[0001] 背景。
技术领域
[0002] 本文所公开的主题的
实施例大体上涉及方法和系统，并且更具体而言，涉及用于将压缩机部分和泵部分一体化到单一系统中以用于压缩和泵送给定
流体的机构和技术。
背景技术
[0003] 在过去几年中，对于石化产品更多的依赖已经不但产生污染物(如 CO2)排放的大幅增加，而且还产生对具有用于处理石油和
天然气衍生产品的更多压缩机、泵和其它机械的需求。
[0004] 例如，在发电领域产生大量的 CO2排放物。随着世界对污染性排放物变得越来越敏感，并且政府正朝不利于进入环境中的这些排放物的机制而努
力，因此开发降低污染量的技术(所谓的绿色技术)比以往更重要。在增强油回收(EOR，这是指用于增加可从油田开采的
原油的量的技术)的不同领域，以更有效且可靠的方式输送 CO2和/或 CO2混合物的需求对于工业以及对于环境也很重要。根据EOR，来自储存设施的 CO2和/或 CO2混合物被提供至陆上或离岸钻井
位置以用于在地下泵送以便移除石油。因此， CO2和/或 CO2混合物对于该领域很重要。就发电而言， CO2排放的减少是有挑战性的，因为该流体具有较高分子量，并且其
临界点在环境
温度下处于非常低的压力(74巴)。为了移除通常通过发电而作为气体产生的 CO2， CO2需要与在
发电厂排气中存在的其它污染物和/或物质中分离。该步骤传统上称为捕集。在捕集 CO2之后，需要将气体压缩以达到预定压力、冷却以从气
相变为浓相，例如液相，并且然后以这种
密度更高的相输送至储存地点。如随后将讨论的，浓相依赖于流体的类型、流体中的杂
质量和其它参数。然而，通常对于流体不存在能定量描述浓相的唯一参数，除非知道该流体的准确成分。相同的过程可用于EOR，其中 CO2和/或 CO2混合物需要被捕集，并且然后压缩和输送至期望的地点用于重新注入。
[0005] 因此，常规地，在捕集阶段之后，使用压缩机将气相的初始 CO2变为浓相或液相。此后， CO2被供给到泵中，该泵将浓相或液相的流体输送至储存设施或另一期望的地点用于重新注入。应当指出，为了让泵和压缩机两者有效地处理 CO2，必须实现一定压力和温度的气相和浓相/液相 CO2，因为压缩机和泵的效率对于这些参数敏感。因此，传统的压缩机和泵需要相对于彼此微调，使得精确相态的 CO2从压缩机传递到泵。然而，由于压缩机和泵传统上由不同的提供商制造，因此这两种元件的匹配可能是费时的，需要制造商之间的大量协调。此外，使用独立式压缩机和独立式泵的现有系统具有较大
覆盖区，这可能是高成本的。
[0006] 因此，期望提供能避免上述问题和缺点的系统和方法。
发明内容
[0007] 根据一个示例性实施例，存在一种用于压缩气相流体并用于泵送浓相流体的系统。该系统包括：压缩机部分，其具有构造成压缩气相流体的至少一个
叶轮；压缩机部分入口，其连接到压缩机部分且构造成接纳气相流体并将流体提供至至少一个叶轮；压缩机部分出口，其构造成以等于或大于预定密度的密度提供气相流体；温度改变装置，其连接到压缩机部分出口且构造成将流体变为浓相；泵部分，其具有构造成泵送浓相流体的至少一个叶轮；泵部分入口，其构造成接纳来自压缩机部分出口的浓相流体；泵部分出口，其构造成从系统输出浓相流体；单一大
齿轮，其构造成以预定速度围绕轴向轴线旋转；多个
小齿轮，其
接触单一大齿轮且构造成以彼此不同的预定速度旋转，每个小齿轮构造成启动(activate)对应的压缩机部分叶轮；以及泵轴，其从泵部分延伸且构造成接合单一大齿轮以使泵部分的至少一个叶轮旋转。压缩机部分的至少一个叶轮具有与泵部分的至少一个叶轮不同的速度，并且浓相通过具有比预定密度更大的密度而限定。
[0008] 根据另一个示例性实施例，存在一种用于压缩气相流体和用于利用系统泵送浓相流体的方法，该系统包括压缩机部分和泵部分，压缩机部分具有至少一个压缩机部分叶轮，并且泵部分具有至少一个泵部分叶轮。该方法包括：在压缩机部分的压缩机部分入口处接纳气相流体；在压缩机部分的一个或多个级中压缩气相流体，使得流体作为处于等于或大于预定密度的密度的气相流体出现在压缩机部分的压缩机部分出口处；在流体离开压缩机部分之后，通
过冷却流体而将流体的相态转变为浓相；在泵部分的泵部分入口处接收浓相流体；将浓相流体泵送通过泵部分的一个或多个级，使得在泵部分的泵部分出口处出现具有比在泵部分入口处更高的压力的流体；以及旋转单一大齿轮，以便启动至少一个或多个压缩机级和至少一个或多个泵级的全部。浓相由具有比预定密度更大的密度的流体限定。
[0009] 根据又一个示例性实施例，存在一种包括计算机可执行指令的计算机可读介质，其中，指令在被执行时实现用于利用系统来压缩气相流体并用于泵送浓相流体的方法，该系统包括压缩机部分和泵部分，压缩机部分具有至少一个压缩机部分叶轮，并且泵部分具有至少一个泵部分叶轮。该方法包括此前的段落中引述的步骤。
附图说明
[0010] 被合并到该
说明书中并组成其一部分的附图示出了一个或多个实施例，并且与该描述一起解释这些实施例。在附图中：
[0011] 图1是根据示例性实施例具有一体化的压缩机和泵的系统的一般视图；
[0012] 图2是根据示例性实施例具有一体化的压缩机和泵的系统的示意图；
[0013] 图3示出根据示例性实施例由压缩机压缩且由泵在一定温度和压力下泵送的流体的相态图；
[0014] 图4是根据示例性实施例连接到启动压缩机部分的大齿轮的泵部分的示意图；
[0015] 图5是根据示例性实施例具有一体化的压缩机和泵的系统的侧视图；
[0016] 图6是根据示例性实施例的系统的泵部分的示意图；
[0017] 图7是具有一体化的压缩机和泵的系统和控制系统的示意图；以及[0018] 图8是示出根据示例性实施例的用于压缩和输送流体的方法的
流程图。
具体实施方式
[0019] 示例性实施例的下列描述参考了附图。不同图中的相同附图标记表示相同或类似的元件。下列详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附
权利要求限定。为简单起见，关于用于 CO2的压缩机和泵的术语和结构而讨论了下列实施例。然而，接下来将讨论的实施例不限于该流体，而是可以应用于其它流体。
[0020] 在说明书全文中，对“一个实施例”或“实施例”的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，在说明书全文中，在不同地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定指的是同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。
[0021] 根据示例性实施例，存在包括压缩机部分和泵部分的单一系统。该单一系统构造成获取作为输入的气相流体，将流体转变为浓相(或液相)流体并且将浓相流体输送至期望的地点。浓相可由流体的密度、压力和温度限定。对于每种流体预定的密度依赖于流体的组成等。应当指出，浓相流体可以是气体，但其如此稠密，以致于在泵送时表现得像液体一样。为此，希望将浓相或液相流体供应到泵部分。该系统可具有驱动压缩机部分和泵部分两者的单一大齿轮。这样的系统可具有比包括独立式压缩机和独立式泵的传统系统更小的覆盖区，因为压缩机级和泵级两者都形成在大齿轮周围。该系统也可使用比独立式压缩机和独立式泵更小的功率。该系统可使用一个或多个冷却装置，该装置设置在例如压缩机部分与泵部分之间以用于冷却来自压缩机的气相流体，以在流体供应至泵部分之前实现浓相。可以任选地将其它冷却装置安装在压缩机部分和/或泵部分的各个级之间。根据图1所示的示例性实施例，一体化系统10包括压缩机部分12和泵部分14。压缩机部分12容纳在壳体16中。
在壳体16内部存在齿轮箱18，齿轮箱18包括单一大齿轮20和一个或多个小齿轮22等。在一个应用中，齿轮箱18可设置在壳体16外部。每个小齿轮22可附连到对应的轴24，轴24连接到对应的压缩机叶轮。轴23一端直接或经由一个或多个小齿轮25或其它等同机构连接到大齿轮20，并且轴23的另一端进入泵部分14以用于启动泵部分中存在的一个或多个级。齿轮26可设置在大齿轮20与小齿轮22中的一个或多个之间。根据示例性实施例，压缩机部分的级像
车轮轮毂周围的
辐条一样分布在大齿轮20周围，同时泵部分14的级如下文所示那样沿轴
23线性分布，这不同于其中压缩机和泵的级均沿公共轴分布的同轴式布置。图1所示布置与同轴式布置的另一个区别是，系统10的级可具有其自己的旋转速度，而同轴式布置中的级则均具有单一旋转速度。
[0022] 压缩机部分12可包括多个级，例如驱动所需流体的多个叶轮。在一个应用中，压缩机部分12为离心压缩机，并且压缩机叶轮和相应的压缩机级的数量可以是一个或多个。根据示例性实施例，压缩机叶轮被选择以由于
离心力而
加速流动的流体，使得压缩机部分12充当离心压缩机。例如，图1所示实施例示出30-1至30-6六个级，每个级具有相应的压缩机叶轮。每个级具有入口和出口。压缩机部分12具有总压缩机部分入口32和总压缩机部分出口36。压缩机部分入口32构造成接纳气相流体，并且压缩机部分总出口36构造成以增加的压力和/或密度提供气相流体。例如，输入压力可以为1巴，同时输出压力可以在10至1000巴之间。在一个应用中，输出压力可以在10与120巴之间。对于具有在0和5%之间相对低的杂质含量的 CO2来说，输出密度可以在100与500kg/m3之间。泵部分14也可包括一个或多个级，例如驱动浓相或液相流体的多个叶轮。每个级可具有入口和出口。泵部分14具有总泵部分入口和泵部分出口(下面示出)。泵部分入口可构造成连接到总压缩机部分出口36以接纳来自压缩机部分的浓相流体。泵部分出口可构造成以所需压力排放浓相流体以输送例如至储存地点。对于具有以上所指杂质的 CO2来说，在400与800kg/m3之间的密度是表征浓相的预定密度。换言之，对于该特定纯度的 CO2，如果流体密度大约或大于400至800kg/m3且流体的温度和压力在临界值以上，则流体被视为是浓相的。如上文已指出的，该值对于特定纯度的 CO2是正确的，并且因此该值随流体的性质和其纯度而变化。
[0023] 图1所示泵部分具有轴23，轴23在压缩机部分12的
外壳16内部延伸，使得大齿轮20启动轴23。因此，大齿轮20(通过轴21)的旋转不但决定压缩机级的小齿轮的旋转，而且还决定泵轴23的旋转和因此的泵部分叶轮的旋转。在一个应用中，可使用另一种机构来代替大齿轮，以用于启动压缩机的级和泵的级。应当指出，虽然大齿轮20可以以给定速度旋转，但每个压缩机叶轮可以以不同速度旋转，这取决于对应小齿轮的尺寸。然而，
泵叶轮同轴式分布，例如，泵部分叶轮具有相同速度。换言之，通过使用单一大齿轮，压缩机部分和泵部分的各个级可设计成使得单一系统接纳作为输入的气相流体并输出浓相或液相流体。
[0024] 根据示例性实施例，图2中示出了在各个压缩机部分入口和出口以及泵部分入口和出口之间的连接。
[0025] 在该实施例中，压缩机部分12包括六个级。然而，如上文所讨论的，该数量为示例性的，并且压缩机部分可根据需要对于每种应用包括更多或更少的级。压缩机部分12的总入口32和总出口36已在图1中示出。
[0026] 图2示出了在压缩机部分12的不同级之间的入口和出口。例如，在气相流体进入总入口32之后，第一级在出口34-1处排放仍为气相的流体。应当指出，出口34-1为第一级的出口，而总出口36则为末级的出口和压缩机部分12的总出口。在出口34-1处具有增加的压力和温度的气相流体可提供至温度冷却装置40-1以用于降低气相流体的温度。在压缩机部分的不同级之间使用的冷却装置的数量可随着应用不同而不同。冷却装置可以是冷却器(冷却器是使所需温度下的
水或其它介质围绕液体循环以从液体除热的装置)、冷冻器(冷冻器是经由
蒸汽压缩或吸收制冷循环而从液体除热的机器)或膨胀器(能够使气体膨胀从而产生机械
扭矩的装置，也称为焦
耳-汤姆逊
阀)。
[0027] 图3示出了在压力-
焓或Ph图上的图2的过程。在Ph图中还包括等温线。等温线通过相应的温度来识别。例如，图3示出在入口32处温度为约25°C且压力为约1巴，并且在第一级的出口34-1处温度已升高至约120°C，并且压力升高至约5巴。图3所示数字用于说明目的，而并非意图限制所讨论的实施例的适用性。为简单起见，用于图2中的入口和出口的附图标记也在图3中用来示出它们相应的温度和压力。仍然参照图3，冷却装置40-1可将流体的温度在第一级之后从约120°C到在进入第二级的入口32-2之前降至约25°C。分离装置42-1可连接在第一级的出口34-1和第二级的入口32-2之间以从压缩的 CO2流体移除水(或其它液体)。在每两个相邻级之间的分离装置的数量可从一变为零，这取决于应用。第二级在出口34-2处排出仍处于气相的流体，并且在行进通过可选的第二温度冷却装置40-2之后，气体到达第三级的入口32-3处。气相流体继续从一级行进到另一级，例如通过元件34-3、32-4、
34-4、32-5、34-5和32-6，直到气相流体在高压下离开总出口36。图3示出气相流体的温度和压力保持接近穹顶50但在穹顶50以外。根据示例性实施例，压缩机部分12可设计成通过防止流体进入穹顶50而处理气相流体，因为进入穹顶50可导致压缩机性能损失或者甚至损坏压缩机。
[0028] 流体(在这种情况下为 CO2)的临界点52示出在穹顶50的顶部上，并且其示例性参考压力和温度值在图3中列出。临界点是流体的相态之间的边界不再存在的点。具有高于临界点的压力和温度的点形成超临界相。根据示例性实施例，浓相为超临界相。然而，如下文所讨论的，浓相可包括形成超临界相的点的子集的点。离开压缩机部分12且具有最高压力(在压缩机中)的气相流体在图3中的点36处实现，并且该流体然后被提供至泵部分14的入口60-1。应当指出，泵部分设计成对浓相或液相流体而不是气相流体起作用，并且因此来自压缩机部分12的气相流体必须进一步处理以达到浓相或液相。
[0029] 将流体从气相向浓相的转变的过程根据每个压缩机级的速度、在每个级处的流体的温度和压力以及流体的温度和压力相对于穹顶50的坐标而变化。图3示出如何能在每个压缩机级之后调节(降低)温度用于下一压缩机级增加压缩机的效率同时减少所需压缩机功的量，并且还示出如何将在压缩机部分12的总出口处的气相流体的温度冷却至合适的温度以便为泵部分14的入口而改变流体的相态。根据示例性实施例，从气相到浓相的相态变换沿路径54发生，例如，在压缩机部分12与泵部分14之间的冷却装置40-6处。在一个应用中，流体的温度变化，使得提供至泵部分的流体的焓小于在临界点52处的焓，如图3所示。图3示出了对应于 CO2流体的预定密度的等密度线55。如上文所讨论的，处于气相的压缩流体需要跨过曲线55用于进入浓相。作为示例，对于纯度等于或大于95%的 CO2，预定密度曲线
55由在400至800kg/m3范围内的恒定密度来表征。预定密度可根据应用、泵的特性、流体的类型、流体的杂质、环境等而变化。根据示例性实施例，浓相仅包括存在于具有比预定密度更大的密度的超临界相中的那些点。
[0030] 图2示出，温度冷却装置40-6可插在压缩机部分12的末级与泵部分14的第一级之间以在流体从气相变为浓相时控制流体的温度。该特征允许泵部分的操作者微调该温度，因为泵入口压力取决于对于给定压力的流体入口温度，并且泵入口压力还决定驱动泵的所需功率。虽然将提供至泵部分的流体的压力由压缩机部分12控制，但将提供至泵部分的流体的温度由冷却装置40-6控制。
[0031] 此外，图2示意性地示出，压缩机部分的级可以是成对的，例如，第一级与第2"d级成对以具有由与大齿轮20接触的对应小齿轮旋转的单一轴24-1。而且，图2示出，大齿轮20可以将旋转运动传递至压缩机部分12的所有小齿轮和泵部分14的所有级。此外，图2示出，一个
驱动器59驱动大齿轮20，并且驱动器59可以置于容纳压缩机部分的壳体外部。图2还示出，泵部分14由相同的大齿轮20驱动。根据示例性实施例，在压缩机部分和泵部分的级与大齿轮20之间的连接在图4中示出，该图为系统10的示意图。图4示出了具有各连接到大齿轮20的六个级30-1至30-6的压缩机部分12和具有连接到大齿轮20的单一轴23的泵部分14。图
5从与驱动器59相对的侧示出了在压缩机泵级与泵部分之间的管道连接。来自图1的附图标记在图4和图5中用于相同元件，并且因此本文不再重复这些元件的描述。驱动器59可以是电动
马达、燃气
涡轮、
涡轮机械等。根据示例性实施例，仅使用一个驱动器来驱动压缩机部分和泵部分两者。在另一示例性实施例中，驱动器可设置在容纳压缩机部分和泵部分的壳体外部或该壳体内。
[0032] 根据图6所示的示例性实施例，泵部分14可实现为具有十个级。根据应用，可实现更多或更少的级。第一级具有接纳浓相流体的入口60-1和将流体排放至第二级的出口(未标出)。第二级的入口接纳来自第一级的流体，并且第二级将流体排放至下一级，直到流体到达第十级的总出口36，该出口也是泵部分14的总出口。应当指出，根据示例性实施例，泵部分叶轮连接到相同轴23，并且因此以相同速度旋转。相对于大齿轮20的速度的泵部分叶轮的速度取决于连接小齿轮25的尺寸。根据其它示例性实施例，泵具有至少八个级。此外，泵部分可包括其它装置，例如，用于降低浓相流体的温度的冷却装置。泵部分容纳在
泵壳体64中。泵壳体64可附连(
螺栓连接)到压缩机壳体16或者可以与压缩机壳体16一体地制成。
齿轮箱18可置于压缩机壳体16中、泵壳体64中、两个壳体之间或在两个壳体中。
[0033] 通过将压缩机部分和泵部分一体化在相同系统和/或相同台架(skid)中并且还具有驱动压缩机和泵的各个级的单一大齿轮，一个或多个实施例可具有下面这样的优点：系统操作者不需要定制压缩机和泵以使压缩机的输出与泵的输入匹配，用于具有从压缩机的气相流体到泵处的浓相或液相流体的平滑转变。换言之，通过具有与压缩机和泵的性能匹配的压缩机部分和泵部分两者的单一制造商以便有效地处理例如 CO2的特定流体，免除了系统的操作者为了特定流体而正确匹配由第一提供商制造的压缩机与由第二提供商制造的泵的问题。
[0034] 一个或多个实施例的其它优点涉及由一体化的压缩机部分和泵部分所用的减小的功率、驱动机构的简化、部件的减少(例如，一个驱动器代替两个驱动器)、由于两部分由相同齿轮驱动而导致的压缩机部分与泵部分的改进的同步性、一体化系统的减小的覆盖区、以及由于由相同制造商维修两个部分而减少的维护时间和成本。
[0035] 根据示例性实施例，在压缩机部分和/或泵部分中不同级处的流体的
温度控制可由合并入控制装置中的处理器来实现。如例如在图7中所示，控制单元70至少包括处理器72，并且控制单元连接到设置在系统10中的各个
传感器74。连接可以是无线的(如图7所示)、硬接线的或它们的组合。传感器74可包括温度传感器、
压力传感器、用于大齿轮的速度传感器和已知在本领域中用来监测压缩机部分和泵部分的其它传感器。控制单元70可被编程为有
软件指令或者可以在
硬件中实现以监测压缩机级和泵级的压力和温度并且控制冷却装置以将流体冷却至所需温度。根据示例性实施例，可将如图3所示的查找表或曲线图存储在连接到处理器72的
存储器76中，使得处理器72可根据系统10中的流体的位置、大齿轮的速度和/或流体的压力而确定将流体冷却至什么温度。此外，处理器72可控制系统10，使得在压缩机部分和泵部分中的流体不到达图3所示的穹顶50以下的区域。另外，处理器72可构造成在流体进入泵部分之前改变流体的相。
[0036] 根据图8所示的示例性实施例，存在一种用于利用系统来压缩气相流体并泵送浓相流体的方法，该系统包括压缩机部分和泵部分，压缩机部分具有至少一个压缩机部分叶轮，并且泵部分具有至少一个泵部分叶轮。该方法包括：在压缩机部分的压缩机部分入口处接纳气相流体的步骤800；推动气相流体通过压缩机部分的一个或多个级使得流体在压缩机部分的压缩机部分出口处以增加的密度作为气相流体出现的步骤802；将流体的相态转变为浓相的步骤804；在泵部分的泵部分入口处接纳浓相流体的步骤806；驱动浓相流体通过泵部分的一个或多个级使得在泵部分的泵部分出口处出现的流体具有比泵部分入口处更高的压力的步骤808；以及使单一大齿轮旋转以便启动至少一个或多个压缩机级和至少一个或多个泵级中的全部的步骤810。浓相由具有比增加的密度更大的密度的流体限定。
[0037] 所公开的示例性实施例提供了用于压缩气相流体和输送浓相或液相流体的系统和方法。应当理解，该描述并非意图限制本发明。相反，示例性实施例意图覆盖被包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代形式、
修改和等同物。此外，在示例性实施例的详细描述中，提出了许多特定细节，以便提供对要求保护的本发明的全面理解。然而，本领域技术人员将会理解，各种实施例可以在没有这些特定细节的情况下实现。
[0038] 虽然本示例性实施例的特征和元件在特定组合的实施例中描述，但每个特征或元件可以在没有实施例的其它特征和元件的情况下单独使用，或者在有或没有本文所公开的其它特征和元件的情况下以不同组合使用。该书面描述使用所公开的主题的示例来使本领域技术人员能实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本主题的可
专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。这些其它示例预期在权利要求的范围内。
