CN103852121B - 深冷液体的计量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于分配深冷液体的系统，包括包含供给深冷液体的储罐，和计量腔。进液管路与存储罐和计量腔连通，以使得计量腔接收来自储罐的深冷液体。计量操作部分与计量腔连通，并包括流量管、配送管线和配送阀。稳液柱被定位在计量腔内，并包括垂直间隔开的开口。垂直间隔的第一和第二压力传感器与稳液柱的内部连通。控制器与流量管、第一和第二压力传感器，以及配送阀连通。

Description

深冷液体的计量系统和方法

技术领域

本发明一般地涉及用于深冷流体的配送及计量系统，并尤其涉及用于深冷液体的计量系统和方法。

背景技术

使用液化天然气（LNG）作为备选能源为车辆等提供动力已经变得越来越普遍，这是因为其可家用、对环境安全并且储量丰富（与石油相比）。因此，对用于准确计量深冷液体（例如LNG）的配送系统和方法的要求提高了。

在共同授予Preston等人的第5,616,838号美国专利中提供了一种有效的现有技术的深冷液体计量系统的示例，在此结合其内容作为参考。在第5,616,838号专利中揭示了将深冷液体计量表安装在绝热的深冷计量容器中，以便将该计量表浸没在储罐中提供的并进行配送的深冷液体中。这样避免了两相的液流流过计量表，并能够进行准确计量，而不需要事先使深冷液体循环经过计量表，以将计量表进行预冷（在每一个配送环节之前）。

此外，第5,616,838号专利揭示出，可通过计量表读取进行配送的深冷液体的体积流速，并且将数据提供给微处理器。将来自被置于深冷计量容器中的温度传感器的温度数据或来自被置于深冷计量容器中的一对垂直隔开的压力传感器的压差数据提供给微处理器，使得还可确定要配送的深冷液体的密度。微处理器则能够计算和显示所计量出的被配送给使用装置的深冷液体（LNG）的量。

虽然第5,616,838号专利的系统性能良好，但是使用温度来确定大多数LNG的未知组分的密度（即，“温度补偿”）并不能令人满意。LNG主要由甲烷组成，但还包括少量的烃，诸如二氧化碳和氮气。

关于使用压差数据来确定密度，深冷液体的动态属性，在其流入和流出深冷计量容器时，在压力传感器的触头（tap）上造成了诸如“噪声”的问题。

因此存在对能够解决至少一些上述问题的深冷液体的计量系统和方法的需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种用于配送并计量深冷液体的系统，包括：储罐，其配有所述深冷液体；计量腔；进液管路，其与所述储罐以及所述计量腔连通，使得所述计量腔接收来自所述储罐的深冷液体；计量操作部分，其与所述计量腔连通，所述计量操作部分包括流量管、配送管线和配送阀；稳液柱，其被定位在所述计量腔内，并包括限定出所述稳液柱内部的侧壁，所述侧壁包括多个垂直隔开的开口；第一压力传感器，其与所述稳液柱的所述内部连通；第二压力传感器，其与所述稳液柱的所述内部连通，并且与所述第一压力传感器垂直隔开；以及控制器，其与所述流量管、所述第一和第二压力传感器以及所述配送阀连通。

本发明还提供了一种用于分配深冷液体的方法，包括以下步骤：

a.使储罐和计量腔配备有进液管路，其从所述储罐延伸至所述计量腔，并具有被置于所述计量腔的顶部空间中多个喷射开孔，其中所述计量腔包括计量操作部分，其具有流量管和配送阀，所述计量腔还包括稳液柱，其具有多个垂直隔开的开口，以及与所述稳液柱的内部连通的第一和第二压力传感器；

b.将深冷液体从所述储罐加注至所述计量腔内，直到所述计量腔中的深冷液体水平面覆盖所述喷射开孔；

c.使深冷液体在所述计量腔和所述储罐之间预循环，直到在所述计量腔内的预先设置的条件被满足为止；

d.当在所述计量腔内所述预先设置的条件被满足时，打开所述配送阀，使得从所述计量腔配送深冷液体；

e.使用所述第一和第二压力传感器，确定所述计量腔中所述深冷液体的密度；

f.使用所述流量管两侧的压降和来自所述第一和第二压力传感器的所述密度，计量所述被配送的深冷液体。

本发明进一步提供了一种用于配送并计量深冷液体的计量腔，包括：液管路，其适于与深冷液体的源连通，使得所述计量腔能接收来自所述源的深冷液体；计量操作部分，其包括流量管、配送管线和配送阀；稳液柱，其被置于所述计量腔内，并包括限定所述稳液柱的内部的侧壁，所述侧壁包括多个垂直隔开的开口；第一压力传感器，其与所述稳液柱的内部连通；第二压力传感器，其与所述稳液柱的内部连通，并与所述第一压力传感器垂直隔开；以及控制器，其与所述流量管、所述第一和第二压力传感器和所述配送阀连通。

附图说明

图1是本发明的深冷液体的计量系统和方法的实施例中的储罐和深冷计量腔以及相关的管道和泵的示意图；

图2是图1中的深冷计量腔以及相关组件的放大示意图；

图3是图2中的流量管的放大示意图；

图4是图2中的稳液柱的俯视图。

具体实施方式

虽然本发明在下文中将依据配送并计量LNG的系统和方法进行说明，但是应该理解的是，它们还可被用于配送并计量其它类型的深冷液体。

依据本发明的系统和方法的实施例，如图1所示，绝热的储罐10包括供给的深冷液体，诸如LNG12。正如在下文中将更加详细地说明的，将LNG经由进液管路16提供给绝热的深冷计量腔14。应该注意的是用于深冷计量腔14的绝热可选择地被省略。可通过压力差、通过泵18，或本领域已知的其它深冷液体传送系统和方法来完成LNG从储罐10至深冷计量腔14的转送。在储罐和深冷计量腔之间还连接有预循环管线20，其使用同样将在下文中进行解释。

参考图2，进液管路16与在深冷计量腔14中垂直放置的喷射充装管路22连接。该喷射充装管路22的特征是在顶端部具有喷射开口24。预循环柱体26的特征是具有预循环入口28并且被连接至预循环管线20，其配备有预循环阀30。大体上以32表示的计量操作部分（meter run）包括计量表管线34，其在深冷计量腔的底部附近具有入口。流量管路34被连接至配送管线36，其特征是具有配送阀38。流量管40被置于流量管路内，并与液流压差变送器42连通。

依据本发明所示出的实施例，在深冷计量腔内置有稳液柱46，并且其特征是具有低压传感器或触头48、中压传感器或触头50，以及高压传感器或触头52。每个压力触头与稳液柱46以及稳液柱压差变送器54连通。应该注意，仅需要两个压力触头，而第三触头是可选的。

液流压差变送器42和稳液柱压差变送器54分别经由无线或有线连接与诸如微处理器的控制器60连通。预循环阀30和配送配送阀38可实现自动化，并且也可与微处理器60连接以进行操作。

在操作中，当预循环阀30打开、配送配送阀38关闭且泵18打开时，LNG最初由储罐10传送至空的深冷计量腔14（图1）。结果，如图2中箭头61指示，LNG经由进液管路16、喷射充装管路22和喷射开口24，流入深冷计量腔。流过喷射开口24的LNG挤压深冷计量腔14中的所有压头（pressure head）。当在深冷计量腔中的LNG，由62指示，达到预循环柱体的预循环入口28的水平面，LNG流过预循环柱体26和管线20，并返回储罐中，如箭头65所示。在足以保证LNG填满计量腔的一段时间之后，泵18关闭（自动地或手动地）。因此，LNG停止流入深冷计量腔，并且流量管40浸入LNG。预循环阀30保持在正常的打开位置。

参考图2，在需要配送LNG时，将附着至配送管线36的软管（还见图1）连接至车辆或其它使用装置，并诸如通过由使用者按下与控制器或微处理器60连通的“配送”按钮来激活该系统。当这样做时，泵18启动，同时预循环阀30保持打开。于是LNG通过喷射充装管路22（以及喷射开口24）流入深冷计量腔，并最终上升至预循环入口28的水平面。然后LNG流过预循环柱体26和管线20并返回储罐，如箭头65所示。结果，LNG流过预循环阀30，直到满足计量腔14中（由任意的或所有的压力触头48、50和/或52测出的）排放压力和适当的流动条件。这一般可花费例如大致15秒或更少的时间。然后微处理器60打开配送配送阀38，使得开始通过计量操作部分32将LNG配送至使用装置。

参考图3，流量管40使用Bernoulli原理，其将液体流动与开孔两侧的压降关联起来，并且其特征是具有流动限制或开孔70，该开孔70具有入口侧72和出口侧74。入口压力传感器或触头76与入口侧72连通，且出口压力传感器或触头78与出口侧74连通。因此，压差变送器42将压差发送至微处理器60，并且微处理器通过以下公式来计量流过流量管的体积流速和质量流速：

等式(1):

等式(2):

其中：

Q=体积流速[m^3/s]

m=质量流速[kg/s]

C=开孔流动系数

A₂=开口的截面面积[m^2]

DP_M=开孔两侧压差[kg/(M×S²)]

ρ_liq=流体密度[kg/m³]

如在下文中将更加详细地解释的，ρ_liq是使用压差变送器54确定的。

参考图2，稳液柱46特征是用连续的管壁围出稳液柱内部空间。该管壁具有沿其垂直长度间隔开的多个开口80。该稳液柱的顶部和底部可以是开放的。这使得LNG62从深冷计量腔能够行进至稳液柱的内部并保持与深冷计量腔内的LNG相同的温度。仅作为示例，稳液柱的直径可为1英寸（1”），薄壁管道（从边缘开始）具有间隔2英寸的孔。优选地，该稳液柱由钢或其它金属材料制成，并且被安装在距深冷计量腔侧壁的内表面1/8英寸（1/8”）以内，使孔朝向该内表面。如图4所示的低压触头48那样，每一个压力触头48、50和52都延伸进入或接近稳液柱46内部的纵向轴或水平中心。

此外，如图2所示，低压触头48的特征是具有通向压差变送器54的关联感测管线48a、中压触头50的特征是具有通向该压差变送器的关联感测管线50a，且高压触头52的特征是具有通向该压差便送器的关联感测管线52a。这些感测管线48a、50a和52a优选地具有相等的内直径和长度，且每一个内直径沿感测管线的长度是一致的。这有助于在计量腔内压力波动的过程中使得在感测管线内的涌动最小化。

稳液柱46消除了压力触头处的“噪声”，该噪声另一方面可能是由于深冷计量腔内LNG流动导致的。此外，将压力触头置于稳液柱的中心附近，使得在每一个压力触头开口上温度波动过程中所形成的气泡的影响最小化。稳液柱的孔80还使得在流动过程中压降的影响最小化。

低压触头48和高压触头52被用于测量压差或柱体压力，其经由稳液柱压差变送器54被发送至微处理器。因此，微处理器60可使用以下等式计算深冷计量腔内LNG的密度：

等式(3):ρ_liq=[(DP_Ctrans)/(g_c×H_c)]+ρ_gas

其中:

ρ_liq=流体密度[kg/m³]

DP_Ctrans=柱体两端的测量压差[kg/(m×s)²]

g_c=重力加速度=9.80665m/s²

H_c=密度柱体的触头距离或高度[m]

ρ_gas=气体密度(感测管线内)[kg/m³]

此外，在确定LNG的密度时，等式(3)中的ρ_gas补偿了感测管线中的气体密度。

微处理器将使用上述等式(3)计算出的密度与来自流量管40的数据相结合，并使用上述等式(1)和等式(2)计算质量流速和体积流速。结果，被运送至使用装置的LNG的计量量可经由显示器82进行显示。中压触头50可替换低压触头48以提高密度读数的分辨率。

返回配送操作，在打开配送阀38几秒钟之后，微处理器60关闭预循环阀30。这一延迟有助于通过防止在深冷计量腔内出现极限压力波动，以“缓冲（soften）”配送以及计量操作的开始。这是合理的，因为压力波动可导致压力脉冲，高低压触头和低压触头（或高低压触头和中压触头）获知该情况的时刻稍有差异，并且因此可使稳液柱压差变送器54发送至微处理器60的压差数据出错。

此外，如图2所示，喷射开口24被置于深冷计量腔顶部的附近，同时计量操作部分32的入口被置于深冷计量腔的底部附近。这使得深冷计量腔中的分层最小化，否则这可影响压力触头确定密度的准确性。

在完成配送后，使用者可按下“停止”按钮或通过类似处理，使微处理器60关闭配送阀38并打开预循环阀30。然后使用者将装填软管从使用装置上卸除，并且LNG通过单向阀84从这里返回深冷计量腔（图2）。

在按下“停止”按钮之后，泵18继续运行，并且LNG在计量腔和储罐之间循环，并且LNG将经由喷射孔24不断进入深冷计量腔，并经由预循环入口28退出。在足以保证LNG填满计量腔一段时间之后，泵自动地停止运行。因此，LNG停止流入深冷计量腔，并且流量管40保持被浸入LNG中。

如果要计量的LNG的量很大，可将计量操作部分32放置在深冷计量腔14的外部。更特定地，从流动开始就需要极为准确地计量微小传递。热的流量管将产生5lbs数量级的误差（传递100lbs将具有5%的误差）。在传递较大运送量时，误差并不明显。

如图2所示，可选择性地将温度探测器90置于深冷计量腔内，并被放置成与微处理器60连通。此外，微处理器可被编程为具有查询表，其列出当该系统工作时典型地由温度探测器90探测到的一定温度范围内甲烷的密度。该查询表还可以，或者备选地，列出典型地存在于由温度探测器探测到该温度范围内的LNG中的其它元素的密度。因此，微处理器可利用来自温度探测器90温度和来自稳液柱压差变送器54的密度，计算甲烷百分比（%）或深冷计量腔内LNG的百分比重（%）。

由上述可见，本发明提供了一种用于计量深冷液体的系统和方法，其包括测量流动液体密度的动态密度计。该设计极为稳健，不包含移动部件，并且计量表可被校准成计量一定密度范围内的任意液体，包括例如从LNG到氮。

虽然已经示出并说明了本发明的优选实施例，但是对于那些本领域技术人员来说显而易见的是，从其中还可造成变化和变形，而不背离本发明的精神，其范围由所附的权利要求书限定。

Claims (25)

1.一种用于配送并计量深冷液体的系统，包括：

a.储罐，其配有所述深冷液体；

b.计量腔；

c.进液管路，其与所述储罐以及所述计量腔连通，使得所述计量腔接收来自所述储罐的深冷液体；

d.计量操作部分，其与所述计量腔连通，所述计量操作部分包括流量管、配送管线和配送阀；

e.稳液柱，其被定位在所述计量腔内，并包括限定出所述稳液柱内部的侧壁，所述侧壁包括多个垂直隔开的开口；

f.第一压力传感器，其包括位于所述侧壁内或所述稳液柱的所述内部的第一压力触头，以使得被配置成检测所述稳液柱的内部的第一压力；

g.第二压力传感器，其包括位于所述侧壁内或所述稳液柱的所述内部的第二压力触头，并且与所述第一压力传感器垂直隔开，以使得被配置成检测所述稳液柱的内部的第二压力；以及

h.控制器，其与所述流量管、所述第一和第二压力传感器以及所述配送阀连通，并且被编程以：

使用所述稳液柱的内部的第一压力和所述稳液柱的内部的第二压力，计算所述计量腔中的深冷液体的密度；以及

使用计算的深冷液体的密度和来自所述流量管的数据，计算深冷液体的计量量。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述流量管被置于所述计量腔内，并浸入深冷液体中。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述流量管包括具有开孔的流量管路，入口压力传感器与所述开孔的入口侧连通，出口压力传感器与所述开孔的出口侧连通，所述入口和出口压力传感器与所述控制器连通。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述计量腔是绝热的。

5.如权利要求1所述的系统，其进一步包括位于所述侧壁内或者所述稳液柱的所述内部的第三压力传感器，所述第三压力传感器与所述第一和第二压力传感器均垂直隔开，并且与所述控制器连通，以使得被配置成检测所述稳液柱的内部的第三压力。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一和第二压力触头包括位于所述稳液柱的纵向轴附近的所述稳液柱的所述内部的开口。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述稳液柱具有开放的顶部端部和开放的底部端部。

8.如权利要求1所述的系统，进一步包括在所述计量腔的顶部空间和所述储罐之间延伸的预循环管线。

9.如权利要求1所述的系统，进一步包括与所述进液管路连通的喷射充装管路，所述喷射充装管路包括被置于所述计量腔的顶部空间内的多个喷射开孔。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述计量操作部分包括被置于所述计量腔的腔底部分内的入口。

11.如权利要求1所述的系统，其中，所述进液管路包括泵。

12.如权利要求1所述的系统，其中，所述稳液柱被置于距离所述计量腔的壁的内表面1/8英寸处，且所述多个开孔朝向所述计量腔的所述壁的所述内表面。

13.如权利要求12所述的系统，其中，所述稳液柱的直径为一英寸且所述多个垂直隔开的开口被置于沿稳液柱轴向间隔两英寸。

14.如权利要求1所述的系统，进一步包括温度探测器，其与所述计量腔内的深冷液体热连通且与所述控制器连通，所述控制器被编程为具有查询表并且基于由所述温度探测器所探测出的温度和计算出的密度来确定出所述深冷液体的组分的百分比。

15.如权利要求1所述的系统，其中，所述深冷液体为液化天然气。

16.一种用于配送并计量深冷液体的计量腔，包括：

a.进液管路，其适于与深冷液体的源连通，使得所述计量腔能接收来自所述源的深冷液体；

b.计量操作部分，其包括流量管、配送管线和配送阀；

c.稳液柱，其被置于所述计量腔内，并包括限定所述稳液柱的内部的侧壁，所述侧壁包括多个垂直隔开的开口；

d.第一压力传感器，其包括位于所述侧壁内或所述稳液柱的内部的第一压力触头，以使得被配置成检测所述稳液柱的内部的第一压力；

e.第二压力传感器，其包括位于所述侧壁内或所述稳液柱的内部的第二压力触头，并与所述第一压力传感器垂直隔开，以使得被配置成检测所述稳液柱的内部的第二压力；以及

f.控制器，其与所述流量管、所述第一和第二压力传感器和所述配送阀连通并且被编程为：

使用所述稳液柱的内部的第一压力和所述稳液柱的内部的第二压力，计算所述计量腔中的深冷液体的密度；以及

使用计算的深冷液体的密度和来自所述流量管的数据，计算深冷液体的计量量。

17.如权利要求16所述的计量腔，其中，所述流量管被置于所述计量腔内，并适于被浸入深冷液体中。

18.如权利要求16所述的计量腔，其中，所述流量管包括具有开孔的计量表管线，入口压力传感器与所述开孔的入口侧连通，并且出口压力传感器与所述开孔的出口侧连通，所述入口和出口压力传感器与所述控制器连通。

19.如权利要求16所述的计量腔，其中，所述计量腔是绝热的。

20.如权利要求16所述的计量腔，进一步包括第三压力传感器，其包括位于所述侧壁内或所述稳液柱的所述内部的第三压力触头，所述第三压力传感器与所述第一和第二压力传感器均垂直隔开以使得被配置成检测所述稳液柱的内部的第三压力，并与所述控制器连通。

21.如权利要求16所述的计量腔，其中，所述第一和第二压力触头包括位于所述稳液柱的纵向轴附近的所述稳液柱的所述内部的开口。

22.如权利要求16所述的计量腔，其中，所述稳液柱具有开放的顶部端部和开放的底部端部。

23.如权利要求16所述的计量腔，进一步包括与所述进液管路连通的喷射充装管路，所述喷射充装管路包括被置于所述计量腔的顶部空间内的多个喷射开孔。

24.如权利要求23所述的计量腔，其中，所述计量操作部分包括被置于所述计量腔的腔底部分中的入口。

25.如权利要求16所述的计量腔，其中，所述稳液柱被置于距所述计量腔的壁的内表面1/8英寸处，所述多个开孔朝向所述计量腔的所述壁的所述内表面。