CN115066554A - 压缩设备和包括这种设备的充装站 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有多个压缩级的流体压缩设备(1)，该流体压缩设备包括第一压缩室(3)、第二压缩室(4)、与第一压缩室(3)连通并且被配置成允许要压缩的流体进入所述第一压缩室(3)的进入系统(2)、被配置成处于打开位置时允许将流体从第一压缩室(3)传送到第二压缩室(4)的传送系统(6)、用于确保在第一压缩室(3)和第二压缩室(4)中对流体进行压缩的移动活塞(5)。该设备(1)进一步包括与第二压缩室(4)连通并且被配置成允许压缩流体离开的排放孔(7)，活塞(5)在纵向方向(A)上平移移动，其中第一压缩室(3)由固定下腔体(14)、活塞(5)的下端部以及形成在活塞(5)与腔体(14)的壁之间的第一密封系统(22)界定，其中第二压缩室(4)由固定上腔体(24)、活塞(5)的上端部以及形成在活塞(5)与上腔体(24)的壁之间的第二密封系统(10)界定。本发明的特征在于，处于设备(1)的操作配置时，移动活塞(5)平移的纵向方向(A)是竖直的，进入系统(2)位于设备(1)的下端部，并且排放孔(7)位于设备(1)的上部、在传送系统(6)上方。

Description

压缩设备和包括这种设备的充装站
本发明涉及一种低温流体压缩设备以及一种包括这种设备的充装站。
本发明更具体地涉及一种具有多个压缩级的流体压缩设备，该流体压缩设备包括第一压缩室、第二压缩室、与第一压缩室连通并且被配置成允许要压缩的流体进入所述第一压缩室的进入系统、被配置成处于打开配置时允许将流体从第一压缩室传送到第二压缩室的传送系统、用于确保在第一压缩室和第二压缩室中对流体进行压缩的移动活塞，该设备还包括与第二压缩室连通并且被配置成允许压缩流体排出的排放孔，活塞在纵向方向上以平移运动的方式移动，第一压缩室由固定下腔体、活塞的下端部以及形成在活塞与下腔体壁之间的第一密封系统界定，第二压缩室由固定上腔体、活塞的上端部以及形成在活塞与上腔体壁之间的第二密封系统界定。
本发明尤其涉及一种用于压缩或泵送低温气体和/或液体的设备。
在下文中，特别地，术语“压缩设备”和“泵”可以互换使用，并且术语“泵送”和“压缩”也可以互换使用。具体地，作为本发明主题的设备是一种用于泵送和/或压缩液体和/或气体和/或超临界低温流体的设备。
低温流体的密度比气态流体高得多。因此，低温泵(与气体压缩机相比)具有更高的质量流量、更小的体积，消耗更少能量并且需要更少的维护。因此，低温泵被用于许多领域，例如用于从空气中分离气体的装置、重整器、充装站、海运业。
所讨论的流体一般地包括氧、氮、天然气、氩、氦或氢。这些压缩设备(或泵)具有将低温流体加压到目标流量的功能。
例如，低温活塞泵可以直接在低温源储存器的出口处成直线放置或者放置在位于旁边的专用低温槽(也称为“贮槽”)中，并且直接由主储存罐供给。
出于各种原因，尤其是为了维护和设计方便，低温泵通常呈现往复运动，并且插入到罐中以浸没在要泵送的低温流体中。
根据应用的不同，低温泵通常具有1至12巴的入口压力和20至1000巴的出口压力。泵可以利用往复运动而具有一个或多个压缩级。
具有两个压缩级的机构通常是优选的，因为它允许进入阶段(在此阶段期间需要流体的密度尽可能大，因此温度也尽可能低)与加压阶段(在此阶段期间可能产生对该方法不利的大量热量)分开。
低温活塞泵的关键性能指标是：容积效率、蒸发损失、能量消耗、占地空间和耐久性。
因此，往复式低温泵的关键特征应该是：
-进入密度尽可能高，
-相对于环境的隔热性非常好，
-最小死区体积(因此高压缩比)，
-用于实现快速维护和高可靠性的简单稳健的设置，
-良好地控制蒸发损失以限制其影响。
文件US 7410348描述了一种具有两个压缩级、经由止回阀轴向进入以及径向排放的水平活塞泵。这种设置表现出很大的死区体积。此外，在分别位于高压室的两侧的两个高压密封件系统中，泄漏损失相对较高。
这也导致设置和维护更难。
本发明的目的是克服现有技术的所有或一些上述缺陷。
为此，根据本发明的、在其他方面符合上述前序部分中给出的一般定义的压缩设备的实质性特征在于，当该设备处于操作配置时，活塞平移的纵向方向是竖直的，进入系统位于设备的下端部，排放孔位于设备的上部、在传送系统上方。
此外，本发明的实施例可以具有以下特征中的一个或多个：
下腔体和上腔体是不同的实体，活塞包括提供第一压缩室与第二压缩室之间的流体连接的内部管道；
活塞例如经由围绕上腔体布置并且在纵向轴线方向上延伸的至少一个轴而机械地连接到致动构件，例如马达和/或从马达传递运动的系统；
传送系统位于与活塞的上端部齐平的位置；
形成在活塞与上腔体壁之间的第二密封系统仅位于第二压缩室的下端部的高度处和/或在第二压缩室下方；
排放孔位于上腔体的上端部的高度处，该设备包括用于排放压缩气体的管道，该管道包括连接到排放孔的第一端部和位于设备的上部的第二端部；
进入系统位于下腔体的下端部；
在第二压缩室中对流体进行压缩是由活塞的上行冲程引起的；
该设备容纳在包含低温冷却流体槽的密封外壳中。
本发明还涉及一种用于向罐充装加压气体的站，该站包括液化气体(尤其是液化氢)源、抽取回路，该抽取回路具有连接到该源的第一端部和旨在连接到要充装的罐的至少一个第二端部，该抽取回路包括根据上文或下文特征中的任一项的流体泵送设备或流体压缩设备。
本发明还可以涉及包括权利要求范围内的上述或下述特征的任何组合的任何替代性的装置或方法。
通过阅读以下参考附图提供的描述，进一步的特定特征和优点将变得显而易见，在附图中：
[图1]示出了展示根据本发明的压缩设备的一个示例性实施例的结构的纵向竖直截面的示意性局部视图，
[图2]示出了展示根据本发明的压缩设备的操作循环的第一配置的纵向竖直截面的示意性局部视图，
[图3]示出了展示根据本发明的压缩设备的操作循环的第二配置的纵向竖直截面的示意性局部视图，
[图4]示出了展示根据本发明的压缩设备的操作循环的第三配置的纵向竖直截面的示意性局部视图，
[图5]示出了展示根据本发明的压缩设备的操作循环的第四配置的纵向竖直截面的示意性局部视图，
[图6]示出了展示根据本发明的压缩设备的操作循环的第五配置的纵向竖直截面的示意性局部视图，
[图7]示出了展示根据本发明的压缩设备的另一示例性实施例的结构的纵向竖直截面的示意性局部视图，
[图8]示出了展示根据本发明的压缩设备的又一示例性实施例的结构的纵向竖直截面的示意性局部视图，
[图9]示出了展示使用这种压缩设备的充装站的示例的示意性局部视图。
[图1]中描绘的流体压缩设备1包括两个串联压缩级。
设备1特别地包括第一压缩室3(处于相对较低的压力)和第二压缩室4(处于相对较高的压力)。
设备1包括进入系统2，该进入系统与第一压缩室3连通并且被配置成允许要压缩的流体进入所述第一压缩室3。进入系统2可以包括例如以下中的至少一者：一个或多个止回阀、一个或多个孔或端口、至少一个平盘阀或者在进入阶段期间允许要压缩的流体进入第一压缩室3中并且在压缩阶段防止流体离开的任何其他装置或阀。特别地，在一个可能的实施例中，
此系统2在其两端之间为给定压力差的情况下打开。此外，第一室可以配备有减压阀或者被配置成将室内的压力限制在低于给定安全阈值的一些其他安全元件。
设备1还包括系统6，该系统(根据其状态)允许或不允许将流体从第一压缩室3传送到第二压缩室4(在第一压缩室3中的流体压缩阶段期间和/或结束时)，但是该系统在第二压缩室4中的压缩阶段期间保持关闭。此传送系统6可以与进入系统2的类型相同。
设备1包括能够进行平移运动以对第一压缩室3和第二压缩室4中的流体进行压缩的移动活塞5(如下文详述描述的)。
设备1还包括排放孔7，该排放孔与第二压缩室4连通并且被配置成允许在第二压缩室4中被压缩的流体离开(在该室中的压缩阶段期间或结束时)。排放孔7可以设置有单向阀或止回系统，该单向阀或止回系统可以与进入系统2的类型相同(例如，当第二压缩室4与外部之间的压力差低于给定阈值时关闭)。
第一压缩室3由固定下腔体14(例如圆柱形容器)、活塞5的下端部、和形成在活塞5与下腔体14的壁之间的第一密封系统22界定。进入系统2可以位于下腔体14的下端部。
第二压缩室4由固定上腔体24(例如圆柱形容器)、活塞5的上端部、和形成在活塞5与上腔体24的壁之间的第二密封系统10界定。
活塞5能够在纵向方向A上平移运动。当设备1处于操作配置时，活塞5平移的纵向方向A是竖直的。进入系统2位于设备1的下端部，排放孔7位于设备1的上部、在传送系统6上方。
这种配置确保了要压缩的流体进入设备1的下部，即进入最冷区域。此外，输送和任何泄漏物位于设备的上部区域。这种配置有助于相对较冷和较热的两个区域之间最低程度混合或零混合。
这种具有竖直压缩冲程的竖直布置允许相对较冷的流体流(在进入处)与相对较热的流体流(在排出处)之间良好地分离。特别地，第二压缩室4中的压缩冲程是上行冲程(活塞5杆被向上朝向设备1的热部拉动)。
特别地，在压缩到高压力期间，活塞5的这种上行冲程在活塞杆上产生张力。这从机械角度来看是有利的，因为在该张力下，杆不发生屈曲(在加压/推力下会发生屈曲)。此外，该拉动压缩布置不需要将活塞杆沿其长度规律地引导。这也允许活塞杆的横截面面积减小(例如通过使杆中空或减小其直径)。此外，使得可以根据热损失的可接受水平来减小活塞杆的长度。
如已经示意性地描绘的，活塞5可以由致动构件21(例如位于设备1的上部的马达)驱动。
活塞5可以经由围绕上腔体24定位的至少一个轴23(即围绕上腔体纵向延伸的至少一个轴23)机械地连接到致动构件21。
例如，若干个轴23一方面连接到活塞5的下端部并且另一方面连接到板27或支撑件，该板或支撑件固定至连接到致动构件21的轴26。
当然，该结构被配置成允许活塞5在板24(或其他支撑件)中进行相对滑动运动。因此，例如，轴23可以被配置成滑动穿过固定支撑件(未描绘)以保持板24。
如所展示的，下腔体14和上腔体24可以是不同的物理实体。活塞5可以包括提供第一压缩室3与第二压缩室4之间的流体连接的至少一个内部管道25。
传送系统6可以位于活塞5的上端部，例如位于通向第二压缩室4的内部管道25的上端部。
作为优选，形成在活塞5与上腔体24壁之间的第二密封系统10仅位于第二压缩室4的下端部的高度处和/或在第二压缩室4的下方。
这种结构然后使得可以仅在第二压缩室4的一端(下端部)设置单个高压动态密封系统。因此，此高压密封系统10可以仅位于第二压缩室4的下端部和/或在第二室4的下方。
相比之下，在上文提及的现有技术中，设置了两个高压动态密封系统，在高压压缩室的每侧各一个(相对于活塞5的行程在每侧各一个)。
与现有技术相比，这种布置大大减少了制造和维护的限制以及泄漏的风险。
排放孔7位于例如上腔体24的上端部的高度处。设备1可以包括压缩气体排放管道11，该管道包括连接到排放孔7的第一端部和位于设备1的上部的第二端部。
如在[图1]中所展示的，压缩设备可以容纳在包含低温冷却流体槽16的隔热密封外壳13中。特别地，第一压缩室3和第二压缩室4可以浸没在液相中。外壳16的上部可以具有收集设备1中的任何泄漏物的气体顶部空间。
因此，设备1的冷头可以竖直地浸没在低温槽16(有时称为贮槽)中。
第一压缩室3可以直接固定至槽16的底部。
如示意性描绘的，活塞5可以由位于上部的致动构件21(例如马达构件21)驱动，也就是说，马达21或致动器沿纵向轴线A相对于压缩室3位于与进入孔2相反的一侧并且与排放孔7和排放管道11相同的一侧(或甚至超过该排放孔7。
如所展示的，在纵向方向A上，排放孔7可以位于一方面的进入孔2与另一方面的排放管道11和/或致动构件21之间)。
致动构件21(马达等)有利地位于外壳13的外部、压缩设备的上部，并且两个压缩室3、4位于外壳13的内部。
这也使得可以提供冲程，由此活塞5在第二压缩室4中的压缩阶段期间被朝向设备的上端部拉动。
现在将结合[图2]至[图6]描述压缩循环的一个示例。
在[图2]中，活塞5处于最下位置(第一压缩室3是空的，并且第二压缩室4中流体的压力例如在2巴至20巴之间)。
当活塞5上升时，位于外壳13底部的低压(例如从1巴至10巴)冷流体可以通过进入系统2被准许进入第一压缩室3(并且流体在第二压缩室4中被加压)，参见[图3]。
随着活塞逐渐上升([图3])，更多的流体填充第一压缩室3。第二压缩室4中的流体被压缩。第一压缩室3被填充。当第二压缩室4中的压力变得大于下游的确定压力(根据应用的不同，例如100巴至1000巴)时，排放系统7打开，经由排放管道11向上排空高压流体。
在最上位置([图4])，第二压缩室4已经排空，第一压缩室3充满。
在上止点位置之后([图5])，在活塞5的下行冲程期间，因为来自前一循环的第二室4中的压力下降到低于第一压缩室3中的压力，流体经由传送系统6从第一压缩室3移动到第二压缩室4([图5])。当在下止点位置之后压力相等时，第二压缩室4被隔离。
设备返回到开始配置并且可以重新开始循环([图6])。
这种具有压缩冲程以及冷部(在底部)热部(在顶部)分离的结构允许压缩效果更好。底部的进入处与顶部的排放处之间的相对较长的距离加强了此优势。
这是因为允许流体在流体处于其温度最低、密度最大的高度处进入，而较热的流体向上偏离。这使槽16中混合和沸腾的风险降到最小。热流体(泄漏物)可以直接收集在上部而不需要专用管道。
整体可以容纳在壳体中。
作为优选，活塞5的下部具有被配置成促使气体经由端口或阀逸出的轮廓。例如，如[图8]中示意性表示的，一个或多个端口126(或孔)可以形成在下腔体14的上部中。当活塞5露出这些端口126时(当活塞5在至少部分端口126的上方时)，端口允许第一压缩室3与外部之间连通。因此，在进入阶段(当室3扩大时)，可能存在于第一压缩室3中的任何气体可以经由这些端口126逸出并且让位给来自周围槽的液体。这确保了在进入期间完全填充液体。此外，在压缩阶段(活塞5在第一压缩室3中向下移动)，这些端口126允许多余液体逸出，由此计量将被截留在其中的液体的体积(例如通过端口126的纵向位置来确定此体积)。
如所展示的，可以设置可选的泄漏气体排放回路12。例如，回路12包括具有第一端部的管道，该第一端部与在活塞5与上腔体之间的空间连通、位于第二密封系统10下方。
在[图7]的替代形式中，在活塞5的下端部设置平盘阀或等同物，以允许流体进入第一压缩室3。
此外，第一室可以配备有减压阀或者被配置成将室内的压力限制在低于给定安全阈值的一些其他安全元件。在[图8]的替代形式中，轴23的下端部连接到活塞的中间部，例如在围绕活塞的本体横向形成的环处。这允许第一室3与第二室4间隔开，从而更好地将要压缩的冷流体与热压缩流体分开。活塞5的下端部、第一腔体14和/或第二腔体24的几何形状可以适于改变两个压缩室3、4的容积比，例如，增加第一压缩室3相对于第二压缩室4的尺寸。
这种类型的压缩设备1(或者多个串联或并联)可以在需要泵送或压缩低温流体的任何低温设施中使用。
例如，用于向罐充装加压气体(例如氢气)的站可以包括液化气体源17、具有连接到源的第一端部和旨在连接到要充装的罐190的至少一个第二端部的抽取回路18，抽取回路18包括这种泵送设备1。泵送的流体可以在下游交换器19中蒸发，并且可选地储存在一个或多个加压缓冲罐20中。

Claims (11)

1.一种具有多个压缩级的流体压缩设备(1)，包括第一压缩室(3)、第二压缩室(4)、与该第一压缩室(3)连通并且被配置成允许要压缩的流体进入所述第一压缩室(3)的进入系统(2)、被配置成处于打开配置时允许将流体从该第一压缩室(3)传送到该第二压缩室(4)的传送系统(6)、用于确保对该第一压缩室(3)和该第二压缩室(4)中对流体进行压缩的移动活塞(5)，该设备(1)还包括与该第二压缩室(4)连通并且被配置成允许压缩流体排出的排放孔(7)，该活塞(5)在纵向方向(A)上以平移运动的方式移动，该第一压缩室(3)由固定下腔体(14)、该活塞(5)的下端部以及形成在该活塞(5)与该下腔体(14)的壁之间的第一密封系统(22)界定，该第二压缩室(4)由固定上腔体(24)、该活塞(5)的上端部以及形成在该活塞(5)与该上腔体(24)的壁之间的第二密封系统(10)界定，其特征在于，当该设备(1)处于操作配置时，该活塞(5)平移的纵向方向(A)是竖直的，该进入系统(2)位于该设备(1)的下端部、在位于该设备(1)的上部的该排放孔(7)下方，该排放孔(7)位于该传送系统(6)上方。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备包括使该活塞(5)移动的致动构件(21)，所述致动构件(21)在该纵向方向(A)上位于该设备(1)的上部与该排放孔(7)齐平或在其上方。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，该下腔体(14)和该上腔体(24)是不同的实体，该活塞(5)包括提供该第一压缩室(3)与该第二压缩室(4)之间的流体连接的内部管道(25)。
4.如权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，该活塞(5)经由围绕该上腔体(24)布置并且在该纵向轴线方向(A)上延伸的至少一个轴(23)而机械地连接到该致动构件(21)。
5.如权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，该传送系统(6)位于与该活塞(5)的上端部齐平的位置。
6.如权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，形成在该活塞(5)与该上腔体(24)的壁之间的该第二密封系统(10)仅位于该第二压缩室(4)的下端部的高度处和/或在该第二压缩室(4)下方。
7.如权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于，该排放孔(7)位于该上腔体(24)的上端部的高度处，该设备(1)包括用于排放压缩流体的管道(11)，该管道包括连接到该排放孔(7)的第一端部和位于该设备(1)的上部的第二端部。
8.如权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于，该进入系统(2)位于该下腔体(14)的下端部。
9.如权利要求1至8中任一项所述的设备，其特征在于，在该第二压缩室(4)中对流体进行压缩是由该活塞(5)的上行冲程引起的。
10.如权利要求1至9中任一项所述的设备，其特征在于，该设备容纳在包含低温冷却流体槽(16)的密封外壳(13)中，所述外壳(13)形成该设备的一部分。
11.一种用于向罐充装加压气体的站，该站包括尤其是液化氢的液化气体源(17)、抽取回路(18)，该抽取回路具有连接到该源的第一端部和旨在连接到要充装的罐(190)的至少一个第二端部，该抽取回路(18)包括如权利要求1至9中任一项所述的流体压缩设备(1)。
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