CN114047009A - 一种用于紧凑高效换热器的液压试验装置及试验处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置及试验方法，属于液态天然气设备领域。该试验装置的液氮储罐通过管路与试验装置相连通，试验装置通过管路与待测换热器相连通；待测换热器置于保温槽内；液氮储罐、试压装置与保温槽组成试验撬块，撬块上设有氧浓度监测仪；控制装置用于监测储液罐、试压装置及保温槽内的温度；控制装置用于监控储液罐、试压装置；控制装置用于控制试压装置。本发明提供紧凑高效换热器专用液压试压装置，采用低温压力测试方法，该方案解决了常温下，利用等效压力试验的测试不确定性的难题。解决了气体高压试验的危险性，避免容器压爆后，释放气体蓄积能量的危险性，增加了高压试验的安全性。

Description

一种用于紧凑高效换热器的液压试验装置及试验处理方法

技术领域

本发明所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置及试验方法，属于液态天然气设备领域。

背景技术

天然气是一次性能源和高价值的化工原料，其主要成分是甲烷，具有燃烧热值高、污染少等特点。近年来，LNG(液态天然气)使用比例逐年加大，世界各国都在大力建造LNG接收站、浮式LNG储存再气化装置等。紧凑高效微通道换热器是浮式液化天然气(FLNG)装置的核心装置，具有重量轻、体积小、无泄漏等优点，但其核心技术一直被国外公司垄断。为打破垄断现状，国内多个公司和单位合作攻关，制作紧凑型LNG换热器，现有的工艺方法由全球主流的化学蚀刻和扩散焊相结合的工艺，国内江苏科技大学采用3D打印技术研发的换热器芯体。作为低温，高压设备均需要按照严格的检验合格后，走向市场，尤其对于高附加值的使用环境，质量安全尤其重要。目前，对于紧凑高效微通道换热器，多采用等效替换的方法(即在常温条件下，扩大水压试验中试验压力的倍数，达到低温试验压力的1.5倍)进行，或低温气体压力试验。上述两种方法，第一种是缺少真正工作工况，即低温条件的实际测试状态；第二种是低温高压下气体压力试验较危险，安全风险大。为了对紧凑高效换热器进行低温液压测试，本发明提出了一种紧凑高效换热器液压试压装置及试验方法。

发明内容

本发明针对上不足，提供了一种用于紧凑高效换热器的液压试验装置及试验方法。

本发明采用如下技术方案:

一种用于紧凑高效换热器的液压试验装置，包括液氮储罐，试压装置、保温槽、控制装置；所述的液氮储罐通过管路与试验装置相连通，试验装置通过管路与待测换热器相连通；待测换热器置于保温槽内；所述的液氮储罐、试压装置与保温槽组成试验撬块，撬块上设有氧浓度监测仪；所述的控制装置用于监测储液罐、试压装置及保温槽内的温度；所述的控制装置用于监控储液罐、试压装置；所述的控制装置用于控制试压装置。

本发明所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，所述的液氮储罐用于存储试验介质，所述的液氮储罐上设有用于调节内部压力的液氮储罐排空调节阀，液氮储罐排空调节阀通过排空管路排空；所述的液氮储罐进口设有用于调节液位高度的液氮储罐进口开关阀；所述的液氮储罐安装有压力传感器，液位传感器和温度传感器；储罐出口安装手动控制阀。

液氮储存装置为液氮储罐主要接口为排空口，进液口，出液口，压力测量口，液位测量口和温度测量口。排空口接往排空总管，管线上安装排空调节阀；进液口连接进液开关阀；出液口连接手动阀，然后分别与空温式汽化器前调节阀和增压泵前开关阀通过管线连接；压力测量口与压力传感器连接，并与排空调节阀进行联锁；液位测量口连接液位传感器，并与进液开关阀进行联锁。温度测量口连接温度传感器，用于测量储罐内部温度。

本发明所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，压装置包括增压泵，空温式气化器；所述的增压泵，空温式气化器分别通过管路与待测换热器的天然气进口及液氮储罐相连通。压装置分为两路，均从液氮储罐出口连接。

一路为气化管路，从液氮出口手动阀连接到空温式气化器前调节阀，空温式气化器，安全阀，止回阀，再到换热器进口；

一路为液化管路，从液氮出口手动阀连接到增压泵进口开关阀，增压泵，增压泵出口压力传感器，增压泵出口手动阀，止回阀，再到换热器进口。上述两路汇总后接入换热器进口。

增压泵电机为变频电机，可通过电控箱控制电机频率调制增压泵流量。配合增压泵出口手动阀及变频电机，可设定泵出口压力。

本发明所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，试验撬块将液氮储罐，试压装置和保温槽组成一个撬块，节省空间，减小危险区域。撬块上安装氧浓度监测装置监测试验装置附近的氧浓度。

本发明所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，液氮储罐上设有排气管，排气管上设有液氮储罐排空调节阀，液氮储罐排空调节与液氮储罐上的压力传感器进行联锁；所述的液氮储罐上的进口管路上设有液氮储罐进口开关阀且与液氮储罐上的液位传感器进行联锁；所述的液氮储罐上温度传感器提供温度数据且传输至控制装置。

本发明所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，所述的控制装置包括电控箱，温度控制装置；所述的电控箱的信号接受端与氧浓度监测仪压力传感器，液位传感器、温度传感器及氮储罐排空调节阀、空温式气化器进口调节阀、增压泵进口开关阀、换热器出口开关阀、增压泵变频电机相连；所述的温度监测装置监测换热器内部，换热器表面和换热器气化管路处温度；液氮储罐上温度传感器提供温度数据且传输至温度控制装置。控制装置包含电控箱，温度监测装置和氧浓度监测装置。电控箱为增压泵供电，并通过PLC对各传感器反馈数据进行分析和控制阀门及增压泵；温度监测装置显示换热器内外温度，液氮储罐及气化管路监测结果；氧浓度监测装置检测测试区域的氧浓度，避免检测介质液氮泄露气化，导致测试环境氧浓度降低，危害测试人员安全。

本发明所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，液氮储罐出口手动阀连接到气化管路上，该气化管路上串联空温式气化器进口调节阀，空温式气化器进口调节阀与空温式气化器相连接，通过空温式气化器进口调节阀调节进入空温式气化器的液氮量，且控制空温式气化器出口氮气温度；化管路上安装安全阀。

本发明所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，其特征在于：所述的试压装置上增压泵的进口端连接增压泵进口开关阀，增压泵的出口端连接增压泵出口手动阀、止回阀；增压泵的出口端的管路上设有压力传感器P2且及增压泵的变频电机联锁。

本发明所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，所述的保温槽包括容器，保温盖；所述的容器，保温盖均为两层的金属保护层，为夹层结构，夹层内填充保温材料气凝胶绝热毡，该材料导热系数低，保温性能好。保温盖上留有贯穿孔，用于如下管路及电缆穿过：连接换热器进口管路，保温槽内气体排空管路，换热器出口压力采样管，换热器出口开关阀，换热器内外温度测量电缆。

一种用于紧凑高效换热器的液压试验前的预处理方法，试验步骤如下：

步骤一、将待试验的换热器在室温下清洗内部，烘干，并确认换热器内无杂质；

步骤二、将待试验的换热器接入口与管路接通，并放置在保温槽内，待试验的换热器出口端连接开关阀6，并打开；打开液氮储罐出口手动阀，关闭增压泵出口手动阀；

步骤三、利用空温式气化器，向换热器输入常温氮气,检查待试验的换热器及与各连接口是否出现气体泄漏；

步骤四、确定步骤三中的待试验的换热器未出现气体泄漏后，并测量换热器出口处氮气露点，在露点低于-30℃后，开始低温预冷管路及换热器；

步骤五、增大空温式气化器进口调节阀的开度，加大液氮的输入量，使空化器输出低温氮气；观察温度监测装置上，气化管路，换热器的内、外温度降低至-30℃，重复上述步骤，直至气化管路，换热器的内、外的监测温度降低至-90℃。

步骤六、盖上保温槽的保温盖，连接保温盖上各管路及电缆后，打增压泵出口手动阀，开启增压泵，通过设定增压泵启动频率，使增压泵低流量输入液氮到换热器，并流入保温槽，观察换热器内，外温度降低至-160℃后，关闭空温式气化器进口调节；

增大增压泵频率，增大输入量液氮；观察质量流量计，待液氮液位达到保温槽高液位后，即将换热器浸没后，停止加注，关闭换热器出口开关阀；

步骤七、通过温度监测装置观察换热器内外温度，待温度达到-196℃后，对换热器进行低温液压试验。

有益效果：

本发明提供紧凑高效换热器专用液压试压装置，采用低温压力测试方法，该方案解决了常温下，利用等效压力试验的测试不确定性的难题。

本发明采用的液压测试装置，解决了气体高压试验的危险性，避免容器压爆后，释放气体蓄积能量的危险性。增加了高压试验的安全性。

本发明采用的液压测试方法，高度采用远程控制方案，避免人员在测试区域操作，进一步降低高压测试危险性。

附图说明

图1是本发明的用于紧凑高效换热器的液压试验装置示意图；

图2是本发明的用于紧凑高效换热器的液压试验装置保温槽结构示意图；

图3为本发明的用于紧凑高效换热器的液压试验试验预处理方法的加压逻辑示意图。

1-电控箱；2-温度监控装置；3-保温槽；4-紧凑高效微通道换热器；5-增压泵；6-换热器出口开关阀；7-空温式气化器；8-液氮储罐；9-氧浓度检测仪；10-液氮储罐排空调节阀；11-液氮储罐进口开关阀；12-空温式气化器进口调节阀；13-增压泵进口开关阀；14-保温槽放空安全阀；15-液氮储罐出口手动阀；16-气化管路安全阀；17-增压泵出口手动阀；18-保温盖。

P1-液氮储罐压力传感器；P2-增压泵出口管路压力传感器；P3-保温槽内压力传感器。

L1-液氮储罐液位计；L2-换热器进口质量流量计；T-温度传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：一种用于紧凑高效换热器的液压试验装置，包括双层液氮储罐8，所述的储罐结构为双层，内部抽真空，用于对液氮保温；储罐上端连接排空管路，排空管路上安装液氮储罐排空调节阀10，液氮储罐排空调节阀10由控箱1控制开度，并与液氮储罐8安装的压力传感器P1联锁，当液氮储罐8气体压力高于0.8bar时，液氮储罐排空调节阀10开启，低于0.4bar时，液氮储罐排空调节阀10关闭。液氮储罐8液氮进口上安装液氮储罐进口开关阀11，液氮储罐进口开关阀11由电控箱1控制开度，并与液氮储罐8上安装的储罐液位计L1联锁，当液位低于低液位报警值时，给出报警并打开液氮储罐进口开关阀11，加注液氮，当液位达到高液位报警值时，给出报警并关闭液氮储罐进口开关阀11；液氮储罐底部安装温度传感器T，与温度监测装置2连接，提供罐内温度显示。

试压装置包含两条管路，均是从液氮储罐出口的液氮储罐出口手动阀15连接出来。一条为气化管路，用于氮气吹扫及预冷，管路连接空温式气化器进口调节阀12，空温式气化器7，及连接管路上的气化管路安全阀16；

一条为液化管路，管路连接增压泵进口开关阀13，增压泵5，连接管路上的压力传感器P2，增压泵出口手动阀17及止回阀。

具体为：换热器4上设有LNG进口，LNG出口，丙烷进口，丙烷出口。其中LNG进口和汽化管路，液化管路连接；LNG出口连接换热器出口开关阀6，两者中间的管道，连接压力传感器P3，换热器出口开关阀6打开时将输入换热器的氮气或液氮送入保温槽3，换热器出口开关阀6关闭时起到保压作用。丙烷进口处封住，仅引入温度探头，用于监测换热器内部温度，丙烷出口封住。

保温槽分为容器和保温盖18，容器与保温盖18均含有夹层气凝胶绝热毡，外侧为金属防护层。保温盖18上留有贯穿孔，用于如下管路及电缆穿过：连接换热器进口管路，保温槽内气体排空管路，换热器出口压力采样管，换热器出口开关阀6，换热器内外温度测量电缆。

在换热器进口安装质量流量计L2。为测得保温槽内的液位高度，在加注过程中，特别是加注初期，部分液氮蒸发变成氮气，与液氮形成液气两相介质通过管路加入到试验箱内，因此在流量测量中必须考虑两相流的流量测量。为了准确测量两相介质的流量，近年来研制了新型低温质量流量计，即采用质量测量方法进行流量测量，为克服两相流给流量测量带来的误差起了关键作用。采用低温涡街流量变送器进行质量流量测量的原理是：当在流体内插入一个阻力体，流体流过该阻力体产生旋涡，并形成旋涡列，此漩涡列与流量之间的关系Q如下：

由于在一定条件下,管道内径D、斯特劳哈尔数St₁、流通面积与管道面积之比m、旋涡发生体特征宽度d均为常数，因此测量旋涡列的频率f,即可得到流量Q。测得流量后，通过对时间的积分运算得到总的液氮加注量。

在本实施例中，保温槽3设有排空管路，管路安装有保温槽放空安全阀14。注入到保温槽3内的液氮在周围环境温度的作用下会发生汽化，造成箱内压力的升高。如果加注试验中保温槽3内压力过高，超过箱体承载能力，将导致箱体破裂，不仅试验失败，还会造成巨大财产损失，严重的还会引发试验事故。因此保温槽内氮气压力升高，达到保温槽放空安全阀14起跳值后，保温槽放空安全阀14打开，气体排出至排空管路后，排到室外大气中。

换热器出口开关阀6依据预冷步骤和试压步骤要求，开启和关闭。压力传感器P3用于监测试压时，换热器内部压力，根据试压步骤中的设定压力值，反馈调整增压泵的变频电机，使增压泵稳定输出测试压力。

控制装置含有电控箱1，用于控制阀门、传感器、增压泵供电，并进行逻辑控制。控制系统完成液氮加注，电机变频控制，及排空压力释放。

控制装置上安装有氧浓度检测仪9，因为采用液氮为试验介质，无论在试验过程中的试件破损还是试验完毕后的泄放，都会有大量液氮释放出氮气，为了试验人员的安全，所以需要在试验撬块上安装氧浓度检测仪9，试验撬块附近的氧浓度，并通过报警主机处理判断完成浓度监测工作，能够及时提醒工作人员，保证操作人员的人身安全。

如图3所示：本发明的紧凑高效换热器的低温耐压试验的试验方法如下：

步骤一、将换热器放置在室温条件下，确认其内部无多余物质后，将换热器放入保温槽内，并将换热器的LNG进口与从保温盖上预留接口相连接，换热器出口开关阀打开，其余阀门全部关闭；

步骤二、打开液氮出口手动阀15，打开空温式气化器进口调节阀12，通过温度监控装置监测管路内气体温度，来控制温式气化器进口调节阀12的开度，使氮气温度调节在室温。利用室温氮气吹扫换热器内部，并在换热器出口利用便携式露点仪测量气体露点。待露点低于-30℃后，增大温式气化器进口调节阀12的开度，使气化管路内温度逐步下降至-30℃。稳定温式气化器进口调节阀12的开度，并监测换热器内部，外部温度，待全达到-30℃后，继续增大温式气化器进口调节阀12的开度，按照上述步骤，使换热器内部，外部降温到-90℃。将保温盖安装到保温槽上，对接各个接口并密封。

步骤三、开启增压泵进口开关阀13，和增压泵出口手动阀17，加注液氮至增压泵进口，对增压泵进行预冷。20分钟后，低频率启动增压泵5，输送少量液氮进入换热器，混合低温氮气，对换热器进行降温。待换热器内，外温度降至-160℃后，关闭空温式气化器调节阀12，增大变频泵频率，加大液氮流量，使液氮流入保温槽内，并通过质量流量计L2监测流入量。待液氮量达到高液位，并内将换热器浸没后，关闭换热器出口开关阀6。

观测换热器内，外部温度降低至-196℃，换热器进行低温液压试验：

①试验开始，通过控制系统控制增压泵变频电机逐步增压泵，加压逻辑见附图3；

②第一步加压到5MPa，稳定后保压30min，并查看压力传感器P3是否压力稳定，增压泵是否因为传感器监测到压力降低而启动，若有的话，停止试验，检查泄漏处；

③如无泄漏侧将压力升高到10MPa(试验压力50％)，保压5min，观察有无异常报警；

④将产品LNG侧压力逐步提升到20MPa(表压)后，保压10min，升压期间压力每提高约2.0MPa(试验压力10％)停顿2min防止意外发生；

⑤保压结束后，逐步降低增压泵功率，缓慢泄压，打开保温盖，取出换热器。待产品温度恢复至0℃以上后，拆除各连接件。

⑥产品取出后,观察产品有无明显变形、裂纹等不良缺陷并记录；

⑦在整个试验过程中如有泄漏，停止试验，泄压压力归零后，排查泄漏点；

⑧产品在压力由16MPa提升至20MPa过程中每提升约2MPa拍摄一张照片留底；

如试验过程中产品出现泄漏，应立即停止试验，通过常温气密试验查找泄漏点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于紧凑高效换热器的液压试验装置，其特征在于：包括液氮储罐，试压装置、保温槽、控制装置；所述的液氮储罐通过管路与试验装置相连通，试验装置通过管路与待测换热器相连通；待测换热器置于保温槽内；所述的液氮储罐、试压装置与保温槽组成试验撬块，撬块上设有氧浓度监测仪；所述的控制装置用于监测储液罐、试压装置及保温槽内的温度；所述的控制装置用于监控储液罐、试压装置；所述的控制装置用于控制试压装置。

2.根据权利要求1所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，其特征在于：所述的液氮储罐用于存储试验介质，所述的液氮储罐上设有用于调节内部压力的液氮储罐排空调节阀，液氮储罐排空调节阀通过排空管路排空；所述的液氮储罐进口设有用于调节液位高度的液氮储罐进口开关阀；所述的液氮储罐上设有压力传感器，液位传感器和温度传感器；储罐出口安装手动控制阀。

3.根据权利要求1所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，其特征在于：所述的试压装置包括增压泵，空温式气化器；所述的增压泵，空温式气化器分别通过管路与待测换热器的天然气进口及液氮储罐相连通。

4.根据权利要求1所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，其特征在于：所述的试验撬块内的氧浓度监测仪用于监测试验装置附近的氧浓度。

5.根据权利要求2所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，其特征在于：所述的液氮储罐上设有排气管，排气管上设有液氮储罐排空调节阀，液氮储罐排空调节与液氮储罐上的压力传感器进行联锁；所述的液氮储罐上的进口管路上设有液氮储罐进口开关阀且与液氮储罐上的液位传感器进行联锁；所述的液氮储罐上温度传感器提供温度数据且传输至控制装置。

6.根据权利要求1或5所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，其特征在于：所述的控制装置包括电控箱，温度控制装置；所述的电控箱的信号接受端与氧浓度监测仪，压力传感器，液位传感器、温度传感器、氮储罐排空调节阀、空温式气化器进口调节阀、增压泵进口开关阀、换热器出口开关阀、增压泵变频电机相连；所述的温度监测装置监测换热器内部，换热器表面和换热器气化管路处温度；液氮储罐上温度传感器提供温度数据且传输至温度控制装置。

7.根据权利要求3所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，其特征在于：液氮储罐出口手动阀连接到气化管路上，该气化管路上串联空温式气化器进口调节阀，空温式气化器进口调节阀与空温式气化器相连接，通过空温式气化器进口调节阀调节进入空温式气化器的液氮量，来控制空温式气化器出口氮气温度。

8.根据权利要求3所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，其特征在于：所述的试压装置上增压泵的进口端连接增压泵进口开关阀，增压泵的出口端连接增压泵出口手动阀、止回阀；增压泵的出口端的管路上设有压力传感器P2且与增压泵的变频电机联锁。

9.根据权利要求1所述的用于紧凑高效换热器的液压试验装置，其特征在于：所述的保温槽包括容器，保温盖；所述的容器，保温盖均为两层的金属保护层，为夹层结构，夹层内填充保温材料气凝胶绝热毡，保温槽的上保温盖连接排空管路，排空管路上安装保温槽放空安全阀。

10.一种用于紧凑高效换热器的液压试验前的预处理方法，其特征在于：试验步骤如下：

步骤一、将待试验的换热器在室温下清洗内部，烘干，并确认换热器内无杂质；

步骤二、将待试验的换热器接入口与管路接通，并放置在保温槽内，待试验的换热器出口端连接开关阀并打开；打开液氮储罐出口手动阀，关闭增压泵出口手动阀；

步骤三、利用空温式气化器，向换热器输入常温氮气,检查待试验的换热器及与各连接口是否出现气体泄漏；

步骤四、确定步骤三中的待试验的换热器未出现气体泄漏后，并测量换热器出口处氮气露点，在露点低于-30℃后，开始低温预冷管路及换热器；

步骤五、增大空温式气化器进口调节阀的开度，加大液氮的输入量，使空化器输出低温氮气；观察温度监测装置上，气化管路，换热器的内、外温度降低至-30℃，重复上述步骤，直至气化管路，换热器的内、外的监测温度降低至-90℃;

步骤六、盖上保温槽的保温盖，连接保温盖上各管路及电缆后，打开增压泵出口手动阀，开启增压泵，通过设定增压泵启动频率，使增压泵低流量输入液氮到换热器，并流入保温槽，观察换热器内，外温度降低至-160℃后，关闭空温式气化器进口调节；

增大增压泵频率，增大输入量液氮；观察质量流量计，待液氮液位达到保温槽高液位后，即将换热器浸没后，停止加注，关闭换热器出口开关阀；

步骤七、通过温度监测装置观察换热器内外温度，待温度达到-196℃后，对换热器进行低温液压试验。

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