CN111207290A - 一种氮气置换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种氮气置换装置，包括：液氮存储器100、汽化单元200、加热器300和氮气缓冲器400，液氮存储器100用于向汽化单元200提供液氮，汽化单元200用于将液氮汽化后输送到加热器300，加热器300用于将流经的氮气进行加热调节后输送到氮气缓冲器400，氮气缓冲器400用于缓冲加热后的氮气并输送氮气至被填充设备500进行氮气置换。氮气置换装置提供高集成度且功能一体化的氮气供给，满足可连续提供恒温恒压氮气以满足大容量装置氮气置换的使用需求。

Description

一种氮气置换装置

技术领域

本发明涉及容器在使用前应使用惰性气体进行置换的领域，具体涉及一种氮气置换装置。

背景技术

一些特定领域(例如航空航天及汽车等)可能涉及到管道或容器内的氮气置换操作，例如，氮气置换的应用场合可以是如下两个方面：

情况一：可燃性气体通过的管道或容器在使用前进行氮气置换。目的是置换出管道内的空气，避免可燃气体与空气中的氧气形成可燃性混合物，防止造成内燃或爆炸。

情况二：一些洁净的管道或容器内介质需要与氧气隔绝，比如为降低一些介质染菌率，则应提前用氮气置换其中的空气。

以航天领域为例，在常规设备的氮气置换过程中，氮气通常用量较小，氮气瓶组和小型氮气置换设备配合手动操作即可满足需求。对于火箭液体储箱等氮气需要量较大的设备，需要以液化氮气满足氮气供应，现有氮气置换设备及手动操作模式无法满足要求。

鉴于此，亟需设计一种包括液氮存储、汽化、加热及缓冲功能一体化的氮气置换装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种功能一体化的氮气置换装置。

本发明提供一种氮气置换装置，包括：液氮存储器、汽化单元、加热器和氮气缓冲器，所述液氮存储器用于向所述汽化单元提供液氮，所述汽化单元用于将液氮汽化后输送到所述加热器，所述加热器用于将流经的氮气进行加热调节后输送到所述氮气缓冲器，所述氮气缓冲器用于缓冲加热后的氮气并输送氮气至被填充设备进行氮气置换。

根据本发明的一个方面，还包括：柱塞泵单元，连通于所述液氮存储器和所述汽化单元之间，用于将所述液氮存储器的液氮输送至所述汽化单元。

根据本发明的一个方面，还包括：开关阀门，包含设置在所述液氮存储器和所述柱塞泵单元之间的第一开关阀门，设置在所述加热器和所述氮气缓冲器之间的第二开关阀门，设置在所述氮气缓冲器出口的第三开关阀门。

根据本发明的一个方面，还包括：调节阀门，设置在所述氮气缓冲器与所述被填充设备之间，且每个所述被填充设备与所述氮气缓冲器之间均设置所述调节阀门。

根据本发明的一个方面，所述加热器包含：可控硅组件和加热组件，所述可控硅组件调节所述加热组件的功率。

根据本发明的一个方面，还包括：控制单元，连接到被控制部件，其中所述被控制部件包括开关阀门、所述调节阀门、所述柱塞泵单元和所述可控硅组件，所述控制单元用于对氮气置换过程进行监视和控制。

根据本发明的一个方面，所述控制单元包括：数据采集组件，用于采集所述氮气置换装置的温度、压力、露点和液位的至少一种；软件控制组件，收集所述数据采集组件的信息通过内置程序进行人机交互和传输命令到所述被控制部件。

根据本发明的一个方面，所述数据采集组件包括：温度变送器，设置在所述加热器的出口以测量氮气的温度；压力变送器，分别设置在所述液氮存储器、所述氮气缓冲器以及所述被填充设备的外侧以测量内部压力；以及液位变送器，设置在所述液氮存储器的外侧以测量其液氮的液位。

根据本发明的一个方面，所述数据采集组件还包括：露点传感器，设置在所述氮气缓冲器的出口测量氮气的品质；和/或，氧浓度检测器，用于设置在所述被填充设备外侧以测量其氧浓度。

根据本发明的一个方面，所述软件控制组件包括：上位机软件，用于将所述数据采集组件采集的信号显示到人机界面，操作人员进行人机交互控制；下位机软件，用于承载所述内置程序调试、上传、下载、在线监控等功能。

本发明提供的氮气置换装置包括液氮存储器、汽化单元、加热器和氮气缓冲器，用于将液氮转化为氮气后加热到合适的温度进行被填充设备的氮气置换，提供高集成度且功能一体化的氮气供给，满足可连续提供恒温恒压氮气以满足大容量装置(液体火箭贮箱或高压气瓶组等)氮气置换的使用需求。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明发明的原理。

图1是本发明一个实施例的氮气置换装置的示意图；

图2是本发明再一实施例的氮气置换装置的示意图；

图3是本发明另一实施例的氮气置换装置的示意图。

附图标记说明：

100-液氮存储器，200-汽化单元，300-加热器，400-氮气缓冲器，500-被填充设备，501-第一被填充设备，502-第二被填充设备，503-第三被填充设备，600-柱塞泵单元，701-第一开关阀门，702-第二开关阀门，703-第三开关阀门，801-第一调节阀门，802-第二调节阀门，803-第三调节阀门。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，用于示例性的说明本发明的原理，并不被配置为限定本发明。另外，附图中的机构件不一定是按照比例绘制的。例如，可能对于其他结构件或区域而放大了附图中的一些结构件或区域的尺寸，以帮助对本发明实施例的理解。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明实施例的具体结构进行限定。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外术语“包括”、“包含”“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素结构件或组件不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出或固有的属于结构件、组件上的其他机构件。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

诸如“下面”、“下方”、“在…下”、“低”、“上方”、“在…上”、“高”等的空间关系术语用于使描述方便，以解释一个元件相对于第二元件的定位，表示除了与图中示出的那些取向不同的取向以外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。另外，例如“一个元件在另一个元件上/下”可以表示两个元件直接接触，也可以表示两个元件之间还具有其他元件。此外，诸如“第一”、“第二”等的术语也用于描述各个元件、区、部分等，并且不应被当作限制。类似的术语在描述通篇中表示类似的元件。

对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。

图1示出了本发明一个实施例的氮气置换装置的示意图；图2示出了本发明再一实施例的氮气置换装置的示意图；图3示出了本发明另一实施例的氮气置换装置的示意图。

如图1所示，本发明提供一种氮气置换装置，包括：液氮存储器100、汽化单元200、加热器300和氮气缓冲器400，液氮存储器100用于向汽化单元200提供液氮，汽化单元200用于将液氮汽化后输送到加热器300，加热器300用于将流经的氮气进行加热调节后输送到氮气缓冲器400，氮气缓冲器400用于缓冲加热后的氮气并输送氮气至被填充设备500进行氮气置换。

本发明的氮气置换装置利用液氮汽化后制取氮气，其产生的氮气具有高纯度、低杂质等特点，适用于大流量装置置换介质的需求。该氮气置换装置中的氮气存储单元100用于存储液氮，氮气存储单元100的出口连接到汽化单元200并向汽化单元200输送液氮，汽化单元200将液氮从液态转换成气态的氮气，汽化后的氮气输送到加热器300，加热器300将从汽化单元200产生的低温氮气升温至预定温度，达到预定温度的氮气传送到氮气缓冲器400，氮气缓冲器400用于缓冲加热后的氮气并输送氮气至被填充设备500进行氮气置换。该氮气置换装置能够对氮气的温度进行有效控制，氮气达到预设的温度值能更适用于实际的使用需求，保证被填充设备500在置换氮气时更加顺畅，置换过程更有效。

具体的，氮气置换装置用于将液氮转化为氮气后经过加热到合适的温度，进行被填充设备500的氮气置换，提供了高集成度且功能一体化的氮气供给，满足可连续提供恒温恒压氮气以满足大容量装置氮气置换的使用需求。具体的，本发明的氮气置换装置可应用于液体火箭的贮箱或高压气瓶组等需要进行氮气置换的被填充设备中，实现了氮气多种功能的供应，解决了在较低成本条件下多种被填充设备同时进行氮气置换的难题。

如图2所示，根据本发明的一个方面，氮气置换装置还包括柱塞泵单元600，连通于液氮存储器100和汽化单元200之间，用于将液氮存储器100的液氮输送至汽化单元200。柱塞泵单元600起到中间传输液氮的功能，从液氮存储器100输送到汽化单元200，从而可以通过调节柱塞泵单元600来控制液氮的输送，保证其输送的可靠性及安全性。本申请中的柱塞泵单元600为化工装置中用来输送液体的特殊泵，可将液体从压力低的场所输送到压力高的场所，同时兼顾调节输送液氮大小流速等功能。

根据本发明的一个方面，为了使得氮气置换过程中液氮或氮气的输送可调节，氮气置换装置还设置了开关阀门，包含设置在液氮存储器100和柱塞泵单元600之间的第一开关阀门701，设置在加热器300和氮气缓冲器400之间的第二开关阀门702，以及设置在氮气缓冲器400出口的第三开关阀门703。第一开关阀门701设置在液氮存储器100和柱塞泵单元600之间用于控制液氮在管路中的输送通断，第二开关阀门702设置在加热器300和氮气缓冲器400之间用于控制汽化后的氮气在管路中的输送通断，第三开关阀门703设置在氮气缓冲器400出口用于控制氮气缓冲器400的氮气排放，其中一种情况为氮气缓冲器400的压力超过预定值时打开第三开关阀门进行压力调节。上述开关阀门不仅起到通断的作用，还能起到保护设备防止超压的功能。

根据本发明的一个方面，为了使氮气置换到被填充设备的过程中氮气压力可调节，氮气置换装置还设置了调节阀门，设置在氮气缓冲器400与被填充设备500之间，且每个被填充设备与氮气缓冲器400之间均设置调节阀门。被填充设备500的个数可以设置一个及以上，如图3所示，被填充设备设置为三个，分别为第一被填充设备501、第二被填充设备502和第三被填充设备503，相应设置第一调节阀门801、第二调节阀门802和第三调节阀门803。每个被填充设备500分别通过调节阀门与氮气缓冲器400连接，确保每个被填充设备500在氮气置换中氮气压力均可调，调节阀门能够调节后续管路中氮气的压力和流量，保证氮气在传输过程中压力和流量可控，氮气置换过程更可靠和安全。

根据本发明的一个方面，加热器300包含可控硅组件和加热组件，可控硅组件调节加热组件的功率。可控硅组件能够调整加热组件的功率，对流经加热器300的氮气进行温度调节，使氮气达到预设的温度值后输送到氮气缓冲器400。加热到一定温度的氮气能有效降低被填充设备置换过程中的含杂质量，由于被填充设备500可能含有水蒸气，氮气温度过低会使得水蒸气变为水滴或冰渣，加热后的氮气能有效解决上述问题。同时使用加热器300能缩短氮气置换的时间，提高被填充设备500的极限氮气量，降低被填充设备500最终置换后的氧浓度。

根据本发明的一个方面，氮气置换装置还包括控制单元，包含但不限于数据采集处理器、模块和各类传感器(变送器)，连接到被控制部件，其中被控制部件包括各开关阀门、调节阀门、柱塞泵单元600和可控硅组件。控制单元用于对氮气置换过程进行监视和控制。控制单元接收到控制信号后进行相应的调节动作，通过软件完成氮气置换装置的自动化控制，避免人工操作的繁琐和误操作，控制过程更精确，从而实现氮气置换的全自动化。例如，控制单元接收到对第一被填充设备501进行氮气置换的控制信号后，打开第一开关阀门701和第二开关阀门702，启动柱塞泵单元600使得液氮从液氮存储器100输送到汽化单元200，汽化后的氮气再经过加热器300，通过可控硅组件控制加热组件，加热到一定温度的氮气进入氮气缓冲器400，当氮气缓冲器400中的氮气到达预定压力值时，打开第一调节阀门801，进行第一被填充设备501的氮气置换。当第一被填充设备501氮气置换完成后，关闭柱塞泵单元600、第一调节阀门801、第一开关阀门701和第二开关阀门702，氮气缓冲器400需要排放其中的氮气时，打开第三开关阀门703进行泄压。

具体的，控制单元可以放置在控制柜内，除了控制单元的处理器，但不限于可编程逻辑控制器(PLC)及其相关模块，还有隔离器、继电器、空气开关等设备存放于控制柜。可编程逻辑控制器(PLC)用于存储控制单元的相关程序；隔离器用于过滤现场仪表设备传输来信号的干扰，同时保护可编程逻辑控制的模块；继电器用于将数字量信号输出到设备，控制仪表等设备的启停和开关；空气开关用于负责控制柜及其内部电源供电的通断。

如图2所示，根据本发明的一个方面，控制单元包括数据采集组件，包含但不限于数据采集处理器及其模块，传感器(变送器)等，用于采集氮气置换装置的温度、压力、露点和液位的至少一种；软件控制组件，收集数据采集组件的信息通过内置程序进行人机交互和输出命令到被控制部件。数据采集组件包括：数据采集处理器及其模块，用于接收来自现场设备仪表的信号，并进行信号转换；温度变送器，设置在加热器300的出口以测量氮气的温度；压力变送器，分别设置在液氮存储器100、氮气缓冲器400以及被填充设备500的外侧以测量内部压力；以及液位变送器，设置在液氮存储器100的外侧以测量其液氮的液位。

具体的，作为其中一种情况，数据采集组件通过温度变送器采集加热器300出口的氮气温度，从而控制单元的内置程序通过设定的温度值进行加热器300的温度调节。作为其中一种情况，数据采集组件通过压力变送器采集液氮存储器100、氮气缓冲器400以及被填充设备500的外侧以测量内部压力，包括连接各个设备的管路也可以设置压力变送器，时刻监控各个环节的压力变化，方便及时采取增压或者减压的措施，进而保证整个氮气置换装置的工作安全。作为其中一种情况，数据采集组件通过液位变送器采集液氮存储器100的外侧以测量其液氮的液位，方便控制单元自动地或由工作人员监测液氮的容量变化，以及时做出相应操作，例如采取添加液氮或者停机等控制。

根据本发明的一个方面，数据采集组件还包括：露点传感器，设置在氮气缓冲器400的出口测量氮气的品质；和/或，氧浓度检测器，用于设置在被填充设备500外侧以测量其氧浓度。具体的，作为其中一种情况，数据采集组件通过露点传感器采集氮气缓冲器400的出口的氮气并测量氮气的质量，若氮气不符合质量要求则禁止氮气进入被填充设备500。作为其中一种情况，数据采集组件通过氧浓度检测器采集被填充设备500内部气体并测量其氧浓度，当被填充设备500内部气体的氧浓度值低于设定浓度值时，则说明被填充设备的氮气置换完毕。

根据本发明的一个方面，软件组件包括：上位机软件，用于将数据采集组件采集的信号显示到人机界面，操作人员进行人机交互控制；下位机软件，用于承载内置程序的调试、上传、下载和在线监控等功能。

操作人员可借助上位机软件即人机交互软件对整个氮气置换装置进行监视和控制，其功能包括检测点显示、参数设定、数据存储，操作记录，用户权限设定和数据报表等。下位机但不限于可编程逻辑控制器，用于承载所述内置程序实现存储、判断、执行和反馈等功能。

检测点显示、参数设定和数据存储：借助以太网等通讯协议，人机交互软件与可编程逻辑控制器进行数据交换，其中，检测点显示是将测控系统中各个检测位置的数值显示在人机界面上；参数设定是操作人员根据当前系统实际情况，进行参数设定或调整；数据存储是依据需求情况，选择检测点进行存储。

操作记录：记录下操作人员所执行的各种操作，以保证操作的规范性、标准性、合理性以及安全性，同时，还可以在试验出现问题时，还原当时操作情况，提供数据支持。

权限设定：为人员设定权限，相同级别的人员具有相同的操作权限，仅具有权限的人才能执行相应的操作。

数据报表：可以将记录的数据以表格的形式显示出来，便于设计或工艺人员对试验现象、问题和结果等进行分析，提供数据参考。

下位机是整个测控系统的核心部分，担负着控制程序的存储、信号转换、判断、执行、反馈等功能。下位机编程软件能够编写、修改、下载、上传、在线监视程序。按照功能可将程序分成主程序和子程序两部分，而子程序又可细分为初始化、手动控制、温度控制、压力控制、连锁控制等子程序模块。

主程序负责整个程序的逻辑判断、执行、子程序调用和执行等。

初始化在可编程逻辑控制器通电后或者操作员手动操作，执行一次，将参数或设备恢复到初始设定状态。

手动控制是指在非自动控制状态下，操作人员可以远程或就地对设备进行操作。

温度控制是将经过汽化器产生的氮气进行温度调节，以达到实际使用需求。

压力控制对缓冲罐的压力或产品(火箭贮箱或高压气瓶组)的压力进行调节控制。

连锁控制是以软件程序的方式，对设备状态互斥或在满足某种条件下，使得设备执行某种操作。

提供一种氮气置换设备的控制方法，采用氮气置换设备的控制装置，氮气置换设备的控制方法至少包括对加热器300的温度控制和对填充设备500的压力控制。

其中，对加热器300的温度控制包括：采集加热器300出口氮气的温度值；以实际温度值与预设温度值的差值作为输入，经PI或PID运算后，调节加热器的输出功率，使出口氮气温度满足要求。加热器300包含可控硅组件和加热组件，可控硅组件用于调节加热组件的功率。监控程序利用电流信号调节可控硅组件整流直流调压器输出，从而调节加热组件的功率，其算法为PI控制或PID控制，即以出口氮气温度与预设温度值的偏差作为输入，经过PI或者PID运算，输出控制信号，调整可控硅组件的输出以及加热组件的功率，从而进行氮气置换设备的温度控制。保证氮气置换过程中氮气达到预设的温度值能更适用于实际的使用需求，能保证被填充设备500在置换氮气时更加顺畅，置换效率更有效。

其中，对填充设备500的压力控制包括：打开氮气缓冲器400的调节阀门使氮气输送到被填充设备500中；采集被填充设备500的第一压力值，计算第一预设压力值与第一压力值的第一偏差；若第一偏差绝对值超过第一压力阈值时，通过数字量控制阀门状态；若第一偏差绝对值小于第一压力阈值且大于第二压力阈值时，进行PI控制或PID控制；当第一偏差在允许范围内，压力稳定后打开被填充设备500的排放阀门，使第一压力值恢复至常压。具体的，被填充设备500的压力控制可采用数字量控制和模拟量控制的双重控制方式。数字量控制选择当偏差的绝对值超过第一压力阈值时，由于压力偏差量较大，不需要精准控制，保持在一定的范围内即可，打开开关阀门，使得被填充设备500的压力偏差能够快速达到第一预设压力值。模拟量控制选择当偏差的绝对值小于第一压力阈值且大于第二压力阈值时，采用PI或PID控制进行微调，防止出现较大超调，自动将被填充设备500的压力值定位在第一预设压力值。同时保证被填充设备500的实用性，当压力保持稳定一段时间后，可以打开被填充设备500的排放阀门，使第一压力值恢复至常压。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氮气置换装置，其特征在于，包括：

液氮存储器(100)、汽化单元(200)、加热器(300)和氮气缓冲器(400)，所述液氮存储器(100)用于向所述汽化单元(200)提供液氮，所述汽化单元(200)用于将液氮汽化后输送到所述加热器(300)，所述加热器(300)用于将流经的氮气进行加热调节后输送到所述氮气缓冲器(400)，所述氮气缓冲器(400)用于缓冲加热后的氮气并输送氮气至被填充设备(500)进行氮气置换。

2.根据权利要求1所述的氮气置换装置，其特征在于，还包括：

柱塞泵单元(600)，连通于所述液氮存储器(100)和所述汽化单元(200)之间，用于将所述液氮存储器(100)的液氮输送至所述汽化单元(200)。

3.根据权利要求2所述的氮气置换装置，其特征在于，还包括：

开关阀门，包含设置在所述液氮存储器(100)和所述柱塞泵单元(600)之间的第一开关阀门(701)，设置在所述加热器(300)和所述氮气缓冲器(400)之间的第二开关阀门(702)，设置在所述氮气缓冲器(400)出口的第三开关阀门(703)。

4.根据权利要求3所述的氮气置换装置，其特征在于，还包括：

调节阀门，设置在所述氮气缓冲器(400)与所述被填充设备(500)之间，且每个所述被填充设备与所述氮气缓冲器(400)之间均设置所述调节阀门。

5.根据权利要求4所述的氮气置换装置，其特征在于，所述加热器(300)包含：

可控硅组件和加热组件，所述可控硅组件调节所述加热组件的功率。

6.根据权利要求5所述的氮气置换装置，其特征在于，还包括：

控制单元，连接到被控制部件，其中所述被控制部件包括开关阀门、所述调节阀门、所述柱塞泵单元(600)和所述可控硅组件，所述控制单元用于对氮气置换过程进行监视和控制。

7.根据权利要求6所述的氮气置换装置，其特征在于，所述控制单元包括：

数据采集组件，用于采集所述氮气置换装置的温度、压力、露点、液位和氧浓度的至少一种；

软件控制组件，收集所述数据采集组件的信息通过内置程序进行人机交互和传输命令到所述被控制部件。

8.根据权利要求7所述的氮气置换装置，其特征在于，所述数据采集组件包括：

温度变送器，设置在所述加热器(300)的出口以测量氮气的温度；

压力变送器，分别设置在所述液氮存储器(100)、所述氮气缓冲器(400)以及所述被填充设备(500)的外侧以测量内部压力；以及

液位变送器，设置在所述液氮存储器(100)的外侧以测量其液氮的液位。

9.根据权利要求8所述的氮气置换装置，其特征在于，所述数据采集组件还包括：

露点传感器，设置在所述氮气缓冲器(400)的出口测量氮气的品质；和/或，

氧浓度检测器，用于设置在所述被填充设备(500)外侧以测量其氧浓度。

10.根据权利要求7所述的氮气置换装置，其特征在于，所述软件控制组件包括：

上位机软件，用于将所述数据采集组件采集的信号显示到人机界面，操作人员进行人机交互控制；

下位机软件，用于承载所述内置程序的调试、上传、下载、在线监控等功能。

Images