CN113048392A - 一种长距离液氦输送储槽压力调控装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种长距离液氦输送储槽压力调控装置，属于液氦储运技术领域。装置包括液氦储槽、安全阀、球阀、单向节流阀、杜瓦罐、低温泵、温度控制器、压力控制器、液位控制器、流量计、节流缓冲管、毛细管节流主单元和分支单元组成，具备氦液循环、外部节流、内部节流、氦气和氦液回收、超压排放功能。氦液循环将储槽底部的低温氦液与上部流体换热以降低储槽温度和压力；外部节流和内部节流系统将部分漏热形成的压力能和低温泵提供的压力能转化为冷能，进一步降低储槽温度和压力。本发明克服了传统方法超压直接排放的问题，能够调控液氦储槽压力，降低氦气排放损耗，延长储槽储运周期，具有外部动力设备少、流程简单、维护要求低的优点。

Description

一种长距离液氦输送储槽压力调控装置
技术领域
本发明属于液氦储运技术领域，尤其涉及一种长距离液氦输送储槽压力调控装置。
背景技术
氦是广泛应用于航空航天、国防军工、科研医疗、低温超导、海洋开发等重要领域的稀缺战略性资源。氦的储运方式包括气相与液相运输两种，而大规模气相运输的成本约为液相的3-4倍，因此国外普遍采用长距离液氦储槽运输方式。然而，液氦在常压下的温度低至4.2K，与环境温差接近300℃，尽管液氦储槽已经采取了极其严格的保冷措施，但在运输过程中仍不可避免地产生漏热问题。由于液氦的汽化潜热极小，其受热后极易气化，导致储槽内部压力不断升高，即出现自增压现象。一旦储槽内压力超过安全值时，就需要开启安全阀泄放高压氦气以保证储槽安全，而液氦储运时间越久也意味更多的排放损耗。例如，德国Linde公司的40m3液氦储槽，在设计充装率92％、环境温度20℃条件下的日蒸发率为1％，静置15天后将达到设计压力0.6MPa；若将压力从0.6MPa泄放至0.3MPa，共需排放约400kg的低温氦气，折合液氦3.2m3、标准状态下的气氦2200m3，这不仅浪费了珍稀的氦资源，还导致直接经济损失约64万元。因此，如何以长时间、低损耗的方式利用储槽安全、高效地输送液氦是国内外液氦储运技术领域面临的挑战和亟待解决的问题。
解决长距离输送过程液氦储槽的自增压和氦气排放损耗问题，实际上就是需要一种可靠的液氦储槽压力调控装置。现有液氦储槽的压力调控是依靠安全阀泄放储槽内的高压氦来实现的，除此外，尚未提出其他液氦储槽压力调控装置。在其他技术领域，可参考的低温介质储存设施的调压装置及特点包括：①主动制冷型装置，采用低温制冷机向贮箱内流体提供冷量来降低贮箱空间压力，尽管可以实现液氦长时间无损储存，但其制冷设备相对复杂、输入功耗大，增加了运输成本和维护要求。②低温膨胀制冷型装置，利用膨胀机将部分高压气体经过膨胀降压，然后再将膨胀所得的气体与剩余高压气体进行换热使其冷凝，应用于液氦储槽时仍面临氦气回收工艺及设备复杂、成本和维护要求增加的问题。③热力学排气型装置，通过贮箱内部的喷射搅动减弱低温介质的热分层，并通过牺牲一部分液相节流制冷以降低贮箱温度和压力，应用于液氦储槽时需不定期牺牲液氦才能实现储槽的长期降温、控压。总体而言，现有装置及方法未能很好地解决液氦储槽的压力调控问题，需提出一种新的装置以克服现有技术的不足。
发明内容
本发明是为了解决长距离液氦输送储槽的自增压和氦气排放损耗问题而提出一种既能够调控液氦储槽压力又能降低氦气排放损耗、延长储槽储运周期的新装置；该装置具备氦液循环、外部节流、内部节流、氦气和氦液回收、超压排放功能，能够利用焦耳汤姆逊冷效应将一部分漏热产生的压力能和低温泵提供的压力能转化为冷能，同时削弱液氦储槽内部的热分层作用，减少液氦气化，从而有效降低液氦储运损失，具有外部动力设备少、流程简单、维护要求低的优点。
本发明所采用的技术方案是：
一种长距离液氦输送储槽压力调控装置，包括液氦储槽101、毛细管节流分支单元102、毛细管节流主单元103、节流缓冲管104、第一温度控制器201、第一压力控制器202、安全阀203、排气球阀204、单向节流阀205、杜瓦罐顶部球阀206、第二压力控制器207、第二温度控制器208、液位控制器209、杜瓦罐210、杜瓦罐排液球阀211、储槽排液球阀212、低温泵213、杜瓦罐注液球阀214、液氦管路球阀215、流量计216、回注球阀217及其连接上述设备的管道组成，并由其组成内部节流系统、外部节流系统、氦液循环系统、氦液供给系统、第一回注系统、第二回注系统。
所述的液氦储槽顶部边缘设计有对称分布的回注孔A和排气孔B，回注孔A与储槽内部节流系统中的节流缓冲管104连接，排气孔B与储槽上部空间连通；液氦储槽底部设计有与排气孔同侧的排液口C。
所述的内部节流系统由节流缓冲管104、毛细管节流主单元103、毛细管节流分支单元102、回注孔A组成，安装于液氦储槽顶部内壁面；所述节流缓冲管104一端与回注孔A连接，另一端与毛细管节流主单元103中部连接；所述毛细管节流分支单元102在其中点处分别按等间距与毛细管节流主单元103垂直连通，各分支单元两端出口朝储槽内液面，毛细管节流分支单元102长度取值大于储槽内径的1/2且小于储槽内径，间距值取毛细管节流分支单元长度102的1/2，毛细管节流主单元长度103取间距值的最大整数倍且小于储槽长度；所述节流缓冲管104，毛细管节流主单元长度103、毛细管节流分支单元102内径相同，取值在2mm～4mm之间。
所述的外部节流系统始于排气孔B，止于杜瓦罐210，中间依次连接排气球阀204、单向节流阀205、杜瓦罐顶部球阀206，储槽安全阀203安装在排气孔B与排气球阀204之间的分支管路上，排气孔B一侧安装有第一温度控制器201与第一压力控制器202，杜瓦罐210顶部安装有第二温度控制器208与第二压力控制器207；所述外部节流系统可由第一压力控制器202控制启闭。
所述的氦液循环系统始于储槽底部排液口C，止于储槽回注孔A，中间依次连接储槽排液球阀212、低温泵213、液氦管路球阀215、流量计216、回注球阀217；所述的氦液循环系统可由第一温度控制器201和第一压力控制器202控制启闭。
所述的氦液供给系统始于储槽底部排液口C，止于杜瓦罐210，所述供给管路在低温泵213与液氦管路球阀215中间的管路接出，经杜瓦罐注液球阀214后从杜瓦罐210侧面近底部接入罐内；所述的氦液供给系统可由储槽顶部的第一压力控制器202、杜瓦罐顶部的第二压力控制器207控制启闭。
所述的第一回注系统始于杜瓦罐210，止于储槽回注孔A，中间依次连接杜瓦罐顶部球阀206、回注球阀217；所述第一回注系统管路从杜瓦罐顶部球阀206与单向节流阀205中间以三通形式接出，在流量计216与回注球阀217中间以三通形式接入；所述的第一回注系统可由第二压力控制器207控制启闭。
所述的第二回注系统始于杜瓦罐210，止于储槽回注孔A，第二回注系统管路由杜瓦罐210底部接出，经杜瓦罐排液球阀211后接入储槽排液球阀212与低温泵213之间的管路，其余管路与氦液循环系统共用；所述第二回注系统可由杜瓦罐的第二压力控制器207、液位控制器209控制启闭。
本发明由于采取以上技术方案，可以达到以下有益效果：
(1)通过氦液循环系统将液氦储槽101底部具有一定过冷度的低温氦液与上部流体进行换热，有效削弱储槽内部流体在运输过程的热分层作用，减缓液氦的蒸发，可实现储槽上部空间的降温降压。
(2)通过外部节流系统，将液氦储槽101内升温、增压后的氦气经单向节流阀205节流降压、部分液化后注入到杜瓦罐210内，可有效降低液氦储槽的压力；通过氦液供给系统，将液氦储槽101底部冷流体注入杜瓦罐210内，可为外部节流系统提供合理的背压、预冷杜瓦罐210，还可以对杜瓦罐210内氦气进行压缩，为回注系统提供压力；通过内部节流系统、第一回注系统，将杜瓦罐210内压缩后的氦气回注至液氦储槽101顶部，并通过毛细管节流降温、降压后进入液氦储槽101内部，进一步降低液氦储槽101上部空间的温度和压力、破坏储槽内部热分层作用，同时实现氦气的回收；通过第二回注系统，将杜瓦罐210内剩余的低温液氦注入液氦储槽101上部空间，可以实现液氦的回收；通过储槽顶部的安全阀203可以在液氦储槽调压装置后期无法继续调压时，泄放储槽内的高压流体，以保证储槽安全。
(3)本发明通过多个系统的合理设计和优化，使提出的装置具备氦液循环、外部节流、内部节流、氦气和氦液回收、超压排放等功能，克服了传统方法超压直接排放的问题，能够有效控制储槽压力、降低氦的排放损耗，延长液氦在储槽中的储运周期和距离；整个装置及方法涉及的外部动力设备少、流程简单、维护要求低，为液氦长距离无损运输提供了新的参考。
附图说明
图1是本发明一种长距离液氦输送储槽压力调控装置示意图。
图2是本发明一种长距离液氦输送储槽顶部节流系统俯视图示意图。
图中：101-液氦储槽、102毛细管节流分支单元、103-毛细管节流主单元、104-节流缓冲管、201-第一温度控制器、202-第一压力控制器、203-安全阀、204-排气球阀、205-单向节流阀、206-杜瓦罐顶部球阀、207-第二压力控制器、208-第二温度控制器、209-液位控制器、210-杜瓦罐、211-杜瓦罐排液球阀、212-储槽排液球阀、213-低温泵、214-杜瓦罐注液球阀、215-液氦管路球阀、216-流量计、217-回注球阀；A-回注孔、B-排气孔、C-排液口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合本实施例中的附图，对本发明作进一步说明。
参见图1和图2所示，一种长距离液氦输送储槽压力调控装置，包括液氦储槽101、毛细管节流分支单元102、毛细管节流主单元103、节流缓冲管104、第一温度控制器201、第一压力控制器202、安全阀203、排气球阀204、单向节流阀205、杜瓦罐顶部球阀206、第二压力控制器207、第二温度控制器208、液位控制器209、杜瓦罐210、杜瓦罐排液球阀211、储槽排液球阀212、低温泵213、杜瓦罐注液球阀214、液氦管路球阀215、流量计216、回注球阀217；回注孔A、排气孔B、排液口C。
更具体地，节流缓冲管104、毛细管节流主单元103、毛细管节流分支单元102、回注孔A组成储槽内部节流系统，安装于储槽顶部内壁面；其中，节流缓冲管104一端与回注孔A连接，另一端与毛细管节流主单元103中部连接。
更具体地，为便于节流后的冷流体与储槽上部空间流体充分接触、交换冷量，且考虑到储槽在实际运输过程中近壁面流体受漏热影响更加明显，其温度高于内部温度的特点，如图2所示，将毛细管节流分支单元102在其中点处分别按等间距l2与毛细管节流主单元103垂直连通，各分支单元两端出口朝储槽内液面，毛细管节流分支单元长度l1取值大于储槽内径的1/2且小于储槽内径，间距值l2取毛细管节流分支单元长度l1的1/2，毛细管节流主单元长度l3取间距值l2的最大整数倍且小于储槽长度；节流缓冲管104、毛细管节流主单元103、毛细管节流分支单元102内径相同，取值在2mm～4mm之间。
具体实施方式为：
第一步：依次开启储槽排液球阀212、低温泵213、液氦管路球阀215、流量计216、回注球阀217；当第一温度控制器201或第一压力控制器202监测到储槽上部空间的温度、压力不再下降时，关闭上述设备；
第二步：当第一压力控制器202监测到储槽压力上升至安全值P0的95％时，依次开启储槽排液球阀212、低温泵213、杜瓦罐注液球阀214，缓慢将氦液由储槽注入杜瓦罐210；当第二压力控制器207监测到杜瓦罐压力升高至0.1MPa时，依次关闭杜瓦罐注液球阀214、低温泵213、储槽排液球阀212；
第三步：依次开启储槽排气球阀204、单向节流阀205、杜瓦罐顶部球阀206；当第一压力控制器202和第二压力控制器207监测到储槽压力与杜瓦罐内压相等时，依次关闭排气球阀204、单向节流阀205、杜瓦罐顶部球阀206；
第四步：依次开启储槽排液球阀212、低温泵213、杜瓦罐注液球阀214，缓慢将氦液由储槽注入杜瓦罐210；当第二压力控制器207监测到杜瓦罐压力升高至0.8MPa时，依次关闭杜瓦罐注液球阀214、低温泵213、储槽排液球阀212；
第五步：依次开启杜瓦罐顶部球阀206、回注球阀217，使杜瓦罐上部高压流体经储槽回注孔A进入节流缓冲管路104、毛细管节流主单元103、毛细管节流分支单元102；当第一压力控制器202和第二压力控制器207监测到储槽压力与杜瓦罐内压相等时，依次关闭杜瓦罐顶部球阀206、回注球阀217；
第六步：依次开启杜瓦罐排液球阀211、低温泵213、液氦管路球阀215、流量计216、回注球阀217，使杜瓦罐内低温氦液经储槽回注孔A进入内部节流系统，通过节流单元进入储槽内；当液位控制器监测到杜瓦罐液位接近0时，依次关闭液氦管路球阀215、低温泵213、杜瓦罐排液球阀211、流量计216、回注球阀217；
第七步：当上一步执行后，当第一压力控制器202监测到储槽压力不再继续降低时，执行第八步；否则，返回重新执行第二步至第七步；
第八步：当第一压力控制器202监测到储槽压力升高至储槽压力安全值P0时，开启储槽安全阀203，直至监测到储槽压力低于安全值P0时关闭，完成液氦储槽的压力调控。
本实施例中，第一步利用低温泵213将槽底部具有一定过冷度的低温氦液与储槽上部因漏热升温的流体进行换热，有效削弱储槽内部流体在运输过程的热分层作用，以达到减缓液氦蒸发，降低储槽上部空间温度和压力的目的；第二步为外部节流系统提供合理的背压，同时预冷杜瓦罐210；第三步为外部节流过程，储槽上部高压流体经单向节流阀205节流后降温降压，且部分液化后进入杜瓦罐210，同时有效降低储槽上部空间压力；第四步为氦液供给过程，利用低温泵213将储槽氦液送至杜瓦罐210，对杜瓦罐上部氦气进行增压；第五步为内部节流过程，利用毛细管(节流缓冲管路104、毛细管节流主单元103、毛细管节流分支单元102)的节流作用，使增压后的高压流体再次降温、降压后进入储槽101；第六步为氦液回注过程，将杜瓦罐210剩余的低温氦液泵送至储槽上部，通过内部节流系统使其与储槽上部空间的流体充分接触、冷凝，进一步降低储槽温度和压力、破坏储槽内部的热分层作用；第八步为超压保护过程，通过安全阀203将储槽内压力超过安全值P0的高压流体泄放，以保证储槽安全。
本发明通过多个系统的合理设计和优化，形成了集氦液循环、外部节流、内部节流、氦气和氦液回收、超压排放等功能为一体的液氦储槽压力调控装置，克服了传统方法超压直接排放的问题，能够有效控制储槽压力、降低氦的排放损耗，延长了液氦储槽的储运周期和距离；整个装置涉及的外部动力设备主要为低温泵，产生的泵热少；装置的调控流程简单，维护要求低，为液氦长距离无损运输提供了新的参考。
以上所述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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种长距离液氦输送储槽压力调控装置，其特征在于：包括液氦储槽(101)、毛细管节流分支单元(102)、毛细管节流主单元(103)、节流缓冲管(104)、第一温度控制器(201)、第一压力控制器(202)、安全阀(203)、排气球阀(204)、单向节流阀(205)、杜瓦罐顶部球阀(206)、第二压力控制器(207)、第二温度控制器(208)、液位控制器(209)、杜瓦罐(210)、杜瓦罐排液球阀(211)、储槽排液球阀(212)、低温泵(213)、杜瓦罐注液球阀(214)、液氦管路球阀(215)、流量计(216)、回注球阀(217)及其连接上述设备的管道组成，并由其组成内部节流系统、外部节流系统、氦液循环系统、氦液供给系统、第一回注系统、第二回注系统；
所述的液氦储槽顶部边缘设计有对称分布的回注孔(A)和排气孔(B)，回注孔(A)与储槽内部节流系统中的节流缓冲管(104)连接，排气孔(B)与液氦储槽上部空间连通；液氦储槽底部设计有与排气孔同侧的排液口(C)；
所述的内部节流系统由节流缓冲管(104)、毛细管节流主单元(103)、毛细管节流分支单元(102)、回注孔(A)组成，安装于液氦储槽顶部内壁面；所述节流缓冲管(104)一端与回注孔(A)连接，另一端与毛细管节流主单元(103)中部连接；所述毛细管节流分支单元(102)在其中点处分别按等间距与毛细管节流主单元(103)垂直连通，各分支单元两端出口朝储槽内液面，毛细管节流分支单元(102)长度取值大于储槽内径的1/2且小于储槽内径，间距值取毛细管节流分支单元长度(102)的1/2，毛细管节流主单元长度(103)取间距值的最大整数倍且小于储槽长度；所述节流缓冲管(104)，毛细管节流主单元长度(103)、毛细管节流分支单元(102)内径相同，取值在2mm～4mm之间；
所述的外部节流系统始于排气孔(B)，止于杜瓦罐(210)，中间依次连接排气球阀(204)、单向节流阀(205)、杜瓦罐顶部球阀(206)；安全阀(203)安装在排气孔(B)与排气球阀(204)之间的分支管路上，排气孔(B)一侧安装有第一温度控制器(201)与第一压力控制器(202)，杜瓦罐(210)顶部安装有第二温度控制器(208)与第二压力控制器(207)；所述外部节流系统可由第一压力控制器(202)控制启闭；
所述的氦液循环系统始于储槽底部排液口(C)，止于储槽回注孔(A)，中间依次连接储槽排液球阀(212)、低温泵(213)、液氦管路球阀(215)、流量计(216)、回注球阀(217)；所述的氦液循环系统可由第一温度控制器(201)和第一压力控制器(202)控制启闭；
所述的氦液供给系统始于储槽底部排液口(C)，止于杜瓦罐(210)，所述供给管路在低温泵(213)与液氦管路球阀(215)中间的管路接出，经杜瓦罐注液球阀(214)后从杜瓦罐(210)侧面近底部接入罐内；所述的氦液供给系统可由储槽顶部的第一压力控制器(202)、杜瓦罐顶部的第二压力控制器(207)控制启闭；
所述的第一回注系统始于杜瓦罐(210)，止于储槽回注孔(A)，中间依次连接杜瓦罐顶部球阀(206)、回注球阀(217)；所述第一回注系统管路从杜瓦罐顶部球阀(206)与单向节流阀(205)中间以三通形式接出，在流量计(216)与回注球阀(217)中间以三通形式接入；所述的第一回注系统可由第二压力控制器(207)控制启闭；
所述的第二回注系统始于杜瓦罐(210)，止于储槽回注孔(A)，第二回注系统管路由杜瓦罐(210)底部接出，经杜瓦罐排液球阀(211)后接入储槽排液球阀(212)与低温泵(213)中间的管路，其余管路与氦液循环系统共用；所述的第二回注系统可由杜瓦罐的第二压力控制器(207)、液位控制器(209)控制启闭。
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