目前LNG加注站配用的深冷液體容器, 罐體為臥式雙層夾套真空絕熱結(jié)構(gòu);在加注站日常使用中, 貯罐需要頻繁地進行LNG排出 (對汽車加注) 和充裝 (槽車向貯罐卸液) ;深冷貯罐配置的差壓液位計, 將作為加注站購入液體量 (槽車卸液量) 和外銷液體量的計量儀表, 其記錄數(shù)據(jù)將作為整站運營結(jié)算依據(jù)及加注站損耗率計算參考。在實際運營過程中, 經(jīng)常出現(xiàn)定期結(jié)算時, 售出氣體累計量與貯罐液位計指示的LNG存量差存在偏差, 導(dǎo)致經(jīng)濟糾紛。另外, 在LNG加注站未配置地磅的情況下, 站內(nèi)貯罐的液位計計量值也將作為槽車卸液量的結(jié)算數(shù)據(jù), 貯罐液位的指示度和指示穩(wěn)定性, 在LNG加注站運營中顯得尤為重要。

  深冷液體 (如LNG、LN2) 貯存溫度一般為-150℃以下, 其貯存容器為雙層夾套真空絕熱貯罐, 目前多采用差壓式液位計進行液位高度測量;差壓液位計信號源為貯罐內(nèi)氣相壓力與較低液位點壓力之差, 感應(yīng)元件為兩個波紋管構(gòu)成的壓力腔;低壓腔與貯罐頂部氣相空間連通;高壓腔與貯罐底部較低液位點連通, 高壓腔承受貯罐氣相壓力和液柱壓力之和;液位計工作時, 高低壓力腔之間的感應(yīng)膜感應(yīng)貯罐氣相和較低液位點的壓力差值———即貯罐內(nèi)低溫液體的液柱靜壓力, 通過指針指示出貯罐內(nèi)貯存液體的液面高度, 從而可轉(zhuǎn)換計算出貯罐內(nèi)的液體體積。但由于液位計液相取壓結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理, 導(dǎo)致很多臥式低溫儲罐產(chǎn)品出現(xiàn)液位計指示不穩(wěn)定, 指針擺動幅度大的問題。針對液位計指示不穩(wěn)定問題, 筆者進行了多種液位計取壓管道設(shè)計改進, 并對產(chǎn)品進行了充裝液氮模擬試驗, 在此將各種改裝結(jié)構(gòu)和對應(yīng)試驗結(jié)果與大家一起分享, 以期尋求行業(yè)難題的解決方案。

  筆者所在公司生產(chǎn)的代LNG臥式加氣站儲罐產(chǎn)品, 液位計液相取壓接頭產(chǎn)品采用了常規(guī)管接頭設(shè)計, 產(chǎn)品實際使用過程中, 液位計在充裝、增壓、加注、靜置操作時, 指針會大幅度擺動, 指示極其不穩(wěn)定, 測量數(shù)據(jù)無法作為加注站營運結(jié)算依據(jù);經(jīng)過技術(shù)分析, 在深冷液體貯罐設(shè)計中, 采用了一種“濕式”連通器設(shè)計;在低溫液體儲罐內(nèi)罐較低液位點開孔焊接通徑Φ10的管接頭, 液位計液相管道從真空絕熱夾層引出, 與液位計的高壓腔直接連通;液體進入管道后, 會充滿整個管道;管道整體也存在一定高度差, 導(dǎo)致儲罐液柱高度部分被管道內(nèi)液柱壓力所平衡, 從而液位計指示失真。
  基于以上分析, 筆者在項目研究中, 也曾進行液相取壓接管不作液封, 結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用濕式取壓 (見圖1) , 允許儲罐內(nèi)液體充滿液相取壓管道;管道在靠近外封頭引出位置做局部液封結(jié)構(gòu)設(shè)計, 同時夾層內(nèi)設(shè)計盤管作為取壓緩沖器, 以期減少液位波動;改裝完工后對產(chǎn)品充裝液氮進行了試驗, 試驗結(jié)果反饋液位計指示極其不穩(wěn)定, 與理論分析偏差較大。經(jīng)過分析, 此種結(jié)構(gòu)在管道引出外罐后, 暴露于大氣中, 傳入熱量使管道內(nèi)液體部分氣化, 夾層管道內(nèi)會出現(xiàn)氣液共存現(xiàn)象, 而這種氣液共存是極其不穩(wěn)定的, 導(dǎo)入管道內(nèi)極微小的熱量變化即可導(dǎo)致夾層管內(nèi)液柱的大幅度震蕩, 從而引起液位計指示不穩(wěn)定, 指針大幅度擺動。

  另外進入液位計液相管道內(nèi)的低溫液體量, 會在貯罐增壓、進排液, 以及環(huán)境溫度變化等工況下, 也會出現(xiàn)波動, 從而在以上工況也會影響貯罐的液體指示穩(wěn)定性和度。試驗證明“濕式”取壓結(jié)構(gòu)在深冷液體產(chǎn)品根本不適用, 無法解決差壓液位計準(zhǔn)確指示問題。

  鑒于濕式取壓結(jié)構(gòu)的失敗, 后續(xù)產(chǎn)品改善集中到了“干式”取壓設(shè)計思路, 即在貯罐的液相取壓管道內(nèi)進入介質(zhì)處于完全氣態(tài);由于氣態(tài)不產(chǎn)生液柱壓力, 故不會使傳遞到液位計高壓腔的貯罐較低點液柱壓力失真。為實現(xiàn)“干式”取壓, 考慮在取壓管道入口處導(dǎo)入適量熱量, 使將要進入取壓管內(nèi)的液體進行氣化, 形成氣泡或氣柱, 與該處液柱壓力達成動態(tài)穩(wěn)定沸騰平衡, 阻止液體進一步流入取壓管內(nèi), 影響液位指示。

  1.筆者對在制產(chǎn)品的液位計液相取壓接頭采用如下結(jié)構(gòu)進行第二代產(chǎn)品改進設(shè)計 (見圖4、5) 。該接頭結(jié)構(gòu)包括一個帶凸臺的取壓接頭、一個接頭擋液罩、導(dǎo)熱銅絲、盤管等;產(chǎn)品改裝完成后, 再次進行了液氮試驗, 并將批量產(chǎn)品發(fā)送用戶使用驗證;液位計初始充裝時, 指示穩(wěn)定, 有小幅度顫動。但經(jīng)過一段時間后, 液位計指示出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象, 同時伴隨不規(guī)則的指針擺動;用戶使用時, 出現(xiàn)夏天穩(wěn)定, 冬天不穩(wěn)定;真空粉末絕熱儲罐不穩(wěn)定, 真空多層絕熱儲罐穩(wěn)定的情況。

  在真空粉末絕熱儲罐和高真空絕熱儲罐試驗及使用中二者出現(xiàn)的差異, 也進行了分析。經(jīng)過對取壓管的絕熱比較分析發(fā)現(xiàn), 高真空多層絕熱儲罐在包扎絕熱材料時, 液位計液相取壓管不作包扎, 裸露于夾層中;另外, 高真空絕熱儲罐夾層空間較小 (一般為100~150 mm) , 取壓管距離外殼內(nèi)壁較近, 增加了取壓管道本體的導(dǎo)熱量, 滿足進入管道內(nèi)的液體的氣化加熱需要, 確保在擋液罩透氣孔處達成氣液平衡, 阻隔液體繼續(xù)流入取壓管, 從而保證液位計指示穩(wěn)定和準(zhǔn)確。另外, 夏季環(huán)境溫度較高, 銅絲導(dǎo)入熱量多, 保證了液位計液相取壓管液體氣化, 無液體進入管道影響液位計。

  2.針對真空粉末絕熱儲罐采用上述取壓結(jié)構(gòu), 冬季液位計指示不穩(wěn)定和不準(zhǔn)確的問題, 經(jīng)過深入分析研究, 主要從取壓管通徑設(shè)計與導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)導(dǎo)入熱量的匹配上進行研究, 作第三代 (見圖6) 設(shè)計改進并進行試驗驗證。

  液下引壓管接頭上部設(shè)置的隔液罩管周向開孔由4-Φ4修改為2-Φ1.5 mm孔, 保證儲罐內(nèi)液體與引壓管的連通及壓力平衡;取壓管接頭上部開孔為Φ2.0 mm, 下部開孔及取壓管內(nèi)徑為Φ6.0 mm;引壓接頭側(cè)面插入焊接有Φ5 mm加熱銅絲, 銅絲另一端與外殼內(nèi)壁焊接, 導(dǎo)入熱量對取壓管流入液體進行加熱;液相取壓管接近外封頭處設(shè)計向上彎120 mm的氣封彎管, 未作緩沖盤管設(shè)計, 接管由外封頭左下方引出, 出口與內(nèi)罐較低液面平齊。

試驗過程描述及結(jié)果說明:

  次冬季液氮充裝試驗:

  液氮充裝過程液位計指示穩(wěn)定, 指針無異常晃動, 讀數(shù)正常。

  充液完成儲罐靜置過程中, 觀察液位計指示穩(wěn)定, 指針無異常擺動。靜置24 h后觀察液位計讀數(shù), 比靜置前液位略有升高, 基本可忽略不計, 液位計指針有輕微“顫動”現(xiàn)象。

  液位計指示觀察過程中, 有頻繁操作液位計平衡閥閥門后, 出現(xiàn)液位計指針大幅度擺動現(xiàn)象, 每隔3 min, 指針上擺, 然后回落。

  改善后液位計的不穩(wěn)定問題, 筆者對其產(chǎn)生原因從兩方面進行了分析:一方面原因可能是隔液罩上開孔過小, 銅絲導(dǎo)入熱量過多, 液體汽化量大, 隔液罩內(nèi)憋氣, 傳遞到液位計高壓腔壓力增加了憋壓壓力, 故液位計指針向高位擺動;憋壓到一定幅度, 氣泡破裂, 釋放壓力, 造成取壓管內(nèi)壓力瞬時降低, 出現(xiàn)液位計指針的突然回擺。具體分析計算如下:

  如圖6, 設(shè)液化天然氣重度為γ, 液位高度為H, 液相取壓管較低點與貯罐較低液位點高度h;貯罐內(nèi)氣相空間壓力為P1, 貯罐較低液位點壓力為P2, 引導(dǎo)管內(nèi)的壓力降忽略不計, 若銅絲導(dǎo)入熱量合適, 使液體在0點即開始氣化, 經(jīng)過一定時間的加熱氣化, 液體將在點2形成局部的穩(wěn)定沸騰, 建立氣液平衡, 液體不能進入液相取壓管內(nèi);此時貯罐氣相空間壓力與液柱靜壓力之和與點2的氣化飽和壓達到平衡, 即有:

當(dāng)液相取壓管內(nèi)全部為氣相時,

因此液位計測得的壓差為ΔP

  若由于銅絲傳入熱量不足以氣化進入管道內(nèi)液體, 或者傳入熱量過多, 導(dǎo)致管內(nèi)氣體大量回流貯罐, 則液位計指示的壓力差將出現(xiàn)***大γH的負偏差, 或者管道內(nèi)氣泡破裂前的憋壓正偏差值;導(dǎo)致液位計指示不穩(wěn)定。

  第二方面原因經(jīng)過分析, 可能出現(xiàn)在液位計閥門操作上, 試驗液位計配套控制閥門為三位一體閥, 即液位計控制需要的液上閥、液下閥、平衡閥組合成了一個閥門, 操作閥門手柄, 將同時控制液位計氣相、液相、平衡的開關(guān);在次試驗過程中, 試驗人員、車間人員、技術(shù)人員對液位閥進行了頻繁操作, 懷疑有平衡位關(guān)閉不嚴(yán), 氣相、液相取壓口開關(guān)不到位, 導(dǎo)致液位計閥門功能失真, 影響液位計的正確指示, 從而導(dǎo)致指針波動出現(xiàn)。鑒于以上原因, 故在儲罐完成液氮蒸發(fā)率測試后, 進行了第二次充裝、增壓、泄液的液位穩(wěn)定驗證試驗, 在二次充液試驗過程中確認(rèn)平衡閥關(guān)閉到位后, 禁止試驗人員再次操作液位開關(guān)閥, 整個試驗過程中未出現(xiàn)液位計指針擺動現(xiàn)象, 達到滿意效果。

  3.該結(jié)構(gòu)鑒于儲罐次試驗時, 出現(xiàn)液位計擺動現(xiàn)象, 對于當(dāng)批次未完工產(chǎn)品, 臨時采取了拆除導(dǎo)熱銅線改善。

產(chǎn)品完工后, 也進行了充裝液氮試驗, 液位計試驗結(jié)果為:

  充裝過程指示正常, 無晃動;

  靜置過程指示正常, 無晃動;

  靜置24 h后比靜置前液位指示上升2格 (約60mm) 增壓至0.8 MPa過程中指示正常, 無晃動;

  卸液過程中指示正常, 無晃動。

  根據(jù)試驗結(jié)果分析, 儲罐在液氮充裝初始時, 液相取壓管道處于熱態(tài), 導(dǎo)入熱量較多, 罐內(nèi)液體少量滲入后馬上被加熱氣化, 形成一定氣封壓力, 阻止液體進入取壓管, 保證了液相的干式取壓;隨著儲罐內(nèi)充裝液體量增加, 貯罐本體、夾層珠光砂、取壓管道逐漸被冷卻, 由于珠光砂的保溫效應(yīng), 管道導(dǎo)入熱量越來越少, 低溫液體逐漸滲入液相取壓管內(nèi), 在管道靠近外封頭的液封段形成新的氣封;取壓管內(nèi)積存液體形成液柱靜壓, 近似于儲罐的較低液位點降低, 液柱靜壓力加大, 反映到液位計指示上, 液位計讀數(shù)增加。

  鑒于以上試驗結(jié)果, 經(jīng)過分析, 對儲罐液相取壓管在靠近外封頭位置設(shè)計緩沖盤管, 并在盤管與液封間管道外表纏繞加熱銅絲, 確保進入管道的液體被加熱氣化, 將液體壓縮回流到儲罐;產(chǎn)品完工后, 再次進行了液氮充裝試驗;試驗結(jié)構(gòu)為:

1) 充裝過程指示正常, 無晃動;

2) 靜置過程指示正常, 無晃動;

3) 靜置24 h后比靜置前液位指示升高約1格 (30 mm) ;

4) 增壓至0.8 MPa過程中指示正常, 無晃動;

5) 卸液過程中指示正常, 無晃動 (起初給被卸液罐冷罐時指針有輕微擺動) 。

  試驗結(jié)果表明液相取壓管內(nèi)仍有液體, 由于在管道上纏繞銅絲, 導(dǎo)入一定熱量, 對進入管道液體加熱, 形成一定氣封, 但未能對管道內(nèi)液體進行全部加熱氣化, 故存在的液體形成了液柱靜壓力, 導(dǎo)致儲罐液位在靜置冷透后仍然有升高現(xiàn)象。

  綜合上述結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果分析, 只要有低溫液體進入取壓管道的取壓結(jié)構(gòu), 液位計指示都會存在不穩(wěn)定的問題;只有確保液相取壓為干式取壓, 才能真正解決儲罐液位計指示穩(wěn)定的問題。

  前期筆者進行的研究和試驗, 主要集中在對液相取壓接頭開孔大小、是否需要傳熱銅絲、液下管是否液封及緩沖盤管設(shè)計、彎管結(jié)構(gòu)與內(nèi)容器和外殼的間距等的研究上;***終認(rèn)識到解決液位計穩(wěn)定的根本問題, 主要是干式取壓器設(shè)計中, 綜合考慮導(dǎo)入熱量與取壓接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計的匹配性, 牽涉銅絲直徑大小、長度計算, 確保液相取壓管道液封氣化需要熱量與銅絲導(dǎo)入熱量達到平衡。

  另外經(jīng)過分析, 發(fā)現(xiàn)干式取壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計中, 也存在銅絲導(dǎo)入熱量是否有效用于了對取壓管內(nèi)進入液體介質(zhì)的加熱, 是否有將熱量浪費到管道、接頭等對金屬的無效加熱, 也是結(jié)構(gòu)設(shè)計成功的關(guān)鍵。

4.根據(jù)以上分析, 筆者設(shè)計如圖7結(jié)構(gòu)進行設(shè)計計算:

  結(jié)構(gòu)中設(shè)擋液罩透液孔半徑為R, 液相取壓管內(nèi)徑為D, 當(dāng)達到氣液平衡時, 應(yīng)該在進液孔處形成氣柱或氣泡, 氣封進液截面;據(jù)此進行取壓接頭通徑與需要傳熱量的平衡計算, 尋求合理設(shè)計。

氣封氣泡體積V為

表面積A為

氣泡質(zhì)量M為

式中, ρg為對應(yīng)于液體飽和溫度下的飽和氣體密度;

氣封氣泡需要吸收熱量Q為

式中, r為對應(yīng)于液體飽和溫度下的氣化潛熱;

銅絲的***小傳熱截面積Ac:

  式中, L為銅絲長度, λ為銅絲導(dǎo)熱系數(shù), T2為環(huán)境溫度, T1為介質(zhì)溫度。

  經(jīng)過計算, 設(shè)計液相取壓管接頭進口孔直徑Φ2.5 mm, 擋液罩透液孔半徑為R3, 考慮接頭吸熱等因素, 銅絲采用直徑Φ4 mm設(shè)計, 銅絲長度為250 mm, 銅絲尾部與外筒體銀焊焊接50 mm。

  產(chǎn)品試制及試驗證明, 在環(huán)境溫度不低于0℃的情況下, 儲罐液位指示穩(wěn)定可靠, 基本沒有擺動;同時, 在儲罐進排液、增壓、長期靜置等工況, 液位計指示也非常穩(wěn)定, 達到用戶使用要求。

  筆者所在公司, 從2013年起用戶反饋加氣站配套臥式LNG儲罐, 在卸車、加注結(jié)算中, 存在罐車過磅重量、加液機加注計量與液位計測量值有較大誤差, 同時, 在卸車、增壓操作中, 液位計指示不穩(wěn)定, 嚴(yán)重影響加注站運營結(jié)算;鑒于此情況, 設(shè)計人員進行了長期蹲守加注站現(xiàn)場, 進行觀察跟蹤, 作調(diào)查分析, 確定儲罐設(shè)計中液位計取壓接頭采用了濕式取壓結(jié)構(gòu)設(shè)計;鑒于加氣站已經(jīng)投運, 儲罐無法返修, 對加氣站卸車增加LNG質(zhì)量流量計處理。同時, 公司制造的的LNG罐車產(chǎn)品, 也不斷收到用戶的液位計指示穩(wěn)定投訴。

  鑒于此, 針對液位計指示穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性問題, 公司列為專項重點課題進行了研究;前后進行了四批次、近20臺60 m3加氣站臥式儲罐的液位計接頭試制試驗, 對每次試驗結(jié)果進行分析總結(jié), 然后再次進行結(jié)構(gòu)改善試驗分析, ***終獲得第四代干式取壓器結(jié)構(gòu)的深冷液體儲罐差壓液位計的***佳方案;該結(jié)構(gòu)在公司低溫儲罐、低溫罐車、低溫罐箱產(chǎn)品上大面積推廣應(yīng)用, 用戶反饋良好。