多層低溫絕熱容器抽真空系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

章宇慶，李 艷，余 楓，林瑞進

（1.中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310051；2.張家港富瑞深冷科技有限公司，江蘇 蘇州 215637）

多層低溫絕熱容器大多采用高真空多層絕熱的方法實現(xiàn)液化氣體的長時間低溫存儲，其絕熱性能和安全性是低溫液體實現(xiàn)安全儲運和可靠使用的保證[1]。在多層低溫絕熱容器的制造過程中，抽真空系統(tǒng)的性能是實現(xiàn)高真空（小于10-3Pa）抽真空工藝的關(guān)鍵，更是制造優(yōu)質(zhì)高真空多層低溫絕熱容器的瓶頸技術(shù)之一[2]。

針對多層低溫絕熱容器夾層抽真空，對其涉及氦質(zhì)譜檢漏、內(nèi)/外加熱、抽真空、氮氣置換等工藝過程已經(jīng)有較多的研究[3]，也已在工業(yè)化生產(chǎn)中取得了很多的應(yīng)用成果。上海交通大學(xué)的汪榮順課題組對低溫儲罐抽真空工藝研究國內(nèi)外領(lǐng)先[4，5]，但其主要針對抽真空工藝過程的研究，使用的抽真空系統(tǒng)停留在實驗階段。對抽真空系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用的研究，目前少有公開的資料。周炳水[6]等人對車用LNG氣瓶的抽真空系統(tǒng)進行了研究，系統(tǒng)較為簡單，也未對其抽真空效果展開描述。調(diào)研國內(nèi)外眾多低溫絕熱容器生產(chǎn)設(shè)備的供應(yīng)商發(fā)現(xiàn)，各家對低溫絕熱氣瓶抽真空系統(tǒng)的設(shè)計均為參考其他產(chǎn)品相關(guān)經(jīng)驗進行的設(shè)計遷移，未對抽真空系統(tǒng)的有效抽速、抽氣時間等進行準(zhǔn)確計算，設(shè)計冗余大，也缺少對低溫絕熱容器抽真空系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用研究。

為此，本文基于近十年的多層低溫絕熱容器抽真空系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用經(jīng)驗，系統(tǒng)闡述了多層低溫絕熱容器抽真空系統(tǒng)的設(shè)計原理，提出了一種可較準(zhǔn)確計算抽真空系統(tǒng)有效抽速、抽氣時間的方法，并針對某公司低溫儲罐抽真空系統(tǒng)設(shè)計，進行了工業(yè)化應(yīng)用和驗證。

1 多層低溫絕熱容器抽真空簡介

多層低溫絕熱容器結(jié)構(gòu)圖1[1]所示，主要包括內(nèi)膽、外殼、絕熱層、液位計、管路閥門等結(jié)構(gòu)。制造時，先完成內(nèi)膽、液位計的焊接，然后在內(nèi)膽外纏繞多層絕熱材料，并與外殼進行套合；套合后，對內(nèi)膽和外殼間的夾層空間抽真空，直至達到真空度要求。

圖1 多層低溫絕熱容器結(jié)構(gòu)圖

為獲得低溫絕熱容器的高真空，抽真空系統(tǒng)主要用于對低溫儲罐內(nèi)部的加熱和抽真空。內(nèi)加熱可增加夾層氣體分子動能，加快內(nèi)膽、外殼和夾層絕熱材料表面的放氣。抽真空過程采用旋片泵、擴散泵等真空泵對容器夾層進行抽氣，直至達到工藝真空度要求。

至此，將多層絕熱容器的抽真空系統(tǒng)分為內(nèi)加熱系統(tǒng)、抽真空機組兩個模塊。

2 內(nèi)加熱系統(tǒng)設(shè)計

多層低溫絕熱容器抽真空的內(nèi)加熱系統(tǒng)由加熱器、循環(huán)風(fēng)機、送風(fēng)/回風(fēng)管路和控制閥門等結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。內(nèi)膽進風(fēng)/回風(fēng)管路與多層低溫絕熱容器頸管的進氣管路、放氣管路相連，高壓循環(huán)風(fēng)機將加熱器加熱后的熱風(fēng)送入內(nèi)膽，通過對流傳熱方式加熱內(nèi)膽。內(nèi)加熱系統(tǒng)加熱器功率、循環(huán)風(fēng)機的回風(fēng)量主要由內(nèi)膽升溫時間和夾層體積確定[7]。

圖2 單個容器內(nèi)加熱示意圖

多層低溫絕熱容器抽真空過程中，瓶體溫度越高、均勻性越好，夾層間氣體釋放速度越快、抽真空時間越短。但是，容器內(nèi)多層絕熱材料、頸管的隔熱材料及密封材料的工作溫度一般在80~150℃，過高的溫度會使材料產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)和出現(xiàn)硬化、催化等破壞，必須對內(nèi)、外加熱系統(tǒng)的溫度進行控制。

3 抽真空機組設(shè)計

多層低溫絕熱容器的抽真空機組主要由羅茨泵、旋片泵、擴散泵等真空泵組和閥門、規(guī)管、不銹鋼管道等部件組成，系統(tǒng)簡化后如圖3所示?？紤]到不同真空泵的工作真空度要求，先由旋片泵和羅茨泵組成低真空泵組，實現(xiàn)容器粗抽真空至100 Pa左右。到達較低真空度后，方可打開高真空泵進行精抽真空，達到1×10-3Pa以下的高真空度。氮氣及其加熱裝置用于粗抽真空時進行夾層空間的氮氣置換，與抽真空泵組的控制聯(lián)合設(shè)置。

圖3 容器抽真空系統(tǒng)簡化

3.1 真空泵類型的選擇

由于機械泵和擴散泵抽氣時存在油蒸氣返流，即泵油通過泵入口流到夾層真空，在配置真空系統(tǒng)時必須進行油蒸氣返流設(shè)計。對羅茨泵、旋片泵等機械泵，可配置水冷障板等捕集裝置，且嚴格控制工作壓力不小于100 Pa。為防止擴散泵的油蒸氣返流，可使用分子泵作為高真空泵。對比可知（表1），分子泵還具有節(jié)能環(huán)保、節(jié)約成本等諸多好處。

表1 分子泵和擴散泵對比分析

3.2 真空泵組抽速計算

（1）極限真空度對抽速的要求

容器所能達到的極限真空度[8]：

式中：S為容器瓶口的有效抽速，Pa；pm為真空泵的極限真空，Pa；Q0為空載時長時間抽氣后真空室的氣體負荷（包括漏氣、材料表面出氣等），Pa·L/s。

由式（1）可知，在真空系統(tǒng)確定的情況下，容器的極限真空由其本身的漏放氣速率決定。如果漏放氣速率大，極限真空會降低。容器的漏放氣速率由漏氣和放氣兩部分組成；漏氣主要是通過焊縫和密封圈（氫氣會通過鋼板漏進去），數(shù)值基本上是固定的。放氣部分和抽真空加熱的情況關(guān)系很大，如果加熱充分，抽真空前期放氣充分，到抽真空后期放氣量少，則漏放氣速率變小，極限真空可以提高。

（2）有效抽速的計算

將容器抽真空系統(tǒng)簡化為如圖3所述，抽真空動態(tài)平衡時，對容器的有效抽速有：

式中：U為連接容器與泵組的管道流導(dǎo)；Sp為真空室抽氣口附近泵的有效抽速，L/s。

分析可知，當(dāng)U≥Sp時，S≈Sp，有效抽速只受泵組的限制；若U《Sp時，S≈U，有效抽速受到管道流導(dǎo)的限制。

通常，真空泵組的名義抽速Sp為與抽口壓強相關(guān)的變量，由真空泵組的制造廠商測試得到。

管道的流導(dǎo)與管道內(nèi)氣體的流動狀態(tài)和壓強均有關(guān)。氣體為黏滯流時，管道流導(dǎo)Un的計算式為：

式中：d為管道直徑，m；L為管道長度，m；η為氣體黏滯系數(shù)；為管道中的平均壓強，。

氣體為分子流時，管道流導(dǎo)Uf的計算式為：

式中：R為摩爾氣體常數(shù)，R=8.3143J/（K·mol）；M為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；T為氣體溫度，K。

結(jié)合式（1）和式（2）可知，為了提高真空泵組在容器口的有效抽速，提高極限真空度，必須使得真空管道流導(dǎo)盡可能大，即管道應(yīng)該短而粗。查文獻可知，高真空管道泵的抽速損失應(yīng)小于40%~60%。

但是，由于操作等需要，真空管路直徑無法增加太大，長度也無法縮短太多。所以，漏放氣速率成為提高夾層極限真空度的關(guān)鍵部分，一定要保證內(nèi)膽和外殼體充分加熱放氣，提高儲罐的極限真空。

（3）抽氣時間的計算

容器抽真空時間計算分為低真空（真空度＜10 Pa）和高真空（10-4＜真空度＜10 Pa）兩部分的抽氣時間之和。

容器體從大氣壓開始抽氣，低真空范圍內(nèi)真空泵組的抽速隨真空度升高而下降，其簡化計算式為：

式中：t1為低真空范圍內(nèi)抽氣時間，s；V為夾層容積，L；Pi為開始抽氣時的壓力，Pa；P為抽氣t時間后的壓力，Pa。

代入抽速計算式可得：

至此，將低真空抽真空壓強范圍劃分成n（n=1，2，3…）個壓強段：P1~P2、P2~P3、P3~P4…Pn~Pn+1，分別求取每壓強段的管道流導(dǎo)和真空泵組名義抽速，即可分別計算每段的抽氣時間為：

式中：t1為第n個壓強段的抽氣時間，s；Sˉpn為在第n個壓強段，壓力在Pn和Pn+1之間真空泵組的平均名義抽速，L/s；Un為Pn和Pn+1之間壓力管道的流導(dǎo)。

則低真空范圍總的抽氣時間為：

4 低溫儲罐抽真空系統(tǒng)設(shè)計

以某公司低溫儲罐抽真空系統(tǒng)為例（圖4），低溫儲罐及抽真空系統(tǒng)的主要規(guī)格和技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 低溫儲罐規(guī)格技術(shù)參數(shù)

圖4 某企業(yè)低溫儲罐實物圖

4.1 真空泵組抽速確定

從低真空到高真空階段，由式（3）計算得到部分低真空壓強下的管道流導(dǎo)見表3，由式（4）計算得到高真空下管道流導(dǎo)約為1.25 m3/s。根據(jù)式（2）中，真空夾層的有效抽速曲線如圖5所示。

表3 低真空下部分壓強段的管道流導(dǎo)

圖5 容器有效抽速關(guān)系曲線

選取3種2級低真空泵組合（表4），代入式（7），計算得到抽氣曲線如圖6所示。分析可知，抽真空2 h后3種方案均能使夾層壓強達到5 Pa，但是，方案2和方案3的泵組抽速大，使得夾層初始壓降非常快，超過20000 Pa/min，這可能會導(dǎo)致絕熱紙內(nèi)外壓力不平衡，絕熱紙被內(nèi)外壓差漲破。因此，優(yōu)選方案1泵組，其抽速曲線比較平穩(wěn)，絕熱紙內(nèi)外壓差小，不容易導(dǎo)致絕熱紙損壞。

表4 3種2級低真空泵組合

圖6 3種2級泵組抽速對比

選取3種3級真空泵組合（含分子泵）（表5），代入式（7），計算得到抽氣曲線如圖7所示。分析可知，經(jīng)過長時間的工作，3種3級真空泵的抽速曲線基本重合，結(jié)合式（1），說明夾層達到高真空后，其極限真空度的瓶頸不在泵組抽速，而更多取決于夾層內(nèi)的氣體負荷。另外，由于此計算曲線只考慮恒定的漏放氣速率和溫度，實際生產(chǎn)過程中罐體夾層抽真空初期會進行加熱排氣和后期冷卻，所以后期的漏放氣速率小于設(shè)定值，抽真空時間會比曲線小。

表5 3種3級低真空泵組合

圖7 3種3級泵組抽速對比

4.2 抽真空系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果

計算得到該低溫儲罐抽真空系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)見表6，抽真空裝置連接原理如圖8所示。讀取真空規(guī)管2在2級真空泵粗抽真空時的讀數(shù)，與前述計算結(jié)果進行對比，如圖9所示。實際效果顯示，使用圖8中的抽真空系統(tǒng)進行低溫儲罐粗抽真空，抽氣速率在壓強大于1000 Pa時遠大于計算值，并在中間時間段經(jīng)歷減小-增大-減小的過程，總體抽氣時間與計算值基本一致，達到設(shè)計要求。

圖8 低溫儲罐抽真空原理設(shè)計

表6 抽真空系統(tǒng)設(shè)備清單

圖9 低溫儲罐抽真空系統(tǒng)抽真空實測對比

4 結(jié)論

系統(tǒng)闡述了多層低溫絕熱容器抽真空系統(tǒng)的設(shè)計原理，提出了一種可較為準(zhǔn)確計算抽真空系統(tǒng)有效抽速、抽氣時間的方法，并針對某公司低溫儲罐抽真空系統(tǒng)進行應(yīng)用和驗證，主要結(jié)論有：

（1）配置真空泵組時，對羅茨泵、旋片泵配置水冷障板等捕集裝置，使用分子泵代替擴散泵，可有效減少油蒸氣返流。

（2）真空夾層放氣和抽真空加熱的關(guān)系很大，如果加熱充分，漏放氣速率變小，可以提高夾層極限真空。

（3）對不同容量的真空泵組合，長時間工作后不同泵組抽速曲線基本重合，但較小抽速泵組的抽速曲線比較平穩(wěn)，絕熱紙內(nèi)外壓差小，不容易導(dǎo)致絕熱紙損壞。

（4）對某公司低溫儲罐進行了抽真空系統(tǒng)設(shè)計和工業(yè)化應(yīng)用，效果顯示，抽真空系統(tǒng)抽氣速率在壓強大于1000 Pa時遠大于計算值，并在中間時間段經(jīng)歷減小-增大-減小的過程，總體抽氣時間與計算值基本一致。