小型固定式深冷壓力容器限充裝置探討

陳 平，姬茹一

(1.廣東華南特種氣體研究所有限公司，廣東 佛山 528000；2.機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測(cè)所有限公司，上海 201518)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，氣體被廣泛用于工業(yè)制造、軍工及電子等領(lǐng)域。氣體儲(chǔ)運(yùn)方式也由高壓氣體儲(chǔ)運(yùn)逐步向低溫液化氣體、冷凍液化氣體儲(chǔ)運(yùn)轉(zhuǎn)變。固定式真空絕熱深冷壓力容器(以下簡(jiǎn)稱低溫儲(chǔ)罐)具有安全、介質(zhì)儲(chǔ)存量大及供氣方便等特點(diǎn)，特別適用于冷凍液化氣體的儲(chǔ)存。

低溫儲(chǔ)罐是依據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[1]、GB/T 18442—2019《固定式真空絕熱深冷壓力容器》[2]進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)的，充裝介質(zhì)為冷凍液化氣體。低溫儲(chǔ)罐由內(nèi)容器和外殼組成，內(nèi)容器和外殼間形成的夾層空間為多層纏繞絕熱材料或填充膨脹珍珠巖，同時(shí)放置吸附劑用于吸附殘留空氣和材料釋放的氣體[3-4]。夾層空間經(jīng)抽真空處理形成真空層。內(nèi)容器用于儲(chǔ)存液氧、液氮、液氬及液化天然氣等冷凍液化氣體。在小型低溫儲(chǔ)罐使用過(guò)程中，普遍存在低溫液化氣體過(guò)量充裝的現(xiàn)象，給整個(gè)低溫儲(chǔ)罐系統(tǒng)的安全運(yùn)行和管理帶來(lái)隱患。筆者分析了小型低溫儲(chǔ)罐的特點(diǎn)和使用情況，認(rèn)為采用主動(dòng)式限充裝置更具有積極意義。

1 低溫儲(chǔ)罐額定充滿率要求

對(duì)于低溫儲(chǔ)罐的額定充滿率，GB/T 18442.3—2019《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》[5]規(guī)定，充裝非易爆介質(zhì)的液相體積應(yīng)不大于內(nèi)容器幾何體積的95%，充裝易爆介質(zhì)的液相體積應(yīng)不大于內(nèi)容器幾何體積的90%。同時(shí)還規(guī)定容器中應(yīng)設(shè)置便于限制充裝量的裝置，如溢流口，這一規(guī)定有力保障了低溫儲(chǔ)罐的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

近年來(lái)，小型低溫儲(chǔ)罐，特別是幾何體積小于等于10 m3的低溫儲(chǔ)罐應(yīng)用日益廣泛。但在其使用過(guò)程中常出現(xiàn)過(guò)量充裝現(xiàn)象，給整個(gè)低溫儲(chǔ)罐系統(tǒng)的安全運(yùn)行和管理帶來(lái)隱患。例如，幾何體積為10 m3、充裝介質(zhì)為液氮的低溫儲(chǔ)罐，充滿率可達(dá)95%，即液相空間為9.5 m3，氣相空間為0.5 m3。但在充液過(guò)程中，0.5 m3的氣相空間內(nèi)往往完全充滿液體。由于液體不可壓縮，而液氮?dú)庖后w積比為643(即1 m3液氮可以氣化為643 m3氮?dú)?，低溫儲(chǔ)罐內(nèi)較小的氣相空間會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐異常超壓，特別是低溫儲(chǔ)罐真空保溫性能下降后，更容易導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力過(guò)高而使儲(chǔ)罐內(nèi)容器處于不安全狀態(tài)[6-7]。若充裝介質(zhì)為液化天然氣，充裝時(shí)容易產(chǎn)生液體翻滾沸騰現(xiàn)象[8]，更易導(dǎo)致內(nèi)容器異常超壓，嚴(yán)重的會(huì)發(fā)生爆炸。幾何體積為3 m3、5 m3的低溫儲(chǔ)罐，更容易發(fā)生過(guò)量充裝現(xiàn)象。

2019-02，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局辦公廳發(fā)布的市監(jiān)特設(shè)函[2019]195號(hào)《市場(chǎng)監(jiān)管總局辦公廳關(guān)于規(guī)范壓力容器安全技術(shù)有關(guān)要求的通知》[9]中規(guī)定，制造單位應(yīng)對(duì)幾何體積小于等于10 m3的固定式深冷壓力容器配裝限充裝置。故對(duì)于小型低溫儲(chǔ)罐，裝配限充裝置極為重要。

2 低溫儲(chǔ)罐限充裝置結(jié)構(gòu)

固定式深冷壓力容器的進(jìn)料充裝方式包括底部充裝和頂部充裝[10]，限充裝置包括被動(dòng)式限充和主動(dòng)式限充，用戶可根據(jù)具體需要選擇進(jìn)料充裝和限充方式。

2.1 被動(dòng)式限充裝置

以往大多采用溢流閥來(lái)防止低溫液體儲(chǔ)罐過(guò)量充裝。向容器內(nèi)充裝冷凍液化氣體時(shí)，將溢流閥打開，當(dāng)充裝液面到達(dá)額定充滿率液面時(shí)，液體經(jīng)溢流閥向外排液，表示液體充裝到位。溢流閥限充裝置的缺點(diǎn)在于，在液體充裝后期容器要一直向外排氣，直至噴液，且溢流閥設(shè)計(jì)口徑為DN10～DN20 mm，而充裝口直徑為DN40～DN50 mm，在達(dá)到額定充滿率時(shí)，容器實(shí)際已處于過(guò)充狀態(tài)。溢流閥是一種被動(dòng)防過(guò)充裝置，若充裝人員不按規(guī)定操作或操作疏忽，更易造成內(nèi)容器液體過(guò)充?？紤]經(jīng)濟(jì)利益，實(shí)際使用中過(guò)充的冷凍液化氣體基本不會(huì)從溢流閥排出，小型低溫儲(chǔ)罐過(guò)量充裝現(xiàn)象普遍。

2.2 主動(dòng)式限充裝置

2.2.1內(nèi)裝式浮球凸輪限充裝置

內(nèi)裝式浮球凸輪限充裝置適用于新建低溫儲(chǔ)罐的限充，其結(jié)構(gòu)及工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 內(nèi)裝式浮球凸輪限充裝置結(jié)構(gòu)及工作原理示圖

內(nèi)裝式浮球凸輪限充裝置的特點(diǎn)和功能是，通過(guò)浮球凸輪機(jī)構(gòu)、密封球的自重以及流體的沖擊使密封球頂起和落下，從而完成正常充液、逐步減小通徑減慢充裝速度、最終封閉充液通道的限充過(guò)程。當(dāng)充裝液位沒(méi)有到達(dá)浮球位置時(shí)，凸輪是將密封球頂起的，此時(shí)液體充裝可以在全管徑通道內(nèi)正常進(jìn)行。當(dāng)液位到達(dá)浮球位置時(shí)，由于浮力的作用，浮球帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，在密封球的自重以及流體的共同作用力下，浮球逐步下沉，介質(zhì)流通通道逐漸減小，充液速度漸漸放慢。當(dāng)浮球到達(dá)要求的最高液位時(shí)，浮球?qū)⒊湟和ǖ狸P(guān)閉，從而起到防止低溫液體過(guò)充的作用。裝置中設(shè)置的噴淋管有利于將汽化的飽和蒸汽再次液化，從而降低儲(chǔ)罐的充裝壓力。內(nèi)裝式浮球凸輪限充裝置僅限于采用頂部充裝方式時(shí)的限充。

內(nèi)裝式浮球凸輪限充裝置整體采用奧氏體304不銹鋼制造，具有良好、穩(wěn)定的低溫力學(xué)性能。設(shè)計(jì)此裝置時(shí)需要對(duì)浮球進(jìn)行外壓校核，使浮球在使用過(guò)程中不會(huì)在外壓壓力波下失穩(wěn)[11]。同時(shí)需計(jì)算浮球的重量、體積，使浮球所受到的浮力F浮大于浮球的重量G球。

根據(jù)球殼小變形理論[12]，浮球臨界彈性失穩(wěn)壓力計(jì)算公式為：

(1)

其中

p=1.1(ps+0.1)

式中，δn為浮球計(jì)算壁厚，R為浮球球體半徑，mm；p為浮球臨界彈性失穩(wěn)壓力，ps為儲(chǔ)罐最高工作壓力，E為材料的彈性模量，取E=195 GPa；μ為泊松比，取μ=0.3 。

基于F浮>G球來(lái)校核浮球的浮力，即：

F浮=ρgV球體>G球=ρ球gV

(2)

式中，ρ為液體密度，ρ球?yàn)榍蝮w金屬密度，kg/m3；V球體為球體體積，V為球體金屬體積，m3；g為重力加速度，約 9.8 m/s2。

聯(lián)立式(1)～式(2)，即可確定浮球的球體半徑R及最小計(jì)算厚度δn。

2.2.2外裝式差壓變送器控制氣動(dòng)閥限充裝置

外裝式差壓變送器控制氣動(dòng)閥限充裝置適用于新建或者加裝低溫儲(chǔ)罐的限充，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2中a為橢圓半長(zhǎng)軸尺寸，b為橢圓半短軸尺寸，h為封頭直邊，y為液面到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形上封頭的頂部距離，L為筒節(jié)長(zhǎng)，∑L為內(nèi)筒總長(zhǎng)，m；V1為下封頭體積，V2為筒節(jié)體積，V3為上封頭體積，m3；Δp為液位壓差，MPa。

圖2 外裝式差壓變送器控制氣動(dòng)閥限充裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示圖

外裝式差壓變送器控制氣動(dòng)閥限充裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能是，差壓變送器將4～20 mA的直流電信號(hào)傳給控制系統(tǒng)，通過(guò)控制系統(tǒng)作用于聲光報(bào)警機(jī)構(gòu)、液位遠(yuǎn)傳機(jī)構(gòu)及氣動(dòng)緊急切斷閥機(jī)構(gòu)執(zhí)行限充。當(dāng)液位到達(dá)內(nèi)容器額定充滿率80%的液位時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警。當(dāng)液位到達(dá)內(nèi)容器額定充滿率液位時(shí)，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)緊急切斷閥關(guān)閉充裝管路，停止充裝。使用時(shí)也可以通過(guò)差壓變送器的GPRS/4G模塊，在互聯(lián)網(wǎng)或手機(jī)APP上實(shí)現(xiàn)內(nèi)容器瞬間液位的遠(yuǎn)程查詢及液位記錄等功能。

選用較高精度的差壓變送器是準(zhǔn)確換算內(nèi)容器液位的前提，液位換算關(guān)系如下：

V1=2πa2b/3
V2=πa2(L+2h)
V3=2πa2b/3
∑V=V1+V2+V3=πa2(4b/3+L+2h)

假設(shè)液面到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形上封頭的頂部距離為y，此時(shí)充裝率為90%，則有：

A(y)= πx2= πa2[1-(y-b)2/b2]

取體積微元dV=A(y)dy=πx2dy，則剩余10%的氣相空間體積V(y)為：

即：

0.10∑V=πa2[y2/b-y3/(3b2)]=
0.1πa2(4b/3+L+2h)

(3)

對(duì)于確定的內(nèi)容器結(jié)構(gòu)，a、b、L、h均為已知，根據(jù)式(3)可求出y值，∑L-y即為液位高度。

液位壓差計(jì)算公式為：

Δp=ρg(∑L-y)

(4)

由式(4)可以建立起Δp與y的對(duì)應(yīng)關(guān)系，Δp通過(guò)差壓變送器采集，由此控制電控系統(tǒng)執(zhí)行充裝操作。

外裝式差壓變送器控制氣動(dòng)閥限充裝置集成了限充功能、液位遠(yuǎn)程記錄查詢功能，便于存量低溫儲(chǔ)罐的限充改造。外裝式差壓變送器控制氣動(dòng)閥限充裝置可用于底部和頂部充裝時(shí)的限充。

3 結(jié)語(yǔ)

采用被動(dòng)式溢流閥裝置防止小型低溫儲(chǔ)罐過(guò)量充裝的效果不夠理想，對(duì)2種主動(dòng)式防過(guò)充裝置進(jìn)行了分析介紹。內(nèi)裝式浮球凸輪限充裝置采用球體密封結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作、安裝方便，液位越高充裝速度越慢，充裝液位到達(dá)設(shè)定液位時(shí)，液體不能充進(jìn)低溫儲(chǔ)罐，但因浮球設(shè)置在容器內(nèi)，維修有一定的難度。外裝式差壓變送器控制氣動(dòng)閥限充裝置采用差壓液位計(jì)采集信號(hào)，通過(guò)PLC電路模塊控制緊急切斷閥防止過(guò)充，系統(tǒng)集成較為繁瑣，但維修更方便。筆者認(rèn)為，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)小型低溫儲(chǔ)罐的使用情況，合理選用主動(dòng)式防過(guò)充裝置。在國(guó)家有關(guān)部門強(qiáng)調(diào)小型低溫儲(chǔ)罐需設(shè)置限充裝置的情況下，希望能有更多、更完善的限充方案得到有效應(yīng)用，以維護(hù)小型低溫儲(chǔ)罐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。