用于改善加壓系統(tǒng)的性能的裝置、系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于改善加壓系統(tǒng)的性能的裝置、系統(tǒng)和方法
[0001]本申請是名稱為“用于改善加壓系統(tǒng)的性能的裝置、系統(tǒng)和方法”、國際申請日為2010年I月12日、國際申請?zhí)枮镻CT/US2010/020766、國家申請?zhí)枮?01080007479.1的發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請要求于2009年I月12日提交的、序列號為61/143,947的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，上述申請完整地被合并于本文中并且是當(dāng)前未決的，而且本申請是于2008年8月11日提交的序列號為12/189，630的美國專利申請的部分繼續(xù)申請，上述申請完整地被合并于本文中并且是當(dāng)前未決的。
技術(shù)領(lǐng)域
[0004]本發(fā)明涉及減小流體系統(tǒng)中的脈動。本發(fā)明的實施例還勝過傳統(tǒng)的系統(tǒng)增加流體流動、減小功率消耗或兩者兼具，導(dǎo)致閉合系統(tǒng)中的更平滑、更高效的流體流動。
【背景技術(shù)】
[0005]管中的循環(huán)有限振幅壓力波傳播的理論例如在GordonP.Blair教授的著作“Design and Simulat1n of Two-Stroke Engines”中被論述并且在本申請中將不再詳細(xì)地進(jìn)行重復(fù)。相反地，以下是本發(fā)明所利用的基本物理原理中的一些的總結(jié):
[0006]1.在具有流動的管內(nèi)總是有沿相反方向的兩個波傳播。
[0007]2.按照慣例稱一個波為右波并且稱另一個波為左波。
[0008]3.這兩個波彼此重疊并且產(chǎn)生可以由壓力傳感器測量的壓力。
[0009]4.不可能獨(dú)立地測量右波或左波，然而例如可以通過由OPTIMUM PowerTechnology開發(fā)的一維氣流模擬軟件跟蹤它們。
[0010]5.如果管的橫截面面積保持相同，則兩個波在不反射的情況下傳播。
[0011]6.當(dāng)管的橫截面面積變化時，波的一部分繼續(xù)傳播并且波的剩余部分沿相反方向反射。
[0012]7.當(dāng)管分叉或終止時，波的一部分繼續(xù)傳播并且波的剩余部分沿相反方向反射。
[0013]由于這些現(xiàn)象，壓縮機(jī)產(chǎn)生遠(yuǎn)離它傳播的脈動并且附連到壓縮機(jī)的吸入和排出側(cè)的管道產(chǎn)生傳播返回壓縮機(jī)的脈動，從而影響壓縮機(jī)性能。
[0014]通過適當(dāng)?shù)囟ㄏ鄩嚎s機(jī)的氣缸和/或適當(dāng)?shù)剡x擇與壓縮機(jī)流體連通的管的長度和直徑，向外躍動的脈動可以被衰減并且向內(nèi)躍動的脈動可以被用于改善壓縮機(jī)的性能。
[0015]流體(無論是氣體還是液體)可以流動通過管路或管道。流體可以由壓力產(chǎn)生裝置(例如壓縮機(jī)或其他類型的栗)推動。用于推動流體(特別是氣體)的一種類型的壓縮機(jī)是往復(fù)式壓縮機(jī)。由往復(fù)式壓縮機(jī)輸送的壓力和流動在每個壓縮機(jī)氣缸活塞的沖程期間始終變化，因此產(chǎn)生以聲速在附連的管道系統(tǒng)上到處傳播的壓力波或脈沖。由于多種原因而希望進(jìn)行往復(fù)式壓縮機(jī)所生成的壓力脈動的有效控制，包括防止系統(tǒng)管道、容器和機(jī)械設(shè)備和結(jié)構(gòu)中的破壞力和應(yīng)力，以及防止在壓縮機(jī)氣缸凸緣處或附近的有害時變吸入和排出壓力。
[0016]往復(fù)式壓縮機(jī)可以具有交替地朝著氣缸的一個端部移動并且然后移動到氣缸的相對端部的活塞，并且流體可以由活塞沿活塞運(yùn)動的任意一個或兩個方向從氣缸推動。當(dāng)僅僅沿一個方向移動時推動流體的活塞可以被稱為單動活塞，而當(dāng)沿兩個方向移動時推動流體的活塞可以被稱為雙動活塞。雙動活塞使用活塞的兩個沖程在壓縮機(jī)的排出口壓縮氣體，而單動活塞使用活塞的僅僅一個沖程在壓縮機(jī)的排出口壓縮氣體。示例性的雙動壓縮機(jī)是由俄亥俄州Mount Vernon市的Ariel Corporat1n制造的那些壓縮機(jī)。
[0017]每個單動或雙動活塞的栗送作用產(chǎn)生復(fù)雜循環(huán)壓力波。雙動活塞的壓力波通常具有兩倍于壓縮機(jī)操作速度的主頻率和許多諧波。由這樣的栗送作用產(chǎn)生的管路和管道內(nèi)的壓力的變化通常被稱為脈動(pulsat1n)。
[0018]在典型的流體栗送系統(tǒng)(例如，天然氣栗送站)中，其中栗送由一個或多個往復(fù)式壓縮機(jī)執(zhí)行，用常常具有復(fù)雜的內(nèi)部扼流管、擋板和室的初級和/或次級容量瓶的系統(tǒng)以及安裝在系統(tǒng)管道中的各種位置的各種孔板來控制壓力脈動。那些壓力脈動控制裝置被認(rèn)為通過增加對系統(tǒng)的阻力或阻尼而實現(xiàn)脈動控制，并且它們的使用導(dǎo)致典型地存在于壓縮機(jī)氣缸的上游(或沿遠(yuǎn)離壓縮機(jī)氣缸的方向)和下游(或沿朝著壓縮機(jī)氣缸的方向)的壓力損失。對于普通管線傳輸應(yīng)用，特別是具有它們的入口和出口之間的低壓力比的那些應(yīng)用，例如天然氣管線系統(tǒng)，壓力損失會顯著地降低系統(tǒng)工作效率。由于更大的高速壓縮機(jī)已越來越多地應(yīng)用于管線傳輸應(yīng)用，因此現(xiàn)有的壓力波或脈動控制裝置的影響被認(rèn)為變得對性能更有害，原因是必須在這樣的高速壓縮機(jī)中阻尼更高頻率的脈動。在某些情況下，據(jù)報導(dǎo)使用脈動控制的傳統(tǒng)方法的安裝系統(tǒng)使高速、低比率壓縮機(jī)的驅(qū)動器馬力要求增加了百分之20或以上。
[0019]通常，在諸如天然氣管線系統(tǒng)的系統(tǒng)中，瓶靠近它們的壓縮機(jī)的出口被使用，以阻尼接近流體源的脈動。除了如上所述使用瓶來控制脈動的缺陷以外，瓶通常很龐大。消除、減小或不唯一地依賴瓶來解決脈動的天然氣管線或其他系統(tǒng)可以克服某些缺陷。因此，通過衰減在沿著管線的各位置的脈沖來解決脈動而不顯著影響系統(tǒng)的效率的天然氣管線或其他系統(tǒng)可能是合乎需要的。
[0020]已關(guān)于不同長度的平行管的使用對消除特定波長的聲音的影響進(jìn)行了研究。Herschel在1833年研究了管中的聲波干涉，他預(yù)測可以通過分離來自相同源的兩個波并且在它們沿著不同長度的路徑行進(jìn)之后異相地重組它們而消除聲音。Quincke在1866年所做的實驗證實Herschel的系統(tǒng)確實抑制聲音。
[0021]Herschel-Quincke解決方案的變型已被提出，包括使用旁通管控制來自內(nèi)燃機(jī)的排氣噪聲的方法，例如如Hwang的美國專利6,633,646(在下文中被稱為“Hwang” )中所述，參見Hwang的圖1和圖5。在這樣的裝置中，主排氣管帶有兩個U形旁通管，主管的排氣通道在被重新整合之前部分地被轉(zhuǎn)向通過所述U形旁通管。使用這樣的構(gòu)造，穿過固定管的廢氣的主噪聲分量和穿過第一旁通管的廢氣的噪聲分量之間的相差被調(diào)節(jié)180度，因此抑制主噪聲分量和它的奇次諧波。第二旁通管的長度被調(diào)節(jié)，使得具有主噪聲分量的頻率的兩倍的頻率的噪聲分量被抑制。然而，以上方法未有效地衰減4次諧波，S卩，具有主噪聲分量的四倍的頻率的噪聲分量，也未衰減可被4整除的任何其他諧波。此外這樣的布置作用于單一主頻率和它的某些諧波，并且因此不太可能在噪聲頻率的范圍內(nèi)提供有效的噪聲衰減。此外，Herschel ,Quincke和Hwang致力于聲音衰減，而不是系統(tǒng)整體性和性能的改進(jìn)。盡管聲音和脈動的衰減可以通過類似手段實現(xiàn)，但是它們不同程度地操作以獲得不同的結(jié)果。例如，聲音的減小經(jīng)常涉及人體舒適和令人煩惱的高頻波長的減小。相反地，脈動減小經(jīng)常集中于減小可能導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)(例如管、管路、管道、機(jī)械設(shè)備和結(jié)構(gòu))損壞的低頻波長，有時用于臨界安全應(yīng)用中，例如天然氣管線。
[0022]Baars等人的美國專利5,762,479(在下文中被稱為“Baars”)涉及一種用于在小型制冷系統(tǒng)中使用的類型的往復(fù)式密封壓縮機(jī)的排出裝置。該裝置包括氣體排出管，氣體從氣體排出室流動通過所述氣體排出管。為了衰減在某個頻率下的脈沖，來自氣體排出室的氣流的一部分通過氣體排出輔助管被轉(zhuǎn)移。氣體排出管和氣體排出輔助管的長度相差在該頻率下的波長的幾分之一，優(yōu)選一半。因而，當(dāng)氣體排出管和氣體排出輔助管中的氣流會合時，脈沖被衰減。
[0023]然而Baars未解決系統(tǒng)性能，例如氣體流率或效率。另外，Baars僅僅解決了在單一頻率下的脈沖的衰減，而未衰減在任何其他基本或諧波頻率下的脈沖。另外，可能需要一種脈動衰減裝置、系統(tǒng)和方法，其衰減在多個頻率下的脈沖，并且不同于Baars，涉及天然氣管線系統(tǒng)。
[0024]Thayer的美國專利3，820，921(在下文中被稱為“Thayer”)涉及一種具有徑向構(gòu)造氣缸的密封冰箱壓縮機(jī)。Thayer公開了一種六氣缸排出裝置，其中第一組三個氣缸具有在接頭并排連接到一個公用排出管線的排出管，并且另外的三個氣缸具有在接頭并排連接到第二公用排出管線的排出管。排出管可以具有相等的長度以減小噪聲，所述噪聲包括由在某些頻率下的振動和共振導(dǎo)致的噪聲。該構(gòu)造可以最小化對消聲器的需要，并且可以增加壓縮機(jī)效率。在接頭的連接點(diǎn)的并排關(guān)系被認(rèn)為產(chǎn)生接頭中的抽吸效應(yīng)，通過所述抽吸效應(yīng)從氣缸中的一個排出的氣體有助于收回來自相對氣缸的排出脈沖。
[0025]Thayer涉及具有徑向構(gòu)造氣缸的密封冰箱壓縮機(jī)中的噪聲減小，并且不用于改善具有線列氣缸的壓縮機(jī)(例如有時用于天然氣栗送中的那些)的性能。Thayer還涉及一種具有單一接頭的裝置，在所述接頭中流動被組合和布置為產(chǎn)生抽吸效應(yīng)，未涉及一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)串聯(lián)地組合在兩個或更多個位置的流動，以通過衰減各種壓力變化來改善壓縮機(jī)性能。因此，可能需要一種脈動衰減，其改善諸如天然氣系統(tǒng)的系統(tǒng)中的壓縮機(jī)的性能。
[0026]此外，Thayer系統(tǒng)未認(rèn)識到由它的接頭產(chǎn)生的波反射問題。在管流動狀況和幾何形狀的不連續(xù)點(diǎn)，例如在多個流體流動路徑的接頭處和關(guān)于直徑變化，通常發(fā)生波反射。在接近壓縮機(jī)的出口引入不連續(xù)點(diǎn)的情況下，例如在Thayer中，波的被反射部分可能顯著地影響在壓縮機(jī)的出口處的壓力。Thayer未能解決該問題。另外，可能需要一種脈動衰減裝置、系統(tǒng)和方法，其解決該問題并且不同于Thayer中的密封冰箱壓縮機(jī)，還涉及天然氣管線系統(tǒng)。
[0027]因此，本脈動衰減裝置、系統(tǒng)和方法的某些實施例可以在例如確定管長度和定位某些接頭時解決波的那些被反射部分。本脈動衰減系統(tǒng)、裝置和方法的其他實施例可以解決傳播通過天然氣管線的波的那些被反射部分。
[0028]包括具有多個源(例如多個氣缸)的往復(fù)式壓縮機(jī)的本脈動衰減裝置、系統(tǒng)和方法的實施例可以在從多個源組合時減小傳播通過流體的壓力波，同時利用其他手段來改善系統(tǒng)性能。
[0029]用于改善加壓系統(tǒng)的性能的本裝置、系統(tǒng)和方法的某些實施例衰減管路或管道中的脈動。盡管聲波傳播消除和脈沖傳播消除可以基于相同原理中的一些，但是波動力學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到聲波傳播的減小具有不同的目標(biāo)并且與脈沖傳播的減小不同地起作用，以改善栗送系統(tǒng)的性能。
[0030]用于改善加壓系統(tǒng)的性能的本裝置、系統(tǒng)和方法的某些實施例還可以保持具有脈動的管道和容器系統(tǒng)的完整性。
[0031]本文中所述的用于改善加壓系統(tǒng)的性能的本裝置、系統(tǒng)和方法的實施例減小栗送系統(tǒng)中的脈動，所述栗送系統(tǒng)包括利用往復(fù)式壓縮機(jī)和旋轉(zhuǎn)式栗(在本文中被統(tǒng)稱為“栗”)的栗送系統(tǒng)。
[0032]本文中所述的用于改善加壓系統(tǒng)的性能的本裝置、系統(tǒng)和方法的實施例與現(xiàn)有的系統(tǒng)相比減小能量消耗。
[0033]本文中所述的用于改善加壓系統(tǒng)的性能的本裝置、系統(tǒng)和方法的實施例與現(xiàn)有的系統(tǒng)相比增加栗送系統(tǒng)中的流動。
[0034]本文中所述的用于改善加壓系統(tǒng)的性能的本裝置、系統(tǒng)和方法的實施例與現(xiàn)有的系統(tǒng)相比減小栗操作的壓差。
[0035]本文中所述的用于改善加壓系統(tǒng)的性能的本裝置、系統(tǒng)和方法的實施例可以利用多種手段來減小或消除傳播通過被栗送的流體(例如天然氣)的基本和諧波頻率，并且可以改善系統(tǒng)性能，例如流率或效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0036]用于改善加壓系統(tǒng)的性能的裝置、系統(tǒng)和方法的實施例涉及用于減小流體栗送系統(tǒng)中的壓力波的系統(tǒng)、方法和裝置，以及用于增加流體栗送系統(tǒng)中的流動或效率的系統(tǒng)、方法和裝置。
[0037]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種天然氣栗送系統(tǒng)。所述天然氣栗送系統(tǒng)包括具有兩個氣缸的往復(fù)式壓縮機(jī)，其中每個氣缸具有通過其接收天然氣的入口和通過其排出天然氣的出口。所述天然氣栗送系統(tǒng)還包括:第一管路，其具有與所述第一氣缸的出口流體連通的第一端部和與接頭流體連通的第二端部；以及第二管路，其具有與所述第二氣缸的出口流體連通的第一端部和與所述接頭流體連通的第二端部。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了一種包括往復(fù)式壓縮機(jī)的天然氣栗送系統(tǒng)。所述往復(fù)式壓縮機(jī)包括:第一氣缸，其具有通過其接收天然氣的入口和通過其排出天然氣的出口；以及第二氣缸，其具有通過其接收天然氣的入口和通過其排出天然氣的出口。所述天然氣壓縮機(jī)還包括:第一管路，其具有與所述第一氣缸的入口流體連通的第一端部和與接頭流體連通的第二端部；以及第二管路，其具有與所述第二氣缸的入口流體連通的第一端部和與所述接頭流體連通的第二端部。
[0039]在本發(fā)明的另一個實施例中提供了一種壓力波衰減系統(tǒng)。所述壓力波衰減系統(tǒng)包括:一個或多個往復(fù)式壓縮機(jī)，其共同包括第一氣缸、第二氣缸和第三氣缸;第一集管，其聯(lián)接到所述第一氣缸和第一接頭;第二集管，其聯(lián)接到所述第二氣缸和所述第一接頭，使得當(dāng)從所述第一和第二集管流出的流體在所述第一接頭組合時，在流動通過所述第一集管的流體中傳播的壓力波與流動通過所述第二集管的流體異相;第三集管，其聯(lián)接到所述第三氣缸和第二接頭；以及第一分支管線，其從所述第一接頭延伸到所述第二接頭。
[0040]在又一個實施例中，提供了一種壓力波衰減系統(tǒng)，包括:一個或多個往復(fù)式壓縮機(jī)，其共同包括第一氣缸、第二氣缸、第三氣缸和第四氣缸;第一集管，其與所述第一氣缸和第一接頭流體連通;第二集管，其與所述第二氣缸和所述第一接頭流體連通，使得當(dāng)從所述第一集管流出的流體和流動通過所述第二集管的流體在所述第一接頭組合時，在流動通過所述第一集管的流體中傳播的壓力波和在流動通過所述第二集管的流體中傳播的壓力波被衰減;第三集管，其與所述第三氣缸和第二接頭流體連通;第四集管，其與所述第四氣缸和所述第二接頭流體連通，使得當(dāng)從所述第三集管流出的流體和流動通過所述第四集管的流體在所述第二接頭組合時，在流動通過所述第三集管的流體中傳播的壓力波和在流動通過所述第四集管的流體中傳播的壓力波被衰減;第一分支管線，其與所述第一接頭和第三接頭流體連通；以及第二分支管線，其與所述第二接頭和所述第三接頭流體連通，所述第二分支管線的長度不同于所述第一分支管線的長度，使得當(dāng)從所述第一和第二分支管線流出的流體在所述第三接頭組合時，在所述第一分支管線中的流體中傳播的壓力波和在所述第二分支管線中的流體中傳播的壓力波被衰減。
[0041]在另一個實施例中，提供了一種減小天然氣栗送系統(tǒng)中的壓力變化的方法。所述方法包括:當(dāng)?shù)谝恢芷谛詨毫Σ▌犹匦耘c第二周期性壓力波動特性異相時，組合從第一往復(fù)式氣缸流出的天然氣和從第二往復(fù)式氣缸流動的天然氣，所述第一往復(fù)式氣缸具有在第一相位中操作的所述第一周期性壓力波動特性，所述第二往復(fù)式氣缸具有在第二相位中操作的所述第二周期性壓力波動特性。
[0042]本發(fā)明還包括一種衰減天然氣栗送系統(tǒng)中的壓力波的方法，包括組合從第一氣缸流出的氣體和從第二氣缸流出的氣體，使得所述第一周期性波和所述第二周期性波異相，在第一氣缸中傳播第一周期性波，在第二氣缸中傳播第二周期性波。
[0043]因此，本發(fā)明提供了現(xiàn)有的流體栗送系統(tǒng)、裝置和方法的缺點(diǎn)的解決方案。所以本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地認(rèn)識到本發(fā)明的那些和其他細(xì)節(jié)、特征和優(yōu)點(diǎn)將在本發(fā)明的優(yōu)選實施例的以下詳細(xì)描述中變得更顯而易見。
【附圖說明】
[0044]包含在本文中并且構(gòu)成該說明書的一部分的附圖包括本發(fā)明的一個或多個實施例，并且與上面給出的概述和下面給出的詳述一起用于公開脈動衰減裝置和網(wǎng)絡(luò)的實施例的原理。
[0045]圖1示出了脈動衰減裝置的實施例；
[0046]圖2示出了六氣缸往復(fù)式壓縮機(jī)型栗的實施例的示意圖；
[0047]圖3示出了六氣缸往復(fù)式壓縮機(jī)型栗的實施例的示意圖；
[0048I圖4示出了流體栗送系統(tǒng)的實施例；
[0049]圖5示出了入口管道系統(tǒng)的實施例；
[0050]圖6示出了六氣缸往復(fù)式壓縮機(jī)型栗系統(tǒng)的實施例；
[0051]圖7示出了包括兩個調(diào)諧回路的調(diào)諧回路網(wǎng)絡(luò)的實施例；
[0052]圖8示出了包括分別與栗的入口和出口流體連通的兩個調(diào)諧回路的調(diào)諧回路網(wǎng)絡(luò)的實施例；
[0053]圖9示出了包括吸入調(diào)諧回路網(wǎng)絡(luò)和排出調(diào)諧回路網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)的實施例；
[0054]圖10是用于衰減流體中的脈動、振動或其他非理想波的方法的實施例的流程圖；
[0055]圖11是衰減由栗產(chǎn)生的壓力波或脈動的方法的實施例的流程圖；以及
[0056]圖12示出了利用本發(fā)明的方面的流體栗送系統(tǒng)的實施例。
【具體實施方式】
[0057]現(xiàn)在將參考用于改善加壓系統(tǒng)的性能的裝置、系統(tǒng)和方法的實施例，在附圖中示出了所述實施例的例子。用于改善加壓系統(tǒng)的性能的那些裝置、系統(tǒng)和方法的細(xì)節(jié)、特征和優(yōu)點(diǎn)將在它們的實施例的以下詳細(xì)描述中變得更明顯。應(yīng)當(dāng)理解的是，包括在本文中的圖和說