Dispositivo de bombeo híbrido.

Un dispositivo de bombeo (100), que comprende:

a. una fuente (102) criogénica para proporcionar un fluido criogénico para vaporización;

b. una bomba (106) criogénica en comunicación de flujo fluido con la fuente (102) criogénica para incrementar la presión del fluido criogénico;

c. un circuito (110, 200, 300, 400) de refrigerante del vaporizador sin combustión en comunicación de flujo fluido con la bomba (106) criogénica y diseñado para aceptar el fluido criogénico y descargar el fluido criogénico como una corriente calentada;

d. un vaporizador (114) de combustión directa situado aguas abajo del circuito (110, 200, 300, 400) de refrigerante del vaporizador sin combustión y en comunicación de flujo fluido con él y diseñado para aceptar la corriente caliente procedente del circuito de refrigerante del vaporizador sin combustión para formar una corriente sobrecalentada; y

e. una unidad (118) de alimentación de motor diésel para proporcionar energía a la bomba (106) criogénica, al circuito (110, 200, 300, 400) de refrigerante del vaporizador sin combustión, y al vaporizador (114) de combustión directa.

Dispositivo de bombeo híbrido ANTECEDENTES

Los dispositivos de bombeo son equipos portátiles diseñados para suministrar un líquido criogénico tal como nitrógeno, por ejemplo, para aplicaciones temporales industriales y en campos petrolíferos. Los dispositivos de bombeo transfieren nitrógeno, por ejemplo, típicamente con una bomba de alta presión de desplazamiento positivo, a través de un vaporizador integrado hasta una tubería, pozo, u otro punto de uso de un cliente. Los dispositivos de bombeo utilizan un motor diésel integrado para accionar la bomba y bombas hidráulicas para circuitos auxiliares.

El nitrógeno se suministra y se almacena en un estado líquido criogénico, y debe ser vaporizado para pasarlo al estado gaseoso y entibiado para ser usado en la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, muchos materiales habituales se vuelven frágiles si se exponen a temperaturas criogénicas. Por lo tanto, el nitrógeno debe ser entibiado, antes de su uso, para impedir fallos o agrietamientos no deseados. El diseño original de los dispositivos de bombeo utilizaba un vaporizador de combustión directa para vaporizar y entibiar el nitrógeno.

Los dispositivos de bombeo que comprenden vaporizadores de combustión directa incluyen un quemador de combustible líquido con aire forzado y un intercambiador de calor para transmitir calor desde el gas de combustión a una corriente de nitrógeno. Los vaporizadores de combustión directa ponen en contacto gas de combustión caliente directamente con una batería de tubos de alta presión que contienen al fluido criogénico.

En los dispositivos de bombeo también se puede utilizar un vaporizador de combustión indirecta menos habitual. Los vaporizadores de combustión indirecta menos habituales se diferencian de los vaporizadores de combustión directa en que se utiliza un fluido de transmisión de calor intermedio, típicamente una corriente de agua-etilenglicol, que se hace circular para transmitir calor desde el gas de combustión a una batería de tubos intercambiadores de calor de alta presión más pequeña que contienen al fluido criogénico.

Tanto los vaporizadores de combustión directa como los vaporizadores de combustión indirecta utilizados en los dispositivos de bombeo son relativamente sencillos y proporcionan grandes tasas de intercambio de calor en una unidad compacta; sin embargo, ambas unidades son muy ineficientes en términos de consumo de combustible. Además, como resultado de los costes crecientes del combustible, ambas unidades tienen un coste de funcionamiento relativo muy elevado. Por último, no se puede utilizar ninguna de las dos unidades en algunas zonas en las que hay restricciones establecidas a la llama abierta.

A modo de ejemplo, el documento US 2006/0260331 A1 describe una unidad de bombeo de alta capacidad para un gas licuado, tal como por ejemplo el nitrógeno, que utiliza vaporizadores de combustión. La unidad de bombeo comprende sistemas de bombeo primero y segundo situados en paralelo y con orientaciones contrarias. Cada sistema de bombeo comprende un motor, al menos una bomba, y un sistema de vaporización que comprende al menos un intercambiador de calor de combustión por quemador. A la(s) bomba(s), las cuales son accionadas por el motor, se les suministra nitrógeno licuado, y dicha(s) bomba(s) producen nitrógeno licuado presurlzado que, a continuación, es vaporizado por el sistema de vaporización para proporcionar un gas vaporizado y comprimido. El primer sistema de bombeo comprende dos bombas, estando cada bomba conectada a su propio ¡ntercamblador de calor de combustión por quemador, estando los dos intercambiadores de calor situados preferiblemente uno encima del otro de manera que se pueda transmitir calor entre los intercambiadores de calor apilados, ayudando de ese modo a retener el calor. El segundo sistema de bombeo comprende una única bomba y un intercambiador de calor de combustión por quemador asociado.

Por diversas razones, que incluyen, pero que no están limitadas a, la eliminación de condiciones de llama abierta para trabajos en lugares con atmósferas potencialmente inflamables y un menor consumo de combustible, los dispositivos de bombeo se adaptaron para utilizar vaporizadores sin combustión. Un dispositivo de bombeo dotado de un vaporizador sin combustión, también denominado dispositivo de bombeo de recuperación de calor, carga a su motor diésel por encima de la salida de potencia requerida para la bomba de nitrógeno de alta presión de desplazamiento positivo y captura el calor procedente del refrigerante del motor y del sistema hidráulico. Los dispositivos de bombeo de recuperación de calor que utilizan un circuito de freno hidráulico para cargar al motor también pueden capturar calor procedente de ese circuito. A menudo, el calor también es capturado procedente del gas de escape del motor y de los circuitos del aire de salida del turbo del motor, y a veces también de otras fuentes de calor más pequeñas. Los dispositivos de bombeo de recuperación de calor necesitan una bomba de circulación de refrigerante para hacer circular una mezcla de agua-etilenglicol a fin de transmitir calor desde todas las fuentes de calor enumeradas anteriormente a un vaporizador del refrigerante, el cual alberga a la batería de tubos de intercambio de calor de nitrógeno a alta presión dentro de un recipiente de refrigerante presurizado.

Típicamente, los dispositivos de bombeo de recuperación de calor tienen mejor eficiencia en términos de consumo de combustible que los dispositivos de bombeo con un vaporizador de combustión, pero para un tamaño de unidad dado, los dispositivos de bombeo de recuperación de calor proporcionan por lo general aproximadamente la mitad

de la capacidad de nitrógeno que una unidad de combustión directa. Además, los dispositivos de bombeo de recuperación de calor están limitados a suministrar nitrógeno a temperaturas de descarga de alrededor de 300 °F (149 °C) y a caudales de suministro de nitrógeno relativamente pequeños. En contraste con esto, un dispositivo de bombeo de combustión directa es capaz de suministrar nitrógeno a grandes caudales de descarga o a temperaturas de alrededor de 600 °F (316 °C), lo cual es deseable para ciertas aplicaciones industriales que utilizan nitrógeno como medio de calentamiento.

Como consecuencia de las desventajas de los dispositivos de bombeo que utilizan vaporizadores de combustión y vaporizadores sin combustión, la tecnología se combinaba. Las tecnologías de vaporizador de combustión y de vaporizador sin combustión se combinaban en paralelo para formar una unidad de bombeo dual. La unidad de bombeo dual puede utilizar el vaporizador de combustión o el vaporizador sin combustión a discreción de la persona que opera el equipo. El vaporizador sin combustión es preferible debido a su menor consumo de combustible y necesario en los casos en que la llama abierta del vaporizador de combustión es un riesgo potencial, pero el vaporizador de combustión se puede utilizar cuando el caudal deseado de descarga de nitrógeno o la temperatura deseada están por encima de la capacidad del vaporizador sin combustión.

Existe una necesidad en la técnica de una unidad de bombeo que sea más eficiente en términos de consumo de combustible que los vaporizadores de combustión directa convencionales en todas las condiciones de funcionamiento, que sea capaz de proporcionar altas temperaturas de descarga de hasta 600 °F (316 °C), que sea capaz de descargar grandes caudales de hasta 500.000 pies cúbicos por hora medidos en condiciones estándar (14.158 m3/hr medidos en condiciones estándar) a temperatura ambiente, y que se pueda operar de una manera eficiente.

SUMARIO

Las realizaciones descritas satisfacen la necesidad existente en la técnica al proporcionar una unidad de bombeo híbrida que es más eficiente en términos de consumo de combustible que los vaporizadores de combustión directa en todas las condiciones de funcionamiento, que es capaz de proporcionar altas temperaturas de descarga de hasta 600 °F (316 °C), que es capaz de descargar altos caudales de hasta 500.000 pies cúbicos por hora medidos en condiciones estándar (14.158 m3/hr medidos en condiciones estándar) a temperatura ambiente, y que se puede operar de una manera muy eficiente.

En una realización se describe un dispositivo de bombeo, que comprende: una fuente criogénica para proporcionar un fluido criogénico para vaporización; una bomba criogénica en comunicación de flujo fluido con la fuente criogénica para Incrementar la presión del fluido criogénico; un circuito de refrigerante del vaporizador sin combustión en comunicación de flujo fluido con la bomba criogénica y diseñado para aceptar el fluido criogénico y descargar el... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo de bombeo (100), que comprende:

a. una fuente (102) criogénica para proporcionar un fluido criogénico para vaporización;

b. una bomba (106) criogénica en comunicación de flujo fluido con la fuente (102) criogénica para incrementar la presión del fluido criogénico;

c. un circuito (110, 200, 300, 400) de refrigerante del vaporizador sin combustión en comunicación de flujo fluido con la bomba (106) criogénica y diseñado para aceptar el fluido criogénico y descargar el fluido criogénico como una corriente calentada;

d. un vaporizador (114) de combustión directa situado aguas abajo del circuito (110, 200, 300, 400) de refrigerante del vaporizador sin combustión y en comunicación de flujo fluido con él y diseñado para aceptar la corriente caliente procedente del circuito de refrigerante del vaporizador sin combustión para formar una corriente sobrecalentada; y

e. una unidad (118) de alimentación de motor diésel para proporcionar energía a la bomba (106) criogénica, al circuito (110, 200, 300, 400) de refrigerante del vaporizador sin combustión, y al vaporizador (114) de combustión directa.

2. El dispositivo de bombeo de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el circuito (110, 200, 300, 400) de refrigerante del vaporizador sin combustión comprende un ¡ntercambiador (222, 322, 578) de calor de vapor de agua de condensación diseñado para aceptar una corriente (282, 382, 580) de vapor de agua procedente de una fuente externa para un intercambio de calor con el fluido (262, 362, 402) criogénico a través de un refrigerante agua- etilenglicol.

3. Un dispositivo de bombeo (100), que comprende:

a. una fuente (102) criogénica para proporcionar un fluido criogénico para vaporización;

b. una bomba (106) criogénica en comunicación de flujo fluido con la fuente (102) criogénica para incrementar la presión del fluido criogénico;

c. un circuito (110, 200, 300, 400) de refrigerante del vaporizador sin combustión en comunicación de flujo fluido con la bomba (106) criogénica y diseñado para aceptar el fluido criogénico y descargar el fluido criogénico como una corriente caliente, comprendiendo el circuito de refrigerante del vaporizador sin combustión un intercambiador (222, 322, 578) de calor de vapor de agua de condensación diseñado para aceptar una corriente (282, 382, 580) de vapor de agua procedente de una fuente externa para intercambio de calor con el circuito de refrigerante del vaporizador sin combustión; y

d. una unidad (118) de potencia de motor diésel para proporcionar potencia a la bomba criogénica y al circuito (110, 200, 300, 400) de refrigerante del vaporizador sin combustión.

4. El dispositivo de bombeo de acuerdo con la reivindicación 3, que comprende además un vaporizador (114) de combustión directa situado aguas abajo y en comunicación de flujo fluido con el circuito (110, 200, 300, 400) de refrigerante del vaporizador sin combustión y diseñado para aceptar la corriente callente procedente del circuito de refrigerante del vaporizador sin combustión para producir una corriente sobrecalentada.

5. El dispositivo de bombeo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un intercambiador (218, 318, 562) de calor diseñado para aceptar una corriente (278, 378) de gas de escape procedente del vaporizador (114) de combustión directa y un refrigerante de agua-etilenglicol procedente del circuito de refrigerante del vaporizador sin combustión, en el cual la corriente de gas de escape procedente del vaporizador de combustión directa intercambia calor con el refrigerante de agua-etilenglicol.

6. El dispositivo de bombeo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un sistema de control diseñado para controlar la temperatura de al menos el circuito de refrigerante del vaporizador sin combustión.

7. El dispositivo de bombeo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el cual el fluido criogénico es nitrógeno.

8. Un proceso para sobrecalentar un fluido criogénico, que comprende:

a. proporcionar un fluido criogénico para vaporización;

b. presurizar el fluido criogénico;

c. entibiar el fluido criogénico presurizado en un circuito de refrigerante del vaporizador sin combustión para formar un fluido presurizado tibio; y

d. seguir calentando el fluido presurizado tibio en un vaporizador de combustión directa situado aguas abajo y en comunicación de flujo fluido con el circuito de refrigerante del vaporizador sin combustión para formar una corriente sobrecalentada.

9. El proceso de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende además el intercambio de calor entre una corriente de gas de escape procedente del vaporizador de combustión directa y un refrigerante de agua-etilenglicol procedente del circuito de refrigerante del vaporizador sin combustión para entibiar el refrigerante de agua- etilenglicol.

10. El proceso de acuerdo con la reivindicación 9, que comprende además el intercambio de calor entre una corriente de vapor de agua procedente de una fuente externa con el refrigerante de agua-etilenglicol para entibiar el refrigerante de agua-etilenglicol.

10 11. El proceso de acuerdo con la reivindicación 9 ó 10, en el cual el refrigerante de agua-etilenglicol tibio se utiliza

para entibiar el fluido criogénico presurizado.

12. El proceso de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende además el intercambio de calor entre una corriente de vapor de agua procedente de una fuente externa y un refrigerante de agua-etilenglicol procedente del

15 circuito de refrigerante del vaporizador sin combustión para entibiar el refrigerante de agua-etilenglicol.

13. El proceso de acuerdo con la reivindicación 12, en el cual el refrigerante de agua-etilenglicol tibio se utiliza para entibiar el fluido criogénico presurizado.

20 14. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, que comprende además monitorizar al

menos el circuito de refrigerante del vaporizador sin combustión para controlar la temperatura de un refrigerante de agua-etilenglicol.

15. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 14, en el cual el fluido criogénico es nitrógeno.