CN102917967B - 液体稳定设备 - Google Patents

Abstract

提供一种用于稳定容纳在罐（1）中的液体的设备，该设备包括布置成在所述液体的自由表面上漂浮的挡板（10）以及约束部（20，30），该约束部（20，30）用于联接所述挡板（10）和所述罐（1），以便抑制所述挡板（10）来抵抗相对于所述罐（1）的倾斜。

Description

液体稳定设备

技术领域

本发明涉及一种用于稳定容纳在罐中的液体的设备，更具体而言但不限于，液化天然气（LNG）罐，以便抑制罐中液体的晃动。

背景技术

作为最清洁矿物燃料，天然气的使用已快速增长为全球重要能源。在其近似为-162℃的液态，液化天然气（LNG）比在其气态时更易于运输和存储。为了满足渐增的需求，已建造了许多LNG船和终端设备。例如，新加坡正在建造成本约为15亿美元的LNG终端设备。有替代自支撑存储系统而使用薄膜罐的趋势，这主要是由于薄膜罐更为有效地利用壳形这一事实。令空间应用最大化是海船的重要设计考虑因素。

通常，棱柱形的薄膜型罐比诸如球形的其他形状与船体的形状更兼容。建造薄膜型LNG船的成本高达160~200百万美元。更低成本的海运和再气化工厂已有助于推进制造具有更大LNG罐的更大LNG运输设备。需要良好的热绝缘以使LNG通过蒸发的损失最小化。罐的绝缘壁典型地由两层薄膜和两层绝缘材料组成，其中最内层为薄膜层。

考虑到LNG罐的大尺寸，在风大浪急的海面运动期间，部分填充的罐中的晃动会较剧烈，并会对薄膜层造成损坏。特别地，自由表面的强烈晃动和压力波动会增加疲劳，并对薄膜罐不利。如果没有检查，则晃动还会引起船在剧烈海况时的不稳定。由于对更大LNG罐和操作中更大柔性的渐增要求，LNG晃动的问题，特别是在部分填充的罐中的晃动问题必须进行解决，以在对罐壁的损坏以及不利影响船稳定性方面减少所起作用。

有若干专利申请被提出来解决晃动问题，示例为WO/2009/072681和JP2009018608。

在由Jin（2009）提交的专利申请WO/2009/072681中，通过将LNG罐的整个空间分离成若干小隔间来减少晃动。该思想为每个小隔间中的晃动不及在大罐中剧烈。该设计需要在NLG罐内建造隔断壁并增加舱壁和支座部。每个舱壁将LNG罐的空间分隔成左空间和右空间来减少晃动。支座部用于将舱壁紧固到LNG罐的第一绝缘层。因而，该设计需要明显更改罐的结构和布局。而且，与支撑船体接触的隔断壁将造成明显的热泄漏问题（即从外到内的热传递）。

由Shinkichi（2009）提交的专利申请JP2009018608旨在通过使棱柱罐保持在完全装载条件来缓解LNG晃动。也就是，薄膜型LNG罐的填充水平总是保持为大于罐高度的95%。当填充水平下降时，存储在专用罐中的LNG将被转移到薄膜型罐，以重新获得大于罐高度的95%的水平。球形的专用罐因而在克服晃动方面比棱柱形罐更好。然而，该设计需要增加球形罐以及实质性更改船的结构或布局。另外，需要额外的管道系统将LNG从每一个矩形罐转移到专用球形罐。

本发明提出一种用于稳定容纳在罐中的液体的解决方案，同时减轻上述问题中的至少一个。

发明内容

一般来说，本发明提供一种液体稳定设备和约束部，该液体稳定设备通过将液体自由表面限制在漂浮挡板下方来抑制晃动，约束部防止挡板不受控制地移动。

在第一方面，本发明提供一种用于稳定罐中的液体的设备，该设备包括布置成在所述液体的自由表面上漂浮的挡板以及约束部，该约束部用于联接所述挡板和所述罐，以便约束所述挡板来抵抗相对于所述罐的倾斜。

当在所述液体的自由表面上漂浮时，所述挡板可部分地或完全浸没在所述液体中。

利用所述约束部，所述挡板被防止或阻止在容器中不受控制地移动。特别地，所述挡板的倾斜运动被限制，从而通过挡板抑制液体的横向冲击。

进一步，还可限制所述挡板的横向漂移运动，并且可防止所述挡板冲击所述罐的侧壁。

在第一实施例中，所述约束部可包括连接构件，所述连接构件具有第一端和第二端，第一端连接到所述挡板，同时防止所述挡板相对于所述第一端旋转，第二端连接到锚固部，所述锚固点可位于所述罐的底部或罐壁或所述罐的其他内端面处，或者位于其他这种方便加固的位置处，以便防止对锚固点的损坏或失效。

在第二实施例中，所述连接构件可包括多个缆索，该多个缆索具有连接到所述挡板上的多个点的第一端，以便将所述挡板约束在基本水平面中。

所述约束部可进一步包括高度调节装置，用于调节所述缆索的长度，以便使所述挡板适应于不同的液位。

所述高度调节装置例如可包括允许从锚固点调节所述缆索的第二端的设备。这种设备可包括滑轮组、转动该滑轮的接绳器或缆索张紧轮。锚固点可包括滑轮，该滑轮引导所述缆索的第二端向上通过所述挡板中的孔口至所述罐的顶部，并且所述高度调节装置包括用于从所述罐的所述顶部拉伸所述缆索的所述第二端的设备。

在第三实施例中，所述约束部可进一步包括辅助缆索，该辅助缆索锚固在所述罐的顶部或其他罐壁处，以便将所述挡板固定就位，由此限制或防止所述挡板碰撞所述罐的内表面。

在第四实施例中，所述连接构件可包括两组固定长度的缆索，每一组缆索的第一端连接到一个挡板上的多个点。第一组缆索的另一端连接到所述罐的底部上的锚固点，而第二组缆索的另一端连接到罐的顶部上的锚固点。在此实施例中，挡板在罐中固定就位，并且可不需要调节缆索长度。如果在极端条件下运动较大，两组缆索还防止挡板碰撞内表面。在这种固定长度缆索的替代方案中，如果必要可在同一罐中使用两个或更多的挡板。在此情况下，挡板能够平行放置，并且利用缆索而连接，从而在彼此之间提供预定空隙。

所述挡板可为平坦构件的形式，其可具有覆盖所述罐的水平横截面面积的大部分的尺寸。更具体地，所述挡板可覆盖所述液体的近似50%的自由表面。

所述平坦构件可包括金属框架。框架中的间隙空间可填充有一材料，该材料具有的密度小于所述液体的密度。可替代地，所述平坦构件可为加外框的网，该网具有一系列孔口，液体可流动通过该孔口并因此消耗能量，或者所述平坦构件可为具有金属框架的聚苯乙烯板。

进一步的变型可包括不同于单个挡板的若干挡板。有效地，罐面积被分成若干子面积，每个子面积将具有用于稳定液体的挡板。则会将减少缆索拉力及其尺寸。该实施例在罐非常大时可极为有用，因而避免构造类似较大挡板的需要。

附图说明

关于例示本发明的可能布置的附图，将便于进一步描述本发明。本发明的其他布置也是可以的，因此，附图的特殊性不应理解成取代本发明前述描述的概括性。

图1为典型的LNG罐和根据本发明第一实施例的液体稳定设备的透视图。

图2A为图1所示的设备和罐的俯视图。

图2B为设备和罐沿图2A的A-A’线的剖视图。

图3显示挡板的构造的示例。

图4A显示根据本发明第二实施例的高度调节装置的布置。

图4B显示根据本发明第三实施例的辅助缆索以及高度调节装置的布置。

图4C显示根据本发明第四实施例的具有固定长度缆索的挡板布置的示例。在该图中，为了例示显示出两个挡板。

图5例示液体在图1所示的液体稳定设备的作用下的流动。

图6A至6F为在各个实验条件下被激发的液体的瞬态图。

图7A和7B为在各个实验条件下罐的底部上的压力的波形。

具体实施方式

根据本发明一个实施例的约束漂浮挡板（CFB）被例示在图1中。该漂浮挡板位于棱柱形的典型LNG罐1内。

棱柱形LNG罐1包括均由绝缘壁形成的底板2、侧壁4和顶部6。LNG罐的宽度和高度可大约为30m。绝缘壁可由初级膜、初级绝缘层、次级膜和次级绝缘层形成。每个膜由厚度为1mm或更小的因瓦钢板制成。绝缘箱典型地由胶合板制成并填充有珍珠岩。作为示例，总厚度可近似为0.5m。

液体稳定设备可包括挡板10和约束部，约束部在此情况下为将挡板10连接锚定点30的多个缆索20。缆索20和锚固点30形成约束部的连接构件，用于在挡板上施加力，来抵抗挡板的倾斜运动或相对于罐1不希望的大运动。连接构件将挡板10连接到罐1。设备的俯视图显示在图2A中，图2B显示沿图2A的线A-A’的剖视图。

挡板10可由具有足够硬度和强度的合适材料制成。其可由实心材料或填充有空气或轻质材料的壳制成，以便实现小于液体密度的有效密度。这允许挡板10通过由缆索20提供的约束部而在液体中部分地浸没或者（如果被视为是有益的，则作为替代方案）完全浸没在自由面下方。

在实施例中所使用的几何形状、尺寸和材料仅用于例示的目的，并可根据实际应用进行变化。挡板10为平坦构件的形式。漂浮在自由面上的板状挡板10在挡板10的四个点处经由缆索20被约束到锚固点30。

术语缆索可指代金属丝、链条或类似张紧绳。锚固点30可为缆索保持器、或柱桩或者根据需要位于罐的底部上，优选在底板2上。

漂浮挡板10迫使液体自由面与其平坦形状一致。缆索20提供必要约束，以防止挡板10由于液体在罐一侧处的升高造成的倾斜。同时，还防止挡板10无法控制地侧向移动以及碰撞罐的侧壁4。

挡板的一个示例显示在图3中。在设计挡板10时，一个考虑因素是在发生晃动时避免挡板10与LNG罐1的侧壁4之间的碰撞。因而，漂浮挡板10的尺寸小于罐1的水平横截面面积。挡板10具有充足的尺寸以覆盖液体的自由表面或者罐的水平横截面面积的一大部分，以便有效抑制液体晃动。作为示例，漂浮挡板为用于如图1所示的典型棱柱形LNG罐的、10m乘24m且厚度为0.5m的矩形板。如果认为挡板过大，为了限制挡板10的运动，缆索20可替代地被交叉支撑并连接到一个以上的锚固点30。为了漂浮在表面上，板根据所使用的材料可以是中空的，以便具有小于LNG密度的总密度。

液化天然气（LNG）主要由甲烷（CH₄）组成，甲烷具有大约为-162℃的沸点。因而，另一设计考虑因素是用于约束漂浮挡板的材料，以在低温条件下提供足够的硬度和强度。作为示例，使用铝合金，这是因为该材料在低温环境中具有相对稳定的物理特性。铝合金可用于构造如图3所示的挡板10的框架或外边界12。

LNG的密度根据温度、压力和组成略为0.41kg/L至0.5kg/L。金属框架或外边界12的间隙空间14可填充有轻质材料，该轻质材料具有的密度低于液体的密度，例如泡沫聚苯乙烯。通过这种方式，约束漂浮挡板的总密度可被设计成小于LNG的密度，从而能够漂浮在LNG的自由表面上。

基于罐的几何形状和尺寸，可使用漂浮挡板10的各种不同设计，并且约束部的变化也是可以的。根据漂浮挡板10的实际形状，可能更为适当或必须的是，将挡板10的仅仅三个点或者多于四个点利用缆索连接到锚固点30。

在进一步的替代方案中，挡板10的一个或更多点可被连接到刚性连接构件的第一端，同时防止挡板相对于第一端旋转，并且连接构件的第二端被连接到锚固点30。刚性连接构件可相对于锚固点30旋转。

在又一进一步的替代方案中，约束部可包括从罐的底板2竖立突出的杆和具有孔口的挡板10，该孔口在挡板10漂浮在液体的表面上时允许杆延伸穿过。杆和孔口可被布置成使得，一旦挡板10倾斜至一定角度，则杆对挡板10施加抵抗挡板的任一进一步倾斜运动的力。同时，如果挡板10离开中心侧向漂移至一定距离，则约束部还可对挡板10施加抵抗挡板在液体的自由表面上任意进一步侧向运动的另一力。

实际上，罐的绝缘壁不能提供理想绝缘，因而液化天然气在航行期间经常沸腾。典型地，根据绝缘效率和航行不稳度，估计每天0.1%-0.25%的货物转变成气体。因而，在典型的20天的航行中，可损失原始装载的LNG的总体积的2%-6%。另外，LNG的深度将变化，以促进操作中的更大灵活性。

相应地，缆索长度应进行调节，以允许漂浮挡板适应于罐中不同的液位。在本发明的第二实施例中，提供一种用于调节缆索的长度的高度调节装置，从而，缆索将在给定的LNG深度充分保持张紧。调节挡板高度的两种方式如下，并且各变化能够适合于罐几何形状和其他约束。

在第一方法中，提供一种装置，用于从罐1的底部的锚固点30拉伸缆索20的第二端。如图2B所例示，该调节来自锚固点区域下方的罐底部，并由某些机械装置，例如绞盘锁定。这将是仅有的热泄漏途径，并且这种热泄漏能够通过使用良好的绝缘材料卷绕在柱桩和绞盘区域周围而被减少。

在第二方法中，如果由于空间约束而不期望来自罐底部的调节，则调节能够从罐顶部实现。如图4A所例示，锚固点可包括滑轮32，该滑轮32引导缆索的第二端向上通过挡板10中的孔口40至罐1的顶部，并且提供用于从罐1的顶部拉伸缆索20的第二端的装置。缆索20可被锁定在顶部。由于晃动运动在侧部比在中间大，因而约束漂浮挡板10的中间出现相对小的孔将不会损害其有效性。

能够使用锚固在罐的顶部或其他罐壁处的辅助缆索来防止挡板碰撞罐的内表面。示例布置显示在图4B中。罐的顶部上的锚固点可包括滑轮33，该滑轮33将类似于缆索20的辅助缆索50的第二端向上引导。如果液体深度低（晃动可忽略）并且挡板10接近罐底部，则缆索50的长度被固定，使得挡板将不与罐底部接触。

除了可调节挡板外，在预定位置处固定的挡板可以是替代方案，这避免需要缆索长度调节。图4C例示该布置的示例。两个挡板（或根据需要更多）彼此平行地放置，其间通过使用等长度缆索60而具有确定空隙。缆索20和50被分别锚固在罐的底表面和顶表面。两个挡板的竖直位置能够预置，从而能够最优缓解任一填充深度处的晃动波。例如，根据劳埃德船舶年鉴手册，从10%H到70%H（其中H为罐高度）的填充深度因大的晃动现象而被禁止。因此，两个挡板可被放置在大约20%H和60%H的位置，以便尽可能地缓解不同填充深度条件下的晃动。

图5例示液体在约束漂浮挡板的作用下在罐中的流动。在部分填充的罐的运输期间，船或交通工具的不稳定对液体引入横向力并致使液体在罐内流动。在一个时间点，液体从罐的一侧流动到另一侧，并在罐的该另一侧升高。然而，约束漂浮挡板10的表面致使液体流动被反射成如带箭头曲线5所示。

在液体流动被反射的同时，带箭头曲线5所示的流动对挡板10的右手侧应用将致使挡板10倾斜的向上的力以及在挡板10上应用将致使挡板10漂移到右侧的水平力。约束缆索20对挡板10施加抵抗倾斜和横向漂移的力，以便将挡板10保持在基本水平面并将其保持为邻近液体的表面的中心。

实验结果

涉及位于振动台上的部分填充的水罐的小规模实验测试被执行，以证实约束漂浮挡板在平面尺寸为0.53m×0.4m且高度为0.6m的矩形罐中的基本原理。罐容纳有部分填充的水，水为了更好显像而被染色。水的深度为0.3m。约束漂浮挡板由聚苯乙烯泡沫塑料制成，并由具有1.5mm直径的钢丝约束，并具有0.26m×0.335m的尺寸。

缆索或钢丝通过钩部被锚固在位于罐底部上的Perspex柱桩。在实验研究中为了简化采用钩部连接。在真正LNG罐的情况下，约束漂浮挡板连接会不同，并可根据需要由用于罐壁的相同绝缘材料覆盖，以减少热泄漏。

在一个实验情况中，一件Perspex板作为附加质量被附加到挡板的顶部，而在另一试验情况中，约束漂浮挡板被提供为不具有附加板。挡板的质量因而在实验研究中是可调节的。

为了证实液体晃动及其因约束漂浮挡板而缓解，正弦激励用作支撑罐的振动台的输入。使用两个不同的激励振幅，即2mm和4mm。当激励频率接近于罐中的液体的固有频率时，晃动问题变恶化。

基于上述设置，执行一系列实验。为了比较，研究同一激励频率条件下的四个情况，该激励频率等于罐（没有挡板）中晃动的第一固有频率。根据采集到的视频图像估计最大波幅或晃动振幅。波动的一些瞬态图显示在图6A至6E中。

在情况1时，不使用挡板。图6A和6B分别为在2mm和4mm的激励振幅条件下不具有挡板时的液体的瞬态图。液体晃动较大。

在情况2时，使用但不约束漂浮挡板。图6C和6D分别为在2mm和4mm的激励振幅条件下在不受约束的漂浮挡板作用下的液体的瞬态图。挡板能够随着液体的流动而自由运动。缓解效果不明显。

在情况3时，使用约束漂浮挡板但没有附加重量。图6E和6F分别为在2mm和4mm的激励振幅条件下在约束漂浮挡板作用下的液体的瞬态图。对于两个激励振幅，缓解效果明显。与情况1相比，晃动振幅减少2.8至9倍。

在情况4时，使用约束漂浮挡板且具有附加板（为了增大质量），缓解效果类似于情况3。晃动振幅的减少为3.1至14倍。

实验情况1至4的结果汇总在表1中。

表1-各种实验情况下水的最大波动高度

		激励振幅=2mm	激励振幅=4mm
				情况	挡板类型	最大波动高度	最大波动高度
1	没有挡板	140mm	220mm
				2	不受约束的漂浮挡板(0.1kg)	140mm	160mm

3	没有附加板的CFB（0.1kg）	15mm	80mm
				4	具有附加重量的CFB(1.2kg)	10mm	70mm

压力传感器被安装在接近罐的底部的壁上以测量压力。图7A和7B显示四种情况（从情况下1至情况4）分别在2mm和4mm激励振幅的条件下的压力时间变化曲线图。

在情况1和2时，图7A和7B显示较大的压力波动，其中由较大晃动运动而产生。在情况3和4，使用约束漂浮挡板明显减少了压力波动。压力均值和方差汇总在表2中。

表2—实验情况的压力方差

由于平均压力主要取决于平均液体深度，因而平均压力对于所有四种情况大约相同。压力方差反映了由晃动波动引发的动态分量，并且压力方差通过存在漂浮约束漂浮挡板到能够被而被明显减少。由于更小的动态分量意味着对薄膜罐引发疲劳损坏的更小风险以及对船不稳定性的更小影响，因而该减少是重要的。

本发明基于使漂浮挡板根据不受控的自由运动受到约束的概念。根据实验结果可知，通过约束漂浮挡板，有效抑制了液体在罐中的晃动。应认识到，在由权利要求所限定的本发明的概念的范围内，挡板和约束部的实际设计的变化也是可以的。

Claims (9)

1.一种用于稳定用于运输液化天然气的罐中的液体的设备，该设备包括：

布置成在所述液体的自由表面上漂浮的挡板；以及

约束部，用于在一个锚固点联接所述挡板和所述罐，以便抑制所述挡板来抵抗相对于所述罐的倾斜；其中所述约束部包括连接构件，所述连接构件包括多个缆索，该多个缆索具有连接到所述挡板上的多个点的第一端和连接到所述锚固点的第二端，以便将所述挡板约束在基本水平面中。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述约束部进一步包括高度调节装置，用于调节所述缆索的长度，以便使所述挡板适应于不同的液位。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述高度调节装置包括允许从所述锚固点调节所述缆索的所述第二端的设备。

4.根据权利要求2所述的设备，其中所述锚固点包括滑轮，该滑轮引导所述缆索的所述第二端向上通过所述挡板中的孔口至所述罐的顶部，并且所述高度调节装置包括用于从所述罐的顶部拉伸所述缆索的所述第二端的设备。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中所述挡板为平坦构件的形式，该平坦构件具有覆盖所述罐的水平横截面面积的大部分的尺寸。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述平坦构件包括金属框架。

7.根据权利要求6所述的设备，其中所述平坦构件为加外框的网。

8.根据权利要求6所述的设备，其中所述平坦构件为具有金属框架的聚苯乙烯板。

9.根据权利要求6所述的设备，其中所述框架中的间隙空间包括一材料，该材料具有的密度小于所述液体的密度。