CN114441164A - 一种用于低温呼吸阀的平衡复合试验系统和方法 - Google Patents

一种用于低温呼吸阀的平衡复合试验系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于LNG罐顶呼吸阀性能测试技术领域，具体涉及一种用于低温呼吸阀的平衡复合试验系统及方法。本发明的系统包括超低温输入单元、正压输入单元、温压耦合单元、调节单元、试验单元、常温输入单元及负压输入单元，各单元均连接测控模组。该系统能模拟超低温和微正压同时存在的温度和压力耦合环境，从而为在超低温和微正压耦合环境下进行LNG罐顶呼阀的性能试验提供先决条件；同时，在该系统上还能够进行常规试验能力，从而具备复合试验性能，提升了实际试验效率。

Description

一种用于低温呼吸阀的平衡复合试验系统和方法
技术领域
本发明属于LNG罐顶呼吸阀性能测试技术领域，具体涉及一种用于低温呼吸阀的平衡复合试验系统及方法。
背景技术
随着LNG工业的发展，LNG接收站的建设规模和数量不断增大，大型LNG储罐的数量也急剧增加。目前LNG罐顶呼阀和吸阀基本依赖国外进口，价格昂贵，供货周期长，售后服务响应慢，更主要的是国内没有相关的LNG罐顶呼阀试验装置对产品进行试验检测，无法准确评估产品的质量性能。LNG罐顶呼阀和吸阀常规考核指标是LNG罐顶呼阀的常温呼出压力、常温回座压力、常温密封性能、常温动作性能；低温整定压力试验、低温回座压力试验、低温密封性能试验、低温动作性能试验； LNG罐顶吸阀的吸入压力、常温密封性能、常温动作性能。而重要考核指标就是在超低温介质温度环境和微正压压力环境同时满足的情况下，检测LNG罐顶呼阀的呼出压力、回座压力、动作性能以及密封性能。试验过程既需要提供-110℃～-180℃的超低温温度环境，又需要提供 0.75KPa～3KPa的微正压压力环境。单一的超低温环境、超低温环境和高压环境耦合、单一的微正压环境、常温和微正压环境耦合比较容易实现，但超低温和微正压耦合环境模拟实现比较困难，主要原因在于超低温介质由于温度极低，与环境温度温差很大，很容易由于漏热导致压力上升超过微正压的压力范畴，要在超低温和微正压耦合环境下进行LNG罐顶呼阀的性能试验十分困难，亟待解决。
发明内容
本发明的的其中一个目的是克服上述现有技术的不足，提供一种用于低温呼吸阀的平衡复合试验系统，其能模拟超低温和微正压同时存在的温度和压力耦合环境，从而为在超低温和微正压耦合环境下进行LNG 罐顶呼阀的性能试验提供先决条件；同时，在该系统上还能够进行常规的LNG罐顶呼阀的常温呼出压力试验、常温回座压力试验、常温密封性能试验、常温动作性能试验、低温整定压力试验、低温回座压力试验、低温密封性能试验、低温动作性能试验；LNG罐顶吸阀的吸入压力试验、常温密封性能试验、常温动作性能试验，从而具备复合试验能力，提升了实际试验效率。本发明的另一个目的在于提供一种方法，从而基于上述系统来快速可靠的生成LNG罐顶呼阀性能试验所需的超低温和微正压耦合环境。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种用于低温呼吸阀的平衡复合试验系统，其特征在于：该系统包括超低温输入单元、正压输入单元、温压耦合单元、调节单元、试验单元、常温输入单元及负压输入单元，各单元均连接测控模组；其中：
超低温输入单元：包括汽液缓存罐，汽液缓存罐的输入口依序经由截止阀V1和截止阀V2连通至液氮罐的液相出口，汽液缓存罐的输出口经由截止阀V3连通正压输入单元入口；超低温输入单元还包括保温管路，保温管路的输入端连通至截止阀V1和截止阀V2之间的一段管路上，保温管路的输出端经由截止阀V10连通至试验单元的冷屏调温器处；
正压输入单元：包括彼此并联的调节阀CV1和截止阀V4；
温压耦合单元：包括温压耦合罐，温压耦合罐的输入管路经由截止阀V5连通所述正压输入单元，温压耦合罐的其中一个输出管路经由截止阀V6连通所述调节单元，稳压耦合器的另一个输出管路经由截止阀 V7连通所述试验单元；
调节单元：包括彼此并联的调节阀CV2和截止阀V8；
试验单元：包括连通温压耦合罐的由彼此并联的调节阀CV3和截止阀V9构成的第一并联管路，第一并联管路再经冷屏调温器连通连接盘；所述连接盘用于连接LNG罐顶呼阀或LNG罐顶吸阀；
常温输入单元：包括由低温氮气进气管道和气动增压管道并联形成的常温输入模块，所述低温氮气进气管道一端连接液氮罐气相出口，并沿气体流向依序布置调节阀CV4和截止阀V11，所述气动增压管道包括沿气体流向依序布置的气动增压泵和截止阀V13；常温输入模块再经由截止阀V12连通正压输入单元入口；
负压输入单元：包括调节阀CV5和截止阀CV14并联形成的负压控制模块，该负压控制模块的一端连接真空泵，另一端经由截止阀V16连通温压耦合罐；
LNG罐顶呼阀或LNG罐顶吸阀旁侧布置酒精计泡器，汽液缓存罐处布置液位传感器L；所述汽液缓存罐、温压耦合罐及连接盘处均分别布置压力传感器和温度传感器。
优选的，所述超低温输入单元、正压输入单元及温压耦合单元处均分别布置安全阀。
优选的，所述测控模组包括发出指令的上位机和执行指令的PLC。
优选的，一种应用所述平衡复合试验系统的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.一阶预冷过程：
S11.打开截止阀V6、截止阀V8、操作调节阀CV2至最大开度；
S12.打开截止阀V5，截止阀V4、操作调节阀CV1至最大开度；
S13.打开截止阀V1和截止阀V3；
S14.打开截止阀V2，开始向汽液缓存罐中输入液氮；
S15.观察汽液缓存罐处温度传感器T1、压力传感器P1和液位传感器T1的示值，使之保持设定数值，随后进入S2步骤；
S2.二阶预冷过程：
S21.打开截止阀V10、观察温压耦合罐处温度传感器T2的示值，直到其达到-100℃；
S22.打开截止阀V7、逐渐增大调节阀CV3的开度，观察温压耦合罐处压力传感器P2的示值，通过操作调节阀CV3的开度使压力传感器P2 的示值始终低于LNG罐顶呼阀的动作压力；
S23.观察温度传感器T3和温度传感器T2的示值，直到它们的示值相等，并达到试验要求温度；进入S3步骤；
S3.稳压保冷过程：
当温度和压力都满足试验要求的超低温和微正压需求时，此时可形成超低温和微正压耦合环境，并开始稳定温度和压力；
S31.随着试验的进行和系统漏热，温度产生的变化由测控模组控制截止阀V1和截止阀V10的开启和关闭进行调节；
S32.随着试验的进行，压力产生的变化由测控模组控制调节阀CV1 和调节阀CV2的开度以及汽液缓存罐处液氮加热器的功率进行调节。
本发明的有益效果在于：
1)、通过上述方案，本发明可实现超低温和微正压的平衡，进而能可靠快速的模拟出超低温和微正压同时存在的温度和压力耦合环境。同时，由于常温输入单元和负压输入单元的存在，因此在该系统上，还能够进行常规的LNG罐顶呼阀的常温呼出压力试验、常温回座压力试验、常温密封性能试验、常温动作性能试验、低温整定压力试验、低温回座压力试验、低温密封性能试验、低温动作性能试验；LNG罐顶吸阀的吸入压力试验、常温密封性能试验、常温动作性能试验，从而具备复合试验能力，提升了实际试验效率。
2)、通过上述方案，本发明在一个系统里，提供了超低温和微正压耦合环境、微正压常温环境、高压常温环境、超低温高压环境、微负压常温环境、高负压常温环境等多种环境工况，为LNG罐顶呼吸阀和其他场合工况使用的呼吸阀提供了非常便捷的试验装置和方法。
附图说明
图1为本发明的结构示意框图；
图2为本发明的管路连接示意图。
本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
a-LNG罐顶呼阀
10-超低温输入单元 11-汽液缓存罐 11a-液氮加热器
20-正压输入单元 30-温压耦合单元 31-温压耦合罐
40-调节单元 50-试验单元
51-连接盘 52-酒精计泡器 53-冷屏调温器
60-测控模组
70-常温输入单元 71-气动增压泵
80-负压输入单元 81-真空泵
具体实施方式
为便于理解，此处以LNG罐顶呼阀a的试验系统为例，结合图1-2，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
本发明的具体结构如图1-2所示，其主要由超低温输入单元10、正压输入单元20、温压耦合罐31单元、试验单元50、调节单元40和测控模组60共同组成。其中：
超低温输入单元10由液氮进液管道、带有液氮加热器11a的汽液缓存罐11和液氮出液管道、安全阀等组成。液氮进液管道上布置截止阀V1和截止阀V2；汽液缓存罐11处布置温度传感器T1、压力传感器 T2和液位传感器L。超低温输入单元10还包括一条保温管道，该保温管道一端连通在截止阀V1和截止阀V2之间的一段液氮进液管道上，另一端经由截止阀V10连通所述试验单元50。
正压输入单元20包括彼此并联布置的带有截止阀V4的正压输入管道和布置调节阀CV1的正压输入调节管道。正压输入单元20上同样布置有安全阀。
温压耦合单元30由温压耦合罐31、温度传感器T2、压力传感器P2、安全阀和各路接口处的截止阀V5、截止阀V6和截止阀V7等组成。温压耦合罐31底部布置排料阀。
试验单元50由带有截止阀V9的输出管道、带有调节阀CV3的输出调节管道、冷源连通所述保温管道的冷屏调温器53、连接盘51、LNG罐顶呼阀a、酒精计泡器52等组成。冷屏调温器53处还布置温度传感器 T3和压力传感器P3。
调节单元40包括带有调节阀CV2的调节总管和带有截止阀V8的微调旁路。
常温输入单元70的出口与正压输出单元20输入口通过截止阀V12 相连，低温氮气进气管道和气动增压管道并联布置，并汇总于截止阀 V12。低温氮气进气管道一端连接液氮罐气相出口，并沿气体流向依序布置调节阀CV4和截止阀V11。气动增压管道包括沿气体流向依序布置的气动增压泵和截止阀V13。
负压输入单元80通过截止阀V16直接连通温压耦合罐31。负压输入单元80包括调节阀CV5和截止阀CV14并联形成的负压控制模块，该负压控制模块的一端连接真空泵，以实现负压输入功能。
测控模组60由PLC和上位机等组成。
此处给出本发明的方法如下：
对于LNG罐顶呼阀a而言，本发明要实现超低温和微正压的温压耦合，需要经过一阶预冷过程、二阶预冷过程和稳压保冷过程三个步骤：
S1.一阶预冷过程：
S11.打开截止阀V6、截止阀V8、操作调节阀CV2至最大开度；
S12.打开截止阀V5，截止阀V4、操作调节阀CV1至最大开度；
S13.打开截止阀V1和截止阀V3；
S14.打开截止阀V2，开始向汽液缓存罐11中输入液氮；
S15.观察汽液缓存罐11处温度传感器T1、压力传感器P1和液位传感器T1的示值，使之保持设定数值，随后进入S2步骤；
此过程的主要目的是对温压耦合罐31进行降温预冷，由于LNG罐顶呼阀属于微正压动作，而液氮进入常温管道和容器中受热迅速汽化产生的压力已经远高于LNG罐顶呼阀a的动作压力，因此需要对温压耦合罐31进行独立降温预冷。
S2.二阶预冷过程：
S21.打开截止阀V10、观察温压耦合罐31处温度传感器T2的示值，直到其达到-100℃；
S22.打开截止阀V7、逐渐增大调节阀CV3的开度，观察温压耦合罐 31处压力传感器P2的示值，通过操作调节阀CV3的开度使压力传感器 P2的示值始终低于LNG罐顶呼阀的动作压力；
S23.观察温度传感器T3和温度传感器T2的示值，直到它们的示值相等，并达到试验要求温度；进入S2步骤；
此过程的主要目的先通过冷屏调温器预冷调节LNG罐顶呼阀进气管口的温度，再通过温压耦合罐31向LNG罐顶呼阀进气管和排放管输入微正压冷氮气预冷。冷屏调温器53内部循环液氮，对LNG罐顶呼阀进气管口进行辐射预冷，温压耦合罐31输出冷氮气对LNG罐顶呼阀进气管口进行对流预冷。
S3.稳压保冷过程：
当温度和压力都满足试验要求的超低温和微正压需求时，此时可形成超低温和微正压耦合环境，并开始稳定温度和压力；
S31.随着试验的进行和系统漏热，温度产生的变化由测控模组60 控制截止阀V1和截止阀V10的开启和关闭进行调节；
S32.随着试验的进行，压力产生的变化由测控模组60控制调节阀 CV1和调节阀CV2的开度以及汽液缓存罐11处液氮加热器11a的功率进行调节。
实际操作时，稳压保冷过程可考虑通过多变量输入条件的PID调节算法程序，来控制稳定试验所需的超低温的温度参数和微正压的压力参数，具体控制方式通过上位机完成，PLC负责执行上位机命令并驱动各单元执行相应动作，以便更灵活可控的形成试验所需的超低温和微正压耦合环境。
在上述试验方法的基础上，本发明还可执行常规的LNG罐顶呼阀的常温呼出压力试验、常温回座压力试验、常温密封性能试验、常温动作性能试验、低温整定压力试验、低温回座压力试验、低温密封性能试验、低温动作性能试验；LNG罐顶吸阀的吸入压力试验、常温密封性能试验、常温动作性能试验，从而使得本发明具备了复合试验的能力。上述试验项目较多，但仍然是通过上述一阶预冷过程、二阶预冷过程和稳压保冷过程配合正压稳压过程和负压稳压过程组合实现，也即上述五个单独过程构成了五个通用过程，对该五个通用过程加以组合即可实现各项试验流程。
LNG罐顶呼阀的常温呼出压力试验、常温回座压力试验通过正压稳压过程，最后开启截止阀V9，增大管道通径实现LNG罐顶呼阀的大流量动作，并测定常温呼出压力和常温回座压力。
LNG罐顶呼阀的低温呼出压力试验、低温回座压力试验通过正压稳压过程，最后开启截止阀V9，增大管道通径实现LNG罐顶呼阀的大流量动作，并测定常温呼出压力和常温回座压力。
LNG罐顶呼阀的常温密封性能试验通过正压稳压过程，稳压到试验所需压力后，检测其出口泄漏率即可。
LNG罐顶呼阀的低温整定压力试验、低温回座压力试验通过一阶预冷过程、二阶预冷过程和稳压保冷过程，最后开启截止阀V9，增大管道通径实现LNG罐顶呼阀的大流量动作，并测定低温呼出压力和低温回座压力。
LNG罐顶呼阀的低温密封性能试验通过一阶预冷过程、二阶预冷过程和稳压保冷过程，稳压到试验所需压力后，检测其出口泄漏率即可。
LNG罐顶吸阀的吸入压力试验通过负压稳压过程，开启截止阀V9，增大管道通径实现LNG罐顶吸阀的大流量动作，并测定吸入压力。
LNG罐顶吸阀的常温密封性能试验通过负压稳压过程，稳压到试验所需压力后，检测其出口吸气率即可。
为完整整个通用过程，此处对正压稳压过程和负压稳压过程的试验流程补充描述如下：
正压的稳压过程：
S41.1MPa以下的压力选择液氮罐气相出口输出，打开截止阀V11； 1MPa以上的试验压力选择气动增压泵71输出，打开截止阀V13。
S42.打开截止阀V12、截止阀V5、截止阀V7、截止阀V6。
S43.操作调节阀CV3处于小开度。
S44.操作调节阀CV1和调节阀CV2开度，使压力传感器P2示值缓慢增长至试验压力，并保持稳定。
S45.通过调节阀CV1粗调压力传感器P2示值，通过调节阀CV2微调压力压力传感器P2示值，最终实现正压稳压效果。
负压的稳压过程：
S51.打开截止阀V16、截止阀V7、截止阀V6、截止阀V8。
S52.开启真空泵81。
S53.操作调节阀CV5处于小开度，操作调节阀CV3处于小开度。
S54.根据试验状态，关闭截止阀V8，操作调节阀CV2开度。
S55.操作调节阀CV5、调节阀CV3、调节阀CV2开度，使压力传感器P2示值缓慢下降至试验压力，并保持稳定。
S56.通过调节阀CV5粗调压力传感器P2示值，通过调节阀CV3和调节阀CV2微调压力压力传感器P2示值，最终实现负压稳压效果。
当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明未详细描述的技术均为公知技术。

Claims (4)

1.一种用于低温呼吸阀的平衡复合试验系统，其特征在于：该系统包括超低温输入单元(10)、正压输入单元(20)、温压耦合单元(30)、调节单元(40)、试验单元(50)、常温输入单元(70)及负压输入单元(80)，各单元均连接测控模组(60)；其中：
超低温输入单元(10)：包括汽液缓存罐(11)，汽液缓存罐(11)的输入口依序经由截止阀V1和截止阀V2连通至液氮罐的液相出口，汽液缓存罐(11)的输出口经由截止阀V3连通正压输入单元(20)入口；超低温输入单元(10)还包括保温管路，保温管路的输入端连通至截止阀V1和截止阀V2之间的一段管路上，保温管路的输出端经由截止阀V10连通至试验单元(50)的冷屏调温器(53)处；
正压输入单元(20)：包括彼此并联的调节阀CV1和截止阀V4；
温压耦合单元(30)：包括温压耦合罐(31)，温压耦合罐(31)的输入管路经由截止阀V5连通所述正压输入单元(20)，温压耦合罐(31)的其中一个输出管路经由截止阀V6连通所述调节单元(40)，稳压耦合器的另一个输出管路经由截止阀V7连通所述试验单元(50)；
调节单元(40)：包括彼此并联的调节阀CV2和截止阀V8；
试验单元(50)：包括连通温压耦合罐(31)的由彼此并联的调节阀CV3和截止阀V9构成的第一并联管路，第一并联管路再经冷屏调温器(53)连通连接盘(51)；所述连接盘(51)用于连接LNG罐顶呼阀或LNG罐顶吸阀；截止阀V9的作用在于进行LNG罐顶呼呼阀的整定压力、回座压力试验和LNG罐顶吸阀的吸气压力试验时提供大流量通道，确保呼阀和吸阀的顺利动作。
常温输入单元(70)：包括由低温氮气进气管道和气动增压管道并联形成的常温输入模块，所述低温氮气进气管道一端连接液氮罐气相出口，并沿气体流向依序布置调节阀CV4和截止阀V11，所述气动增压管道包括沿气体流向依序布置的气动增压泵(71)和截止阀V13；常温输入模块再经由截止阀V12连通正压输入单元(20)入口；
负压输入单元(80)：包括调节阀CV5和截止阀CV14并联形成的负压控制模块，该负压控制模块的一端连接真空泵(81)，另一端经由截止阀V16连通温压耦合罐(31)；
LNG罐顶呼阀或LNG罐顶吸阀旁侧布置酒精计泡器(52)，汽液缓存罐(11)处布置液位传感器L；所述汽液缓存罐(11)、温压耦合罐(31)及连接盘(51)处均分别布置压力传感器和温度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种用于低温呼吸阀的平衡复合试验系统，其特征在于：所述超低温输入单元(10)、正压输入单元(20)及温压耦合单元(30)处均分别布置安全阀。
3.根据权利要求1所述的一种用于低温呼吸阀的平衡复合试验系统，其特征在于：所述测控模组(60)包括发出指令的上位机和执行指令的PLC。
4.一种应用如权利要求1或2或3所述的平衡复合试验系统的方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.一阶预冷过程：
S11.打开截止阀V6、截止阀V8、操作调节阀CV2至最大开度；
S12.打开截止阀V5，截止阀V4、操作调节阀CV1至最大开度；
S13.打开截止阀V1和截止阀V3；
S14.打开截止阀V2，开始向汽液缓存罐(11)中输入液氮；
S15.观察汽液缓存罐(11)处温度传感器T1、压力传感器P1和液位传感器T1的示值，使之保持设定数值，随后进入S2步骤；
S2.二阶预冷过程：
S21.打开截止阀V10、观察温压耦合罐(31)处温度传感器T2的示值，直到其达到-100℃；
S22.打开截止阀V7、逐渐增大调节阀CV3的开度，观察温压耦合罐(31)处压力传感器P2的示值，通过操作调节阀CV3的开度使压力传感器P2的示值始终低于LNG罐顶呼阀的动作压力；
S23.观察温度传感器T3和温度传感器T2的示值，直到它们的示值相等，并达到试验要求温度；进入S2步骤；
S3.稳压保冷过程：
当温度和压力都满足试验要求的超低温和微正压需求时，此时可形成超低温和微正压耦合环境，并开始稳定温度和压力；
S31.随着试验的进行和系统漏热，温度产生的变化由测控模组(60)控制截止阀V1和截止阀V10的开启和关闭进行调节；
S32.随着试验的进行，压力产生的变化由测控模组(60)控制调节阀CV1和调节阀CV2的开度以及汽液缓存罐(11)处液氮加热器(11a)的功率进行调节。
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