CN112534174A - 用于氦气储存和供应的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

ISO系统中氦气供应容器的缺点是不能测量或预测容器温度。因为热量可能泄漏到ISO系统中，所以直接测量是不可能的并且下游测量被认为是不准确的。本发明是一种用于向至少一个最终用户供应氦气的方法和装置，通过至少一个供应系统从至少一个氦气容器向最终用户供应氦气；向至少一个容器供应另外的加压氦气气体，其中质量流量计和压力变送器以与可编程逻辑控制器电子通信的方式测量供应给至少一个用户的氦气的量，将量提供给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器向至少一个最终用户提供至少一个容器中剩余的氦气的量和其中的温度的信号。

Description

用于氦气储存和供应的方法和装置
背景技术
氦气主要以其气态状态在气瓶诸如气瓶包(MCP)中或在管拖车(TT)中递送给用户。然而，对于一些用途，将氦气在类似于用于全球运输液氦或冷超临界氦气气体的那些容器的液氦ISO容器中从氦气源直接供应到氦气转换填充工厂可能是有益的。
此类用户对于应用(诸如气囊充气、光纤生产、化学气相沉积、机械表面涂覆、火箭净化)通常具有高氦气消耗，或者他们可能需要高纯度供应以用于微电子晶片生产，该微电子晶片生产通常从液氦ISO容器而不是气态氦气供应模式实现。
为了促进从ISO容器向用户供应氦气的过程，必须在用户的住所中或附近安装专用的供应过程。关于使用ISO容器的缺点是无法测量或预测它们的温度。因为热量可能泄漏到ISO系统中，所以直接测量是不可能的并且下游测量被认为是不准确的。
氦气用户将需要在ISO容器上安装永久性桥秤。另选地，氦气用户将需要将ISO容器运输到外部桥秤以用于确定其含量的精确量。
另外，氦气用户将需要在进行那些称重测量之前对液氮护罩执行液氮加满。
氦气用户可依赖于安装在ISO容器中的相对不准确的液位指示器。这不会对ISO容器的含量进行连续在线监测，因此氦气用户将不能实时知道氦气的量或ISO容器的温度。
这还可产生生成“热”ISO容器的缺点，这可导致来自ISO容器的气态杂质排放增加并且可导致在所有者再填充ISO容器时产生由氦气源收取的容器冷却费用。
不具有实时读数也会影响通过向ISO容器添加氦气加压气体而可获得的优化。
本发明人已发现一种克服这些问题的从ISO容器向客户供应氦气以供客户现场使用氦气的方法。
发明内容
在本发明的第一实施方案中，公开了一种用于向至少一个最终用户供应氦气的方法，该方法包括：通过至少一个供应系统从至少一个氦气容器向最终用户馈送氦气，其中质量流量计以与可编程逻辑控制器电子通信的方式测量供应给至少一个用户的氦气的量，将量提供给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器向至少一个最终用户提供至少一个容器中剩余的氦气的量的信号。
至少一个最终用户选自：气囊充气、光纤生产、化学气相沉积、机械表面涂覆、火箭净化和微电子晶片生产、升降应用、泄漏检测应用、焊接应用、医疗应用和呼吸应用。
至少一个容器可以是ISO容器，优选地，两个ISO容器。
供应系统包括与至少一个容器和至少一个用户通信的至少一个管道，并且可具有存在于其中的自动过程控制阀。
在供应氦气之前测量至少一个氦气容器的重量。测量至少一个容器的初始重量并且将其提供给可编程逻辑控制器。
至少一个质量流量计测量来自至少一个容器的氦气的质量流量。通常，质量流量计可以是科里奥利质量流量计。
至少一个供应系统中的氦气的压力由至少一个压力变送器测量。
方法可进一步结合在至少一个容器中超过预先计算的值的情况下警示至少一个用户的警报。预先计算的值选自由以下项组成的组：质量、温度和压力。通常，此预先计算的值是从至少一个容器分配的氦气的量。警报将警示至少一个最终用户在至少一个容器中剩余最少体积的氦气，使得至少一个最终用户可开始进行适当的校正措施。
可编程逻辑控制器进一步与至少一个压力变送器进行电子通信。可编程逻辑控制器基于从至少一个质量流量计和至少一个压力变送器接收的信息通过计算来计算至少一个容器的温度。
可编程逻辑控制器与加压气体系统进行电子通信。可编程逻辑控制器指示加压气体系统向至少一个容器馈送另外的氦气气体，从而控制至少一个容器的温度。
至少一个容器中剩余的氦气的量可用于计算至少一个最终用户所欠的钱的金额，并且将此金额发送到氦气的供应商。氦气的供应商然后可准备账单以向至少一个最终用户发送至少一个最终用户所欠的钱的金额。
在本发明的另一个实施方案中，公开了一种用于测量到达至少一个用户的氦气流量的方法，方法包括通过至少一个供应系统将氦气从至少一个氦气容器馈送到至少一个最终用户。其中至少一个质量流量计以与可编程逻辑控制器通信的方式测量到达至少一个最终用户的氦气流量。
在本发明的另一个实施方案中，公开了一种用于控制向至少一个用户的氦气供应的方法，该方法包括：通过至少一个供应系统将来自至少一个氦气容器的氦气馈送到至少一个最终用户；其中至少一个质量流量计以与可编程逻辑控制器通信的方式测量到达至少一个最终用户的氦气流量。
附图说明
图1是现有技术的氦气供应过程的示意图。
图2是根据本发明的方法的氦气供应过程的示意图。
图3是示出ISO容器的温度对在各种压力下氦气的残余质量的曲线图。
具体实施方式
从ISO容器供应氦气的现有技术过程在图1中示出。如果ISO容器的温度高于临界温度5.2K，则氦气在ISO容器1.1中以两相液体/气体状态或以超临界状态供应至用户的住所。
可安装第二ISO容器1.2。通常，ISO容器的水体积在3,400加仑至15,000加仑的范围内。将氦气从ISO容器通过可以是真空夹套1.3(诸如管线8)的管道系统，通过加热器1.4，通过管线1O和压力控制阀1.5，通过管线12馈送到用户的过程。
ISO容器在大小大于3,400加仑的情形下将配备有内部液氮(LIN)护罩1.6和1.6A，该LIN护罩1.6和1.6A频繁地(大约10天至45天)应补充有液氮以便减少和控制可能从环境大气温度泄漏到ISO容器的热量。液氮通过阀V1和管线1从罐1.7供应到ISO容器1.1中的护罩1.6，并且通过管线2供应到ISO容器1.2中的护罩1.6A。罐1.7可以是静止的或移动的。另选地，ISO容器的LIN护罩可由可移动LIN杜瓦瓶填充。
ISO容器配备有机械液位指示器1.8和1.8A，该机械液位指示器1.8和1.8A将分别通过管线3和4测量ISO容器的内贮器的顶部和底部之间的压差。由于在操作期间ISO容器内侧的各种压力和温度条件、液氦的特别低密度以及ISO容器的内贮器的低几何高度，此液位指示方法相对不准确并且仅旨在用于粗略近似。
ISO容器1.1和1.2可位于静止桥秤1.9和1.10上，该桥秤1.9和1.10可用于准确地测量ISO容器的含量。然而，准确测量ISO容器的全部含量和剩余含量两者需要在进行测量之前填充液氮护罩。另选地，可在未示出的外部桥秤上测量残余含量的重量。然后这将需要使ISO容器与系统断开连接并且向和从外部桥秤运输，这将需要时间并生成成本。另外，如此断开连接的ISO容器必须在测量其重量之前以及在源处用液氦再填充之前用LIN填充。
在利用ISO容器期间，必须根据用户的要求将它们的压力控制到期望值。通常，此压力在4psig至175psig的范围内。
这通常通过在环境温度下将氦气加压气体(PG)添加到ISO容器中来实现。
加压气体可通过内部压力积聚系统供应，该内部压力积聚系统包括暴露于环境空气条件的热交换器1.11和压力控制阀1.12。此系统可以是ISO容器的整体部分，或者它可安装在ISO容器的下游。
另选地，氦气加压气体可由外部气态氦气源1.14供应，该外部气态氦气源1.14可以是罐或具有移动或静止本质的其它储存装置。此氦气加压气体将流动通过管线1.13并且打开阀V2和压力调节器1.12，之后分别通过管线7和6与ISO容器1.1和1.2连接。
在利用ISO容器1.1和1.2期间，氦气加压气体的添加将不可避免地致使ISO容器的温度升高。此温度增加与ISO容器中的低含量组合将增加来自ISO容器的气态杂质的排放。这是特别不期望的结果，因为许多氦气用户需要高纯度供应并且在进一步纯化氦气时增长的成本可能过高。此外，当空的或几乎空的ISO容器返回到其源以进行再填充时，通常大于20K的热容器可致使在氦气源处收取冷却费用。
随后，在许多情况下，测量或预测ISO容器的温度的能力变得重要。然而，由于ISO容器并未配备有温度计(或热电偶套管)，因此不可能直接测量ISO容器的温度，并且因为热量泄漏到系统中，所以通常认为在ISO容器下游进行直接温度测量是不准确的。
出于描述本发明的目的，相似的部件、管线等将在图1和图2中具有相同的编号配置。
图2是根据本发明的氦气递送系统的示意图。
两个ISO容器1.1和1.2被设计成将氦气递送到氦气的现场用户。
本发明的过程不再采用桥秤，并且将质量流量计和压力变送器结合到系统中。另外，图1中的压力调节器1.12已被自动过程控制阀替换。
可编程逻辑控制与质量流量计、压力变送器和过程控制阀整合成一体。
在系统操作之前，将完整ISO容器的质量记录在可编程逻辑控制器中。在系统操作期间，可编程逻辑控制器从质量流量计接收模拟信号，该模拟信号允许可编程逻辑控制器独立于100％补充液氮护罩来计算ISO容器中的残余质量。
当已达到ISO容器中的预先确定的低残余含量时，由可编程逻辑控制器通知用户，并且调整氦气的流速和/或关闭ISO容器。
由于ISO容器中氦气的残余质量在任何时间处都是已知的，因此可编程逻辑控制器可被编程来通过残余质量除以ISO容器的内贮器的温度补偿水体积来计算在任何时间处容器中氦气的实际密度。
通过将关于ISO容器内侧氦气的密度的此信息与通过压力变送器测量的ISO容器的压力组合，可编程逻辑控制器可被编程来计算ISO容器的对应温度。此算法可基于氦气气体的热物理性质，如数据库(诸如NIST或REFPROP)所报道的，并且在下文中关于图3更详细地描述。
可编程逻辑控制器可被编程来在报告ISO容器的不期望的高温的情形下通过警报系统来警示用户或关闭/切换ISO容器。
通过组合关于ISO容器的实际残余质量、压力和温度的信息，可编程逻辑控制器可被编程来经由过程控制阀控制加压气体的添加，以通过例如反馈或级联控制回路进行优化。这可通过考虑例如ISO容器中压力增大或减小的响应时间对实际压力增大或减小速率的此类变量来抑制热能超剂量进入ISO容器中。
最小化输入到ISO容器的热量将降低生成“热”ISO容器的风险，该“热”ISO容器根据已知经验用于向用户生成气态杂质过量排放到氦气气体中。另外，最小化热量输入将降低生成高于ISO容器的最大可允许工作压力的ISO容器压力的风险，该生成高于ISO容器的最大可允许工作压力的ISO容器压力可导致启动ISO容器的压力安全装置，这可导致氦气的进一步损失。
如关于图1所述，ISO容器的水体积在3,400加仑至15,000加仑的范围内。将氦气从ISO容器通过可以是真空夹套1.3(诸如管线8)的管道系统，通过加热器1.4，通过管线10和压力控制阀1.5，通过管线12馈送到用户的过程。
ISO容器在大小大于3,400加仑的情形下将配备有分别用于ISO容器1.1和1.2的内部液氮(LIN)护罩1.6和1.6A，该LIN护罩1.6和1.6A频繁地(大约10天至45天)应补充有液氮以便减少和控制可能从环境大气温度泄漏到ISO容器的热量。液氮通过阀打开控制V1和管线1从罐1.7供应到ISO容器1.1中的护罩1.6，并且通过管线2供应到ISO容器1.2中的护罩1.6A。罐1.7可以是静止的或移动的。
ISO容器配备有机械液位指示器1.8和1.8A，该机械液位指示器1.8和1.8A将分别通过管线3和4测量分别用于ISO容器1.1和1.2的ISO容器内贮器1.1A和1.2A的顶部和底部之间的压差。由于在操作期间ISO容器内侧的各种压力和温度条件以及ISO容器的内贮器的低几何高度，此液位指示相对不准确并且仅旨在用于粗略近似。
在利用ISO容器期间，必须根据用户的要求将它们的压力控制到期望值。通常，此压力在4psig至175psig的范围内。
这通常通过在环境温度下将氦气加压气体(PG)添加到ISO容器中来实现。
加压气体可通过内部压力积聚系统供应，该内部压力积聚系统包括暴露于环境空气条件的热交换器1.11和压力控制阀1.12。此系统可以是ISO容器1.1和1.2的整体部分，或者它可安装在ISO容器1.1和1.2的下游。
另选地，氦气加压气体可由外部气态氦气源1.14供应，该外部气态氦气源1.14可以是罐或具有移动或静止本质的其它储存装置。此氦气加压气体将流动通过管线1.13并且打开阀V2和压力调节器1.12，之后分别通过管线7和6与ISO容器1.1和1.2连接。
从ISO容器1.2流动的氦气经过压力测量和传输装置2.4，之后通过管线8被馈送到加热器1.4中。同样，从ISO容器1.1抽取的氦气被引导通过压力测量和传输装置2.3。压力测量和传输装置2.3通过信号电缆21与PLC2.6进行电子通信。同样，压力传输装置2.4通过信号电缆2.4A与PLC 2.6进行电子通信。
可编程逻辑控制器2.6与质量流量计2.1和2.2以及压力变送器2.3和2.4以及过程控制阀2.5进行电子通信，因为PLC将从这些装置接收信号，从而提供关于向最终用户供应氦气、ISO容器1.1和1.2中氦气的含量以及ISO容器1.1和1.2的温度的信息。
质量流量计量装置被设计成测量和监测氦气在系统中的流量。通过测量系统中各个位置处氦气的温度和压力，可将此数据转发到可编程逻辑控制器，该可编程逻辑控制器可调整阀、开口等以改变氦气流速来满足系统和用户的需求。
通过打开的过程流量控制器1.5馈送到用户的氦气的一部分通过质量流量计2.1馈送，该质量流量计2.1通过信号电缆20与PLC 2.6通信。
PLC 2.6通过信号电缆23与过程控制阀2.5通信，该过程控制阀2.5将来自外部气态源1.14的氦气与ISO容器1.1和1.2中的氦气组合。过程控制阀2.5将起作用来将适当流速的氦气引导到ISO容器1.1和1.2并且在其中保持所期望的压力。外部气态氦气流通过质量流量计2.2进行馈送，该质量流量计2.2通过信号电缆22与PLC 2.6进行电子通信，从而允许PLC 2.6计算在任何时间处ISO容器1.1和1.2中的残余含量。
另外，PLC 2.6可通过其与质量流量计2.2的电子通信来测量用于加压ISO容器1.1和1.2的外部气态氦气的累积消耗。这将允许PLC 2.6计算在任何时间处外部气态源的残余含量，并且提前通知用户何时必须安装新的外部气态氦气源。
通过测量通过系统的氦气的质量流量，可从系统中消除桥秤以及消除与它们的安装、维护(roofing)等相关联的成本。
另外，现在不需要移动ISO容器来测量它们的重量，因此也实现了成本节省。考虑到ISO容器保持在适当位置的时间量并且该时间量超过LIN填充之间允许的时间量，对ISO容器的含量的连续“在线”测量将消除液氮加满的需要。因此，使用质量流量计以及温度和压力测量结果允许计算ISO容器中氦气的量以准确地被测量。
另外，由于可测量ISO容器的物理条件诸如密度、压力和温度，因此实际的质量抽取量在任何时间处可以是已知的。因此，馈送反向控制回路和控制阀可优化外部氦气加压气体的剂量，从而最小化ISO容器的不期望的温度升高。
对条件的精确监测允许用户预测需要供应下一个ISO容器并且可相应地采取行动的时间。同样，这些测量可协助氦气供应商进行它们的计费操作。
图3是示出11,000加仑ISO容器的温度对在160psia、130psia和100psia的三种不同压力下ISO容器中氦气的残余质量的曲线图。可以看出，随着氦气的量通过从ISO容器中分配而减少，ISO容器的温度升高。
虽然本发明已关于其特定实施方案进行了描述，但显而易见的是，本发明的许多其它形式和修改形式对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。本发明中的所附权利要求书通常应被解释为覆盖在本发明的真实实质和范围内的所有此类显而易见的形式和修改。

Claims (23)

1.根据前述权利要求中的一项所述的方法，还包括利用自动过程控制阀控制所述至少一个供应系统中的流量。
2.根据权利要求4至7所述的方法，还包括在将所述氦气供应给可编程逻辑控制器之前提供所述至少一个氦气容器的重量。
3.根据前述权利要求中的一项所述的方法，还包括在所述至少一个容器中超过预先计算的值的情况下向所述最终用户提供指示。
4.根据权利要求9所述的方法，其中所述预先计算的值选自由以下项组成的组：质量、温度和压力。
5.根据权利要求10所述的方法，还包括基于从至少一个质量流量计和至少一个压力变送器接收的信息来计算所述至少一个容器的所述温度。
6.根据权利要求2至11所述的方法，其中控制所述至少一个容器中的所述温度还包括向所述至少一个容器提供所述另外的加压氦气气体。
7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，还包括基于所述至少一个容器中剩余的所述氦气的量来计算所述至少一个用户所欠的钱的金额；以及将所计算的金额传达给所述氦气的供应商。
8.一种用于向至少一个最终用户供应氦气的装置，包括：至少一个氦气容器；
至少一个加压气体系统，所述至少一个加压气体系统用于向所述至少一个氦气容器馈送另外的氦气气体；
至少一个供应系统，所述至少一个供应系统被配置成将氦气从所述至少一个容器馈送到至少一个最终用户，
其中所述供应系统包括
至少一个质量流量计，所述至少一个质量流量计被配置成利用至少一个质量流量计测量供应给所述至少一个用户的氦气的量；可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器与所述至少一个质量流量计进行电子通信，使得所测量的被供应的氦气的量作为输入提供给所述可编程逻辑控制器；
其中所述可编程逻辑控制器被配置成
计算所述至少一个容器中剩余的氦气的量；并且向所述至少一个最终用户提供所述至少一个容器中剩余的所述氦气的量的指示。
9.根据权利要求14所述的装置，其中所述至少一个最终用户选自：气囊充气、光纤生产、化学气相沉积、机械表面涂覆、火箭净化和微电子晶片生产、升降应用、泄漏检测应用、焊接应用、医疗应用和呼吸应用。
10.根据权利要求14和15所述的装置，其中所述至少一个容器是ISO容器。
11.根据权利要求14至16所述的装置，其中所述供应系统包括与所述至少一个容器和所述至少一个用户两者通信的至少一个管道。
12.根据权利要求14至17所述的装置，包括用于在供应所述氦气之前测量所述至少一个氦气容器的重量的装置。
13.根据权利要求14至18所述的装置，进一步地，其中所述至少一个质量流量计被配置成测量来自所述至少一个容器的氦气的质量流量。
14.根据权利要求14至19所述的装置，还包括至少一个压力变送器，所述至少一个压力变送器被配置成测量所述至少一个供应系统中的所述氦气的压力。
15.根据权利要求14至20所述的装置，其中所述至少一个供应系统还包括自动过程控制阀。
16.根据权利要求14至21所述的装置，其中所述至少一个容器的初始重量在被递送给所述至少一个最终用户时被测量并且被提供给所述可编程逻辑控制器。
17.根据权利要求14至22所述的装置，还包括在所述至少一个容器中超过预先计算的值的情况下警示所述至少一个用户的警报。
18.根据权利要求14至23所述的装置，其中所述预先计算的值选自由以下项组成的组：质量、温度和压力。
19.根据权利要求14至24所述的装置，其中所述可编程逻辑控制器进一步与至少一个压力变送器进行电子通信。
20.根据权利要求14至25所述的装置，其中所述可编程逻辑控制器被配置成基于从所述至少一个质量流量计和所述至少一个压力变送器接收的信息通过计算来计算所述至少一个容器的所述温度。
21.根据权利要求14至26所述的装置，其中所述可编程逻辑控制器与加压气体系统进行电子通信。
22.根据权利要求14至27所述的装置，其中所述可编程逻辑控制器被配置成指示所述加压气体系统向所述至少一个容器馈送另外的氦气气体，从而控制所述至少一个容器的所述温度。
23.根据权利要求14至29所述的装置，其中所述至少一个容器是两个容器。
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