压缩设备和包括这种设备的充装站的制作方法

压缩设备和包括这种设备的充装站
1.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。
2.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、与第一压缩室和第二压缩室连通并且被配置成允许流体从第一压缩室输送到第二压缩室的传送系统、用于确保对第一压缩室和第二压缩室中的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离开的排放孔，第二压缩室由活塞的本体的一部分和该设备的固定壁界定，活塞可在纵向方向上平移运动。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.因此，往复式低温泵的关键特征应该是：
[0012]-进入密度尽可能高，
[0013]-相对于环境的隔热性非常好，
[0014]-最小死区体积(因此高压缩比)，
[0015]-用于实现快速维护和高可靠性的简单稳健的设置，
[0016]-良好地控制蒸发损失以限制其影响。
[0017]
文件us 7410348描述了一种具有两个压缩级和经由止回阀的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。
[0018]
这也导致设置和维护更难。
[0019]
本发明的目的是克服上文阐述的所有或一些现有技术缺点。
[0020]
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，活塞包括围绕固定中心引导件安装的管状部分，中心引导件的末端形成界定第二压缩室的一部分的固定壁，该设备包括形成在中心引导件与活塞之间的密封系统；在活塞平移的纵向方向上，进入系统位于设备的第一端部处，排放孔位于设备的第二端部处，并且传送系统位于进入系统与排放孔之间。
[0021]
此外，本发明的实施例可以具有以下特征中的一个或多个特征：
[0022]-活塞的一个端部形成移动表面以对第一压缩室中的流体进行压缩，而活塞的管状部分形成移动套管，该移动套管与中心引导件的末端协作以形成用于对第二压缩室中的流体进行压缩的系统，在该压缩系统中，中心引导件的末端形成固定活塞，
[0023]-在操作配置中，活塞平移的纵向方向是竖直的或倾斜的，进入系统位于设备的下端部处，排放孔位于设备的位于进入系统上方并且优选地位于传送系统上方的一部分中，
[0024]-第二压缩室整体被包含在活塞的管状部分中，
[0025]-在纵向方向上，第二压缩室的第一端部由管状活塞的第一端部界定，并且第二压缩室的第二端部由中心引导件的末端和形成在中心引导件与活塞之间的密封系统界定，所述密封系统被定位成与中心引导件的末端齐平或邻近，
[0026]-形成在中心引导件与活塞之间的密封系统被定位成仅在第二压缩室的第二端部的高度处和/或在设备的与第一端部相反的方向上沿纵向方向超出第二压缩室，
[0027]-排放孔位于中心引导件的末端的高度处，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与设备的第一端部相反的端部处的第二端部，
[0028]-第一压缩室由第一固定腔体、活塞的一个端部、以及形成在活塞与第一腔体的壁之间的密封系统界定，
[0029]-进入系统位于第一腔体的与设备的第二端部相反的端部处，
[0030]-进入系统包括以下中的至少一者：一个或多个止回阀、一个或多个孔或(多个)端口、至少一个平盘阀或者被配置成在进入阶段期间允许要压缩的流体进入第一压缩室中并且在压缩阶段防止流体离开的阀，
[0031]-界定第一压缩室的固定壁部分，该固定壁部分包括一个或多个端口或孔，该一个或多个端口或孔优选地布置在纵向方向上使得它们根据活塞的纵向位置不同而允许或不允许第一压缩室与外侧之间进行连通，
[0032]-对第二压缩室中的流体进行压缩是由活塞在设备的第二端部的方向上的冲程引起的，
[0033]-该设备容纳在包含低温冷却流体槽的密封外壳中，
[0034]-该设备包括泄漏气体排放回路，该排放回路包括第一端部和第二端部，该第一端部同在活塞与中心引导件之间的空间连通，该第二端部在设备的第二端部的高度处打开。
[0035]
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。
[0036]
本发明还可以涉及包括权利要求范围内的上文或下文特征的任何组合的任何替代性的装置或方法。
[0037]
通过阅读以下参考附图给出的描述，其他具体特征和优点将变得显而易见，在附图中：
[0038]
[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，
[0039]
[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，
[0040]
[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，
[0041]
[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，
[0042]
[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，
[0043]
[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，
[0044]
[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，
[0045]
[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，
[0046]
[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。
[0047]
[图1]中描绘的流体压缩设备1包括两个串联压缩级。
[0048]
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)。
[0049]
设备1包括与第一压缩室3连通的进入系统2，该进入系统被配置成允许要压缩的流体进入所述第一压缩室3中。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，此进入系统2((多个)阀闸和/或类似物)在其两端之间为给定压力差的情况下打开。此外，第一室3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。
[0050]
设备1还包括止回传送系统6，该止回传送系统与第一压缩室3和第二压缩室4连通并且被配置成(在对第一压缩室3中的流体进行压缩阶段期间和/或结束时)允许流体从第一压缩室3输送到第二压缩室4，但是该止回传送系统在第二压缩室4中进行压缩阶段期间关闭。此传送系统6可以与进入系统2的类型相同。
[0051]
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)。
[0052]
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可以设置有止回系统，该止回系统可以与进入系统2的止回系统类型相同(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)。
[0053]
第二压缩室4由活塞5的本体的一部分和设备的固定壁界定。活塞5能够在纵向方向a上平移运动。
[0054]
如图所示，活塞5包括围绕固定中心引导件8安装的管状部分。中心引导件8的末端形成界定第二压缩室4的一部分的固定壁。设备1包括密封系统10，该密封系统形成在中心引导件8与活塞5((多个)活塞环、(多个)密封件等)之间。
[0055]
在活塞5平移的纵向方向a上，进入系统2位于设备1的第一端部处，排放孔7位于设备的第二端部处，并且传送系统6位于进入系统2与排放孔7之间。这意味着用于流体通过的孔2、6和7被串联定位，其顺序与压缩设备1中流体温度升高的顺序相对应(在进入第一压缩室3时是冷的，然后在第二压缩室4中是热的，并且在离开该第二压缩室4时更热)。
[0056]
如图所示，活塞5的一个端部形成移动表面以对第一压缩室3中的流体进行压缩，而活塞5的管状部分形成移动套管，该移动套管与中心引导件8的末端协作以形成用于对第二压缩室4中的流体进行压缩的系统(因此，在该第二压缩级中，中心引导件8的末端与移动套管协作形成固定活塞)。
[0057]
如图所示，在操作配置中，活塞(5)平移的纵向方向a优选地是竖直的或倾斜的，使得进入系统2位于设备1的下端部处，排放孔7位于设备的位于进入系统2上方并且优选地位于传送系统6上方的一部分中。
[0058]
下文将更加详细地描述此优选实施例。然而，当然，作为替代，纵向轴线a在操作配置中可以是水平的或者可以是倾斜的以转换上面描述的相对竖直位置。
[0059]
因此，当活塞5平移运动的纵向方向a是竖直的时，进入系统2可以位于设备1的下端部处。排放孔7自身位于设备1的上部，即在进入系统2的上方。
[0060]
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(该区域较热)。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。此外，热流体偏离到可以包含活塞致动机构21并且产生热量的上部中。
[0061]
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的杆被向上朝向设备1的热部拉动)。
[0062]
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5的杆上产生张力。这从机械角度来看是有利的。这是因为在该张力下，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。
[0063]
如示意性描绘的，活塞5可以由位于上部或偏离位置的马达构件21或者由连接到马达构件的驱动机构来驱动。
[0064]
如图所示，第一压缩室3可以被形成在管状腔体14中、或在其下端部处封闭的固定室中。因此，第一压缩室3可以在其下部由此固定下腔体14界定。进入系统2可以位于下腔体14的下端部。
[0065]
因此，第一压缩室3可以在其上部由活塞5的下端部以及形成在活塞5与下腔体14
的壁之间的密封系统15(活塞环等)界定。
[0066]
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，如特别是在[图4]中示意性示出的，一个或多个端口26(或孔)可以形成在下腔体14的上部(或至少界定第一燃烧室的一部分的任何固定壁部分)中。当活塞5露出这些端口26时(当活塞5在至少部分端口26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26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3在第二压缩室3中向下移动)，这些端口26允许多余液体逸出，由此计量要截留在其中的液体的体积(可以通过端口26的纵向位置来确定此体积)。然后，活塞5在第一压缩室3中继续其压缩冲程，并且端口26不再与压缩体积(该压缩体积与槽16隔离)连通。
[0067]
应当注意到的是，这些端口26或孔可以形成进入系统的一部分或者甚至可以构成该进入系统，从而使流体进入第一压缩室3中。这意味着可能省去位于下腔体14的下端部处的前述(多个)进入阀系统2，并且在这样的示例中可以只通过前述端口26或孔来确保使流体进入第一压缩室3。
[0068]
因此，活塞5的管状部分形成围绕整个第二压缩室4的外壳。因此，第二压缩室4可以完全包含在活塞5的管状部分中。因此，活塞5可以构成第二压缩室4的壳体。这种结构使得可以将第二压缩室4完全限制在活塞5内部，该第二压缩室的壁可以被有效地隔热(即保持冷却)，如下文所描述的。
[0069]
因此，第二压缩室4的下端部可以由管状活塞5的下端部界定，并且第二压缩室4的上端部可以由中心引导件8的下末端以及形成在中心引导件8与活塞5之间的密封系统10界定。
[0070]
应当注意到的是，此密封系统10位于中心引导件8的下端部处或该下端部上方、第二压缩室4的上端部上方。
[0071]
因此，这种结构使得可以仅在第二压缩室4的一端设置单个高压动态密封系统。因此，形成在中心引导件8与活塞5之间的密封系统10可以仅位于第二压缩室4的上端部处和/或在第二室4上方。
[0072]
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(相对于活塞的冲程方向在每侧各一个)。
[0073]
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。
[0074]
传送系统6例如位于活塞5的管状壁的下端部上，该传送系统的一个面界定第一压缩室3的上端部。如前所述，此传送系统6可以是单个系统或多个系统、并且可以具有任何适合用于(在第一压缩室3压缩阶段期间)允许流体从第一室3输送到第二室4(并且在第二室4压缩期间防止流体从第二室4输送到第一室)的结构。
[0075]
排放孔7可以位于中心引导件8的下端部(第二压缩室4的固定上端部)处。设备1可以包括压缩气体排放管道11，该管道包括连接到该排放孔7的下部第一端部和位于设备1的上部以收集压缩的高压流体的上部第二端部。
[0076]
如[图1]所示，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。
[0077]
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。
[0078]
第一压缩室3可以直接固定至槽16的底部。
[0079]
移动件(活塞5)进行竖直(上下)运动。安装板24、25和轴22、23可以设置在压缩室3、4外以进行安装并允许相对于固定部进行压缩运动。
[0080]
自然地，在这种情况下，活塞5的结构被设计成以便允许活塞5的一部分(在这种情况下，活塞的后部)在板24(或类似部件)中滑动。例如，活塞5的下部是管状的(并且形成第二压缩室4)，而活塞5的相反(上)部被设计成允许相对于板24滑动。
[0081]
例如，活塞5的上部具有用于板24通过的一个或多个开口。活塞5可以由接合/固定在一起的一个或多个件制成。
[0082]
现在将结合[图2]至[图6]描述压缩循环的一个示例。
[0083]
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)。
[0084]
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。
[0085]
在最上位置([图4])，第二压缩室4被排空，第一压缩室3充满。
[0086]
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])。一个或多个端口26与第一压缩室3连通，直至活塞5经过所确定的底部纵向位置。当在下止点位置之后压力相等时，第二压缩室4被隔离。
[0087]
设备返回到开始配置并且可以重新开始循环([图6])。
[0088]
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。进入处(优选地在底部处)与排放处(优选地在顶部处)之间的相对较长的距离加强了此优势。
[0089]
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。
[0090]
整体可以容纳在壳体中。
[0091]
[图7]展示了变体，在该变体中设置了可选的泄漏气体排放回路12。例如，回路12包括具有第一端部和第二端部的管道，该第一端部同在活塞5与中心引导件8之间的空间(在密封系统10上方并且可能在可能存在的附加上部密封件下方)连通，该第二端部通向设备1的上部。
[0092]
在[图8]的变体中，活塞5下端部的几何形状可以被适配成修改两个压缩室3、4的体积比，例如增加第二压缩室4相对于第一压缩室3的大小。
[0093]
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。
[0094]
例如，用于充装加压气体(例如氢气)罐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。