CN113614369A - 泵以及相关联的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种泵(100)包括：壳体(2、2’)，壳体(2、2’)具有泵室(5)，该泵室(5)具有流体入口(25)和流体出口(26)；膜(4)，该膜(4)布置在壳体(2、2’)内并且将泵室(5)与中间流体室(3)划界；往复式泵送构件(1)，该往复式泵送构件(1)操作性地布置在中间流体室(3)中；蓄液器(17、23)，蓄液器(17、23)经由节流阀(16、22)流体连接至中间室(3)。还提供了一种用于抑制泵(100)中的压力波动的方法。

Description

泵以及相关联的系统和方法
技术领域
本发明涉及泵，并且特别是用于大规模应用的重型流体泵，以及用于这种泵的系统和方法。
背景技术
往复式泵被用在各种应用中并且用于较宽范围的目的。一个这种应用是在用于钻探或采矿的大型工厂中输送流体。这样的泵的示例及其应用在本申请人较早的专利公开US8,920,146 B2、US 2015/0260178 A1和US 9,695,808 B2中描述。这些示例中描述的泵的类型通常用于泵送采矿浆料(也称为煤泥)或钻井泥浆，即具有要求性能的流体混合物，例如具有悬浮在其中的固体颗粒。
其他可能有助于理解背景技术的文献包括WO 2009/051474 A1；WO 2010/066754A1；JP 4768244 B2；US 2003/0194328 A1；WO 94/019564 A1；WO 97/23705；WO 2018/091306 A1；国际(PCT)专利申请PCT/EP2018/075908；以及德国专利申请No.10 2018110847.8和No.10 2018110 848.6。
用于上述应用或其他类似使用领域的这种泵通常具有要求运行条件，这可能包括对高输出压力或流速的要求，以及需要处理具有挑战性的介质，例如研磨性液体和/或含有固体颗粒的液体。许多这样的泵用于移动或远程安装，例如在钻机上，并且对运行可靠性和低维护要求有很高的要求。在大多数应用中，还需要低的重量和高的效率。如上述文献中的一些文献所述，来自这种往复式泵的压力脉动在某些应用中也可能是不期望的问题。
本发明的目的是提供与已知解决方案相比在上述方面中的一个或更多个方面具有改进的流体泵。
发明内容
根据第一方面，我们提供了一种泵，该泵包括：壳体，壳体具有泵室，该泵室具有流体入口和流体出口；膜，该膜布置在壳体内并且对泵进行划界，将泵室与中间流体室划界；往复式泵送构件，该往复式泵送构件操作性地布置在中间流体室中；以及蓄液器，蓄液器经由节流阀流体连接至中间室。
蓄液器构造成抑制中间室中的压力波动，压力波动具有比泵的往复速度更高的频率。
蓄液器可以是第一蓄液器，并且节流阀是第一节流阀，并且其中，泵包括经由第二节流阀流体连接至中间室的第二蓄液器。
第一蓄液器构造成抑制与泵的设计进气压力对应的第一压力水平(PS)下的压力波动，并且第二蓄液器构造成抑制与泵的设计排出压力对应的第二压力水平(PD)下的压力波动。
第一节流阀和第二节流阀中的一者或者两者可以构造成具有可调节的流动阻力。
根据第二方面，我们提供了一种用于抑制泵中的压力波动的方法。该方法包括提供经由一个或更多个节流阀流体连接至泵的中间室的一个或更多个蓄液器；以及通过一个或更多个蓄液器抑制中间室中的压力波动，压力波动具有比泵的往复速度更高的频率。
压力波动可以处于与泵的设计进气压力对应的第一压力水平。第一压力水平下的压力波动可以由第一蓄液器抑制。
压力波动可以是与泵的设计排出压力对应的第二压力水平。第二压力水平下的压力波动可以由第二蓄液器抑制。
一个或更多个节流阀可以具有可调节的流动阻力。
在所有方面中，泵可以具有大于1000kW、大于1500kW或大于2000kW泵送功率的设计输出。
在所有方面中，泵可以是用于泵送浆料或钻井泥浆的泵。
在所有方面中，最大设计出口压力可以例如是大于200bar，大于250bar或者大于300bar。
附图说明
这些和其他特征将通过参照附图对以下作为非限制性示例给出的说明性实施方式的描述而变得清楚，在附图中：
图1是根据实施方式的往复式泵的示意图。
图2是一个泵循环的示例性压力-冲程曲线图。
具体实施方式
以下描述可以使用诸如“水平”、“竖向”、“侧向”、“前和后”、“上和下”、“上部”、“下部”、“内部”、“外部”、“向前”、“向后”等之类的术语。这些术语通常是指如附图中示出的视图和取向，并且这些术语与本发明的正常使用相关联。术语仅为了方便读者而使用并且不应当是限制性的。
图1示出了根据实施方式的往复式泵100的示意图。活塞泵和活塞膜泵的某些基本工作原理是众所周知的，因此这里将不再进行详细介绍。例如，参照上述文献。
活塞隔膜泵100具有泵活塞1(或等效的驱动元件，比如柱塞)，该泵活塞1由驱动单元(未示出)以振荡运动驱动，并且在泵气缸2内来回移动。驱动单元可以是例如曲柄系统。通过这种运动，活塞2使中间流体室3中的一定容积的流体、通常是液压油移位。中间流体室3由活塞1、泵壳体2’(包括泵气缸2)和柔性分离膜4界定。经由柔性分离膜4，流体室3操作性地连接至泵室5，泵室5包含要泵送的介质。介质可以例如是泥浆或浆料。因此，活塞1的运动引起分离膜4的来回移位，并且从而增大或减小泵室5的容积，其中，分离膜4在其外部位置a与b之间移动。端冲程位置a表示吸入冲程的结束/排出冲程的开始，而端冲程位置b(虚线)表示排出冲程的结束/吸入冲程的开始。
泵室5具有入口25并且经由液压管路9、吸入阀8和第二液压管路7流体连接至流体源10。流体源10可以例如是要由泵100泵送的流体的坑或管道供应。泵室5还具有出口26，该出口26经由液压管路11、排出阀12和第二液压管路13流体连接至流体贮存器14(或任何其他类型的流体接纳器，比如用于输送泵送的流体以供进一步使用的管道系统)。在正常运行期间，流体贮存器14中的压力高于流体源10处的压力。
阀8、12通常是被动单向阀，然而可选地可以是不同类型，例如主动控制阀。通过活塞1的振荡运动和由此产生的泵室5的容积变化，要泵送的流体经由吸入阀8被吸入至泵室5中，并且然后被压缩。当泵室5和液压管路11中的压力超过第二液压管路13和流体贮存器14的压力时，排出阀12打开，并且将泵送的流体从泵室5输送至贮存器14。
当操作活塞隔膜泵、比如泵100时，往复式泵原理固有的诸如泵活塞1的振荡运动和阀的开启/关闭动作的操作特性导致在进气中和泵100的出口26处两者的不一致且变化的体积流量。这些特性可能导致泵送的流体中和/或中间室3中的介质中的压力脉动，这可能对泵100的功能产生负面影响。这种脉动可能例如导致相邻管道系统或泵部件中的不期望的振动。在进气侧，这种脉动可能引起局部空化，这一方面可能降低泵100的效率，并且另一方面可能导致泵100的损坏。
图2示出了泵在一个循环内的压力-冲程图。P表示泵室5中的压力，并且S表示活塞1的位置。在左下方处开始(活塞1在其最左边的端点处，膜4在如图1所示的位置‘a’，并且泵室5装满要泵送的流体)，首先压缩泵室5中的流体。流体通常可能具有较大的液体成分，并且因此可能仅具有有限的可压缩性，使得相对较快地达到排出阀12开启处的排出压力PD。当排出阀12开启时，排出冲程继续朝向活塞1/膜4的右手侧端点(图1中的位置‘b’)。当活塞1反转时，在吸入阀8开启之前存在减压阶段，并且在压缩阶段开始之前，在基本恒定的吸入压力PS下执行进气(吸入)冲程。
如图2所示，在排出冲程和/或进气冲程期间，可能发生压力脉动，由此泵送的流体中的压力在排出压力PD或吸入压力PS附近波动。这些波动的频率可能高于泵运行频率，并可能引起如上所述的问题。本文中描述的实施方式可以用于降低这种负面影响的风险。
再次参照图1，泵100包括连接至中间流体室3的压力管路15。压力管路15经由节流阀16将中间流体室3与蓄液器17流体连接。蓄液器17具有两个室：第一室18，该第一室18(经由节流阀16)与压力管路15流体连接；以及第二室20，第二室20包括诸如空气或氮气的可压缩介质。在该实施方式中，将假定可压缩介质为气体，并且将室3中的流体假定为与中间室3中相同类型的油。通常，室18和20由柔性膜19隔开，然而这是可选的并且可以替代性地使用没有这种分离膜的蓄液器。蓄液器17可以例如是囊状蓄液器。压力管路15和蓄液器17独立于入口25和与入口25相关联的液压管路7、9，并且独立于出口26和与出口26相关联的液压管路11、13。蓄液器17仅流体连接至中间流体室3。
当活塞1在泵100的运行期间往复运动时，如图2所示的压力波动可能在吸入冲程和/或排出冲程期间发生。由于膜4可操作地连接至中间室3中的流体，因此这种压力波动也导致中间室3中的压力波动。这导致油通过压力管路15、通过节流阀16并且流动进入到蓄液器17的油室18中。因此，室20中的气体将被压缩和减压。当油流经节流阀16时，压力/流动能量的一部分通过节流阻力转换为热。节流因此导致在节流阀16上的能量的耗散。能量的这种耗散因此将来自这种脉动的压力或流动能量的一部分转换成热，从而减少这种高频脉动。
可以选择第二室20中的气体的量，使得蓄液器17在泵的吸入冲程和/或排出冲程期间的压力特性和动态响应适合于有效地减弱压力波动。特别地，这可以包括选择气体的量，使得气体压力与吸入压力PS和/或排出压力PD以及节流阀16和中间流体的性能相关，使得蓄液器17获得良好的脉动阻尼性能。当泵100的运行条件已知时，选择这些元件的性能将是例行设计事项。
在泵在贮存器14与泵室5之间进行输送冲程期间，以及在流体源10与泵室5之间进行吸入冲程期间，均可能发生脉动效应。如从图2将理解的，吸入冲程和排出冲程可以在显著不同的压力下进行。为了更好的性能，可以将附加的液压蓄液器23连接至管道15。附加蓄液器23经由管道15、中间管21和第二节流阀22流体连接至中间室。与蓄液器17类似，附加蓄液器23具有气体容积24。
在该实施方式中，可以选择气体容积24和气体容积20，使得蓄液器17在吸入冲程期间提供有效的压力波动阻尼，并且蓄液器23在排出冲程期间提供有效的压力波动阻尼。蓄液器17、23的尺寸、节流阀16、22的流动阻力以及其它设计变量也可以自然地根据泵100的预期运行条件、例如，预期的压力水平、要泵送的流体类型、中间室3中使用的流体等来配置。应当注意，节流阀16、22中的一者或两者可以具有可调节的流动阻力，以便例如如果需要泵100在变化的外部运行条件下运行，则可以改变流动阻力。
在某些应用中，这种压力脉动可能仅在吸入冲程或排出冲程期间普遍存在(达到有问题的程度)。在这种情况下，仅有一个蓄液器的解决方案可能就足够了。替代性地，可能的情况是，可以设计一个蓄液器，以便在吸入冲程和排出冲程期间提供令人满意的脉动阻尼。
根据这里描述的实施方式，泵送的流体中的脉动能量因此通过节流效应转换成热。由于阻尼器不布置在泵送的介质的管道中，而是连接至中间室3并且使用该室中的流体，因此可以获得可靠的阻尼效果。中间室3中的流体的特性通常是众所周知的，并且不会像泵送的流体的特性那样由于温度、成分、杂质等的变化而随时间变化。因此，可以使用该信息来设计蓄液器、节流阀和其他部件，以提供良好的性能。根据本文中描述的实施方式的解决方案可以例如特别适用于输送具有固体含量的流体或其特性变化或难以预测的流体的泵。这种流体的示例可能包括钻井泥浆、浆料或来自采矿工作的排出水。
本发明不受上述实施方式限制；应当参照所附权利要求。

Claims (9)

1.一种用于泵送泥浆或浆料的泵(100)，所述泵(100)包括：
壳体(2、2’)，所述壳体(2、2’)具有泵室(5)，所述泵室(5)具有流体入口(25)和流体出口(26)，
膜(4)，所述膜(4)布置在所述壳体(2、2’)内并且将所述泵室(5)与中间流体室(3)划界，
往复式泵送构件(1)，所述往复式泵送构件(1)操作性地布置在所述中间流体室(3)中，
蓄液器(17、23)，所述蓄液器(17、23)经由节流阀(16、22)流体连接至所述中间室(3)。
2.根据前一权利要求所述的泵(100)，其中，所述蓄液器(17、23)构造成抑制所述中间室(3)中的压力波动，所述压力波动具有比所述泵(100)的往复速度更高的频率。
3.根据任一前述权利要求所述的泵(100)，其中，所述蓄液器(17、23)是第一蓄液器(17)且所述节流阀(16、22)是第一节流阀(16)，并且其中，所述泵(100)包括经由第二节流阀(16、22)流体连接至所述中间室(3)的第二蓄液器(23)。
4.根据前一权利要求所述的泵(100)，其中，所述第一蓄液器(17)构造成抑制与所述泵(100)的设计进气压力对应的第一压力水平(PS)下的压力波动，并且所述第二蓄液器(23)构造成抑制与所述泵(100)的设计排出压力对应的第二压力水平(PD)下的压力波动。
5.根据任一前述权利要求所述的泵(100)，其中，所述第一节流阀(16)和所述第二节流阀(22)中的至少一者构造成用于可调节的流动阻力。
6.一种用于抑制泵(100)中的压力波动的方法，所述方法包括：
操作所述泵(100)以对泵送泥浆或浆料进行泵送；
提供一个或更多个蓄液器(17、23)，所述一个或更多个蓄液器(17、23)经由一个或更多个节流阀(16、22)流体连接至所述泵(100)的中间室(3)；以及
通过所述一个或更多个蓄液器(17、23)抑制所述中间室(3)中的压力波动，所述压力波动具有比所述泵(100)的往复速度更高的频率。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，与所述泵(100)的设计进气压力对应的第一压力水平(PS)下的压力波动由第一蓄液器(17)抑制。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，与所述泵(100)的设计排出压力对应的第二压力水平(PD)下的压力波动由第二蓄液器(23)抑制。
9.根据权利要求6、7或8所述的方法，其中，所述一个或更多个节流阀(16、22)具有可调节的流动阻力。
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