CN114542964B - 一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置，包括：外套管单元、内套管单元、冷桥单元、测量元件单元；内套管套设于外套管中，内套管的管壁上固定有测量元件接头，测量元件接头与冷桥单元相连接，外管套的内壁沿轴线方向设有沟槽，冷桥单元卡设在沟槽中且沿沟槽方向滑动，与沟槽的槽壁相接触，将介质温度通过热传导的方式传递给测量元件探头。温度测量装置安装后，通过内套管单元法兰盖上的吹扫口和通气口可以向套管中通入沸点低于储罐中低温介质的气体，如氦气，将套管中的空气吹扫干净，避免在极低温度下套管中空气冷凝导致测量误差加大；同时本发明可以实现在储运系统正常运行工况下温度测量装置的在线维护。

Description

一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置

技术领域

本发明涉及低温储运系统温度测量技术领域，尤其是一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置。

背景技术

氢能源作为一种清洁能源，近些年得到国家大力推广。液氢因其储能密度高、压力低等特点成为一个主要的研发方向，但是液氢储运装置大型化后出现了很多新问题，其中包含液氢分层问题。液氢分层后，如果重组分在上部，一旦密度差超过临界值，组分之间会迅速对流，形成翻滚现象，液氢会大量气化，超出储罐安全泄放装置的泄放能力，对设备造成毁灭性破坏。液氢分层的原因主要有两种：1.充装。新冲入的低温液氢与原液氢密度不同，可能出现分层。2.杂质优先蒸发引起的分层。

鉴于分层所引起的后果较为严重，针对分层现象的研究较多，得出防范分层的主流方式有两个方面：1.操作方面：充装轻组分用底进液，重组分用上进液；定期打回流；搅拌液氢；提高纯度；2.日常监控方面：监控罐内不同高度液氢的密度和温度，通过建立理论模型提出分层的临界值，在控制系统中设置密度和温度差值的报警值，从而实现预警，其中，控制层间温度是一个直观且有效的措施，通过布置多点平均温度计，实时反馈不同高度的介质温度，判断是否有发生分层的风险。

现有技术中，多点平均温度计的安装需要在储罐内部预置一个套管，套管外侧与液氢接触，内侧与测量元件接触，测量元件与套管的连接方式是决定测量精度的首要因素。为了保证储罐的日蒸发率尽量低，套管往往是封闭的，测量元件与套管的连接要么固定安装，要么套管安装。固定安装是指测量元件与套管在初始安装时焊在一起，但是不便于后期维护，且套管长度越长中间部分的测温点越难安装；套管安装是指测量元件安装在内管后再伸入套管中，但是这样很难保证测量元件与套管的紧密接触，造成测量精度较差；同时，由于液氢沸点低于液氮沸点，如果采用套管安装，套管中的空气会液化，封闭的套管空间形成近似真空的环境，测量探头与被测件的接触不良对测量精度造成进一步的影响。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置，提高了测量精度和可维护性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置，包括：外套管单元、内套管单元、冷桥单元、测量元件单元；

所述外套管单元包括外套管；所述内套管单元包括内套管；所述内套管套设在外套管中，所述外套管用于放置在液氢储罐的内罐中，与液氢储罐中的介质相接触；

所述测量元件单元包括测量元件探头；所述测量元件探头设置于内套管的管壁上；

所述测量元件探头与冷桥单元相连接，所述冷桥单元与外套管的内壁相接触，将介质温度通过热传导的方式传递给测量元件探头。

优选的，所述外套管的内壁上沿轴线方向设有沟槽；所述冷桥单元可滑动的设置于沟槽中。

优选的，所述冷桥单元包括冷桥翅片、限位柱、弹性元件；

所述冷桥翅片的一端与限位柱的端面相连接，通过限位柱卡设在沟槽中，且与沟槽的槽壁即外套管的内壁相接触；

所述弹性元件套设在限位柱上，且与位于限位柱端面处的冷桥翅片相连接，用于挤压冷桥翅片，将冷桥翅片与沟槽的槽壁相紧密接触；

所述冷桥翅片的另一端与测量元件探头相连接。

优选的，所述冷桥单元设有两个冷桥翅片，该两个冷桥翅片的一端分别与限位柱的两端面相连接，通过限位柱卡设在沟槽中，所述弹性元件的两端分别与位于限位柱两端面处的两个冷桥翅片相连接；

该两个冷桥翅片的另一端通过冷桥连接板相连接，所述冷桥连接板与测量元件探头相连接。

优选的，所述内套管单元还包括：法兰盖、通气口；

所述法兰盖的底面与外套管单元相连接，用于封装外套管单元，且法兰盖的底面还与内套管相连接；

所述法兰盖上开设有用于与通气口相连通的第一通孔，所述法兰盖上的第一通孔对准内套管与外套管之间的管间隙。

优选的，所述内套管单元还包括：仪表管、吹扫口；

所述法兰盖的顶面设有仪表管，且法兰盖上开设有用于连通仪表管和内套管的第二通孔；

所述仪表管的侧壁上设有吹扫口；

利用所述吹扫口向仪表管和内套管中通入气体，利用法兰盖上的第一通孔和通气口进行排气。

优选的，所述测量元件单元还包括测量元件线缆、测量元件表头；所述测量元件表头通过测量元件线缆与测量元件探头相连接，用于读取测量元件探头的采集数据；

所述仪表管的管口设有第二连接法兰，所述测量元件表头与第二连接法兰相连接，密封内套管单元；所述测量元件线缆为防爆线缆。

优选的，所述外套管单元还包括：第二加强连接管、夹层连接套管、真空管、第一加强连接管、膨胀节、密封盖板、第一连接法兰；

所述外管套单元分别与液氢储罐的内罐和外罐的罐壁相连接；

所述外套管的管口与第二加强连接管相连接，所述第二加强连接管的管壁与液氢储罐的内罐罐壁密封连接；所述第二加强连接管还通过夹层连接套管与真空管的内管相连接，所述真空管的内管管口设有用于连接内套管单元的第一连接法兰；

所述真空管的外管上设有膨胀节，所述膨胀节的顶端通过密封盖板与所述真空管的外管密封连接；所述膨胀节的底端与第一加强连接管相连接，所述第一加强连接管的管壁与液氢储罐的外罐罐壁密封连接。

优选的，所述外套管单元还包括：导向支架；所述导向支架与外套管的外管壁相连接，用于对外套管进行支撑。

优选的，测量元件单元中设有若干个测量元件探头；此若干个测量元件探头均布置在内套管的管壁上；每个测量元件探头均通过一个冷桥单元与外套管的内壁相连接。

本发明的优点在于：

(1)本发明通过将测量装置功能化分块，利用外套管单元与液氢接触，利用内套管单元固定测量元件探头，利用冷桥单元将测量元件探头与和外套管的内壁相连接，将液氢温度通过热传导的方式传递给测量元件探头，从而减小了测量误差，保证了测量的准确性。

(2)本发明在外套管内壁上沿轴线方向加工有沟槽，冷桥单元卡设在沟槽中，且可在沟槽中沿沟槽方向滑动，利用冷桥单元中的弹性元件将冷桥翅片紧密的压到外套管的沟槽中，确保连接的有效性。

(3)本发明在测量装置安装就位后通过法兰盖上的吹扫口和通气口可以向套管中通入沸点低于液氢温度的气体，如氦气，同时将套管中的空气吹扫干净，从而避免在液氢温度下套管中空气冷凝导致测量误差加大的情况。

(4)本发明可以通过吹扫口吹入氦气到内套管中，由于氦气密度比空气密度低，随着氦气量的增加，内套管自上而下逐渐充满氦气，将下部的空气挤压到内套管与外罐之间的间隙，通过通气口排放出去，从而实现整个测量装置中空气的排净。

(5)本发明采用柔性外套管单元，外套管单元上的膨胀节可以有效的补偿液氢储罐的内外罐体的膨胀量之差，降低接管加强段与内外罐体连接处的热应力。

(6)本发明的外套管单元和内套管单元的结构设计，测量装置安装就位后，需要进行维护时，可直接将内套管单元与外套管单元分开，拔出内套管以及与内套管相连接的测量元件探头和冷桥单元，实现了测量装置的在线维护，无需将储罐排空就可在线拆装仪表，对其进行标定和维修更换。

(7)本发明通过布置多个测量元件探头即布置多个温度测点，测量多个温度测点的数据进行最终结果的判定，进一步降低测量误差带来的影响。本实施例中，通过在同一高度上布置三个温度测点，通过比对三个温度测点的反馈数据进行最终结果的判定，进一步降低测量误差带来的影响。

附图说明

图1为本发明的一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置。

图2为本发明的温度测量装置中的各单元连接的结构示意图。

图3为本发明的温度测量装置中的冷桥单元的结构示意图。

附图标记如下：

1—外套管；2—第二接管加强段；3—夹层连接套管；4—真空管；5--第一接管加强段；6—膨胀节；7—密封盖板；8--第一连接法兰；9—法兰盖；10—通气口；11—仪表口；12—第二连接法兰；13—测量元件表头；14—吹扫口；15—内套管；16-测量元件线缆；17—导向支架；18—冷桥连接板；19—弹性元件；20—限位柱；21-冷桥翅片；22-测量元件探头；23-沟槽；24-第一通孔；25-第二通孔；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

由图1所示，一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置，包括：外套管单元、内套管单元、冷桥单元、测量元件单元；

由图1所示，所述外套管单元与液氢储罐的双层罐壁相连接；

所述外套管单元包括：外套管1、第二加强连接管2、夹层连接套管3、真空管4、第一加强连接管5、膨胀节6、密封盖板7、第一连接法兰8、导向支架17；

所述外套管1用于放置在液氢储罐的内罐中，与液氢储罐中的介质即液氢相接触；所述外套管1的管口与第二加强连接管2相连接，所述第二加强连接管2与液氢储罐的内罐罐壁相连接，将液氢储罐的内罐低温环境与外罐隔离；所述第二加强连接管2还通过夹层连接套管3与真空管4的内管相连接；

所述真空管4的内管管口设有用于连接内套管单元的第一连接法兰8。

所述真空管4的外管上设有膨胀节6，所述膨胀节6的顶端通过密封盖板7与真空管4的外管密封连接；所述膨胀节6的底端与第一加强连接管5相连接，所述第一加强连接管5与液氢储罐的外罐罐壁相连接，且第一加强连接管5不与真空管4相连接，利用膨胀节6可以有效的补偿液氢储罐内外罐体的膨胀量之差，降低第二加强连接管2和第一加强连接管5与内外罐体连接处的热应力，所述第一加强连接管5、膨胀节6、密封盖板7形成的密封结构，实现液氢储罐的密封功能。

本实施例中，所述外套管1和第二加强连接管2同材质，一个是锻件，一个是管材。液氢储罐的外罐不是耐低温介质的钢材，真空管4的内管与低温介质相连，外管是常温，起到绝热作用。

所述导向支架17与外套管1的外管壁相连接，用于对外套管1进行支撑。

所述内套管单元包括：法兰盖9、通气口10、仪表管11、第二连接法兰12、吹扫口14、内套管15；

所述法兰盖9的底面用于与外套管单元的第一连接法兰8相连接，且法兰盖9的底面还与内套管15相连接，用于将内套管15套设在外套管1中。

所述法兰盖9上开设有用于与通气口10相连通的第一通孔24，所述法兰盖9上的第一通孔24对准内套管15与外套管1之间的管间隙。

所述法兰盖9的顶面设有仪表管11，且法兰盖9上开设有用于连通仪表管11和内套管15的第二通孔25。

所述仪表管11的侧壁上设有吹扫口14，利用所述吹扫口14向仪表管11和内套管15中通入沸点低于储罐中低温介质的气体，利用法兰盖9上的第一通孔24和通气口10进行排气，从而将内套管15和外套管1中的空气吹扫干净，从而避免在极低温度下套管中空气冷凝导致测量误差加大的情况。

所述仪表管11的管口设有用于封装内套管单元的第二连接法兰12。

所述测量元件单元包括：测量元件表头13、测量元件线缆16、测量元件探头22；

所述测量元件表头13与内套管单元的第二连接法兰12相连接，用于封装内套管单元；

所述测量元件表头13通过测量元件线缆16与测量元件探头22相连接，用于获取测量元件探头22的采集数据；

所述测量元件线缆16为防爆线缆。

由图2所示，所述测量元件探头22设置在内套管15的管壁上，与冷桥单元相连接。所述外套管1的内壁沿轴线方向设有沟槽23，所述冷桥单元设置于外套管1内壁的沟槽23中，将介质温度通过热传导的方式传递给测量元件探头22。

由图3所示，所述冷桥单元包括：冷桥连接板18、弹性元件19、限位柱20、冷桥翅片21。

本实施例中，设有两个冷桥翅片21，该两个冷桥翅片21的一端分别与限位柱20的两端面相连接，该两个冷桥翅片21通过限位柱20卡设在沟槽23中。所述弹性元件19套设在限位柱20上，弹性元件19的两端分别与位于限位柱20两端面处的两个冷桥翅片21相连接，用于将该两个冷桥翅片21分别与沟槽23槽壁即外套管1内壁相紧密接触，即将该两个冷桥翅片21紧密挤压在沟槽23中。该两个冷桥翅片21的另一端通过冷桥连接板18相连接，所述冷桥连接板18与测量元件探头22相连接，将介质温度通过热传导的方式传递给测量元件探头22。

测量元件单元中可以设有若干个测量元件探头22；此若干个测量元件探头22均布置在内套管15的管壁上；每个测量元件探头22均通过一个冷桥单元与外套管1的内壁相连接。

本实施例中，所述内套管15管壁的在同一高度上布置三个测量元件探头22，所述外套管1的内壁沿轴线方向对应的设有三个沟槽23，每个测量元件探头22均通过一个冷桥单元与外套管1的内壁相连接，即在同一高度上布置三个温度测点，通过比对三个温度测点的反馈数据进行最终结果的判定，进一步降低测量误差带来的影响。

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

Claims (8)

1.一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置，其特征在于，包括：外套管单元、内套管单元、冷桥单元、测量元件单元；

所述外套管单元包括外套管(1)；所述内套管单元包括内套管(15)；所述内套管(15)套设在外套管(1)中，所述外套管(1)用于放置在液氢储罐的内罐中，与液氢储罐中的介质相接触；

所述测量元件单元包括测量元件探头(22)；所述测量元件探头(22)设置于内套管(15)的管壁上；

所述测量元件探头(22)与冷桥单元相连接，所述冷桥单元与外套管(1)的内壁相接触，将介质温度通过热传导的方式传递给测量元件探头(22)；

所述内套管单元还包括：法兰盖(9)、通气口(10)；

所述法兰盖(9)的底面与外套管单元相连接，用于封装外套管单元，且法兰盖(9)的底面还与内套管(15)相连接；

所述法兰盖(9)上开设有用于与通气口(10)相连通的第一通孔(24)，所述法兰盖(9)上的第一通孔(24)对准内套管(15)与外套管(1)之间的管间隙；

所述内套管单元还包括：仪表管(11)、吹扫口(14)；

所述法兰盖(9)的顶面设有仪表管(11)，且法兰盖(9)上开设有用于连通仪表管(11)和内套管(15)的第二通孔(25)；

所述仪表管(11)的侧壁上设有吹扫口(14)；

利用所述吹扫口(14)向仪表管(11)和内套管(15)中通入气体，利用法兰盖(9)上的第一通孔(24)和通气口(10)进行排气。

2.根据权利要求1所述的一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置，其特征在于，所述外套管(1)的内壁上沿轴线方向设有沟槽(23)；所述冷桥单元可滑动的设置于沟槽(23)中。

3.根据权利要求2所述的一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置，其特征在于，所述冷桥单元包括冷桥翅片(21)、限位柱(20)、弹性元件(19)；

所述冷桥翅片(21)的一端与限位柱(20)的端面相连接，通过限位柱(20)卡设在沟槽(23)中，且与沟槽(23)的槽壁即外套管(1)的内壁相接触；

所述弹性元件(19)套设在限位柱(20)上，且与位于限位柱(20)端面处的冷桥翅片(21)相连接，用于挤压冷桥翅片(21)，将冷桥翅片(21)与沟槽(23)的槽壁相紧密接触；

所述冷桥翅片(21)的另一端与测量元件探头(22)相连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置，其特征在于，所述冷桥单元设有两个冷桥翅片(21)，该两个冷桥翅片(21)的一端分别与限位柱(20)的两端面相连接，通过限位柱(20)卡设在沟槽(23)中，所述弹性元件(19)的两端分别与位于限位柱(20)两端面处的两个冷桥翅片(21)相连接；

该两个冷桥翅片(21)的另一端通过冷桥连接板(18)相连接，所述冷桥连接板(18)与测量元件探头(22)相连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置，其特征在于，所述测量元件单元还包括测量元件线缆(16)、测量元件表头(13)；所述测量元件表头(13)通过测量元件线缆(16)与测量元件探头(22)相连接，用于读取测量元件探头(22)的采集数据；

所述仪表管(11)的管口设有第二连接法兰(12)，所述测量元件表头(13)与第二连接法兰(12)相连接，密封内套管单元；所述测量元件线缆(16)为防爆线缆。

6.根据权利要求1所述的一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置，其特征在于，所述外套管单元还包括：第二加强连接管(2)、夹层连接套管(3)、真空管(4)、第一加强连接管(5)、膨胀节(6)、密封盖板(7)、第一连接法兰(8)；

所述外套管单元分别与液氢储罐的内罐和外罐的罐壁相连接；

所述外套管(1)的管口与第二加强连接管(2)相连接，所述第二加强连接管(2)的管壁与液氢储罐的内罐罐壁密封连接；所述第二加强连接管(2)还通过夹层连接套管(3)与真空管(4)的内管相连接，所述真空管(4)的内管管口设有用于连接内套管单元的第一连接法兰(8)；

所述真空管(4)的外管上设有膨胀节(6)，所述膨胀节(6)的顶端通过密封盖板(7)与所述真空管(4)的外管密封连接；所述膨胀节(6)的底端与第一加强连接管(5)相连接，所述第一加强连接管(5)的管壁与液氢储罐的外罐罐壁密封连接。

7.根据权利要求1所述的一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置，其特征在于，所述外套管单元还包括：导向支架(17)；所述导向支架(17)与外套管(1)的外管壁相连接，用于对外套管(1)进行支撑。

8.根据权利要求1所述的一种用于液氢储运系统可在线维护的温度测量装置，其特征在于，测量元件单元中设有若干个测量元件探头(22)；此若干个测量元件探头(22)均布置在内套管(15)的管壁上；每个测量元件探头(22)均通过一个冷桥单元与外套管(1)的内壁相连接。