CN109073152A

CN109073152A - 低温液体的输送系统

Info

Publication number: CN109073152A
Application number: CN201780019990.5A
Authority: CN
Inventors: S.乌里
Original assignee: Cryostar SAS
Current assignee: Cryostar SAS
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2018-12-21
Also published as: RU2018130142A3; FR3047538B1; RU2018130142A; EP3411624A1; RU2730213C2; EP3411624B1; WO2017134407A1; FR3047538A1

Abstract

该低温液体的输送系统包括：‑连接机构，用于将低温液体输送到储存器（2）或类似装置并且回收从所述储存器或类似装置排出的气体，‑用于确定从所述输送系统排出的液体的质量的流量计（12），和‑所输送的液体的测量装置（44），该测量装置与处理器件相关联以确定所输送的液体的热值。

Description

低温液体的输送系统

技术领域

本发明涉及低温液体输送系统。

本发明可以涉及任何类型的低温液体，即通过气体（纯气体或气体混合物）在非常低的温度（通常低于-100℃）下冷却所获得的任何液体，例如氮气、氦气或天然气（甲烷）等气体。

背景技术

对于低温液体的一些用途，将液体储存在大桶中，并且设置用于将一些量的液体输送到容器（例如卡车的储存器）中的机构。因此，设有供给站，该供给站具有储存桶和适配于待填充容器的加压分配机构，该加压分配机构通常包括泵，该泵允许将低温液体从储存桶输送到运载工具的储存器或船上。下文中，容器是指适于容纳液体（且更确切地，低温液体）的任何类型的储存器或容器或类似物。另外，为了简化描述，将把液体的输送（从桶到例如气瓶或杜瓦瓶）视作供给（从桶到运载工具的储存器，运载工具中包括船）。

当运载工具用于进行对低温液体（例如GNL（液化天然气））输送站的供给时，它的储存器有时会因储存器内的低温液体的蒸发而处于加压状态。因此，在实施供给之前，需要实施脱气，即，去除储存器中的气体以降低储存器中的压力。然后，在供给时，低温液体在加压状态下被带到储存器。也有可能在向储存器输送液体时，去除储存器中的气体。由此存在与液体流以反方向流动的气体流，例如依次通过使填充周期与脱气周期交替进行。在液体输送结束时，还已知的是，允许从储存器中排出气体，以便允许完成对储存器的填充。

因此，当要确定已经输送的低温液体量时，还需要考虑到从储存器中排出的气体量，以便从已经输送的液体量中减去该气体量。因此已知确定进入储存器的液体的质量流量，并且从中减去从该储存器中出来的气体的质量流量。实际上，体积流量的测量将是不合适的，因为流体的密度很大程度上取决于它的温度，而在向储存器输送液体时，温度可能发生大幅变化。

但是，即使考虑到“负”流量（即，从储存器排出的流量），关于已经输送的流体的质量的信息也只是对所实现的输送的指示。在燃料储存器的填充（例如，以GNL进行填充）的情况下，储存器中所容纳的气体的质量本身无法允许确定关于运载工具的潜在续航能力。GNL的组成，还有它的压力和它的温度，将会对该续航能力具有重大影响。

文献WO-92/02788公开了一种液化气测量装置，与液化气分配系统和测量装置一起使用，该液化气分配系统将液化气从供应源引导到分配点。该测量装置设有检测机构，该检测机构用于检测与液化气密度有关的液化气的可测量参数，尤其是诸如介电常数等电气参数，并且发射表示所检测参数的检测信号。对检测信号敏感的计算器件用于控制测量装置的操作，通过测量装置在经测量和分配的液化气的评估期间补偿在分配操作过程中气体组成的变化。

文献US-2008/0223874公开了一种自动填充系统，用于进行以散装液体填充液体运输运载工具的操作。在填充过程中，通过气体分析仪进行品质测试。

发明内容

本发明的目的在于提供关于在低温液体输送期间供给到经填充的储存器的能量的指标，并且优选地也提供关于所供给的焓的指标。

本发明的另外的目的在于提供低温液体输送的能量平衡的指标（indication），以便获知全部输送到刚填充的储存器的能量的量。

为此目的，本发明提出一种低温液体的输送系统，其包括：

- 连接机构，其用于将低温液体输送到储存器或类似装置以及回收从所述储存器或类似装置排出的气体，和

- 第一流量计，其用于确定从输送系统排出的液体的质量，和

根据本发明，该系统还包括用于确定所输送的液体的热值的装置。

用于确定液体（例如GNL等）的（或气体的）热值的装置是已知的。由于此类装置，根据获知的液体的热值及其质量，能够确定被供给到所填充的储存器的能量。

用于确定所输送的液体的热值的装置包括例如用于测量电气领域和/或热学领域和/或声学领域中的至少一个物理量的测量装置以及与所述测量装置相关联的处理器件，所述处理器件用于根据所实施的至少一测量提供对应于热值的值。因此作为非限制性示例，测量流体的电阻或电容或者波在流体中的传播速度或者它的导热率，以获得该流体的特征。由此，根据所进行的并且结果被用在电子处理器件中的经验，能够根据所测量到的量获知所分析的流体的热值。为了实现更大的精度，能够设想到优选地在两个不同的领域中实施至少两次测量。

为了同时考虑到在为了实施对储存器的良好填充最经常实施的脱气步骤期间逃逸的气体，输送系统还可以包括：

- 第二流量计，其用于确定所回收的气体的质量，和

- 用于确定所回收的气体的热值的装置。

补充的这些装置允许确定从正在填充的储存器中所去除的能量。在大部分情况下，该能量与输送到储存器的能量相比是很小的，甚至是可以忽略的。但是，在有些情况下，为了实现精确的交易并且因此实现对最终客户“公平的”交易，该能量应该被考虑在内。

与对液体进行的热值的确定相似，可以设置：用于确定所回收的气体的热值的装置包括用于测量电气领域和/或热学领域和/或声学领域中的至少一个物理量的测量装置以及与所述测量装置相关联的处理器件，所述处理器件用于根据所实施的至少一测量提供对应于热值的值。

在此处所述的输送系统中，提出用于确定质量的至少一个流量计包括测量体积的流量计和密度计。因此，对液体或气体的质量的确定通过对体积的测量和对密度的测量来进行。密度允许推导单位体积质量，所以因此也可以推导质量。

此类输送系统有利地包括提供以焦耳或等效单位的能量输送指标的计算装置。还可以设置显示装置已在填充操作期间（优选持续地）提供指标。

为了确定所输送的焓，输送系统优选地还包括用于测量温度和压力的机构，其一方面用于测量从输送系统排出的液体，以及另一方面用于测量所回收的气体，并且处理器件用于根据所输送的液体和所回收的气体的组成并且根据温度和压力指标，确定所输送的液体的焓和所回收的气体的焓之间的焓对照表。

为了允许显示所输送的焓，有利地设置提供以焦耳或等效单位的焓输送指标的计算装置。

根据优选实施例，根据本发明的输送系统包括：

- 用于供应低温液体的供应管线，

- 第一阀，其设置在供应管线上，

- 第一流量计，其设置在第一阀下游的供应管线上，

- 第二阀，其设置在第一流量计下游的供应管线上，

- 第一柔性管道，其在第二阀的下游且旨在将供应管线连接到储存器，以便向储存器输送低温液体，

- 脱气管线，其连接到第一流量计和第二阀之间的供应管线，

- 第三阀，其设置在脱气管线上，

- 称为脱气管道的柔性管道，其可能与第一柔性管道合并，且旨在连接到储存器，以允许去除储存器中的气体，所述脱气管道通过连接件连接到第二阀下游的供应管线，和

- 第二流量计，其设置在脱气管线上且用于测量气体的流量。

附图说明

通过参照随附示意图进行的说明可以更好地看出本发明的细节和优点，再附图中：

唯一的图示意性示出了低温液体输送系统的优选实施例。

具体实施方式

在该图的右侧看到储存器2，该储存器2连接到示意性示出的低温液体输送站。储存器2可以是任何运载工具（卡车，而也可以例如是船）的储存器，或者是独立的容器（瓶、杜瓦瓶……）。低温液体例如是GNL（液化天然气），但是它也可以是任何其它类型的低温液体（液氮……）。作为说明性而非限制性的示例，说明书的下文中将假设此处输送的液体是GNL以供给卡车的储存器。

储存器2与输送站之间的连接是通过柔性管所实施的，该柔性管包括两个管道：第一管道，称为供应管道4，其旨在将来自储存桶的GNL带至卡车的储存器2；以及第二管道，称为脱气管道6，其旨在排出储存器2中存在的呈气相的元素。

根据未示出的实施变型，可以使用单个柔性管道。在该变型中，该管道交替地确保输送管道功能，以及然后确保脱气管道功能。

所示出的输送站还包括低温液体供应管线8，该低温液体供应管线将容纳GNL储备的储存桶（未示出）连接到供应管道4。

第一阀10设置在供应管线8上，并且允许控制低温液体到达输送系统中。

第一流量计12设置在第一阀10下游的供应管线8上，用于测量供应给输送系统的GNL量。该流量计下游是止回阀14，该止回阀避免任何低温液体以及气体返回至储存桶。

然后第二阀16设置在第一流量计12下游的供应管线8上。

最后，在供应管线8上，在该供应管线与柔性管（且更准确地，该柔性管的供应管道4）的接点之前设置另外的止回阀18，以用于避免任何液体以及气体返回至供应管线8的该位置处。

图中示出的输送系统还包括实施成多个节段的脱气管线。

脱气管线的第一节段20将止回阀14与第二阀16之间的供应管线8连接到未示出的管道，从而允许将气体重新喷射到储存桶或另外的回收系统，甚至可能重新喷射到燃烧装置。第三阀22控制该第一节段20中的气体流量。

脱气管线的第二节段26将供应管线8连接到柔性管，并且更确切地，连接到脱气管道6。该第二节段26连接到第二阀16下游的供应管线8。在该第二节段26上存在第二流量计28。

测量装置24允许获知第一节段20与第二节段26之间的气体的压力和温度。

根据实施变型（未示出），可以设置单个流量计，以取代第一流量计12和第二流量计28，该流量计本身也处于测量装置24两侧的第一节段20和第二节段26之间（可选的）。该流量计由此将能够在第一方向上以及在与该第一方向相反的方向上工作，并且可以同时测量液体流量和气体流量。如下文所述，还可以将用于测量液体或气体的单位质量流量的密度计与该流量计相关联。

在输送系统内部，连接件30在供应管道4和脱气管道6附近处使第二节段26与供应管线8连通。连接件30连接到第二流量计28上游的第二节段26，以及连接到止回阀18下游的供应管线8。

在第二节段26中在第二流量计28和使第二节段26与供应管线8连接的接头之间设有第三止回阀32。它能确保在该第二节段26中流动的气体被排出到储存器2之外。

此处简要描述该系统的操作。首先，在将柔性管连接到储存器2上之前，关闭第一阀10，以在第二阀16和第三阀22打开（持续地或者交替地）以允许例如由管道中存在的液体蒸发产生的气体返回到储存桶（或任何其它气体回收系统）时，避免GNL流动。

当包括供应管道4和脱气管道6的柔性管连接到储存器2时，第三阀22关闭以控制从储存器2排出的气体的流量。如果设置了脱气操作，则该第三阀22打开以允许从储存器2中去除气体。第二流量计28因此测量从储存器2中去除的气体量。

在第一填充步骤之前，可以设想输送系统的冷却操作，以使系统处于操作温度下。为了该操作，通过打开第一阀10，GNL进入输送系统中。于是GNL流动穿过第一流量计12并且通过第三阀22返回到储存桶。在该冷却操作期间，第二阀16保持关闭，并且与输送系统相关联的控制和管理系统不考虑由第一流量计12所测量的GNL量。

为了执行填充步骤，第一阀10和第二阀16打开，以允许GNL穿过供应管线8从储存桶到达储存器2。在填充步骤期间，第三阀22保持关闭以便于防止气体返回到储存桶。

在填充步骤结束时，第一阀10首先关闭，然后第二阀16关闭。设置延时，以便使保留在管线中的液体蒸发。以此方式，确保只有在柔性管容纳有气体时才操控柔性管，这样改善输送系统的安全性。此处，通过计算和/或实验测试，根据与输送站相关的参数来确定延时。

然后，在储存器2的脱气操作期间，第一阀10关闭，使得输送系统不再被供应低温液体，并且第二阀16还有第三阀22打开，以允许气体流到储存桶（或其它装置）。

流量计12和28分别测量体积流量，虽然此处需要知道质量流量。简单的体积流量测量在此处将是不合适的，因为所测量的流的流体密度很大程度上取决于温度，而在输送液体时，温度会明显变化。因此，如图所示，密度计与每个体积流量计12和28相关联。因此第一密度计42与第一流量计12相关联，使得这两个一起构成质量流量计。同样，第二密度计48与第二流量计28相关联以便构成质量密度计。

但是，除了质量之外，对于消费者而言，获知已经输送到储存器2的液体中所包含的能量和/或焓也是有用的。其运载工具的续航能力正是取决于该能量。

对于相同质量的相同组分（甲烷或其它），气相中的能量和焓远大于液相中的能量和焓。因此，当气体返回到储存桶中时焓的输送大于相同质量的液体从桶输送到储存器时的焓的输送。该“过剩”焓使得储存桶中的温度和压力增加。而当压力超过给定阈值时，安全阀打开并且气体逸出到储存桶之外。这会导致原材料损失（经济损失），并且该排放对健康有害而且会对环境造成不良影响。因此需要在储存桶处管理进入储存桶中的气体流，以例如避免气体被带动离开桶，这是通过例如冷却该桶实现的。

在一些应用中，通过将液体输送到储存器2，目标在于实施“冷”输送。例如在输送用于使冷藏车或其它设备保持冷却的液氮时，就是这样的情况。

在GNL的情况下，低温液体含有多种组分（主要是甲烷，还有乙烷、丙烷、丁烷和其它化合物）。所有这些化合物的蒸发并不都是以均匀的方式进行的，因为沸点较高的化合物蒸发的速度不如沸点较低的化合物快。因此，“GNL”的气相的组成与GNL（液体）不同。气相中含有的甲烷和氮的比例大于液相中的比例。

在混合物的情况下，混合物的能量对应于每种化合物的能量的总和。因此，气相中的能量密度不同于液相中的能量密度，因为它们的化学组成是不同的。因此，无法使用对所输送的质量的测量来获知所输送的能量。

而且，液相的GNL的组成会改变。因此，所输送的能量的量与所输送的质量并不是成比例的。

因此，此处提出在上述输送系统中测量在填充储存器2期间所输送的能量和/或焓。

如上所述，在填充操作期间（其中包括与该填充相关的脱气步骤），测量液相和气相的质量流量以及这些液体流和气体流的温度和压力。

为了确定质量流量，已经测量了液相以及气相的密度。还希望确定液相和气相中包含的单位质量能量“e”。为此目的，热值测量装置每次均与一个质量流量计（在本示例中包括与密度计相关联的体积流量计）相关联。因此在第一阀10下游存在与第一密度计42和第一热值确定装置44相关联的第一流量计12，而第二密度计48和第二热值确定装置50在柔性脱气管道6下游并且优选地在连接件30下游与第二流量计28相关联。

这些不同的测量装置既用于向储存器2输送液体时的填充阶段，又用于气体返回储存桶（未示出）过程中的脱气阶段。可以通过取样方式（压力、温度、密度、热值）或者通过持续的方式进行这些测量。流量计当然是持续地工作的。

流体的热值表示一个单位的该流体中含有的并且在其完全燃烧时释放的热（能量）的量。热值确定装置是已知的装置。它可以例如是集成有色谱仪的装置，该色谱仪从取得的样本中进行关于气体或液体的组成的分析。由此，从该组成可以表示通过处理器件所分析的混合物的热值，该处理器件例如是电子装置，该电子装置接收测量值的输入并且允许借助于内部的软件来确定色谱仪中所分析的混合物的热值等等。

还存在允许对气体或液体进行持续分析的装置。通过进行电气测量（电阻率……），也可以确定发热量，其中包括热值。还可以通过在声学领域（例如，确定声波在流体中的传播速度）中和/或热学领域（例如，确定导热率）中进行的一次或更多次测量来确定该热值。根据这些测量中的至少一项，借助于表格或类似手段，可以确定流体（液体或气体）的热值。可以在电子装置中记录转换表，该转换表由此允许根据在电气领域和/或声学领域和/或热学领域中对相关流体进行的测量来提供热值。电子处理器件可以集成到每个用于分析气体和液体的组成的分析装置中，或者是用于分析气体的组成的分析装置与用于分析液体的组成的分析装置共用的器件。

在后一种特定情况下，即当根据物理量的测量来确定热值时，优选在同一个领域（电气领域、声学领域或热学领域）中或在不同的领域中执行两次不同的测量。

根据所执行的测量，确定所输送的质量、焓和能量。

在首先根据对液体和气体的组成的确定来实施对液体和气体的热值的确定的情况下，实施下面的计算。对于其中（至少）根据物理量测量来执行液体和/或气体的热值的确定的实施例，本领域的技术人员可以毫无问题地由此推导计算。

所输送的总质量M通过以下公式给出：

，

其中是质量流量。需要注意，对于流向储存器2的液体，该质量流量将是正的，而对于返回到储存桶的气体，该质量流量将是负的。

此外，借助于通过压力和温度测量装置24实施的测量，还能够确定所输送的焓，其对应于向储存器2输送的液体的焓减去返回到储存桶的气体的焓。因此所输送的总焓H通过以下公式给出：

，

下标l对应于液体，以及下标g对应于气体，并且f(P,T)对应于取决于压力和温度的函数。

在低温流体不是纯的化合物或准纯的化合物的情况下（例如尤其对于GNL的情况），由此对于气体和对于液体存在：

，

下标i由此对应于组成所输送的低温流体的混合物的所有化合物。

液体和气体的焓可以持续地或者通过取样来计算。在热值确定装置处进行该分析。

同样，通过所输送的液体的能量减去返回到储存桶的气体的能量的差，确定所输送的能量（热值）。由此，通过以下公式计算能量：

。

在GNL或多种化合物的混合物的情况下：

，

下标i由此对应于组成所输送的低温流体的混合物的所有化合物，在热值确定装置处进行对于组成的分析。

作为纯说明性而非限制性的示例，例如考虑对卡车储存器的填充。

做出以下假设：

GNL的单位体积质量为420kg/m³（即密度为0,420），

从该GNL中蒸发的气体的单位体积质量为18kg/m³（平均压力为13巴），

液体的内能“e”例如是15 kWh/kg，

气体的内能“e”例如是11 kWh/kg，

液体的焓H_l是-354 kJ/kg，

气体的焓H_g则是-740 kJ/kg。

在提出了这些数据的情况下，首先实施给卡车的储存器脱气的步骤，在该步骤期间，储存器中的压力在2分钟（=120 s）内从15巴变成10巴，流量为1kg/min。

在该脱气步骤中，由此具有：

M= - 1 * 2= -2 kg，

H = - 1*(-740) * 2 = 1480 kJ，

E= - 1*(11) * 2 = -22 kWh，

在该脱气之后，在2分钟（=120 s）内，以60 kg/min的质量流量将储存器填充到90%。

在该填充期间，由此具有：

M= + 60 * 2 = 120 kg，

H = + 60*(-354) * 2 = -42480 kJ，

E= + 60*(15)* 2 = 1800 kWh。

然后，在该填充步骤结束时，实施脱气，并且使储存器中的压力在0.5分钟（=30s）内从15巴变成10巴，具有的质量流量为1 kg/min。

在该脱气步骤期间，由此具有：

M= - 0.5 * 1 = - 0.5 kg，

H = - 0.5 * (-740) * 1 = 370 kJ，

E= - 0.5 * (11)* 1 = -5.5 kWh。

最终，将储存器的填充执行到100%：GNL处于对应于8巴压力的饱和温度下。质量流量在0.5分钟（=30 s）期间是60 kg/min。

在该填充完成步骤期间，由此具有：

M= + 60 * 0.5 = 30 kg，

H = + 60 * (-354)* 0.5 = -10620 kJ，

E= + 60*(11)* 0.5 = 330 kWh。

因此，总体上：

M：所输送的总质量，

M = -2 + 120 -0.5 + 30 = 147.5 kg，

H：所输送的总焓：

H = 1480 – 42480 + 370 – 10 620 = -51250 kJ，

E ：所输送的内能（化学），

E = -22 + 1800 – 5.5 + 330 = 2102.5 kWh。

因此，所提出的系统考虑到在脱气时返回到储存桶的气体。以此方式，以更大精度进行对储存器填充操作期间的不仅所输送的质量以及还有所输送的能量和焓的测量。

使用其中储存器被填充的卡车或其它设备的消费者不仅知道在其储存器中的燃料质量，而且还知道其能量和其焓，因此允许他能更好地了解其续航能力。

此处还可以确定脱气步骤期间输送到储存桶的焓的影响。

在上述系统中执行的测量可以是通过重量与测量部门所批准的。

本发明不限于所描述和示出的优选实施例以及所提及的变型，而还包括在所附权利要求的范围内的在本领域技术人员能力范围内的所有实施例。

因此，例如仅对在单个方向上或在两个方向上对所输送的能量进行测量，并不脱离本发明的范围。本发明不只适用于GNL，也适用于其它低温液体。

Claims

1.一种低温液体的输送系统，其包括：

- 连接机构，其用于将低温液体输送到储存器（2）或类似装置以及回收从所述储存器或类似装置所排出的气体，和

- 第一流量计（12、42），其用于确定从所述输送系统排出的液体的质量，

其特征在于，所述输送系统还包括用于确定所输送的液体的热值的装置。

2.根据权利要求1或2中的一项所述的输送系统，其特征在于，所述用于确定所输送的液体的热值的装置包括用于测量电气领域和/或热学领域和/或声学领域中的至少一个物理量的测量装置以及与所述测量装置相关联的处理器件，所述处理器件用于根据所实施的至少一测量提供对应于热值的值。

3. 根据权利要求1或2中的一项所述的输送系统，其特征在于，所述输送系统还包括：

- 第二流量计（28、48），其用于确定所回收的气体的质量，和

- 用于确定所回收的气体的热值的装置。

4.根据权利要求3所述的输送系统，其特征在于，所述用于确定所回收的气体的热值的装置包括用于测量电气领域和/或热学领域和/或声学领域中的至少一个物理量的测量装置以及与所述测量装置相关联的处理器件，所述处理器件用于根据所实施的至少一测量提供对应于热值的值。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的输送系统，其特征在于，至少一个用于确定质量的流量计包括测量体积的流量计和密度计。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的输送系统，其特征在于，所述输送系统包括提供以焦耳或等效单位的能量输送指标的计算装置。

7.根据权利要求6所述的输送系统，其特征在于，所述输送系统还包括用于测量温度和压力的机构（24），其一方面用于测量从所述输送系统排出的液体，以及另一方面用于测量所回收的气体，并且所述处理器件允许根据所输送的液体和所回收的气体的组成并且根据温度和压力指标，确定所输送的液体的焓和所回收的气体的焓之间的焓对照表。

8.根据权利要求7所述的输送系统，其特征在于，所述输送系统包括提供以焦耳或等效单位的焓输送指标的计算装置。

9.根据权利要求1至8中的一项所述的输送系统，

其特征在于，所述输送系统包括：

- 用于供应低温液体的供应管线（8），

- 第一阀（10），其设置在所述供应管线（8）上，

- 第一流量计（12），其设置在所述第一阀（10）下游的所述供应管线上，

- 第二阀（16），其设置在所述第一流量计（12）下游的所述供应管线上，

- 第一柔性管道（4），其在所述第二阀（16）的下游，所述第一柔性管道（4）旨在将所述供应管线连接到储存器（2），以便向所述储存器输送低温液体，

- 脱气管线，其连接到所述第一流量计（12）和所述第二阀（16）之间的所述供应管线（8），

- 第三阀（22），其设置在所述脱气管线上，

- 称为脱气管道（6）的柔性管道，所述脱气管道可能与所述第一柔性管道结合，且旨在连接到所述储存器，以允许从所述储存器中去除气体，所述脱气管道借助于连接件连接到所述第二阀（16）下游的所述供应管线（8），和

- 第二流量计（28），其设置在所述脱气管线上且用于测量气体的流量。