低温双球球罐液体分布系统及预冷方法.pdf

一种低温双球球罐液体分布系统，包括设置在内球罐顶部和下部的上进液分布器和下进液管，该液体分布系统包括设置在内球罐中部的中部进液分布器；该中部进液分布器由中部进液管和中部液体分布器组成，中部进液管从外球罐底部引入，沿夹层引至内球罐中部并穿过内球罐与其赤道面上的中部液体分布器连接。而该低温双球球罐的预冷方法通过预冷前准备、前期预冷阶段、中期预冷阶段和后期预冷阶段实现。本发明通过上、中部进液分布器的配合使用实现预冷过程大范围均匀布液，有效改善预冷过程中内球罐壁温度分布，减小温差应力，大大提高低温双球球罐在预冷过程中结构的安全性。

权利要求书
1.  一种低温双球球罐液体分布系统，包括设置在内球罐顶部和下部的上进液分布器和下进液管，其特征在于：该液体分布系统包括设置在内球罐中部的中部进液分布器；该中部进液分布器由中部进液管（9）和中部液体分布器（12）组成，中部进液管（9）从外球罐（15）底部引入，沿夹层（16）引至内球罐（17）中部并穿过内球罐（17）与其赤道面上的中部液体分布器（12）连接。

2.  根据权利要求1所述的一种低温双球球罐液体分布系统，其特征在于：所述上进液分布器由上进液管（8）和顶部液体分布器（14）组成，上进液管（8）从外球罐（15）底部引入，沿夹层（16）引至内球罐（17）顶部并穿过内球罐（17）与顶部液体分布器（14）连接；所述下进液管（10）由外球罐（15）底部引入，穿过夹层（16）及内球罐（17）后直接引出；所述上进液管（8）、中部进液管（9）和下进液管（10）在低温双球球罐外部汇总后与进液总管（1）连接；所述进液总管（1）、上进液管（8）、中部进液管（9）及下进液管（10）分别设置有能够控制开度的进液总管控制阀（2）、上进液管控制阀（5）、中部进液管控制阀（6）和下进液管控制阀（7）。

3.  根据权利要求2所述的一种低温双球球罐液体分布系统，其特征在于：所述顶、中部液体分布器（14、12）为多圈环管分布器；该中部液体分布器（12）最内圈环管的中心圆直径大于顶部液体分布器（14）最外圈环管的中心圆直径。

4.  根据权利要求3所述的一种低温双球球罐液体分布系统，其特征在于：所述顶、中部液体分布器（14、12）的环管上均设置有漏液孔（21），且最外圈环管漏液孔直径小于次外圈，次外圈环管漏液孔直径小于次次外圈，依此规律至最内圈。

5.  根据权利要求4所述的一种低温双球球罐液体分布系统，其特征在于：在所述顶、中部液体分布器（14、12）的环管截面上设置1-3个所述漏液孔（21）。

6.  根据权利要求5所述的一种低温双球球罐液体分布系统，其特征在于：所述顶部液体分布器（14）最外圈环管截面上设置2个或3个漏液孔（21）。

7.  一种低温双球球罐预冷方法：其特征是包括以下步骤：
A、预冷前准备：用氮气置换内球罐（17）内空气，关闭所有控制阀，连接预冷低温液体管路，全开预冷管控制阀（4）和上进液管控制阀（5），预冷低温液体通入上进液分布器；
B、前期预冷阶段：预冷低温液体经上进液分布器布液预冷，控制预冷速度及温差；
C、中期预冷阶段：关小上进液管控制阀（5）至50%开度，并以50%开度打开中部进液管控制阀（6），预冷低温液体经上进液分布器和中部进液分布器同时布液预冷，控制预冷速度及温差；
D、后期预冷阶段：关闭中部进液管控制阀（6），全开上进液管控制阀（5），预冷低温液体经上进液分布器布液预冷到预定液位。

8.  根据权利要求7所述的一种低温双球球罐预冷方法，其特征在于：所述步骤A包括以下步骤：
A1、将内球罐（17）空间内的空气用氮气置换出来，并检测被置换出气体的露点，保证露点低于-40℃；
A2、露点合格后检查进液总管控制阀（2）、预冷管控制阀（4）、上进液管控制阀（5）、中部进液管控制阀（6）、下进液管控制阀（7）及气相管控制阀（19）处于关闭状态；
A3、将低温液体槽车排液管与预冷管（3）连接后，依次全开预冷管控制阀（4）和上进液管控制阀（5），预冷低温液体沿上进液管（8）进入顶部液体分布器（14）布液预冷。

9.  根据权利要求7所述的一种低温双球球罐预冷方法，其特征在于：所述步骤B包括以下步骤：
B1、预冷低温液体经顶部液体分布器（14）的漏液孔（21）出来后进入内球罐（17），吸收热量后成为蒸发气（BOG），引起内球罐（17）压力上升，当压力达到预定值时，打开气相管控制阀（19），BOG通过气相管（18）排出带走热量；
B2、通过内球罐（17）外表面的测温点（20）监测内球罐温度变化，控制预冷速度不超过5℃/h，控制任意两个测温点的温差不超过30℃；
B3、每隔5分钟记录一次所有测温点（20）的温度值，选取内球罐（17）底部对称布置的两个测温点（20）为控制测温点；
B4、根据控制测温点温度值变化判断预冷速度，最近记录的两次控制测温点温差如超过0.5℃，关小上进液管控制阀（5）至80%开度；
B5、任意两个测温点（20）的温差如超过30℃，关小上进液管控制阀（5）至50%开度，减小预冷低温液体流量。

10.  根据权利要求7所述的一种低温双球球罐预冷方法，其特征在于：所述步骤C包括以下步骤：
C1、内球罐（17）中上部测温点（20）温降变缓、底部测温点（20）温降较快且接近预冷低温液体温度时，关小上进液管控制阀（5）至30%开度，以50%开度打开中部进液管控制阀（6），让预冷低温液体同时沿中部进液管（9）进入中部液体分布器（12）；
C2、监测测温点（20）温度变化，通过上进液管控制阀（5）及中部进液管控制阀（6）开度调节流量来控制预冷速度和测温点（20）温差。

11.  根据权利要求7所述的一种低温双球球罐预冷方法，其特征在于：所述步骤D包括以下步骤：
D1、内球罐（17）控制测温点温度值接近预冷低温液体温度时，关闭中部进液管控制阀（6），全开上进液管控制阀（5）；
D2、内球罐（17）底部出现预冷低温液体并到达预定液位时停止预冷，依次关闭预冷管控制阀（4）、上进液管控制阀（5）及气相管控制阀（19）。

说明书低温双球球罐液体分布系统及预冷方法
技术领域
本发明涉及一种低温双球球罐液体分布系统及预冷方法。
背景技术
低温双球球罐主要用于储存低温液体，包括液氧、液氮、液氩、液氢、液态烃等介质，是低温系统和液化装置的关键核心设备。低温双球球罐主要由内球罐、外球罐、夹层、支柱结构、管路系统、仪表测量系统，安全装置及梯子平台等组成，国内建成投产的低温双球球罐的容积已达3000m3，目前正朝着更大容积的方向发展。低温双球球罐在首次充装前必须用低温液体进行预冷，目的是将內球罐的罐壁温度和空间温度降低至操作温度及以下，以防止首次充装低温液体时罐壁温度骤降产生较大的温差应力对罐体造成破坏。
目前已建的低温双球球罐液体分布系统中设置有上进液分布器和下进液管。上进液管穿过外球罐底部沿夹层引至内球罐顶部，并穿过内球罐后与顶部液体分布器组成上进液分布器；下进液管穿过外球罐底部、夹层和内球罐后直接引出。由于球罐具有上、下两极水平截面小、赤道水平截面大的结构特征，现有进液分布器中置于内球罐上部的顶部液体分布器环管直径受限，不及赤道水平截面直径的一半，且只设置一圈环管。在预冷时，通过上进液分布器布液，预冷低温液体只能覆盖以环管漏液孔中心线所在圆为准线、下落距离为母线的圆柱面区域，其他区域则无法覆盖，造成布液范围小、布液面积不均匀。实际预冷时，预冷低温液体通过上进液分布器布液后，在下落过程中吸收圆柱面区域热量蒸发为气体，并通过气相管排出带走罐内热量，圆柱面以外区域的热量则以对流形式向圆柱面区域逐渐传递。随着预冷的进行，内球罐温度不断下降，预冷低温液体与周围气相空间温差越来越小，由于布液不均，传热不充分，预冷低温液体在下落过程中只能部分吸收热量气化，未气化部分在内球罐底部逐渐积聚起来，造成内球罐底部与处于气相环境的中上部形成较大温差，最大时温差超过100℃，且很难通过调节预冷用低温液体流量的方式来减小温差，使得罐壁存在很大的温差应力，严重影响了低温双球球罐的结构安全。
发明内容
本发明的目的是提供一种低温双球球罐液体分布系统，以解决现有低温双球球罐进液分布器布液范围过小、布液面积不均的问题。
本发明的另一个目的是提供一种低温双球球罐预冷方法，以解决现有低温双球球罐预冷过程中罐壁温降不均匀、不连续、温差大的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种低温双球球罐液体分布系统，包括设置在内球罐顶部和下部的上进液分布器和下进液管，该液体分布系统包括设置在内球罐中部的中部进液分布器；该中部进液分布器由中部进液管和中部液体分布器组成，中部进液管从外球罐底部引入，沿夹层引至内球罐中部并穿过内球罐与其赤道面上的中部液体分布器连接。
所述上进液分布器由上进液管和顶部液体分布器组成，上进液管从外球罐底部引入，沿夹层引至内球罐顶部并穿过内球罐与顶部液体分布器连接；所述下进液管由外球罐底部引入，穿过夹层及内球罐后直接引出；所述上进液管、中部进液管和下进液管在低温双球球罐外部汇总后与进液总管连接；所述进液总管、上进液管、中部进液管及下进液管分别设置有能够控制开度的进液总管控制阀、上进液管控制阀、中部进液管控制阀和下进液管控制阀。
所述顶、中部液体分布器为多圈环管分布器；该中部液体分布器最内圈环管的中心圆直径大于顶部液体分布器最外圈环管的中心圆直径。
所述顶、中部液体分布器的环管上均设置有漏液孔，且最外圈环管漏液孔直径小于次外圈，次外圈环管漏液孔直径小于次次外圈，依此规律至最内圈。
在所述顶、中部液体分布器的环管截面上设置1-3个所述漏液孔。
所述顶部液体分布器最外圈环管截面上设置2个或3个漏液孔。
一种低温双球球罐预冷方法：其特征是包括以下步骤：
A、预冷前准备：用氮气置换内球罐内空气，关闭所有控制阀，连接预冷低温液体管路，全开预冷管控制阀和上进液管控制阀，预冷低温液体通入上进液分布器；
B、前期预冷阶段：预冷低温液体经上进液分布器布液预冷，控制预冷速度及温差；
C、中期预冷阶段：关小上进液管控制阀至50%开度，并以50%开度打开中部进液管控制阀，预冷低温液体经上进液分布器和中部进液分布器同时布液预冷，控制预冷速度及温差；
D、后期预冷阶段：关闭中部进液管控制阀，全开上进液管控制阀，预冷低温液体经上进液分布器布液预冷到预定液位；
所述步骤A包括以下步骤：
A1、将内球罐空间内的空气用氮气置换出来，并检测被置换出气体的露点，保证露点低于-40℃；
A2、露点合格后检查进液总管控制阀、预冷管控制阀、上进液管控制阀、中部进液管控制阀、下进液管控制阀及气相管控制阀处于关闭状态。
A3、将低温液体槽车排液管与预冷管连接后，依次全开预冷管控制阀和上进液管控制阀，预冷低温液体沿上进液管进入顶部液体分布器布液预冷。
所述步骤B包括以下步骤：
B1、预冷低温液体经顶部液体分布器的漏液孔出来后进入内球罐，吸收热量后成为蒸发气（BOG），引起内球罐压力上升，当压力达到预定值时，打开气相管控制阀，BOG通过气相管排出带走热量；
B2、通过内球罐外表面的测温点监测内球罐温度变化，控制预冷速度不超过5℃/h，控制任意两个测温点的温差不超过30℃；
B3、每隔5分钟记录一次所有测温点的温度值，选取内球罐底部对称布置的两个测温点为控制测温点；
B4、根据控制测温点温度值变化判断预冷速度，最近记录的两次控制测温点温差如超过0.5℃，关小上进液管控制阀至80%开度；
B5、任意两个测温点的温差如超过30℃，关小上进液管控制阀至50%开度，减小预冷低温液体流量。
所述步骤C包括以下步骤：
C1、内球罐中上部测温点温降变缓、底部测温点温降较快且接近预冷低温液体温度时，关小上进液管控制阀至30%开度，以50%开度打开中部进液管控制阀，让预冷低温液体同时沿中部进液管进入中部液体分布器；
C2、监测测温点温度变化，通过上进液管控制阀及中部进液管控制阀开度调节流量来控制预冷速度和测温点温差。
所述步骤D包括以下步骤：
D1、内球罐控制测温点温度值接近预冷低温液体温度时，关闭中部进液管控制阀，全开上进液管控制阀；
D2、内球罐底部出现预冷低温液体并到达预定液位时停止预冷，依次关闭预冷管控制阀、上进液管控制阀及气相管控制阀。
本发明的有益效果是：
1、采用本发明液体分布系统，在预冷初期，内球罐温度与预冷低温液体存在较大温差，能够保证经上进液分布器布液进入内球罐的预冷低温液体吸热完全蒸发；预冷中期，温差减小，通过上进液分布器和中部进液分布器同时布液，增大了布液范围，实现了罐壁及气相空间的均匀连续冷却，有效改善预冷过程中罐壁温度分布，降低罐壁温差，减小罐壁应力，大大提高低温双球球罐在预冷过程中结构的安全性。
2、设置中部进液分布器，设计最内圈环管中心圆直径大于顶部进液分布器最外圈环管中心圆直径，保证低温液体通过上进液分布器和中部进液分布器时不会重复布液。预冷中期，上进液分布器分布的预冷低温液体吸收了下落过程中所经过区域的热量，赤道外周上进液分布器无法布到液的区域由中部进液分布器布液吸收热量。通过上进液分布器和中部进液分布器共同布液，解决了只有上进液分布器布液时赤道外周部分区域布不到液而导致预冷效果差的问题，同时也减少了中部进液分布器的材料使用。
3、通过将中部液体分布器最外圈环管漏液孔直径设计成小于次外圈，次外圈环管漏液孔直径小于次次外圈，依此规律至最内圈。这种方式能够让通过中部液体分布器各圈环管分布的低温液体流量不同，最外圈的流量小于次外圈，次外圈的流量小于次次外圈，最内圈的流量最大。由于从各圈环管流出的低温液体到达罐壁的距离不同，最外圈流出的低温液体到达罐壁的距离最短而流量最小，最内圈流出的低温液体到达罐壁的距离最长而流量最大，这样可以保证预冷低温液体在到达罐壁前充分吸收热量气化，有利于保证传热过程，改善预冷效果。
4、设置的中部进液分布器不仅在预冷布液时有着重要作用，在正常操作时，中部进液分布器和上进液分布器及下进液管同时可作为进液系统使用。根据充装低温液体的温度和密度选择进液方式，当充装低温液体的温度高于罐内低温液体温度时，选择下进液管充装；反之，选择上进液分布器充装。如果罐内低温液体液位超过中部进液分布器时，可选择中部进液分布器充装以加强罐内液体的扰动。通过上述进液方式可有效解决低温液体由于温度不均造成的分层现象，防止低温液体翻滚造成安全事故，这种有益效果在大型低温双球球罐中更加明显。
附图说明
图1为本发明低温双球球罐液体分布系统示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为液体分布器环管截面示意图。
图中：进液总管1，进液总管控制阀2，预冷管3，预冷管控制阀4，上进液管控制阀5，中部进液管控制阀6，下进液管控制阀7，上进液管8，中部进液管9，下进液管10，中部支架11，中部液体分布器12，顶部支架13，顶部液体分布器14，外球罐15，夹层16，内球罐17，气相管18，气相管控制阀19，测温点20 ，21、漏液孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种低温双球球罐液体分布系统，包括进液总管1、上进液管8、中部进液管9、下进液管10、中部液体分布器12、顶部液体分布器14。进液总管1上设置进液总管控制阀2，阀后连接预冷管3，预冷管上设置有预冷管控制阀4；预冷管3与进液总管1的连接点后分别连接上进液管8、中部进液管9、下进液管10，其上分别设置有上进液管控制阀5、中部进液管控制阀6、下进液管控制阀7；上进液管8从外球罐15底部引入沿夹层16引至内球罐17顶部并穿过内球罐17与顶部液体分布器14连接；中部进液管9从外球罐15底部引入沿夹层16引至内球罐17中部并穿过内球罐17与赤道面上的中部液体分布器12连接；下进液管10由外球罐15底部引入穿过夹层16及内球罐17后直接引出；顶部液体分布器14固定在焊接于内球罐17罐壁的顶部支架13上，中部液体分布器12固定在焊接于内球罐17罐壁的中部支架11上。气相管18由内球罐17的顶部穿过夹层16后从外球罐15底部引出，其上设有气相管控制阀19。
上述中部液体分布器12和顶部液体分布器14采用多圈环管分布器；上进液管8上设置的上进液管控制阀5用于控制进入顶部液体分布器14的预冷低温液体流量，中部进液管9上设置的中部进液管控制阀6用于控制进入中部液体分布器12的预冷低温液体流量，实现进一步控制预冷速度。
如图2所示，上进液分布器由上进液管8和顶部液体分布器14构成，中部进液分布器由中部进液管9和中部液体分布器12构成。顶部液体分布器14和中部液体分布器12设置有多圈环管，环管圈数根据低温双球球罐的容积确定，中部液体分布器12的最内圈环管中心圆直径大于顶部液体分布器14最外圈环管中心圆直径，保证低温液体通过上进液分布器和中部进液分布器时不会重复布液，且布液范围更大。
如图3所示，顶部液体分布器14环管上设置有漏液孔21，漏液孔直径及数量应满足上进液管控制阀3全开时能够排出全部低温液体。所述中部液体分布器12环管上设置有漏液孔21，漏液孔直径及数量应满足中部进液管控制阀4全开时能够排出全部低温液体，且最外圈环管漏液孔直径小于次外圈，次外圈环管漏液孔直径小于次次外圈，依此规律至最内圈。漏液孔的方位设置：环管截面设置1个漏液孔于垂直中心线上，开口朝下；或环管截面设置2个对称布置的漏液孔于垂直中心线两侧，开口朝下，两个漏液孔中心线夹角可以为30°、60°、90°、120°；或环管截面设置3个漏液孔，中间漏液孔位于垂直中心线上，开口朝下，两侧漏液孔与中间漏液孔中心线夹角可以为20°、30°、45°、60°。环管截面上漏液孔21的数量及夹角设置应根据低温双球球罐的容积和环管圈数来确定，在低温双球球罐的容积较大时，较多的漏液孔和较大的夹角设置有利于保证经漏液孔流出的液体在下落时覆盖面积更大、分布更均匀，不仅节省材料，且具备最佳的布液效果。
上述顶部液体分布器14最外圈环管漏液孔按环管截面2个漏液孔或3个漏液孔设置。在一定的压力下，预冷低温液体经最外圈环管靠近罐壁一侧的漏液孔流出后，以上小下大的外扩形式分布，以保证顶部液体分布器所在截面和赤道截面之间内球罐的中上部空间分布到预冷低温液体，实现更大范围的布液。
一种低温双球球罐预冷方法，包括预冷前准备、前期预冷阶段、中期预冷阶段和后期预冷阶段，具体步骤如下：
预冷前，将内球罐17空间内的空气用氮气置换出来，防止低温状态下空气中水蒸气结冰堵塞管路。检测被置换出气体的露点，当露点低于-40℃时停止置换，关闭进液总管控制阀2、预冷管控制阀4、上进液管控制阀5、中部进液管控制阀6、下进液管控制阀7及气相管控制阀19。然后将预冷低温液体槽车排液管与预冷管3连接，再依次全开预冷管控制阀4和上进液管控制阀5，预冷低温液体沿上进液管8进入顶部液体分布器14，经漏液孔流出进入内球罐17空间，吸收热量后成为蒸发气，再通过气相管18排出带走热量，进入前期预冷阶段。随着预冷过程的进行，内球罐17中上部测温点20温降变缓、底部测温点20温降较快且接近预冷低温液体温度时，关小上进液管控制阀5至30%开度，以50%开度打开中部进液管控制阀6，让预冷低温液体同时沿中部进液管9进入中部液体分布器12，经漏液孔流出进入内球罐17空间预冷，进入中期预冷阶段。随着预冷过程的继续进行，内球罐17控制测温点温度值接近预冷低温液体温度时，关闭中部进液管控制阀6，全开上进液管控制阀5预冷，进入后期预冷阶段。继续预冷至内球罐17底部出现预冷低温液体并到达预定液位时停止预冷，依次关闭预冷管控制阀4、上进液管控制阀5及气相管控制阀19，预冷结束。
气相管18上设置有气相管控制阀19，预冷低温液体进入内球罐17的初始阶段，吸收热量蒸发为气体的量不大，内球罐17压力较低。当压力升高到预定值后打开气相管控制阀19将气体排出，一方面气体将热量带出，另一方面，较高的气体压力可防止外界空气通过气相管18进入内球罐17。例如，当低温双球球罐设置的压力测量装置显示压力为0.1MPa时，打开气相管控制阀19。
低温双球球罐储存的低温液体温度一般在-100℃以下，需要较长时间才能预冷下来。为了保证5℃/h的预冷速度及任意两测温点30℃的温差，需要密切监测测温点20的温度值变化。在内球罐17的外壁上设置有若干个测温点20，测温点采用测温铂电阻，分数层设置，每层设置2个，便于对照，确保测量值准确。测温点20远传至中控室的温度监测系统，可将各个测温点的测量信号转变为温度值实时显示在监控屏幕上，每隔5分钟人为记录一次。温度监测系统带有数据记录及图表绘制功能，可将每个测温点的实时测量数据记录并绘制成时间——温度曲线，便于随时查询。
为了进一步控制预冷速度，根据记录的温度值变化判断预冷速度，选取内球罐17底部对称布置的两个测温点20为控制测温点。当最近记录的两次控制测温点温差超过0.5℃时，关小上进液管控制阀至80%开度，减小上进液分布器预冷低温液体流量。当任意两测温点的温差超过30℃时，关小上进液管控制阀5至50%开度，减小预冷低温液体流量。
接近中期预冷阶段时，随着内球罐17温度的下降，预冷低温液体与周围气相空间温差越来越小，由于上进液分布器布液面积过小，液滴在下落过程中不能及时吸收全部气化所需热量，未气化部分落至内球罐底部并逐渐积聚起来，造成积液的内球罐底部与处于气相环境的中上部形成很大的温差。为了克服上述不足，引入中部进液分布器，主要包括中部进液管9和中部液体分布器12。中期预冷阶段，中部进液分布器和上进液分布器同时布液预冷，让赤道外周上进液分布器无法布到液的区域由中部进液分布器布液吸收热量，这样布液面积更大，布液范围更广，布液方式更加合理，可显著改善预冷效果。
在上述基础上，所述液体分布系统还设置有下进液管。在正常操作时，上进液分布器、中部进液分布器和下进液管可同时作为进液系统使用。当充装低温液体温度高于罐内低温液体温度时，选择下进液管10充装；反之，选择上进液分布器充装。如果罐内低温液体液位超过中部进液分布器时，可选择中部进液分布器充装以加强罐内液体的流动。通过上述三种进液方式可有效解决低温液体由于温度不均造成的分层现象，防止低温液体翻滚短时间内大量蒸发形成很高的压力而造成安全事故。
此外，上述进液总管控制阀2、预冷管控制阀4、上进液管控制阀5、中部进液管控制阀6、下进液管控制阀7及气相管控制阀19可手动控制，也可通过PLC自动控制。自动控制便于对各个控制阀进行操作，也便于精确控制各个控制阀开度，进而精确控制整个预冷过程的正常运行。