵送到处于升高水平的地表的方法，所述方法包括：

(i)使在横向取向上延伸的压力交换室减压；

(ii)用将使用相对低压源泵送的介质填充所述压力交换室；

(iii)使用正排量泵对所述压力交换室加压；

(iv)使用与所述介质直接接触的驱动流体驱出所述介质，其中使用所述正排量泵输送所述驱动流体；以及

(v)相对于驱动流体入口阀和驱动流体出口阀延迟关闭泵送流体入口阀和泵送流体出口阀以在关闭所述泵送流体入口阀和所述泵送流体出口阀之前停止所述介质的流动，由此在关闭所述泵送流体入口阀和所述泵送流体出口阀之前允许所述介质中的较大的矿石颗粒沉降离开所述泵送流体入口阀和所述泵送流体出口阀。

19.根据权利要求18所述的方法，其中步骤(ii)还包括填充压力交换室，使得所述介质穿过所述压力交换室的大部分并且经由驱动流体出口阀离开。

20.根据权利要求18或19所述的方法，其中步骤(iv)还包括使用与所述介质直接接触的驱动流体驱出所述介质，使得所述驱动流体穿过所述压力交换室的大部分并且经由泵送流体出口阀离开。

21.根据权利要求18所述的方法，其中所述方法包括在第一压力交换室上执行步骤(i)至(iii)，然后在所述第一压力交换室上执行步骤(iv)之前或同时在第二压力交换室上执行步骤(i)至(iii)。

Images