專利名稱：從貯存罐供應(yīng)低溫流體的高壓泵系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從貯存罐供應(yīng)低溫流體的中壓和高壓泵系統(tǒng)以及一種操縱該系統(tǒng)以將液體和蒸氣從貯存罐排出從而減少排氣(venting)需求的方法。應(yīng)用這種系統(tǒng)和方法的特殊優(yōu)點(diǎn)在于將低溫儲(chǔ)存的燃料供給到內(nèi)燃機(jī)。
背景技術(shù)：
50多年來一直使用天然氣作為活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的燃料，但是改善效率并減少污染的動(dòng)力正導(dǎo)致現(xiàn)有技術(shù)的持續(xù)變化和發(fā)展。在過去，天然氣驅(qū)動(dòng)車輛(NGV)被自然地?zé)熮?fumigated)，也就是天然氣通過進(jìn)氣歧管被引入汽缸內(nèi)，與進(jìn)入的空氣混合并以較低壓力被輸送到汽缸內(nèi)。用于這種NGV的燃料供應(yīng)系統(tǒng)相對簡單。燃料以正好高于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口壓力的工作壓力被保存并從液化天然氣(LNG)車輛貯存罐被供應(yīng)，或通過將壓力降低到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口壓力的調(diào)節(jié)器從壓縮天然氣汽缸(CNG)被供應(yīng)。
壓縮天然氣(CNG)通常在室溫下以每平方英寸3600磅(24，925kPa)的壓力被存儲(chǔ)，由于有限的運(yùn)行范圍和CNG存蓄壓器的沉重的重量，不適合卡車和公共汽車使用。
另一方面，液化天然氣(LNG)通常以大約-240°F和-175°F之間(大約-150℃和-115℃)的溫度和大約15和200psig之間(204～1477kPa)的壓力被存儲(chǔ)在低溫罐內(nèi)，提供的能量密度大約是CNG的四倍。
然而，如果天然氣在活塞壓縮沖程結(jié)束時(shí)以高壓直接噴射到汽缸內(nèi)，可以獲得較好的效率和排放。這要求燃料供應(yīng)系統(tǒng)可以以每平方英寸3000磅(psig)和更高的壓力輸送天然氣。因而不可能從傳統(tǒng)LNG車輛的貯存罐直接輸送燃料，并且建造具有這樣高工作壓力的LNG貯存罐是不實(shí)際和不經(jīng)濟(jì)的。同樣，由于一旦少量燃料已經(jīng)從CNG貯存罐被抽出，這種貯存罐內(nèi)的壓力低于噴射壓力，因而，不可能從普通CNG貯存罐直接輸送天然氣。在兩種情況下，都需要一種增壓泵將來自存儲(chǔ)壓力的壓力增加到噴射壓力。
液體天然氣(LNG)泵高壓低溫泵在市場上已經(jīng)存在很多年了，但是事實(shí)證明將這種泵改進(jìn)成適合于車輛泵的尺寸和要求是非常困難的。通常，低溫泵應(yīng)該具有正的抽吸壓力。因此，一直以來慣例將這種泵直接設(shè)置在液體內(nèi)，從而液柱壓力將供應(yīng)所希望的壓力，這種方法的問題在于它將大量的熱量泄漏到LNG存蓄壓器，因而減少了存蓄壓器的保持時(shí)間(holding time)。所述保持時(shí)間是使壓力達(dá)到安全閥設(shè)定壓力所需時(shí)間。
一些制造廠商將所述泵放置在儲(chǔ)存罐的外部并通過使用大的第一級吸入室降低所需要的抽吸壓力。被抽進(jìn)該吸入室內(nèi)的過量LNG再次返回LNG貯存罐，同樣將額外的熱量引入到LNG內(nèi)，這是不期望的，其中過量的LNG為超過填充第二吸入室的過量LNG。
這種泵送LNG供應(yīng)的另一個(gè)問題是，難以從LNG貯存罐中排出蒸氣。利用低壓氣體供應(yīng)系統(tǒng)，非常容易做到這一點(diǎn)。如果LNG貯存罐內(nèi)的壓力非常高，燃料從汽相被供應(yīng)，因而降低了壓力。如果壓力低，則從液相供應(yīng)燃料。低壓系統(tǒng)的這種特性基本上延長了上述保持時(shí)間，如上所述，這是非常希望的。傳統(tǒng)的LNG泵不能延長保持時(shí)間，傳統(tǒng)的LNG泵僅從液相吸取燃料并且不能去除蒸氣。
發(fā)明人為Gram、授權(quán)日為1995年5月2日的美國專利US5,411,374以及其兩個(gè)分案專利，授權(quán)日為1995年12月26日的US5,477,690和授權(quán)日為1996年12月3日的US5,551,488公開了低溫流體泵系統(tǒng)的實(shí)施例和泵送低溫流體的方法。低溫流體活塞泵作用為固定式分配泵、汽車燃料泵等，即使在負(fù)輸送壓力下，也可以有效地泵送蒸氣和液體，因而，允許泵被設(shè)置在液體容器外部。通過從液體內(nèi)排出蒸氣，與液體在輸入管路內(nèi)吸收熱量而蒸發(fā)并導(dǎo)致壓力在輸入管路內(nèi)下降相比，活塞將流體更快地引入輸入管路。在管路內(nèi)的蒸汽壓力和貯存罐中蒸氣壓力之間的壓力差將液體推到泵內(nèi)?；钊谡麄€(gè)吸入沖程以基本上恒定的速度運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生基本上穩(wěn)定狀態(tài)的吸入流，所述吸入流流過進(jìn)口的限制可以被忽略。沖程排量至少比沖程轉(zhuǎn)換期間保留在汽缸內(nèi)的殘留或死體積大兩個(gè)數(shù)量級別，并比輸入管路的體積大。作為燃料泵，泵從與罐連通的各個(gè)管路有選擇地接收低溫液體和蒸氣，并泵送低溫液體，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)相對高的燃料需求，當(dāng)被滿足時(shí)，也泵送蒸氣，降低罐內(nèi)的蒸氣壓力，同時(shí)有時(shí)滿足相對少的燃料需求。
傳統(tǒng)上，現(xiàn)有技術(shù)的低溫泵是離心泵，其被設(shè)置在貯存罐內(nèi)的液體內(nèi)或在一個(gè)低于貯存罐并通過大抽吸管路與所述貯存罐相連的單獨(dú)室內(nèi)，其中泵和抽吸管線都被良好地隔熱。由于當(dāng)被存儲(chǔ)時(shí)，低溫液體處于它的沸騰溫度，熱泄漏到抽吸管路內(nèi)以及壓力降低都將導(dǎo)致形成蒸氣。因而如果離心泵被設(shè)置在所述罐的外部，蒸氣被形成，所述蒸氣將導(dǎo)致泵抽空(cavitate)，因而停止流動(dòng)。于是，現(xiàn)有技術(shù)的低溫泵要求正的輸送壓力，以便阻止或減少泵抽空的趨勢。在固定系統(tǒng)內(nèi)，通常通過將泵設(shè)置的比所述罐內(nèi)的最低液面低幾英尺，例如5～10英尺(大約2～3米)，來獲得所述正輸送壓力。這種設(shè)置成本很高。用于車輛的車載燃料存儲(chǔ)系統(tǒng)使用其它方式提供正輸送壓力。離心泵不能輕易地產(chǎn)生高排出壓力，以便適當(dāng)?shù)刂苯訉⑷剂蠂娚涞絻?nèi)燃機(jī)的汽缸內(nèi)，也希望減少加油站的加燃料時(shí)間。
當(dāng)需要或希望高排出壓力時(shí)，一直使用往復(fù)活塞泵，但這種泵也要求正的輸送壓力，以便降低相對高速活塞泵引起的效率損失。在現(xiàn)有技術(shù)中，LNG活塞泵是曲軸驅(qū)動(dòng)的，速度是200～500RPM，大約10立方英寸(164立方厘米)的相對小的排量。這種泵通常用于產(chǎn)生填充LNG汽缸所需的高壓，通常具有相對較低的輸送容量，大約每分鐘5加侖(每分鐘20升)。這種泵是單作用的，也就是它具有單獨(dú)一個(gè)室，在吸氣沖程后就是排氣沖程，因此在活塞執(zhí)行排氣沖程時(shí)，進(jìn)氣流動(dòng)在一半的時(shí)間被停止。此外，由于活塞被曲柄軸驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生類似簡單的諧波運(yùn)動(dòng)，活塞速度在整個(gè)沖程中恒定改變，在一半周期時(shí)間期間內(nèi)，活塞移動(dòng)70％，也就是在剩余的半個(gè)周期，一半的沖程，活塞移動(dòng)30％。活塞速度波動(dòng)每分鐘重復(fù)200～500次，并且在輸入管路中產(chǎn)生相應(yīng)的壓力脈動(dòng)，導(dǎo)致液體快速蒸發(fā)和凝結(jié)。導(dǎo)致零輸入流，除非重力或大于液體沸騰壓力的入口壓力迫使液體進(jìn)入所述泵。此外，這些泵相對小的排量導(dǎo)致相對小的進(jìn)氣閥，當(dāng)這種進(jìn)氣閥打開時(shí)，趨向于過度地限制經(jīng)過所述閥的流動(dòng)。因而，這種泵在往復(fù)泵的供給或進(jìn)入口處要求大約5～10psig(135～170kPa)的正進(jìn)氣或輸送壓力，除非進(jìn)氣閥浸沒在低溫液體內(nèi)，此時(shí)，輸送壓力可以被減少。已經(jīng)建造了容量大約是每分鐘40加侖(每分鐘150升)的大低溫活塞泵，但是這種泵為非常高的輸送壓力而設(shè)計(jì)，要求正輸送壓力并且造價(jià)昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
一種從貯存罐供應(yīng)低溫流體的中壓或高壓泵系統(tǒng)以及操縱這種系統(tǒng)的方法。所述系統(tǒng)包括作用為泵送低溫液體或低溫液體和蒸氣混合物的泵，所述方法包括通過從貯存罐向所述泵供應(yīng)低溫液體或低溫液體和蒸氣混合物而控制質(zhì)量流量，更具體地說，該方法包括(a)選擇第一操作模式，其中，來自貯存罐的所述低溫液體被供應(yīng)給所述泵，從而基本上用液體充滿壓縮室，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量流量；以及(b)選擇第二操作模式，通過選擇性地同時(shí)從貯存罐向所述泵供應(yīng)所述液體和所述蒸氣，使質(zhì)量流量小于第一操作模式的質(zhì)量流量，與第一操作模式的蒸氣比例(fraction)相比，第二操作模式的蒸氣比例大。
所述泵系統(tǒng)可以包括被設(shè)置在貯存罐和泵壓縮室之間的誘導(dǎo)器。在將流體引到泵壓縮室內(nèi)之前，該誘導(dǎo)器預(yù)壓縮低溫流體。當(dāng)通過選擇第一種操作模式使泵系統(tǒng)在最大容量下操作時(shí)，所述誘導(dǎo)器級(inducer stage)被定義為基本上所有的低溫蒸氣被凝結(jié)的一級，從而，僅僅低溫液體被供應(yīng)到泵壓縮室。因此，當(dāng)泵系統(tǒng)包括誘導(dǎo)器時(shí)，即使選擇第一操作模式，一些蒸氣也可以被供應(yīng)到系統(tǒng)。當(dāng)選擇第二操作模式時(shí)，一些蒸氣被供應(yīng)給壓縮室，在壓縮周期期間，這種蒸氣在壓縮室內(nèi)被凝結(jié)，但是隨后降低了通過泵系統(tǒng)的質(zhì)量流量。
當(dāng)泵系統(tǒng)不包括誘導(dǎo)器時(shí)且選擇第一操作模式時(shí)，僅從貯存罐供應(yīng)液體，從而泵壓縮室基本上被液體充滿，來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量流量。當(dāng)選擇第二操作模式時(shí)，低溫蒸氣和液體被同時(shí)供應(yīng)到泵壓縮室，并在壓縮周期期間，蒸氣在所述泵壓縮室內(nèi)凝結(jié)，但是，通過泵系統(tǒng)的流量比選擇第一操作模式時(shí)的流量小。
由于將一些氣態(tài)燃料在低溫條件下存儲(chǔ)是有利的，可以使用所述方法將被低溫儲(chǔ)存的燃料泵送到內(nèi)燃機(jī)內(nèi)。為了穩(wěn)定地將高壓燃料供應(yīng)到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，所述方法可以包括將燃料從所述泵輸送到蓄壓器容器(accumulatorvessel)內(nèi)，并選擇操作模式來控制質(zhì)量流量，以將蓄壓器容器內(nèi)的壓力保持在預(yù)定范圍內(nèi)。泵和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的燃料管路和歧管的容積的大小可以這樣選擇，使得這些管路和歧管自身充當(dāng)蓄壓器，取消了真實(shí)“容器”的需求?？梢员O(jiān)視泵下游的燃料管路或歧管內(nèi)或蓄壓器容器(如果采用的話)內(nèi)的壓力。被泵系統(tǒng)供應(yīng)的質(zhì)量流量是可控制的，以便將壓力維持在預(yù)定范圍內(nèi)，來確保向諸如內(nèi)燃機(jī)的所希望用途供應(yīng)燃料的足夠壓力。當(dāng)貯存罐內(nèi)的蒸汽壓力比預(yù)定值高時(shí)或當(dāng)所檢測的泵下游的壓力高于預(yù)定設(shè)定值時(shí)，該方法還可以包括增加被供應(yīng)到泵的蒸氣比例。也就是蒸氣比例可以被增加，以便降低貯存罐內(nèi)的蒸汽壓力，減少或限制排氣的需求，或當(dāng)泵下游的壓力高于預(yù)定設(shè)定值時(shí)，以更小的質(zhì)量流量使泵系統(tǒng)連續(xù)操作。
在泵裝置的優(yōu)選布置中，入口與泵的第一端相關(guān)聯(lián)，出口與和所述第一端相反的第二端相關(guān)聯(lián)。在壓縮過程被傳遞到低溫液體內(nèi)的壓縮熱利用被排出的流體從所述泵耗散掉。利用這種優(yōu)選的泵布置，所述泵內(nèi)的流體通路優(yōu)選地這樣設(shè)置，使得低溫流體從第一端向第二端逐漸流過所述泵。采用這種布置，來自壓縮過程的熱并沒有從排出流體被傳遞到被導(dǎo)入所述泵內(nèi)的流體中，而在現(xiàn)有技術(shù)的泵中，入口靠近出口，或排放管路鄰近引入管路或室。
當(dāng)選擇第二操作模式時(shí)，通過限制蒸氣流過所述罐和所述泵之間的管路，被供應(yīng)到所述泵的蒸氣比例優(yōu)選地被保持的低于預(yù)定最大蒸氣比例。當(dāng)所述蒸氣比例太大時(shí)，往復(fù)泵不能使幾乎所有低溫蒸氣凝結(jié)，泵將不能有效地操作。對于具體操作條件來說，最大蒸氣比例可以憑經(jīng)驗(yàn)或計(jì)算來確定，從而指定“最大”蒸氣比例，該蒸氣比例使可以被供應(yīng)到泵的蒸氣量最大化，同時(shí)確保在正常操作期間被供應(yīng)到泵的蒸氣幾乎完全可以在泵內(nèi)凝結(jié)。
例如在一些系統(tǒng)內(nèi)，可以使用孔口限制流過所述貯存罐和所述泵之間的管路的蒸氣流量。在其它實(shí)施例中，所述系統(tǒng)可以包括計(jì)量閥，用來控制通過所述罐和所述泵之間的管路的蒸汽流量。在這種系統(tǒng)內(nèi)，電子控制器可以被編程以便改變所述計(jì)量閥的設(shè)定，來響應(yīng)于諸如在泵下游測量的壓力或在貯存罐內(nèi)測量的蒸氣壓力等被測量的操作條件，控制通過所述管路的蒸氣流量。
當(dāng)選擇第一操作模式時(shí)，所述方法還包括關(guān)閉閥門，以防止蒸氣從所述貯存罐的空部空間(ullage space)被供應(yīng)到所述泵?！翱詹靠臻g”在此定義為貯存罐內(nèi)的蒸氣空間。所述閥最好是帶有諸如電磁、機(jī)械、氣動(dòng)或液動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的促動(dòng)器的電控閥。
在優(yōu)選的操縱泵的方法中，通過使用線性液壓馬達(dá)，以基本上恒速操縱所述泵。例如以每分鐘5～30個(gè)周期操縱所述泵。
當(dāng)泵已經(jīng)被關(guān)閉一定時(shí)間時(shí)，在泵開始正常工作之前，理想的是冷卻泵。也就是，如果泵的溫度太高，被引入泵的低溫流體將立刻沸騰或蒸發(fā)，阻止泵將低溫流體泵送到更大的壓力。用于為泵的工作作準(zhǔn)備的優(yōu)選的冷卻程序包括如下步驟(a)將低溫流體從貯存罐引入所述泵；(b)將泵內(nèi)產(chǎn)生的蒸氣返回貯存罐，從而增加所述罐內(nèi)的壓力；(c)利用貯存罐內(nèi)增加的壓力迫使更多的低溫流體從所述貯存罐進(jìn)入所述泵。
一旦所述泵已經(jīng)被冷卻到正常操作溫度，控制低溫流體從泵流回貯存罐的閥被關(guān)閉。也就是一旦所述泵已經(jīng)被冷卻到泵可以工作來在所述第一或第二操作模式中一種模式下泵送低溫液體和蒸氣的預(yù)定溫度時(shí)，阻止蒸氣返回所述罐。
在第二優(yōu)選實(shí)施例中，所述系統(tǒng)包括多級泵，具有至少三個(gè)用于壓縮低溫流體的室，其中第一、第二室的容積大于第三室。在第二實(shí)施例中，第一和第二室被用作誘導(dǎo)器級(inducer stage)，第三室被用作壓縮室。在第二實(shí)施例中，所述方法包括(a)有選擇地將低溫流體或低溫液體和蒸氣的混合物向所述泵供應(yīng)，使得低溫流體通過入口流入所述第一室；(b)在第一室內(nèi)壓縮和凝結(jié)低溫蒸氣并壓縮低溫液體，并且將低溫流體從第一室傳送到所述第二室；(c)在第二室內(nèi)壓縮低溫流體并將所述低溫流體從所述第二室傳送到所述第三室，直到所述第三室充滿為止，然后將在第二室內(nèi)剩余的低溫流體傳送到所述第一室；(d)在第三室內(nèi)壓縮低溫流體并將壓縮后的低溫流體從第三室通過出口排出。
在該方法的第二實(shí)施例中，當(dāng)選擇第一操作模式且通過泵的流量最大時(shí)，低溫流體在第二室內(nèi)被壓縮，在壓縮沖程結(jié)束時(shí)，在壓縮沖程開始時(shí)在第二室內(nèi)的所有氣體或蒸氣基本上已經(jīng)被凝結(jié)，因此，基本上所有被傳送到第三室內(nèi)的流體都是低溫液體。當(dāng)選擇第二操作模式且泵以較低流量工作時(shí)，一些蒸氣可以從第二室被傳送到第三室內(nèi)，泵然后以減少的流量進(jìn)行操作。
在第二實(shí)施例中，被引到泵內(nèi)過量的低溫流體優(yōu)選地從第二室被循環(huán)回第一室內(nèi)，從而在正常操作期間，沒有蒸氣從泵返回貯存罐。這是一種優(yōu)于公知系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，公知系統(tǒng)使過量低溫流體返回貯存罐，因此這種系統(tǒng)利用返回的流體將熱量引導(dǎo)到貯存罐內(nèi)。
該方法還包括使用壓力促動(dòng)安全閥，用于控制低溫流體從所述第二室返回第一室。
該方法還包括從所述泵將流體向蓄壓器供應(yīng)，當(dāng)所述蓄壓器內(nèi)的壓力降低到預(yù)定值以下時(shí)，有選擇地僅將低溫液體引入所述泵。所述蓄壓器可以是真實(shí)的壓力容器或流體管路和歧管自身，它們共同提供蓄壓器容積。
當(dāng)泵包括至少三個(gè)用于壓縮低溫流體的室以及分隔這三個(gè)室的往復(fù)活塞組件時(shí)，在一種優(yōu)選方法中，泵以下述方式操作(a)在內(nèi)縮行程期間，退回活塞，從而增加所述泵第一室的容積并從貯存罐有選擇地將低溫液體或低溫蒸氣和液體的混合物引入所述第一室內(nèi)；減少所述泵的第二室的容積，壓縮所述第二室內(nèi)的低溫流體，將該低溫流體從所述第二室輸送到所述第三室，直到第三室充滿為止，然后將低溫流體從所述第二室返回所述第一室，直到內(nèi)縮行程被完成為止；增加所述泵第三室的容積，并從所述第二室接收低溫流體到第三室內(nèi)，直至所述第三室充滿為止；以及(b)在延伸沖程期間，使所述活塞延伸，由此減少所述第一室的容積，壓縮所述第一室內(nèi)的低溫流體，將所述低溫流體從第一室傳送到所述第二室；增加所述第二室的容積并從第一室將流體抽吸到第二室內(nèi)；減少所述第三室的容積，壓縮所述第三室內(nèi)的流體，將低溫流體從所述第三室通過出口排出。
在所述延伸沖程結(jié)束時(shí)，所述第二室的容積優(yōu)選地大約比當(dāng)所述活塞在內(nèi)縮行程結(jié)束時(shí)所述第三室的容積大4～10倍。此外所述內(nèi)縮行程結(jié)束時(shí)所述第一室的容積優(yōu)選地大于或基本上等于在所述延伸沖程結(jié)束時(shí)所述第二室的容積。利用這種布置，第一室具有足夠的體積來接收從第二室被循環(huán)回第一室的基本上所有的過量低溫流體。在該泵的最佳結(jié)構(gòu)中，在延伸沖程結(jié)束時(shí)，第三室的容積基本上是零。
在一種操作用于從低溫貯存罐泵送低溫流體的往復(fù)泵的第三優(yōu)選方法中，所述泵包括至少兩個(gè)被往復(fù)活塞組件分隔的室，所述方法包括如下步驟(a)在內(nèi)縮行程期間，增加所述泵第一壓縮室的容積并將從貯存罐供給的低溫流體引入所述第一壓縮室內(nèi)；減少所述泵的第二壓縮室的容積，由此壓縮所述第二壓縮室內(nèi)的低溫流體，從第二壓縮室將壓縮后的流體噴出所述泵之外；以及(b)在延伸沖程期間，減小所述第一壓縮室的容積，并將第一壓縮室的流體傳送到所述第二壓縮室內(nèi)；增加所述第二壓縮室的容積并將低溫流體從第一壓縮室抽吸到第二壓縮室內(nèi)，其中，在所述延伸沖程結(jié)束時(shí)所述第二壓縮室的容積小于所述內(nèi)縮行程結(jié)束時(shí)所述第一壓縮室的容積，從而當(dāng)?shù)诙嚎s室的容積被從第一壓縮室流入第二壓縮室的流體充滿時(shí)，剩余的流體從所述第二壓縮室被噴出所述泵之外。
在這種實(shí)施例中，在延伸沖程結(jié)束時(shí)第二壓縮室的容積大約是所述內(nèi)縮行程結(jié)束時(shí)所述第一壓縮室的容積的一半或比一半小。優(yōu)選地，所述第一和第二壓縮室的相對尺寸是這樣的，使得在所述內(nèi)縮行程和延伸沖程期間，大約相同量的流體被排出。
該方法還包括在將所述低溫流體引入到所述第一壓縮室之前，在誘導(dǎo)器級使低溫蒸氣凝結(jié)。
一種從所述貯存罐泵送低溫流體的優(yōu)選系統(tǒng)包括(a)包括抽吸入口和排放出口的往復(fù)泵；(b)將所述抽吸入口與所述貯存罐內(nèi)部的液體流體相連的第一管；(c)將所述抽吸入口與所述貯存罐內(nèi)部的蒸氣流體相連的第二管；(d)所述第二管內(nèi)的節(jié)流裝置，用于限制流過所述第二管，從而液體和蒸氣的混合物可以從所述貯存罐被供應(yīng)到所述抽吸入口。
該節(jié)流裝置例如可以由孔口、第二管的狹窄部分或計(jì)量閥組成，所述節(jié)流裝置優(yōu)選采用這種尺寸，以便保持被供應(yīng)到所述泵的蒸氣比例等于或低于預(yù)定最大蒸氣比例。
所述泵的一個(gè)實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是該泵可以包括被設(shè)置在油底殼內(nèi)的冷端以及與所述冷端相反的暖端，所述抽吸入口與所述冷端相關(guān)聯(lián)，而所述排放出口與所述暖端相關(guān)聯(lián)。這種布置阻止壓縮過程所產(chǎn)生的熱量從被排出的流體傳遞到從油底殼被引到泵內(nèi)的低溫流體內(nèi)。
該系統(tǒng)優(yōu)選地還包括與所述泵的活塞相連的線性液壓驅(qū)動(dòng)器。所述線性液壓驅(qū)動(dòng)器允許所述活塞以恒速被驅(qū)動(dòng)，有助于減少排放管路內(nèi)產(chǎn)生壓力波動(dòng)。在另一個(gè)實(shí)施例中，通過提供一種影響通過所述系統(tǒng)的質(zhì)量流量的額外裝置，泵速可以被改變，從而提供更大范圍的可選擇流量。然而，這要求額外的用于改變液壓驅(qū)動(dòng)器和泵速度的控制和設(shè)備。所述泵優(yōu)選地被所述線性液壓驅(qū)動(dòng)器以固定速度或在每分鐘5～30個(gè)周期之間可變的速度驅(qū)動(dòng)。


附圖示出本發(fā)明的具體實(shí)施例，但是不應(yīng)該認(rèn)為這些附圖限制本發(fā)明的范圍。
圖1是一個(gè)LNG泵組件的剖面圖，該組件根據(jù)本方法的優(yōu)選實(shí)施例來工作，所述LNG泵組件包括三個(gè)用于壓縮低溫流體的室；圖2示出根據(jù)優(yōu)選方法向發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)燃料的LNG供應(yīng)系統(tǒng)的示意性流動(dòng)圖，在此LNG泵被設(shè)置在LNG貯存罐外部；圖3是根據(jù)本方法優(yōu)選實(shí)施例工作的系統(tǒng)的另一優(yōu)選實(shí)施例的剖面圖，在此LNG泵被設(shè)置在用于低溫流體的貯存罐內(nèi)的油底殼內(nèi)；圖4示出圖3所示實(shí)施例的詳細(xì)的放大剖面圖，在此LNG泵被設(shè)置在用于低溫流體的貯存罐內(nèi)的油底殼內(nèi)。LNG泵的這個(gè)實(shí)施例包括用于壓縮低溫流體的兩個(gè)室、一與冷端相關(guān)聯(lián)的入口和一與LNG泵相反端相關(guān)聯(lián)的出口，其中所述冷端被插入所述油底殼內(nèi)；圖5示出根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例工作的系統(tǒng)的再一實(shí)施例的詳細(xì)的放大剖面圖，該系統(tǒng)包括被內(nèi)置在LNG貯存罐內(nèi)與誘導(dǎo)器相關(guān)聯(lián)的LNG泵；圖6示出當(dāng)LNG泵進(jìn)行泵抽時(shí)油底殼的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
燃燒天然氣的發(fā)動(dòng)機(jī)可以被大致區(qū)分為兩個(gè)種類，也就是具有低壓燃料系統(tǒng)的種類和具有高壓燃料系統(tǒng)的種類。低壓燃料系統(tǒng)被定義為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料系統(tǒng)，該燃料系統(tǒng)在低于貯存罐的最小工作壓力下的燃料壓力下工作。在這種類型的低壓系統(tǒng)內(nèi)，不需要燃料泵，并且貯存罐具有一從該貯存罐中排出蒸氣的蒸氣管路以及一從該貯存罐中排出液體的液體管路。每個(gè)管路由相應(yīng)的閥控制，所述閥反過來又被至少一個(gè)壓力傳感器控制。除了在貯存罐壓力超過特定壓力，例如大約60psig(516kPa)的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)通常通過液體管路接收燃料，在貯存罐壓力超過特定壓力的情況下，蒸氣管路打開，從而向發(fā)動(dòng)機(jī)釋放一些蒸氣，這會(huì)降低貯存罐內(nèi)壓力，確保更長的保持時(shí)間。這是一種簡單的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在一旦貯存罐內(nèi)的壓力超過特定壓力水平時(shí)通過將燃料以汽相從罐內(nèi)取出來確保貯存罐壓力保持較低。
相反，根據(jù)燃料系統(tǒng)參數(shù)，高壓燃料系統(tǒng)要求一種以大約3000psig(20,771kPa)壓力供應(yīng)燃料的燃料泵。這通常利用一種位于車輛貯存罐內(nèi)且入口被浸沒以便確保正輸送壓力的小排量活塞泵來實(shí)現(xiàn)。這種裝置非常難以安裝和維修，使燃料罐和泵組件相對大。由于泵僅可以泵送液體，由泄漏及泵工作的熱量所產(chǎn)生的蒸氣將使貯存罐的保持時(shí)間減少相當(dāng)大的量，并由于向所述罐補(bǔ)給燃料之前應(yīng)該排出蒸氣，導(dǎo)致大的燃料損耗。所述蒸氣的排出進(jìn)一步減少了車輛貯存罐的有效容量，增加了在車輛貯存罐內(nèi)使用LNG的難度。據(jù)信，單獨(dú)一個(gè)泵不能有效地泵送液體和蒸氣或泵送液體和蒸氣的混合物，因此可以在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)排出并燃燒蒸氣的系統(tǒng)不適合于高壓燃料系統(tǒng)。而且，傳統(tǒng)活塞泵要求在進(jìn)氣口具有凈的正壓力，這樣就嚴(yán)重地限制了這種泵的位置，具體地說，這種泵不能被用于具有傳統(tǒng)“自頂部排出的”液體出口的車輛貯存罐。如果可以研制出這樣一種車輛泵，即它可以以負(fù)抽吸壓力工作，允許該車輛泵被設(shè)置在車輛貯存罐外部并設(shè)置在車輛上任何可利用的位置處，那么許多問題都可以被解決。
圖1和2分別示出根據(jù)本系統(tǒng)優(yōu)選實(shí)施例的LNG泵組件以及根據(jù)本系統(tǒng)優(yōu)選實(shí)施例的從LNG供應(yīng)系統(tǒng)向發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)的示意性流動(dòng)圖，其中，LNG泵被設(shè)置在LNG貯存罐的外部，圖1示出了圓柱形泵2，該泵2在汽缸4內(nèi)保持一個(gè)往復(fù)活塞6，活塞6由一個(gè)與外部驅(qū)動(dòng)源相連的圓柱軸8驅(qū)動(dòng)。汽缸4的端部蓋有(capped)端頭10和11以及螺栓12。Teflon或諸如UHMW(公知的，但與Teflon相比價(jià)格低廉的低溫隔熱材料)類似的隔熱材料14圍繞軸8，從而降低熱損失?；钊?的與軸8相對的端部具有中空圓柱桿16，其在套筒18內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其也利用諸如Teflon或類似材料的隔熱材料20隔熱。這種結(jié)構(gòu)形成了室21、23和25。單向閥24和27位于活塞6內(nèi)，單向閥26位于軸16內(nèi)，單向閥28優(yōu)選位于端頭10內(nèi)。單通單向閥(one-way checkvalve)7也與入口5相關(guān)聯(lián)地設(shè)置。雖然圖1中沒有顯示，泵2的外部也被隔熱，以阻止熱傳送到泵內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相同，與泵相連的管路也被隔熱。
包括被活塞6分隔的第一和第二室21和23的第一主室大約比第三室25大4～10倍。在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二室21和23優(yōu)選地比第三室25大約大5倍。當(dāng)活塞6向左側(cè)退回時(shí)，天然氣液體和蒸氣通過入口5和位于汽缸4外部的單向閥7被抽吸進(jìn)汽缸4的第一室21內(nèi)。當(dāng)活塞6伸展到右側(cè)時(shí)，第一室21內(nèi)的液體和蒸氣混合物通過單向閥24被移動(dòng)到第二室23內(nèi)。當(dāng)活塞6再次向左側(cè)退回時(shí)，第二室23內(nèi)的液體和蒸氣混合物被壓縮并通過中空活塞桿16內(nèi)的通路和單向閥26強(qiáng)迫進(jìn)入第三室25內(nèi)。
在隨著活塞6移動(dòng)到左側(cè)的回縮吸入沖程期間，第一室21內(nèi)的液體和蒸氣混合物處于飽和壓力和溫度下。在第二回縮沖程時(shí)，當(dāng)這種混合物在第二室23內(nèi)被壓縮時(shí)，蒸氣凝結(jié)，整個(gè)體積被減少，然后液體通過中空活塞桿16內(nèi)的通路和單向閥26被推入第三室25內(nèi)。如果最初太多的液體被抽進(jìn)第二室23內(nèi)。安全閥27將在給定壓力下打開，讓過量流體返回第一室21內(nèi)，因而在正常操作條件下，沒有液體返回LNG貯存罐組件30。
圖2示出根據(jù)本系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例的從LNG供應(yīng)系統(tǒng)向發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)的流動(dòng)圖，其中LNG泵位于LNG貯存罐組件30的外部。圖2示出LNG貯存罐組件30、驅(qū)動(dòng)LNG泵的液壓泵32、蒸發(fā)器34、蓄壓器36和發(fā)動(dòng)機(jī)38。泵2和發(fā)動(dòng)機(jī)38之間的燃料管路的容積可以被這樣確定大小，使得燃料管路自身被當(dāng)作蓄壓器36，而不需要一種實(shí)際的蓄壓器容器。LNG貯存罐組件30具有內(nèi)罐42以及位于外罐和內(nèi)罐42之間用于隔熱的真空。參考圖1的泵2，當(dāng)活塞6延伸到右側(cè)時(shí)，通過單向閥26進(jìn)入第三室25的液體被壓縮到所希望的高壓。然后從第三室25內(nèi)通過單向閥28被噴出，流過蒸發(fā)器34，此處，液體被轉(zhuǎn)換成氣體，并作為被壓縮的天然氣進(jìn)入蓄壓器36。被保持在蓄壓器36內(nèi)的壓縮后的天然氣可以被保持在足以將天然氣通過噴射閥直接噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)38的燃燒腔內(nèi)的壓力下。
在正常操作條件下，泵2將從LNG貯存罐組件30抽取蒸氣和液體的混合物。抽吸管路31不僅與內(nèi)罐42的底部相連，在此處管路31的端部在液面下方開口，而且與內(nèi)罐42的上部相連，以便通過在內(nèi)罐42內(nèi)的液面上方開口的管路33抽出蒸氣。蒸氣通過抽吸管路31的流動(dòng)被電磁閥39和計(jì)量閥40控制。在正常操作期間，電磁閥39將打開，被抽進(jìn)管路31的蒸氣量取決于計(jì)量閥40的設(shè)定。
低溫液體和蒸氣混合物中的蒸氣比例被定義為供應(yīng)到低溫泵的蒸氣的體積被供應(yīng)到低溫泵的低溫流體的總體積除。根據(jù)具體操作條件，通過試驗(yàn)已經(jīng)確定應(yīng)該被供應(yīng)到泵以確保所有蒸氣可以被凝結(jié)的最少液體量。因而，為了泵的有效操作，通過供應(yīng)所述最少液體量，可以實(shí)現(xiàn)最大蒸氣比例，以便使該蒸氣部分在泵內(nèi)凝結(jié)。當(dāng)蒸氣比例高于該最大蒸氣比例時(shí)，泵的效果被降低。
在圖2所示布置中，計(jì)量閥40可以是一種人工控制閥，其被設(shè)定成維持蒸氣比例等于或小于為大多數(shù)操作條件所確定的最大蒸氣比例。計(jì)量閥40也可以電控制，以便允許所述蒸氣比例根據(jù)不同的操作條件而改變，從而所述蒸氣比例總是等于或小于當(dāng)前操作條件下的最大蒸氣比例。
如上文結(jié)合圖1所述，從LNG貯存罐組件30中被排出的飽和蒸氣將在LNG泵2的第二室23內(nèi)被壓縮和凝結(jié)并在第三室25內(nèi)被進(jìn)一步壓縮到蓄壓器36內(nèi)所希望的氣體壓力。
當(dāng)電磁閥39被打開時(shí)，泵2的容量將被減少。然而，如果泵2下游的壓力太低，即過于接近發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射壓力，由于發(fā)動(dòng)機(jī)38需要更多的燃料，控制器43內(nèi)的編程計(jì)算機(jī)控制器將關(guān)閉電磁閥39，僅僅來自罐組件30底部的LNG將流入泵2內(nèi)，從而確保實(shí)現(xiàn)LNG泵2的最大燃料能力。
圖2示出位于LNG貯存罐組件30外部的泵2。如果泵2位于LNG貯存罐組件30的外部，用傳統(tǒng)的絕緣材料使該泵與外部隔熱，由于可以實(shí)現(xiàn)沒有燃料流入LNG貯存罐組件30，因此防止了熱量泄漏回LNG貯存罐組件30。在泵2的內(nèi)部被隔熱材料14和20良好絕熱。但是即使如此，如果車輛發(fā)動(dòng)機(jī)38在長時(shí)間內(nèi)未操作，例如當(dāng)車輛停車時(shí)，泵2可以相對于LNG貯存罐組件30內(nèi)的液體溫度來說被加熱。泵2內(nèi)的這種殘余熱量將導(dǎo)致被抽進(jìn)泵2內(nèi)的LNG沸騰，從而極大地減少了泵2的容量。
為了減少泵2的冷卻時(shí)間，當(dāng)它再次開始工作時(shí)，控制程序可以打開第二電磁閥41。閥41的打開確保溫度升高的泵2所產(chǎn)生的蒸氣從第二室23通過氣體管路45和管路33泵入內(nèi)罐42的上部蒸氣空間內(nèi)，從而，增加內(nèi)罐42內(nèi)的壓力，并由此迫使更多的液體從內(nèi)罐42的底部進(jìn)入泵2，與不打開閥41相比，它被更快地冷卻。
在另一個(gè)實(shí)施例中，諸如圖3～6所示，LNG泵可以位于LNG貯存罐組件30中外罐和內(nèi)罐42之間的真空空間內(nèi)的油底殼空間44內(nèi)。在圖3所示實(shí)施例中，通過將泵48的冷端設(shè)置在LNG貯存罐組件30內(nèi)的真空空間內(nèi)，可以獲得更大的效率并減少熱泄漏。然而，為了做到這一點(diǎn)，幾種獨(dú)特的特征可以被結(jié)合到為此目的設(shè)計(jì)的泵中。油底殼空間44應(yīng)該設(shè)置在外罐內(nèi)。
如上所述，外罐和內(nèi)罐42之間的真空使LNG貯存罐組件30隔熱。為了保持該目的，在不破壞使LNG貯存罐組件30隔熱的高度真空的前提下，泵48可以從油底殼空間44拆卸。這可以通過將液體抽吸管路31從內(nèi)罐42永久地連接到位于貯存罐組件30的外罐內(nèi)擴(kuò)大部分內(nèi)的油底殼空間44內(nèi)的小油底殼46上，并將泵48的冷端安裝在油底殼46內(nèi)同時(shí)壓力密封件47定位成使得只有泵48在油底殼46內(nèi)的部分被LNG圍繞來實(shí)現(xiàn)。僅當(dāng)內(nèi)罐42中沒有LNG時(shí)，泵48可以被拆卸。否則，LNG應(yīng)該流過管路31。內(nèi)置泵的結(jié)構(gòu)具有額外的優(yōu)點(diǎn)，也就是在起動(dòng)期間，不需要泵冷卻程序。只要起動(dòng)泵，LNG就自由地流過管路31進(jìn)入小油底殼46，當(dāng)泵長時(shí)間停轉(zhuǎn)時(shí)，管路31和油底殼46內(nèi)的LNG將被蒸汽壓力推回內(nèi)罐42，從而減少熱損失。
在效率的觀點(diǎn)上看，雙作用泵通常是非常理想的，這是因?yàn)楸迷趦蓚€(gè)方向上工作。但是傳統(tǒng)的雙作用泵典型地在任一端具有入口和出口閥，這使得這種結(jié)構(gòu)不適于用作內(nèi)置泵。除非油底殼46非常大，否則難于拆卸泵48。圖3到圖5所示的泵的獨(dú)特特征已經(jīng)避免了這個(gè)困難，其中在圖3到圖5所示的泵中，排放閥管路連接到外端。
圖3和4所示這種結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是與公知的往復(fù)泵相比，允許單向閥63更大，所述公知的往復(fù)泵具有入口和與同一端相關(guān)聯(lián)的出口。利用這種類似于圖3和4所示結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，泵48的冷端也無需容置用于出口的空間。這允許泵48的整個(gè)冷端區(qū)域用來容置單向閥63。在泵入口使用更大的單向閥減少進(jìn)入損失并使得泵48能夠在較低的凈正吸入壓頭(NPSH)下工作。低溫泵的NPSH在此被定義為對于給定流體溫度，沸騰壓力和實(shí)際壓力之間的差值。利用圖5所示的泵149的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)相同的優(yōu)點(diǎn)。
圖3～5中所示的泵結(jié)構(gòu)的另一種優(yōu)點(diǎn)是泵出口與和所述冷端相反的泵端相關(guān)聯(lián)，而泵入口位于所述泵的冷端。壓縮后的低溫流體的溫度可能增加，希望保持排放管路遠(yuǎn)離熱交換可能導(dǎo)致通過泵入口被引入的流體額外蒸發(fā)的入口。
圖4示出本系統(tǒng)的第二實(shí)施例的詳細(xì)的放大剖面圖，其中LNG泵48被設(shè)置在LNG貯存罐組件30內(nèi)。圖4示出環(huán)形結(jié)構(gòu)的抽吸管路31，由此提供一個(gè)氣體收集器，這是一種在低溫和LNG領(lǐng)域公知的技術(shù)。利用螺栓或一些類似保持機(jī)構(gòu)，將泵48保持在抵靠形成在油底殼46端部的密封件47上的位置。通過拆下緊固螺栓，泵48可以與密封件47分開。來自內(nèi)罐42的LNG(參考圖3)流經(jīng)抽吸管路31進(jìn)入油底殼46和泵48外殼之間的空間49。油底殼空間44(參考圖3)內(nèi)的真空通過被油底殼46外部和套筒50所密封的油底殼空間44來保持。泵48可以從套筒50內(nèi)部被拆除，而不會(huì)破壞空間44內(nèi)的真空(參考圖6)。油底殼46在接頭52處被密封在套筒50上。
內(nèi)置泵48采用下述方式操作。當(dāng)活塞54回縮到左側(cè)時(shí)，通過抽吸管路31，LNG通過單向閥63被抽進(jìn)第一室51內(nèi)。當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，LNG被推過位于活塞54上的單向閥53并進(jìn)入汽缸58和活塞桿56之間的室空間55內(nèi)?；钊麠U56的直徑的尺寸被這樣確定，使得室空間55的容積大約是第一室51容積的一半。因而，室51內(nèi)的液體體積的一半將流到室55內(nèi)，剩余部分將通過輸出管路64和單通單向閥66(參考圖3)被向左推出。一旦活塞開始向右延伸，室51和55內(nèi)的壓力將等于排出壓力。
當(dāng)活塞54再次回縮到左側(cè)時(shí)，更多的LNG將通過管路31被抽進(jìn)室51內(nèi)，同時(shí)，室55內(nèi)以前被傳送的LNG將通過輸出管路64被排出。換句話說，在每次活塞沖程，在任一個(gè)方向上，大約相同量的LNG被排出。這是平穩(wěn)泵操作的優(yōu)點(diǎn)。這種泵設(shè)計(jì)的顯著的優(yōu)點(diǎn)還在于單通單向閥可以位于輸出管路64上泵48的外側(cè)，在此它非常容易接近并容易維修。圖4也顯示了通路74，其確保選出軸密封件76的液體返回到油底殼46。
在圖4中所示的泵將LNG泵成高壓，而沒有將熱量引導(dǎo)到貯存罐組件30，但是如果操作條件是需要更長的保持時(shí)間，可以添加類似于圖1和2所示的誘導(dǎo)器特征。圖5詳細(xì)顯示了本系統(tǒng)的第三實(shí)施例的放大的剖面圖，其特征是將LNG泵與誘導(dǎo)器相關(guān)聯(lián)地設(shè)置在LNG貯存罐內(nèi)。應(yīng)該理解是，圖5僅是示意性的，沒有被準(zhǔn)確地顯示。油底殼46的狹窄的左端不得不是被層疊的(layered)，以確保泵148的誘導(dǎo)器可以拆卸。
在圖5所示實(shí)施例中，吸氣室68被連接到泵148的入口端，從而結(jié)合了泵2和泵48的新穎性特征。吸氣室68的容積大約是室51容積的4倍，也就是，室68的直徑是室51的直徑的2倍。較小的活塞桿59延伸穿過第一底部堵頭60，另一個(gè)活塞被連接到桿59的端部。該活塞61具有一對相對的單向閥70和72，其操作方式與圖1和2所示的泵2內(nèi)的單向閥24和27相同。管69將貯存罐42的蒸氣空間連接到主抽吸管路31。蒸氣通過節(jié)流孔口62被輸送。該節(jié)流孔口62的操作方式與圖2所示計(jì)量閥41在泵2上的操作方式相同。如上所述那樣，圖5所示實(shí)施例通過從內(nèi)罐42內(nèi)抽取蒸氣以及液體，可以極大地增加在發(fā)生沸騰排氣之前的保持時(shí)間。通過使用一可調(diào)節(jié)的孔口，可以確定所述節(jié)流裝置62的最佳節(jié)流尺寸。如上所述，優(yōu)選地保持蒸氣比例等于或小于允許泵內(nèi)基本上所有蒸氣都凝結(jié)的所述最大蒸氣比例。根據(jù)系統(tǒng)尺寸，節(jié)流裝置62尺寸確定成，在正常操作條件期間保持蒸氣比例等于或小于最大蒸氣比例。
作為一個(gè)可替代的實(shí)施例，如果第一室51和第二室55之間的比例被增大到大于2∶1，圖5所示吸氣室68可以被取消。在此情況下，主抽吸管路31和具有節(jié)流裝置62的管69可以與油底殼46相連，用于將低溫流體從油底殼46直接引入第一室51內(nèi)。
圖6詳細(xì)地顯示了當(dāng)LNG泵48已經(jīng)與LNG貯存罐分開時(shí)的油底殼46和套筒50。當(dāng)泵48已經(jīng)被拆卸后，具有環(huán)形入口31的油底殼46和套筒50仍然保持在油底殼空間44內(nèi)的位置上，來保持LNG貯存罐組件30的外罐和內(nèi)罐42之間的真空。在密封件73處，套筒50的與油底殼46相反的端部被密封到外罐上(未示出，但是參考圖3)。當(dāng)被安裝在套筒50和油底殼46內(nèi)時(shí)，泵48抵靠在其上的壓力密封47也在圖6中被顯示。
所包含的圖1～6中所示的LNG泵2、48和148是小的，主要被應(yīng)用在車輛上，向發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料。然而應(yīng)該理解是，這種結(jié)構(gòu)的泵可以被用于LNG之外的低溫流體，包括諸如氫氣的其它燃料。還應(yīng)該理解是，泵也可以被擴(kuò)大，并在諸如液體-壓縮氣體的加油站的其它低溫應(yīng)用中被使用(公知的是LCNG加油站)。
在圖2中，泵2被線性液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。與通常由曲柄軸以200～500RPM速度被驅(qū)動(dòng)的普通機(jī)械驅(qū)動(dòng)往復(fù)泵相比，液壓驅(qū)動(dòng)允許泵以更低速度被驅(qū)動(dòng)。然而，通常是單作用的傳統(tǒng)LNG泵一直未被公知為適用于具有低NPSH的低速應(yīng)用。
在本發(fā)明人所進(jìn)行的試驗(yàn)中，圖4所示泵48能夠在每分鐘5～30個(gè)周期的操作速度將罐裝置中幾乎所有的液體清空。這些結(jié)果顯示泵48可以以零或非常接近零的NPSH操作。在被測試的操作條件下，泵48以65％～85％容積效率下工作。因而，盡管傳統(tǒng)的單作用泵通常在高速下以明顯高于零的NPSH工作更有效，但泵48顯示能夠以非常低的速度在零或非常接近零的NPSH下操縱往復(fù)LNG泵。
與曲柄軸驅(qū)動(dòng)泵相比，液壓驅(qū)動(dòng)泵的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在整個(gè)活塞沖程中可以控制活塞基本上恒速運(yùn)動(dòng)，降低了泵排放所造成的壓力波動(dòng)。
因?yàn)殍b于上述公開物，在實(shí)施本發(fā)明的過程中，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不背離本發(fā)明的精髓或范圍下作出多種替代和修改，于是本發(fā)明的范圍應(yīng)該根據(jù)所附權(quán)利要求書限定的實(shí)質(zhì)加以理解。
權(quán)利要求
1一種操縱用于泵送低溫流體的低溫系統(tǒng)并控制質(zhì)量流量的方法，所述系統(tǒng)包括作用為泵送低溫液體或低溫液體和蒸氣的混合物的泵，由此當(dāng)所述系統(tǒng)從貯存罐向所述泵供應(yīng)低溫蒸氣和/或液體時(shí)，所述方法包括(a)選擇第一操作模式，其中，所述低溫液體被供應(yīng)給所述泵，從而基本上用液體充滿壓縮室，實(shí)現(xiàn)高的質(zhì)量流量；(b)選擇第二操作模式，以通過選擇同時(shí)向所述泵供應(yīng)所述液體和所述蒸氣，來實(shí)現(xiàn)小于第一操作模式的質(zhì)量流量的質(zhì)量流量，其中與所述第一操作模式的蒸氣比例相比，第二操作模式中的蒸氣比例大。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述方法被用于將燃料泵送到發(fā)動(dòng)機(jī)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括(c)通過從所述泵將燃料輸送到蓄壓器容器并選擇所述操作模式來控制質(zhì)量流量，從而將所述蓄壓器容器內(nèi)的壓力維持在預(yù)定范圍內(nèi)，將高壓燃料穩(wěn)定地供應(yīng)給發(fā)動(dòng)機(jī)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，當(dāng)所述蓄壓器容器內(nèi)的壓力在所述預(yù)定范圍內(nèi)時(shí)，當(dāng)所述貯存罐內(nèi)的蒸氣壓力比預(yù)定值大時(shí)，控制所述系統(tǒng)，增加被供應(yīng)到所述泵的蒸氣比例。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括將所述流體通過與所述泵第一端相關(guān)聯(lián)的入口引入所述泵內(nèi)，將所述流體通過與所述泵第一端相反的所述泵的第二端相關(guān)聯(lián)的出口從所述泵內(nèi)排出。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，當(dāng)選擇所述第二操作模式時(shí)，通過限制蒸氣通過所述罐和所述泵之間的管路的流動(dòng)，被供應(yīng)到所述泵的蒸氣比例被保持為低于預(yù)定最大蒸氣比例。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述系統(tǒng)包括用于限制蒸汽通過所述罐和所述泵之間的管路流動(dòng)的孔口。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述系統(tǒng)包括計(jì)量閥，用于控制蒸氣通過所述罐和所述泵之間的管路的質(zhì)量流量。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括(c)對電子控制器進(jìn)行編程，操縱該控制器來響應(yīng)于被測量的操作條件改變所述計(jì)量閥的設(shè)定，從而控制流過所述管路的蒸氣量。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述被測量的操作條件包括所述泵下游的流體壓力。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，當(dāng)選擇所述第一操縱模式時(shí)，所述方法還包括(c)關(guān)閉閥門，阻止蒸氣從所述貯存罐的空部空間供應(yīng)到所述泵。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括(c)通過使用線性液壓馬達(dá)，以基本上恒速操縱所述泵。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，以每分鐘5～30周期的速度來操縱所述泵。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括用于為所述泵工作作準(zhǔn)備的冷卻程序，所述程序包括(a)將低溫液體從所述貯存罐引入所述泵；(b)將所述泵內(nèi)產(chǎn)生的蒸氣返回所述貯存罐，從而增加所述貯存罐內(nèi)的壓力；(c)利用所述泵內(nèi)增加的壓力迫使更多的低溫液體從所述貯存罐進(jìn)入所述泵。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，還包括(c)當(dāng)所述泵已經(jīng)被冷卻到預(yù)定低溫操作溫度時(shí)，防止蒸氣返回所述貯存罐，其中在該預(yù)定低溫操作溫度下，所述泵可作用為在所述第一或第二操作模式中一種模式下泵送所述低溫液體和蒸氣。
16.一種操縱用于泵送低溫流體的低溫系統(tǒng)的方法，所述系統(tǒng)包括多級泵，所述泵具有至少三個(gè)用于壓縮所述低溫流體的室，其中第一、第二室各自的體積大于第三室的，所述方法包括(a)有選擇地將低溫液體或低溫液體和蒸氣的混合物向所述泵供應(yīng)，使得低溫流體通過一入口而流入所述第一室；(b)壓縮和凝結(jié)所述第一室內(nèi)的低溫蒸氣并壓縮所述第一室內(nèi)的低溫液體，從而將低溫流體從第一室傳送到所述第二室；(c)壓縮第二室內(nèi)的低溫流體并將所述低溫流體從所述第二室傳送到所述第三室，直到所述第三室充滿為止，將剩余在第二室內(nèi)的低溫流體傳送到所述第一室；以及(d)壓縮所述第三室內(nèi)的低溫流體并將壓縮后的低溫流體從所述第三室通過出口排出。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括(e)使用壓力促動(dòng)的安全閥，用于控制低溫流體從所述第二室返回第一室。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括(e)從所述泵將所述流體供向蓄壓器，當(dāng)所述蓄壓器內(nèi)的壓力降低到預(yù)定值以下時(shí)，有選擇地僅將低溫液體引入所述泵。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，氣體和蒸氣中的至少一種在所述第一和第二室內(nèi)被凝結(jié)，使得基本上所有從所述第二室傳送到所述第三室內(nèi)的所述流體是低溫液體。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括用于加速使所述熱的低溫泵冷卻的程序，所述程序包括(a)從貯存罐向所述泵供應(yīng)低溫液體；(b)將所述泵內(nèi)產(chǎn)生的蒸氣引導(dǎo)到所述貯存罐的蒸氣空間內(nèi)，由此增加了所述貯存罐內(nèi)的壓力；(c)通過利用所述貯存罐內(nèi)的增加的壓力，從所述貯存罐將更多的低溫液體輸送到所述泵內(nèi)，來冷卻所述泵。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中，所述泵位于所述貯存罐的外部。
22.一種操縱從低溫貯存罐泵送流體的往復(fù)泵的方法，所述泵包括至少三個(gè)用于壓縮所述流體的室，所述室被往復(fù)活塞組件分隔，所述方法包括(a)在內(nèi)縮行程期間，縮回活塞，由此增加所述泵第一室的容積并從貯存罐有選擇地將低溫液體或低溫蒸氣和液體的混合物引入所述第一室內(nèi)；減少所述泵的第二室的容積，壓縮所述第二室內(nèi)的低溫流體，將該低溫流體從所述第二室引入所述第三室，直到第三室充滿為止，然后將低溫流體從所述第二室返回所述第一室，直到內(nèi)縮行程被完成為止；增加所述泵的第三室的容積，并從所述第二室接收低溫流體到第三室內(nèi)，直至所述第三室充滿為止；以及(b)在延伸沖程期間，使所述活塞延伸，由此減少所述第一室的容積，壓縮所述第一室內(nèi)的低溫流體，將所述低溫流體從第一室傳送到所述第二室；增加所述第二室的容積并從所述第一室將流體抽到所述第二室內(nèi)；減少所述第三室的容積，壓縮所述第三室內(nèi)的流體，將低溫流體從所述第三室通過出口排出。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，在所述延伸沖程結(jié)束時(shí)，所述第二室的容積大約比當(dāng)所述活塞在內(nèi)縮行程結(jié)束時(shí)的所述第三室的容積大4～10倍。
24如權(quán)利要求23所述的方法，其中，在所述內(nèi)縮行程結(jié)束時(shí)所述第一室的容積基本上等于在所述延伸沖程結(jié)束時(shí)所述第二室的容積。
25.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，在所述延伸沖程結(jié)束時(shí)所述第三室的容積基本上是零。
26.一種操作用于從低溫貯存罐泵的油底殼供送低溫流體的往復(fù)泵的方法，所述泵包括至少兩個(gè)被往復(fù)活塞組件分隔的室，所述方法包括(a)在內(nèi)縮行程期間，增加所述泵第一壓縮室的容積并將從貯存罐提供的低溫流體引入所述第一壓縮室內(nèi)；減少所述泵的第二壓縮室的容積，并由此壓縮所述第二壓縮室內(nèi)的低溫流體，并從所述第二壓縮室將壓縮后的流體噴出所述泵之外；(b)在延伸沖程期間，減少所述第一壓縮室的容積，并將第一壓縮室的流體傳送到所述第二壓縮室內(nèi)；增加所述第二壓縮室的容積并將低溫流體從所述第一壓縮室抽到所述第二壓縮室內(nèi)，其中，在所述延伸沖程結(jié)束時(shí)所述第二壓縮室的容積小于所述內(nèi)縮行程結(jié)束時(shí)所述第一壓縮室的容積，從而當(dāng)?shù)诙嚎s室的容積被從所述第一壓縮室流入所述第二壓縮室的流體充滿時(shí)，為了適應(yīng)將所述第一壓縮室內(nèi)剩余的流體向第二壓縮室內(nèi)傳送，壓縮后的低溫流體從所述第二壓縮室被噴出所述泵之外。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，在所述延伸沖程結(jié)束時(shí)第二壓縮室的容積小于或等于所述內(nèi)縮行程結(jié)束時(shí)大約所述第一壓縮室的容積的一半。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述第一和第二室的相對尺寸是這樣的，使得在所述內(nèi)縮行程和延伸沖程期間，大約相同量的流體被排出。
29.如權(quán)利要求26所述的方法，還包括在將所述低溫流體引到所述第一壓縮室之前，在誘導(dǎo)器級內(nèi)使低溫蒸氣凝結(jié)。
30.一種從所述貯存罐泵送低溫流體的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括(a)包括抽吸入口和排放出口的往復(fù)泵；(b)將所述抽吸入口與所述貯存罐內(nèi)部的液體流體相連的第一管；(c)將所述抽吸入口與所述貯存罐內(nèi)部的蒸氣流體相連的第二管；(d)所述第二管內(nèi)的節(jié)流裝置，用于限制流過所述第二管，從而液體和蒸氣的混合物可以從所述貯存罐被供應(yīng)到所述抽吸入口。
31.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中，所述泵包括被設(shè)置在油底殼內(nèi)的冷端以及與所述冷端相反的暖端，所述抽吸入口與所述冷端相關(guān)聯(lián)，而所述排放出口與所述暖端相關(guān)聯(lián)。
32.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，還包括與所述泵的活塞相連的線性液壓驅(qū)動(dòng)器。
33.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中，所述活塞以恒速被所述線性液壓驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。
34.如權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其中，所述泵被所述線性液壓驅(qū)動(dòng)器以每分鐘5～30個(gè)周期的速度驅(qū)動(dòng)。
35.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中，所述節(jié)流裝置可以由孔口來實(shí)現(xiàn)。
36.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中，所述節(jié)流裝置可以由計(jì)量閥來實(shí)現(xiàn)。
37.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其中，所述節(jié)流裝置尺寸定為保持供給到所述泵的蒸氣比例等于或小于預(yù)定的最大蒸氣比例。
全文摘要
一種從貯存罐供應(yīng)低溫流體的中壓和高壓泵系統(tǒng)以及操縱這種系統(tǒng)從貯存罐排出液體和蒸氣以便減少排氣需求的方法。所述系統(tǒng)包括可操縱泵送低溫液體或低溫液體和蒸氣的混合物的泵。根據(jù)所述方法，通過選擇兩種操作模式中的至少一種操作模式，通過所述泵的質(zhì)量流量被控制。在第一種操作模式下，通過從貯存罐向所述泵供應(yīng)低溫流體，基本上用液體充滿所述泵的壓縮室來實(shí)現(xiàn)高的質(zhì)量流量。在第二種操作模式下，通過有選擇地同時(shí)從貯存罐向所述泵供應(yīng)低溫流體和蒸氣，其中在第二種操作模式下的蒸氣比例比第一種操作模式下的蒸氣比例高，可以獲得較低的質(zhì)量流量。所述泵優(yōu)選包括具有至少兩個(gè)室的誘導(dǎo)器以及在所述誘導(dǎo)器內(nèi)循環(huán)過量流體而不是使過量流體返回所述貯存罐的裝置。該往復(fù)泵優(yōu)選是雙作用的，從而在延伸和內(nèi)縮沖程期間，將流體從所述泵內(nèi)排出。
文檔編號(hào)F04B19/06GK1564910SQ02819675
公開日2005年1月12日 申請日期2002年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月5日
發(fā)明者安克·格拉姆, 斯蒂芬·諾布爾 申請人:韋斯特波特研究公司