TW202323666A

TW202323666A - 低溫泵

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Publication number: TW202323666A
Application number: TW111134758A
Authority: TW
Inventors: Ｊｒ道格拉斯Ａ道可
Original assignee: 美商圖表能源與化學有限公司
Priority date: 2021-09-14
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2023-06-16
Also published as: CA3231493A1; AR127060A1; WO2023043707A1; AU2022344999A1; US20230093093A1

Abstract

一種用於泵送低溫液體的泵，包括具有缸體的泵殼體，活塞可滑動地定位在缸體中。接收中間流體的中間流體室限定在缸體內鄰近活塞的第一端，流體泵送室限定在缸體內鄰近活塞的第二端。中間流體密封件附接至活塞並接合缸體。泵送流體密封件附接至活塞並配置成接合缸體，所述泵送流體密封件與中間流體密封件間隔開，從而差壓空間限定在缸體內於中間流體密封件和泵送流體密封件之間。差壓通風閥與差壓空間流體連通。差壓開關感測差壓空間內的壓力，並在差壓空間內的壓力達到預定壓力水平時打開差壓通風閥。

Description

低溫泵

本發明總體涉及用於低溫液體的泵，更具體地，涉及使用中間流體並降低泵密封件上的差壓的低溫泵。

低溫流體比如液態天然氣和氫氣是沸點低於-130°F/-90℃的流體。低溫流體作為能源越來越重要，並且還具有許多重要的工業用途。

例如，隨著燃料電池技術的進步和氫在家庭發電中的使用，氫作為替代清潔能源的重要性日益增加。此外，燃料電池技術的使用比如在燃料電池驅動的車輛中的使用正在增長。

與其他低溫流體(比如液態天然氣)一樣，氫以液態形式運輸和儲存更有效。此外，希望以高密度儲存氫，並以減少的體積和低成本運輸和使用氫，以幫助建立實用的氫基礎設施。此外，為了使用和運輸以及有效儲存，通常需要對其他低溫液體加壓。因此，低溫泵是低溫液體儲存和運輸的關鍵部件。

低溫泵密封件(特別是在高壓應用中)易於洩漏，這對低溫泵的性能是有害的。

本主題的多個方面可以在下面描述和要求保護的設備和系統中單獨或一起實施。這些方面可以單獨使用或者與本文所述主題的其他方面結合使用，並且對這些方面一起的描述並不旨在排除這些方面的單獨使用或者這些方面的單獨請求項或者如所附請求項中闡述的不同組合。

一方面，一種用於泵送低溫液體的泵包括限定缸體的泵殼體。活塞可滑動地定位在缸體內，使得配置成接收中間流體的中間流體室限定在缸體內鄰近活塞的第一端，並且流體泵送室限定在缸體內鄰近活塞的第二端。流體泵送室包括入口和出口。中間流體密封件附接到活塞並配置成接合缸體。泵送流體密封件也附接到活塞並配置成接合缸體。泵送流體密封件與中間流體密封件間隔開，從而差壓空間限定在缸體內於中間流體和泵送流體密封件之間。差壓通風閥與差壓空間流體連通。差壓開關可操作地連接到差壓通風閥，並配置為感測差壓空間內的壓力，並在差壓空間內的壓力達到預定壓力水平時打開差壓通風閥。

另一方面，一種用於泵送低溫液體的方法包括以下步驟：提供泵，該泵具有可滑動地定位在缸體內並限定中間流體室和流體泵送室的活塞、中間流體密封件和泵送流體密封件，從而在中間和泵送流體密封件之間限定差壓空間，通過循環地將中間流體引導至泵的中間流體室來致動活塞，使得低溫液體被泵的流體泵送室接收和泵送，檢測差壓空間的壓力，並且當檢測到的壓力達到預定壓力水平時排放差壓空間。

應該注意的是，雖然下面示出和呈現的實施例是根據泵送液態氫來描述的，但本發明可以用於泵送其他類型的低溫液體。

圖1示出了用於將液態氫泵送至高壓的系統。僅作為示例，該系統可以將液態氫泵壓至約1000巴。該系統包括總體用10表示的第一低溫泵和總體用12表示的第二低溫泵。如下面將更詳細描述，泵10和12由中間流體驅動，比如丙烷、1-丁烯或本領域已知的其他流體。雖然示出了兩個低溫泵，但該系統可以包括單個低溫泵或多於兩個低溫泵。

圖1的實施例使用丙烷作為中間流體來驅動泵10和12。丙烷可以在相當溫暖的溫度(約-14°F)且因此低壓下保持為液態。液態氫約為-415°F。如以下更詳細解釋，可以使用壓裂式泵將丙烷泵送至非常高的壓力(1000巴= 14500psi)。高壓丙烷驅動泵10和12的活塞以將液態氫泵送至接近1000巴。中間流體的使用減少了密封問題，並且密封件上的差壓可以保持最小。結果，氫密封洩漏和摩擦(兩者都對氫泵的整體性能有害)可以減少。

除了丙烷之外的流體，包括但不限於1-丁烯，可以替代地用作驅動泵10和12的中間流體。

參照圖1，低溫泵10和12分別位於相應的貯槽14和16中。貯槽14包括氫液體入口18，液態氫通過該入口流入貯槽，使得泵10的殼體20的底部被浸沒。結果，泵10被液態氫保持冷卻，使得泵送期間泵10內的蒸汽形成被消除(或至少最小化)。貯槽14還包括液態氫出口22，使得液態氫可以返回到源，以提供液態氫通過貯槽14的再流通(比如當泵空閒且不使用時)。貯槽16類似地具有泵殼體23、氫液體入口24和氫液體出口26。

泵10的泵殼體20限定缸體32，活塞34滑動地設置在缸體32內。活塞包括中間流體或丙烷密封件36和泵送流體或氫氣密封件38。泵12的泵殼體23類似地限定包含活塞44的缸體42。泵10和12的活塞34和44分別在圖1中泵10所示的下止點位置和圖1中泵12所示的上止點位置之間移動。當從下止點移動到上止點位置時，每個泵的活塞沿圖1中泵12的箭頭46所示的上行衝程或氫氣吸入方向移動，而當從上止點移動到下止點位置時，沿圖1中泵10的箭頭48所示的下行衝程或氫氣排出方向移動。

活塞34將泵10的缸體32分成泵送室52和中間流體室54。泵10的泵入口(在圖1中由箭頭56表示)形成在泵送室52中，使得在活塞34的上行衝程期間，來自貯槽14的液態氫進入泵送室。在活塞34的下行衝程期間，泵送室52內的液態氫通過泵排出管線58離開泵送室。僅作為示例，液態氫可以在約1000巴的壓力下通過泵排出管線58離開泵10，到達液態氫儲罐或過程。泵12具有類似的結構和功能。

繼續參考圖1，泵10的環形差壓(“dP”)空間62被限定在活塞34的側壁、中間流體密封件、泵送流體密封件和泵殼體34的內表面之間。環形dP空間62連接到具有由dP開關68控制的dP通風閥66的通風管線64，該dP通風閥66基於環形dP空間內的壓力和中間流體泵管線72內的中間流體壓力之間的差打開和關閉。

環形dP空間中的壓力可以經由通風管線64(如圖1所示)或者經由dP開關68和環形dP空間之間的專用連接來測量。此外，中間流體的壓力可以替代地通過與中間流體室54的流體連接(而不是管線72)由dP開關68檢測。泵12具有類似的結構和功能。dP開關68可以是感測壓力的開關，或者可以替代地包括感測壓力的壓力傳感器或控制器以及基於由傳感器或控制器感測的壓力而啟動的獨立開關。

圖1的低溫泵10和12由驅動系統驅動，比如總體以80表示的中間流體回路。中間流體回路包括包含製冷盤管84的冷卻容器82。冷卻容器82可以通過管線86重新填充丙烷，並且同樣設置有通風管線88以適應填充液態丙烷。如本領域中已知，通風管線88可以設置有通風閥，當冷卻容器82內的壓力達到預定水平時，該通風閥自動打開。

製冷盤管84接收來自製冷系統或其他來源的製冷劑，並冷卻冷卻容器82內的丙烷。製冷系統和盤管84優選配置成將冷卻容器內的丙烷冷卻到對應於低於氫貯槽14(或16)內壓力的壓力的溫度。

來自冷卻容器82的液態丙烷通過一個或多個高壓中間流體泵92被泵送到泵10的低溫泵致動閥94a和94b以及泵12的泵致動閥96a和96b。僅作為示例，高壓泵92可以是壓裂式泵，其將丙烷泵送到非常高的壓力，比如1000巴。可替代地，可以使用本領域已知的替代高壓泵。

從泵10和12的活塞34和44處於圖1所示的位置(即下止點和上止點)開始，致動閥94a關閉，致動閥94b打開。結果，當活塞34沿其上行衝程或吸入方向(與圖1中箭頭48的方向相反)移動時，中間流體室54內的液態丙烷通過閥94b經由再流通管線98被引導回到冷卻容器82。同時，致動閥96a打開，致動閥96b關閉，使得來自高壓中間流體泵92的加壓丙烷被供應到低溫泵12的中間流體室102。結果，活塞44沿其下行衝程或氫排放方向(與圖1中箭頭46的方向相反)被驅動，從而迫使/泵送泵12的泵送室104內的液態氫通過低溫泵排放管線106到達液態氫儲存或過程。當活塞34到達上止點並且活塞44到達下止點時，致動閥94a和96b打開，同時致動閥94b和96a關閉，使得加壓的液態丙烷可以從中間流體泵92導入泵10的中間流體室54，同時液態丙烷經由再流通管線108從泵12的中間流體室102被驅動到冷卻容器82。

重複前一段的循環，使得低溫泵10和12由以循環方式輸送到泵的中間流體驅動，而液態氫在泵10和12的下行衝程/排放衝程期間以循環方式通過泵排放管線58和106以高壓泵送。當這種情況發生時，在泵10和12的上行衝程/吸入衝程期間，中間流體/丙烷以循環方式通過再循環管線98和108被驅回冷卻容器82。

高壓再流通閥112也與中間流體泵92的出口流體連通。當低溫泵10和12中的每個中的活塞降至最低點/到達下止點時，高壓再流通閥112暫時打開，以防止當相應的活塞轉換到向上衝程/吸入方向的運動時系統過壓。當閥112打開時，來自中間流體泵92的未被引導至致動閥的丙烷流通過再流通管線108(儘管可以使用專用的返回管線)被引導回冷卻容器82。

丙烷流動壓力由致動閥94a、94b、96a和96b設定，並由迫使泵10和12的活塞達到1000巴氫壓以將液態氫泵送至儲存或過程所需的壓力確定。

現有技術中已知的替代驅動系統可以用來代替圖1的中間流體回路80，以使用中間流體驅動低溫泵10和12。

可選的接近開關114和116可以與活塞位置桿115和117結合使用，以指示低溫泵10和12的活塞34和44的位置。這些開關可用於控制中間流體流的速率和活塞的速度，並確保活塞可在缸體中降至最低點而不會損壞，以最小化泵中的餘隙容積。

中間流體密封件36和122以及泵送流體密封件38和124通常保持泵10的環形dP空間62和泵20的環形dP空間132沒有氫氣和丙烷。

泵10的dP開關68和泵12的dP開關118被設置成防止丙烷中間流體洩漏到液態氫中，並且防止液態氫洩漏到丙烷中間流體中，並且在所有情況下都減小中間流體密封件36、122和泵送流體密封件38、124上的差壓，優選地減小到最小。

在圖1的實施例中，每個低溫泵10和12的dP開關68和118的壓力設置略小於中間流體壓力(通過中間流體泵管線72和126測量),以防止中間流體在下行衝程(箭頭48)洩漏到氫產品中，其中中間流體壓力必須高於氫貯槽壓力。每個dP開關的這種壓力設置還防止氫氣在上行衝程(箭頭46)洩漏到中間流體中，其中氫貯槽壓力必須高於中間流體壓力。

在操作中，參考圖1的低溫泵10，在由泵10完成的活塞下行衝程期間，丙烷的壓力必須高於氫貯槽中的壓力(以驅動活塞34和泵送氫氣)。丙烷因此可能通過中間流體密封件36洩漏到環形dP空間62中。dP開關68將控制通風閥66，使得環形dP空間62中的壓力略小於中間流體/丙烷壓力，該壓力也將小於貯槽14和泵送室52中的氫氣被泵送時的壓力。結果，如果環形dP空間62中的壓力上升到剛好低於中間流體室54(和管線72)中的丙烷壓力的水平，洩漏到環形dP空間62中的丙烷將被驅動到打開的dP通風閥66之外，而不是通過密封件38進入液態氫。離開打開的dP通風閥66的丙烷可被排放或回收以供使用，比如在中間流體回路80中。

相反，關於低溫泵12，在由泵12完成的活塞上行衝程期間，泵12的泵送室104中的氫壓力將高於中間流體室102(和管線126)中的中間流體壓力。結果，氫氣可能通過泵送流體密封件124洩漏到環形dP空間132中。如在泵10的情況下，dP開關118將控制dP通風閥136，使得環形dP空間132中的壓力略小於中間流體/丙烷壓力。結果，如果環形dP空間122中的壓力上升到剛好低於中間流體室102(和管線126)中的丙烷壓力的水平，洩漏到環形dP空間132中的氫氣將被驅動到打開的dP通風閥136之外，而不是通過密封件122進入丙烷中間流體。離開打開的dP通風閥136的氫氣可被排放或回收以供使用，比如在向貯槽14和16供應氫氣的系統中。

在泵10的上行衝程階段，泵10則如上針對泵12所述地運行，而在泵12的下行衝程階段，泵12則如上針對泵10所述地運行，隨著液態氫被泵送，泵10和12循環通過各個階段。

如圖2所示，一個或多個可選的補充密封件202和204可用於在低溫泵210的中間流體密封件236和泵送流體密封件238以及泵212的中間流體密封件222和泵送流體密封件224之間將洩漏的中間流體與洩漏的氫氣分離。如圖2所示，補充密封件202和204將泵210和212的環形dP空間分成中間流體環形dP空間242和244以及泵送流體dP空間246和248。每個泵210和212的任一dP環形空間或者每個泵的兩個dP環形空間可以設置有上面參照圖1描述的dP開關和dP通風閥裝置。

圖2中還示出了專用dP開關和dP閥的實施例。更具體地，如前所述，低溫泵210包括中間流體環形dP空間242和泵送流體dP空間246。中間流體dP通風閥252與中間流體環形dP空間242流體連通。中間流體dP通風閥252由中間流體dP開關254控制，該開關基於中間流體環形dP空間242內的壓力和中間流體泵管線256內的壓力之間的差打開和關閉。低溫泵212具有類似的佈置。

類似地，泵送流體dP通風閥262與泵送流體環形dP空間246流體連通。泵送流體dP通風閥262由泵送流體dP開關264控制，該開關基於泵送流體環形dP空間246內的壓力和中間流體泵管線256內的壓力之間的差打開和關閉。低溫泵212具有類似的佈置。

如同在圖1的實施例中，圖2的dP開關254和264(以及泵212的相應dP開關)的設置略小於中間流體壓力(通過中間流體泵管線256測量),以防止中間流體在下行衝程(由泵210的箭頭248所示)洩漏到氫產品中，其中中間流體壓力必須高於氫儲存壓力。每個dP開關的這種壓力設置還防止氫在上行衝程洩漏到中間流體中(由泵212的箭頭256示出)，其中氫貯槽壓力必須高於中間流體壓力。

圖1的低溫泵10和12，或者圖2的低溫泵210和212，可以如圖3所示的隔熱實施例所示隔熱。如泵10所示，貯槽套302圍繞貯槽14形成，從而提供真空空間304。此外，泵套306圍繞泵殼體20設置，從而形成真空空間308。真空空間304和308可以通過頸部套312連接。頸部套312可用於將泵套懸掛在貯槽內，並限定相對於真空空間304和308開放的真空空間。頸部套312還可以包圍用於將泵殼體20懸掛在貯槽內的結構以及活塞位置桿115(圖1)。泵12具有類似的隔熱。

本主題的多個方面可以在下面描述和要求保護的方法、設備和系統中單獨或一起實施。這些方面可以單獨使用或者與本文所述主題的其他方面結合使用，並且對這些方面一起的描述並不旨在排除這些方面的單獨使用或者這些方面的單獨請求項或者如所附請求項中闡述的不同組合。

雖然已經示出和描述了本發明的優選實施例，但對於本領域技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發明的精神的情況下，可以對其進行改變和修改，本發明的範圍由所附請求項限定。

10、210:低溫泵 12、212:第二低溫泵 14、16:氫貯槽 18、24:氫液體入口 20、23:泵殼體 22、26:氫液體出口 32、42:缸體 34、44:活塞 36、122、236、222:丙烷密封件 38、124、238、224:氫氣密封件 46、48:箭頭 52、104:泵送室 54、102:中間流體室 56:泵入口 58、106:排出管線 62、132、242、244:環形差壓(“dP”)空間 64、88:通風管線 66、136、252、262dP:通風閥 68、118、 254、264dP:開關 72、86、98、108、126、256:管線 80:流體回路 82:冷卻容器 84:製冷盤管 92:高壓泵 94a、94b、96a、96b:致動閥 112:再流通閥 114、116:開關 115、117:活塞位置桿 202、204:補充密封件 246、248:泵送流體dP空間 302:貯槽套 304、308:真空空間 306:泵套 312:頸部套

圖1是示出包括本發明低溫泵的實施例的系統的過程流程和示意圖；

圖2是示出包括本發明低溫泵的替代實施例的系統的過程流程和示意圖；

圖3示出了可用於圖1和圖2系統的低溫泵的隔熱系統的實施例。

10:低溫泵

12:第二低溫泵

14、16:氫貯槽

18、24:氫液體入口

20、23:泵殼體

22、26:氫液體出口

32、42:缸體

34、44:活塞

36、122:丙烷密封件

38、124:氫氣密封件

46、48:箭頭

52、104:泵送室

54、102:中間流體室

56:泵入口

58、106:排出管線

62、132:環形差壓(“dP”)空間

64、88:通風管線

66、136:dP通風閥

68、118:dP開關

72、86、98、108、126:管線

80:流體回路

82:冷卻容器

84:製冷盤管

92:高壓泵

94a、94b、96a、96b:致動閥

112:再流通閥

114、116:開關

115、117:活塞位置杆

Claims

一種用於泵送低溫液體的泵，包括： a. 泵殼體，其限定缸體； b. 活塞，其可滑動地定位在缸體內，使得配置成接收中間流體的中間流體室限定在缸體內鄰近活塞的第一端，並且流體泵送室限定在缸體內鄰近活塞的第二端，所述流體泵送室包括入口和出口； c. 中間流體密封件，其附接至活塞並配置成接合缸體； d. 泵送流體密封件，其附接至活塞並配置成接合缸體，所述泵送流體密封件與中間流體密封件間隔開，使得差壓空間限定在缸體內於中間流體密封件和泵送流體密封件之間； e. 差壓通風閥，其與差壓空間流體連通； f. 差壓開關，其可操作地連接到差壓通風閥，並配置為感測差壓空間內的壓力，並在差壓空間內的壓力達到預定壓力水平時打開差壓通風閥。
根據請求項1所述的泵，還包括貯槽，所述泵殼體的一部分位於該貯槽內，所述貯槽配置成接收泵殼體的一部分並將其浸沒在低溫液體內，並且向所述泵送室的入口提供低溫液體以進行泵送。
根據請求項1所述的泵，還包括在所述中間流體密封件和泵送流體密封件之間附接至所述活塞的補充密封件，使得所述差壓空間被分成中間流體差壓空間和泵送流體差壓空間。
根據請求項3所述的泵，其中，所述差壓通風閥包括與所述中間流體差壓空間流體連通的中間流體通風閥和與所述泵送流體差壓空間流體連通的泵送流體通風閥，所述差壓開關包括可操作地連接到所述中間流體差壓通風閥的中間流體差壓開關和可操作地連接到所述泵送流體差壓通風閥的泵送流體差壓開關，所述中間差壓開關配置成感測中間流體差壓空間內的壓力，並且當中間流體差壓空間內的壓力達到第一預定壓力水平時打開中間流體差壓通風閥，並且所述泵送流體差壓開關配置成感測泵送流體差壓空間內的壓力，並且當泵送流體差壓空間內的壓力達到第二預定壓力水平時打開泵送流體差壓通風閥。
根據請求項4所述的泵，其中，所述第一和第二預定壓力水平低於所述中間流體室內的中間流體壓力。
根據請求項1所述的泵，其中，所述預定壓力水平低於所述中間流體室內的中間流體壓力。
根據請求項1所述的泵，其中，所述差壓空間是環形空間。
根據請求項1所述的泵，還包括驅動系統，用於循環地向所述中間流體室提供中間流體，使得所述活塞被致動以從所述泵送室泵送低溫液體。
根據請求項8所述的泵，其中，所述驅動系統包括： i) 中間流體容器，其配置為容納中間流體的供應； ii) 高壓泵，其配置為接收和泵送來自中間流體容器的中間流體； iii) 第一致動閥，其配置為當處於打開配置時，接收來自高壓泵的中間； iv) 第二致動閥，其配置為當處於打開配置時，接收來自泵缸體的中間流體室的中間流體並將中間流體引導至中間流體容器。
根據請求項9所述的泵，其中，所述驅動系統還包括高壓再流通閥，其配置為當處於打開配置時將中間流體流從所述高壓泵引導至所述中間流體容器。
根據請求項9所述的泵，其中，所述中間流體容器包括製冷盤管，其配置為冷卻所述中間流體容器內的中間流體供應。
根據請求項1所述的泵，還包括接近開關，其可操作地連接到所述活塞，並且配置為使得可以檢測活塞的位置。
根據請求項1所述的泵，其中，所述低溫液體是氫液體。
根據請求項1所述的泵，其中，所述中間流體是丙烷。
根據請求項1所述的泵，其中，所述中間流體是1-丁烯。
根據請求項1所述的泵，還包括： g. 貯槽，所述泵殼體的一部分位於該貯槽內，所述貯槽配置成接收泵殼體的一部分並將其浸沒在低溫液體內，並且向所述泵送室的入口提供低溫液體以進行泵送； h. 貯槽套，其圍繞所述貯槽，從而在它們之間限定貯槽隔熱空間； i. 泵套，其圍繞所述泵殼體，從而在它們之間限定泵隔熱空間。
一種用於泵送低溫液體的方法，包括以下步驟： a. 提供具有活塞的泵，該活塞可滑動地定位在缸體內並限定中間流體室和流體泵送室、中間流體密封件和泵送流體密封件，從而在中間和泵送流體密封件之間限定差壓空間； b. 通過循環地將中間流體引導至泵的中間流體室來致動活塞，使得低溫液體被泵的流體泵送室接收和泵送； c. 檢測差壓空間的壓力； d. 當檢測到的壓力達到預定壓力水平時，排放差壓空間。
根據請求項17所述的方法，其中，所述預定壓力水平是低於所述中間流體室中的中間流體壓力的壓力。
根據請求項17所述的方法，還包括使用低溫液體在貯槽內冷卻所述泵的步驟。
根據請求項17所述的方法，其中，所述低溫液體是液態氫。
根據請求項17所述的方法，其中，所述中間流體是丙烷。
根據請求項17所述的方法，其中，所述中間流體是1-丁烯。