CN101210868B - 测量用于容纳流体的罐的密封挡板的实际孔隙率的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量用于容纳流体的罐的密封挡板的实际孔隙率的方法，所述罐包括位于所述第二密封挡板(5)的两侧的两个绝热层。惰性气体位于所述绝热层中，并且其气压通过阀(401，402，601，602)调节。该方法特征在于，包括下面的步骤：在关闭所述阀、且将所述第一绝热层(4)的自由空间中的气压保持为与所述第二绝热层(6)的自由空间中的气压相差ΔP的期间，测量和计算第二绝热层(6)的气压P _m和绝对温度T _m的平均值，以及利用下面的公式计算所述第二密封挡板(5)的实际孔隙率PO：

其中，

是所述第二绝热层(6)的自由空间中的气压P的变化速度，V是所述第二绝热层(6)的自由空间的体积，M是惰性气体的分子量，以及R是理想气体常数。

Description

测量用于容纳流体的罐的密封挡板的实际孔隙率的方法

技术领域

本发明涉及称为薄膜储罐的绝热流体储存罐的技术领域，所述流体例如为液化气。这种罐安装在例如甲烷储罐的物品腔的外壳中。 

更具体是，本发明涉及用于测量这种罐的密封层之一的实际孔隙率的方法。 

背景技术

下面参考附图1简要描述这种罐的壁的结构。图1为容纳液化气的罐的壁的截面示意图。 

将例如甲烷的液化气G储存在罐20中，其壁利用任何合适的固定装置固定到腔的外壳1上。 

所述腔的外壳可以是单外壳或更通常的双外壳结构。在图1中，标记1表示外壳的内壁，所述内壁1用作罐的承受结构，并在下文的说明书和权利要求中如此表达。 

壁2从承受结构1到罐的内部连续地包括： 

第二绝热层6， 

第二密封挡板5， 

第一绝热层4， 

以及第一密封挡板3。 

用于绝热层4和6的材料可以是蜂窝状绝热材料，例如具有多孔结构的聚氨酯泡沫，以及胶合板，以硬化该层。 

第一和第二绝热层4和6的目的是相对于外部环境热隔离液化气，并将其保持在低温以限制蒸发速率。例如，在大约-160℃的温度运输甲烷。 

第二密封挡板5由粘合在绝热层4和6之间的例如柔性或刚性片形式的材料构成。例如，商标为“Triplex”的材料，其包括夹在两个纤维玻璃织物之间的连续薄金属片。 

第一密封挡板3可以由金属边条的组件形成。 

与液化气G直接接触的第一密封挡板3的目的是确保容纳液化气，而第二密封挡板5具有相同的作用，但是只在通过所述第一密封挡板3泄漏的情况下才发挥作用。 

最后，第二绝热层6可以通过图中未示出的销钉和/或例如粘合珠固定到承受结构1。 

另外，如图2所示，将气态的例如氮气的惰性气体或干燥空气引入第一和第二绝热层4和6之间的自由空间40、60，该气体被保持在受控的气压下。 

“自由空间”表示未被绝热材料和附接装置占据的体积。特别是，在构成所述绝热层4和6的绝热材料的相邻元件之间存在自由空间40、60。 

图2示意性示出用于液化气的存储罐20，以及用于调节惰性气体的气压的装置。 

通过用于该气体的供给阀601和排出阀602调节第二绝热层6的自由空间60中的惰性气体的气压，这两个阀参考层6被描述为“第二”。 

类似，通过用于该气体的供给阀401和排出阀402控制第一绝热层4的自由空间40中的惰性气体的气压，这两个阀被描述为“第一”阀。 

这些阀还通过图中未示出的调节系统控制。 

当第二密封挡板5完全防泄漏时，两个第一和第二空间不流体连通。 

第二密封挡板5的完整性是重要的且受调节，以确保在第一密封挡板3的损坏的情况下腔的安全性。 

绝热层4和6中的惰性气体用于将绝热层的自由空间保持在选定的气压，并检查在绝热层之间没有液化气G的泄漏。 

为此，周期性或连续地采集惰性气体的样品，并分析样品气体，以验证其中不包含大量在罐20中输送的气体G。换句话说，进行检查以确保例 如氮气不包含甲烷。 

已知的验证第二密封挡板5的完整性的技术包括进行本领域技术人员熟知的称为“标准化孔隙率面积”测量或NPA的测量。 

“标准化孔隙率面积”(NPA)定义为“提供与5000m²的密封挡板全部泄漏相同的液化气G的泄漏的一个孔的面积的当量，所述密封挡板的质量(孔隙率)在虽然可通过气体(气体形式)但可防止所述液化气到达外壳的承受结构的情况下是可接受的。 

其用平方米(m²)表达。 

实际中，当罐20为空的且处于环境温度和大气压下进行该测量。 

将第二绝热层6的自由空间置于真空下，即相对于标准气压的大约-500毫巴(-5·10⁴Pa)的气压，所述标准大气压为1020毫巴量级(大约10⁵Pa)。然后测量第二绝热层6的自由空间从相对于标准大气压的-450毫巴的气压上升到相对于标准大气压的-300毫巴的气压所用的时间。 

然后，通过应用下面的公式，计算标准化孔隙率面积(NPA)： 

当惰性气体是21℃的氮气时： 

$N.P.A=\frac{\mathrm{1,188}{\×10}^{-3}\×V_{\mathrm{IS}}}{A_{\mathrm{SB}}\×\mathrm{\ΔT}}$

当惰性气体是21℃的空气时： 

$N.P.A=\frac{\mathrm{1,210}{\×10}^{-3}{\×V}_{\mathrm{IS}}}{A_{\mathrm{SB}}\×\mathrm{\ΔT}}$

其中，A_SB是所述罐的第二密封挡板5的面积(单位为m²)， 

V_IS是第二绝热层6中的自由体积(自由空间)(单位为m³)， 

ΔT是气压从相对于标准大气压的-450mb上升到相对于标准大气压的-300毫巴所用的时间(小时)。 

接着，将该值与根据在罐中随时间进行的冷却循环数变化的参考值相比较。从而可以确定罐是否持续满足要求的安全标准。 

但是，只有当罐20是空的，即在腔运行周期之外，且在腔被技术关闭下罐处于环境温度时，可以执行检查密封挡板5的完整性的技术。 

现在，稳定腔的周期是昂贵的且稀少的，并且必定会随后降低到最小值。 

发明内容

从而本发明的目的是提供一种测量罐的第二密封挡板的实际孔隙率的方法，其可在腔的运行期间实施，即不需要技术关闭所述腔，也不需要排出存储罐的液化气且使罐处于环境温度。因此，本发明的目的能够实时检查第二密封挡板的防泄漏质量。 

为此，本发明涉及一种测量称为“薄膜储罐”的用于容纳例如液化气的流体的绝热罐的壁的用于液体和气体的“第二”密封挡板的实际孔隙率的方法，所述罐被装在腔的承受结构上，所述罐还包括称为“第一”的挡板，其对于液体和气体防泄漏，并接触容纳在罐中的流体，以及两个绝热层，即“第一”和“第二”层，位于所述第二密封挡板的两侧，其中所述第二绝热层被设计为固定到所述承受结构，所述惰性气体位于所述两个第一和第二绝热层的每个的自由空间中，以及通过用于所述惰性气体的称为“第一”供给和排出阀的阀和称为“第二”供给和排出阀的阀分别调节所述两个第一和第二层的每个的自由空间内的气压。 

根据本发明，所述方法包括下面的步骤： 

a)控制所述阀的开和关，从而将所述第一绝热层的自由空间中的气压保持在参考值的范围，并将所述第二绝热层的自由空间中的气压保持在与所述第一绝热层的自由空间中的气压相差ΔP，从而可以进行测量。 

b)在其中关闭第二层的气体供给和排出阀且使用罐的条件保持稳定的至少一个周期期间，在至少两个不同的时刻测量在第二绝热层的自由空间中的气压值P和绝对温度T，从而可以计算第二绝热层的自由空间中的平 均气压P_m和平均温度T_m， 

c)利用下面的公式计算所述第二密封挡板的实际孔隙率PO： 

$\mathrm{PO}=-\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\×\frac{V}{P_m}\×\sqrt{\frac{P_m\×M}{2\×\mathrm{\ΔP}\×R{\×T}_m}}$

其中， 

是第二绝热层的自由空间中的气压P的变化速度，V是第二绝热层的自由空间的体积，M是惰性气体的分子量，以及R是理想气体常数。 

根据本发明的其他优点和非限制性特征，单独或组合地采用： 

-由于在相同的空间周期地或连续地监测样品，为了考虑第二绝热层的自由空间的温度变化 

和气压变化 

对 

测量施加校正，其变为： 

${\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\right)}_C=(\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}\×\frac{P_m}{T_m})+{\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\right)}_{\mathrm{PRE}}$

并利用下面的公式计算第二密封挡板的实际孔隙率(PO)： 

$\mathrm{PO}=-{\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\right)}_C\×\frac{V}{P_m}\×\sqrt{\frac{P_m\×M}{2\×\mathrm{\ΔP}\×R\×T_m}}$

-在a)阶段，控制打开和关闭所述供给和排出阀，以将第一绝热层的自由空间中的气压保持在接近标准大气压的值，并将所述第二绝热层的自由空间中的气压保持在比所述第一绝热层的自由空间中的气压高ΔP。 

-控制打开和关闭用于惰性气体的第一供给阀和排出阀和第二供给阀和排出阀，使得压差ΔP大约在0.5和4毫巴之间(在50和400Pa之间)； 

-控制打开和关闭用于惰性气体的第一供给阀和排出阀和第二供给阀和排出阀，使得压差ΔP大约在2和4毫巴之间(在200和400Pa之间)； 

-当压差ΔP小于200Pa时，打开第二气体供给阀，并当压差ΔP接近300Pa时，关闭所述阀，以及，当压差ΔP大于400Pa时，打开用于惰性 气体的第二排出阀，并当压差ΔP接近300Pa时将其关闭； 

-惰性气体是氮气。 

附图说明

通过参考附图的下面的描述，本发明的其他特征和优点将更加清楚，其只是示意地而非限制地示出了本发明的一个可能实施例。 

在所述附图中： 

图1示出了存储罐的壁的截面图； 

图2示出了用于液化气的存储罐，以及用于调节该罐的壁中的气体气压的装置；以及 

图3示出了根据第二层的自由空间中的气压与第一层的自由空间中的气压的压差ΔP而打开用于供给和排出第二绝热层的自由空间中的惰性气体的阀的百分比。 

具体实施方式

根据本发明，根据下面的标准调节第一绝热层4的自由空间40和第二绝热层6的自由空间60中的气压，从而获得测量的稳定范围，其中，可以进行对所述第二绝热层6的自由空间中的气压和温度的不同的一致的测量。 

更具体是，控制用于惰性气体的供给阀401、601和排出阀402、602的打开和关闭，从而将第一绝热层4的自由空间40内的气压保持为在参考范围内的值，并且将所述第二绝热层6的自由空间60中的气压保持在与所述第一绝热层4的自由空间中的气压相差ΔP。 

优选，控制所述阀401、601、402和602的打开和关闭，从而将第一绝热层4的自由空间40中的气压保持在接近标准大气压的值，并将第二绝热层6的自由空间60中的气压值保持在比所述第一绝热层4的自由空间中的气压值高正的压差ΔP的值。 

在该情况下，在执行测量时，第二绝热层6的自由空间比第一绝热层 4的自由空间的气压高。 

更优选，调节第二层6的自由空间与第一层4的自由空间的压差ΔP，使得压差在0.5毫巴(50Pa)和4毫巴(400Pa)之间，或者更优选在2毫巴(200Pa)和4毫巴(400Pa)之间。 

图3示出了该调节示图。 

图的左边示出了根据以帕斯卡(Pa)为单位的压差ΔP的第二供给阀601的打开百分比，且图的右边示出了根据以帕斯卡(Pa)为单位的压差ΔP的第二排出阀602的打开百分比。 

实际中，当压差ΔP小于200Pa时，以特定的百分比X打开第二供给阀601，当压差ΔP接近300Pa时，优选接近小于300Pa的值i，例如接近260Pa时，将所述阀关闭。另外，当压差ΔP大于400Pa时，以特定百分比X打开第二排出阀602，并当压差接近300Pa时，优选接近大于300Pa的值j，例如接近340Pa时，将其关闭。 

该控制打开和关闭阀601和602的方法用于获得足够长的时间，在此期间，关闭所述阀601和602。 

在其中关闭阀601、602的时间的至少一个时间中，且/或在使用罐20的条件保持稳定下，在至少两个不同的时刻测量下述： 

-第二绝热层6的自由空间中的气压P和绝对温度T的值，然后计算这些不同气压的平均值和这些不同绝对温度的平均值，即下文称为平均气压P_m和平均绝对温度T_m的值。 

“稳定的罐的使用条件”表示其中罐的温度和/或气压参数保持稳定的操作罐的时间，例如冷却其中无液化气的罐、其中有液化气的罐，罐中的稳定冷却条件、以及加热罐。 

然后可以计算罐的实际孔隙率，表示通过罐的壁的孔泄漏惰性气体的部分。 

在后面的说明书和权利要求中，使用的单位是国际单位，气压用帕斯卡表示，时间单位为秒，体积为m³，温度为开尔文，以及实际孔隙率为m²。 

首先假设，惰性气体是理想气体、绝热气体、亚音速流动且不可压缩。 

通过Bernoulli定律限定在第二绝热层6和第一绝热层4之间流动的气体的速度： 

$v=\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ρ}}}$

其中ΔP＝之前定义的压差，以及ρ＝气体的体积质量或密度。 

ρ通过理想气体定律如下确定： 

$\mathrm{\ρ}=\frac{M\×P}{R\×T}$

其中，M是气体的分子量， 

P是第二绝热层6的自由空间中的气压， 

R是理想气体常数， 

T是第二绝热层6的自由空间中的气体的绝对温度。 

这然后给出： 

$v=\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔP}\×R\×T}{P\×M}}---\left(a\right)$

绝热层6的自由空间中的体积的变化速度为： 

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=v\×\mathrm{PO}---\left(b\right)$

其中v是流体的速度，PO是等于第二密封挡板5的实际孔隙率的孔部分。 

假设在第二绝热层6的自由空间的位置温度保持恒定，则所述自由空间中的气压的变化速度从PV＝常数推导出。 

$P\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}+V\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}=0$

$\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}=-\frac{P}{V}\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}---\left(c\right)$

从上述三个公式(a)(b)(c)，推导出第二绝热层6的自由空间中的PO和气压P的变化速度 

之间的关系，其为： 

$\mathrm{PO}=\frac{1}{v}\×\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=\sqrt{\frac{P\×M}{2\mathrm{\ΔP}\×R\×T}}\×(-\frac{V}{P}\×\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}})$

$\mathrm{PO}=-\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\×\frac{V}{P}\×\sqrt{\frac{P\×M}{2\mathrm{v\ΔP}\×R\×T}}$

实际中，气压P的值和温度的值是平均值，从而在上述公式中，P和T可以分别用平均气压P_m和平均绝对温度T_m替换。 

对于实际孔隙率，可以获得： 

$\mathrm{PO}=-\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\×\frac{V}{P_m}\×\sqrt{\frac{P_m\×M}{2\×\mathrm{\ΔP}\×R{\×T}_m}}$

另外，由于周期地或连续采样以用于检查同一层(例如检查惰性气体中的甲烷)，当希望考虑第二绝热层6的自由空间中的温度变化 

和气压变化 

时，改进对 

值的测量，从而获得校正值 

这对应于 

下面的公式： 

${\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\right)}_C=(\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}\×\frac{P_m}{T_m})+{\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\right)}_{\mathrm{PRE}}$

从而获得 

$\mathrm{PO}=-{\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\right)}_C\×\frac{V}{P_m}\×\sqrt{\frac{P_m\×M}{2\×\mathrm{\ΔP}\×R\×T_m}}$

根据本发明的方法用于有效的检查，而不需将腔技术关闭。所述检查可以在罐的任何“稳定”周期进行，无论罐是否被填充。因此，可以更加频繁地实时地进行。 

获得的孔隙率的值更近似地对应于腔的实际和操作，尤其是当腔已经受到一定数目的冷却和对这些罐的再加热循环时。 

下面给出一些测量实例。 

这些测量通过利用氮气进行，假设氮气是理想的、绝热气体，其亚音速地流动且不可压缩。 

理想气体常数值R是8314，分子量M是29。 

获得的结果在下表中示出： 

dP/dt

V

Pm

ΔP

Tm

PO

df

罐的状态

mb/h

Pa/s

m3

Pa

Pa

°K

mm2

mm

通过跟踪液体  的稳定冷却

-3.7

-0.1028

138.0

100,000.0

300.0

233.0

7.08

3.00

Claims (7)

1.一种测量绝热罐的壁(2)的第二密封挡板(5)的实际孔隙率的方法，其中所述绝热罐用于容纳流体且称为“薄膜储罐”，且所述第二密封挡板(5)用于液体和气体，所述绝热罐被装在腔的承受结构(1)上，所述罐还包括用于液体和气体的第一防漏挡板(3)，其与容纳在所述罐中的流体接触，以及两个绝热层(4，6)，即第一绝热层和第二绝热层，其位于所述第二密封挡板(5)的两侧，所述第二绝热层(6)被设计为固定到所述承受结构(1)，在所述第一绝热层(4)和第二绝热层(6)的每个的自由空间(40，60)中存在惰性气体，通过用于所述惰性气体的称为第一供给阀(401)和第一排出阀(402)的阀和称为第二供给阀(601)和第二排出阀(602)的阀分别调节所述第一绝热层(4)和第二绝热层(6)的每个的自由空间中的气压，其特征在于，包括下面的步骤：

a)控制所述第一供给阀(401)、所述第一排出阀(402)、所述第二供给阀(601)和所述第二排出阀(602)的开和关，从而将所述第一绝热层(4)的自由空间(40)中的气压保持在参考值的范围，并将所述第二绝热层(6)的自由空间(60)中的气压保持在与所述第一绝热层(4)的自由空间(40)中的气压相差压差ΔP，从而可以进行测量，

b)在其中关闭所述第二绝热层(6)的所述第二供给阀(601)和所述第二排出阀(602)、且使用罐的条件保持稳定的至少一个时间期间，在至少两个不同的时刻测量在所述第二绝热层(6)的自由空间(60)中的气压P和绝对温度T的值，从而可以计算第二绝热层(6)的自由空间(60)中的平均气压P_m和平均温度T_m，

c)利用下面的公式计算所述第二密封挡板(5)的实际孔隙率PO：

$\mathrm{PO}=-\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\×\frac{V}{P_m}\×\sqrt{\frac{P_m\×M}{2\×\mathrm{\ΔP}\×R\×T_m}}$

其中，是所述第二绝热层(6)的自由空间(60)中的气压P的变化速度，V是所述第二绝热层(6)的自由空间(60)的体积，M是惰性气体的分子量，以及R是理想气体常数。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，由于在相同空间周期地或连续监测样品，为了考虑所述第二绝热层(6)的自由空间(60)中的温度变化

和气压变化

对值的测量进行校正，其从而变为

${\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\right)}_C=(\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}\×\frac{P_m}{T_m})+{\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\right)}_{\mathrm{PRE}}$

然后利用下面的公式计算所述第二密封挡板(5)的实际孔隙率(PO)

$\mathrm{PO}=-{\left(\frac{\mathrm{dP}}{\mathrm{dt}}\right)}_C\×\frac{V}{P_m}\×\sqrt{\frac{P_m\×M}{2\×\mathrm{\ΔP}\×R\×T_m}}.$

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在a)阶段，控制打开和关闭所述第一供给阀(401)、所述第二供给阀(601)、所述第一排出阀(402)和所述第二排出阀(602)，以将第一绝热层(4)的自由空间(40)中的气压保持在接近标准大气压的值，并将所述第二绝热层(6)的自由空间(60)中的气压保持在比所述第一绝热层(4)的自由空间(40)中的气压高正的压差ΔP的值。

4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，控制打开和关闭用于惰性气体的所述第一供给阀(401)和第一排出阀(402)和所述第二供给阀(601)和第二排出阀(602)，使得压差ΔP在50和400Pa之间。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，控制打开和关闭用于惰性气体的所述第一供给阀(401)和第一排出阀(402)和所述第二供给阀(601)和第二排出阀(602)，使得压差ΔP在200和400Pa之间。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于，当压差ΔP小于200Pa时，打开所述第二供给阀(601)，并当压差ΔP接近300Pa时，关闭所述第二供给阀(601)，以及，当压差ΔP大于400Pa时，打开用于惰性气体的第二排出阀，并当压差ΔP接近300Pa时将其关闭。

7.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，所述惰性气体是氮气。

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