LNG气瓶静态蒸发率测试系统设计方案.docx

1、LNG气瓶静态蒸发率测试系统设计方案气瓶静态蒸发率测试系统设计方案第一章 绪论1.1 LNG气瓶静态蒸发率测试系统设计的背景 LNG即人们常说的液化天然气。是将矿场生产的天然气，通过净化、制冷、液化等一系列步骤后，在常压和-160的条件下转变为液态的天然气。天然气是当今和未来的一种重要能源。根据国际能源机构，“对天然气的需求年增长率超过50%，是化石燃料中的最快速率，同时越来越灵活的全球液化天然气（LNG）贸易也提供了一些保护措施以防供应中断的风险。”在这种情况下，液化天然气及其储藏设备的相关参数的准确测定在储藏转移的过程中变得越来越重要。天然气的主要成分是甲烷，在常压下沸点为-160，在空气

2、中可燃极限为5-15，气态与液态体积比为600：1，是一种低温、易燃、可压缩的气体。根据以上的物理特性，LNG储罐通过降低温度和增加压力的方法将天然气转化为液体进行存储，因具有贮存压力较低、安全可靠、产品纯度高(不含水分及硫化物)、占地面积小、维修方便、安装操作简单等多种优点而被广泛应用。实际生产中，LNG是一种多组分的混合物，由不同分子结构的碳氢化合物组成，其温度和组分的变化会引起很多问题，比如储罐中的LNG分层和翻滚问题、蒸发问题等等。为了解决以上的一些问题，就有必要了解LNG分层和翻滚的变化规律，搞清楚LNG储罐内各温度场分布、压力及蒸发等发生的规律以及LNG储罐的主要性能指标。因本文针

3、对测试LNG气瓶的静态蒸发率进行开发，后文着重描述静态蒸发率的详情。LNG储罐的主要性能指标有静态蒸发率、真空度、漏率、漏放气速率、漏放热等。静态蒸发率是指绝热深冷压力容器在装有大于有效体积12低温液体时，使其静置达到热平衡后，24h内自然蒸发损失的低温液体质量与容器有效体积下低温液体质量的百分比，经换算后即在标准环境(20，101325Pa)下的蒸发率值。储罐的静态蒸发率可以直观地反映储罐在使用中的保冷性能，因此在各种不同规格的LNG储罐出厂前一定要先进行静态蒸发率的测量试验。当然在LNG储罐后续的检修过程中，其静态蒸发率也是判定它是否符合使用标准的依据之一。1.2 LNG气瓶静态蒸发率测试

4、系统设计在国内的发展现状国内对于LNG气瓶静态蒸发率测试这方面的资料不可谓多，甚至在测试系统设计上只有寥寥几篇论文以供参考，同领域的参考资料也乏善可陈、捉襟见肘。在石油开采放缓后，LNG作为一种新型的清洁、便携、高效的化石燃料，在各行业尤其是运输业中将会扮演起极其重要的角色。相信通过前人和后人的不懈努力，LNG的测试技术将会在不久的将来得到长足的发展。河北某公司的朱春薇、金瑾针对静态蒸发率的测量撰写了简析LNG储罐静态蒸发率的测量的论文。文章指出了静态蒸发率较为完整的测量程序，总的如下：几何体积的测定应按GBT 18443.1进行，有效体积可根据几何体积计算；低温液体填充量应为50以上，静置时

5、间不少于48h；打开与流量计相连的气体蒸发出口管道阀门，同时关闭各气、液管道上其它阀门，当内容器表压力为零时，连接流量计；观察蒸发气体流量稳定后，每隔一段时间记录一次流量计读数，按时记录环境温度、大气压力、流量计入口温度等；稳定后连续测量不少于24h；稳定后进行流量的测量，并进行相应的数据记录。经实例测量、数据处理后，可说明产品的静态蒸发率试验合格。其文详细介绍了低温储罐静态蒸发率测量的试验过程，对测量程序进行了系统的理论梳理。通过静态蒸发率的测量，可对产品的保冷性能有充分的了解，尽量避免使用过程中由于日蒸发率过高而降低工作效率、浪费原料的情况，减少运营后可能因储罐问题带来的负面影响。福建某研

6、究所的江仰春针对车用焊接绝热气瓶的蒸发率测试撰写了车用焊接绝热气瓶蒸发率测试装置的开发与实验一文。其文中指出了蒸发率测试装置的结构方案，细述如下：图1.1 检测装置结构图装置初步方案结构如图1.1示，其组成包括：单向阀、电磁式或机械式压力控制器、质量流量计、数字流量积算仪、温度计、压力表、气压计及相关的管件接头等。文章主要讨论检测压力控制器、质量流量计，数字流量积算仪及整体装置的开发，温度计、压力计、气压计及相关的管件部份将作为整体装置的一部分略过不谈。经过实际测试后得出结论，即本文开发的车用LNG绝热气瓶蒸发率测试装置可以满足在各种不同介质、不同测试压力下进行蒸发率测试的功能要求，测试结果的

7、精度、准确性和可靠性均符合GB/T 18443.52010真空绝热深冷设备性能试验方法第5部分：静态蒸发率测试的相关要求，并且兼具现场不拆卸、可移动检测的便捷性等优势。开发达到预期目标。由于收集资料的途径有限，笔者只列举以上两篇论文的已有成果作为本文的理论支撑和参考依据，“实践出真知”，国内外生产一线必然存在十分优秀的案例可以作为本文的支撑，但笔者能力有限无法面面俱到，仅以此节为国内研究现状。1.3 LNG气瓶静态蒸发率测试系统设计的目的和意义评价LNG绝热深冷气瓶的绝热性能，静态蒸发率是最可靠的指标。在实际生产中，检测气瓶静态蒸发率是一个较为繁复、冗长的过程，可操作性差、对测试人员的技术水平

8、和耐心程度都有较高的要求。为改变这一现状，以完整的系统记录数据代替人工记录数据的需求应运而生。根据GB/T 18443.52010真空绝热深冷设备性能试验方法第5部分：静态蒸发率测试内容，本文致力于开发具有在线不拆卸、移动检测等功能的静态蒸发率测试系统，满足绝热气瓶不同测试压力下、不同测试介质的在线蒸发率测试等要求，同时解放了一部分人力投入，为开展LNG绝热气瓶定期检测打下基础。该系统应该具有稳定、准确、便捷、连接可靠等优点，能够在控制测试压力条件下满足测试的各项功能和精度要求，可在线不拆卸、移动监测。根据这些原则，系统应当包含单向控制、压力控制、流量记录，以及对气压、温度、压力等相关参数进行

9、采集等功能。第二章 静态蒸发率的测量方法2.1 GB/T 18443.5-2010真空绝热深冷设备性能试验方法介绍 GB/T 18443.5-2010即真空绝热深冷设备性能试验方法 第5部分静态蒸发率测量，代替了原来的较低版本标准GB/T 18443.5-2001。最新标准是由全国锅炉压力容器标准化技术委员会提出并归总的。起草单位有，上海市特种设备监督检验技术研究院、上海市气体工业协会、上海交通大学等共计七家。起草人包含，薛季爱、周伟民、汪荣顺、唐家雄等共计十五人。2.1.1 适用范围GB/T 18443的本部分规定了真空绝热深冷设备静态蒸发率测量的试验原理与方法、试验装置、设备和仪器、实验条

10、件与试验准备、试验步骤、数据处理和试验记录与试验报告等要求。本部分适用于除储运液氢介质以外的真空绝热深冷压力容器、真空绝热深冷气瓶等真空绝热深冷设备静态蒸发率的测量，其他可参照执行。2.1.2 试验原理与方法一、试验原理利用体积流量计或质量流量计测量单位时间内深冷液体的自然蒸发率，或利用称重法测量单位时间内的深冷液体的损失量。二、试验方法大体上可以分为以下三种：采用湿式气体流量计测量单位时间内被检件中液体蒸发后通过流量计的气体流量，通过测出的气体流量计算测试蒸发率和静态蒸发率，试验装置原理图见图2.1。采用气体质量流量计测量计测量单位时间内被检件中液体蒸发后通过质量流量计的气体质量流量，通过测

11、出的气体质量流量计算测试蒸发率和静态蒸发率，试验装置原理图见图2.2。当被检件有效容积不大于5m3时，允许采用称重法测量，采用称重法测量时，被检件充至额定的充装量后，将被检件置于衡器上，通过衡器测量真空绝热深冷设备中深冷液体蒸发的质量，利用称重测量的蒸发量计算蒸发率和静态蒸发率。图2.1 湿式气体流量计试验装置原理图图2.2 气体质量流量计试验装置原理图由于篇幅限制和实际工作的要求，本章主要针对在后文中被采用的“气体质量流量计法”展开探讨。2.2 气体质量流量计法2.2.1 试验装置、设备和仪器试验装置、设备和仪器要求应符合GB/T18443.1中4.2的规定，且还应满足以下要求：a）当流量计

12、的量程小于等于5L/min时，精度需达到0.5%；当量程大于5L/min时，精度需达到1.0%；b）流量计的额定流量应与被检件蒸发的气体流量相适应；c）应有环境温度、环境压力及流量计进口温度和压力测量装置；2.2.2 试验条件与试验准备实验条件与试验准备应符合GB/T 18443.1的规定。2.2.3 实验步骤1.一般采用液氮作为试验介质。2.测量时深冷液体充满率应为额定充满率。3.充液结束后应至少静置48h，静置期间应打开真空绝热深冷设备的放空间。4.当内胆表压力接近为零时防空管路中接入流量计，流量计接入后除了放空间打开外，其他被检件的阀门处于关闭状态。5.蒸发气体的流量稳定后，且应不大于1

13、h的时间间隔采集、记录流量计示值、环境温度、大气压力、流量计入口温度和压力，且记录数据的时间应为24h。6.计算被检件静态蒸发率，并应与此前24h的静态蒸发率对比。当静态蒸发率的变化范围小于5%时，则记录的数据有效；当静态蒸发率的变化范围大于5%时，允许重新记录数据一次，重新记录时间应不少于24h，且该数据为最终记录数据。2.2.4 数据处理测试蒸发率0按式（2-1）计算：（2-1）式中：0 _测试蒸发率，单位为百分比每天（%/d）；qm _蒸发气体质量流量日平均值，单位为千克每天（kg/d）； _流量计的校正系数，标定时的给定值；1 _标准大气压下饱和液体的密度，单位为千克每立方米（kg/m

14、3）；V _被检件的有效容积，单位为立方米（m3）。第三章 测试系统的总体设计方案3.1 低温绝热气瓶的检验流程此检验流程适用在介质为液氮、液氧、二氧化碳、液化天然气（LNG）等低温液体，不低于-196的设计温度，在正常的环境温度（-4060）下使用，公称容积（10450）L，公称工作压力范围（0.23.5）MPa，可重复装填的车用液化天然气低温气瓶及焊接低温气瓶的定期检测。如下图3.1所示，完整的气瓶检测流程。图3.1气瓶监测站完整流程上图所示的是完整的低温绝热气瓶的检验流程，在对整个过程有个全面了解之后，有利于把握此次系统设计的任务需求，使之能够真正满足实际生产中的需要。在本文中涉及到的是

15、气密性试验即静态蒸发率检测，正是工艺流程中末端的重要环节，气密性是影响气瓶性能的关键因素。因此接下来将对本次检验系统的需求进行详细分析，根据实际需要制定合理的设计方案。3.2 系统需求分析3.2.1 系统功能需求的分析本次系统设计希望实现气瓶数据库的建成以及气瓶的自动化检验，对气瓶检验过程、信息收集、检测设备等各环节进行智能化集成，一方面可以提升气瓶的检测效率和管理效率，降低劳动强度，同时建立中央数据库，利用电子标识给每个气瓶进行有效的归档，保证对气瓶的各项基本信息有个良好的汇总；另一方面，提高自动化和智能化程度，减少和避开因人为因素和操作不当造成的气瓶安全事故的产生，符合产业升级转型的现代化

16、要求。该监测系统应当具备以下这些功能：（1）气瓶的自动化检测：对低温绝热气瓶的自动化检测包含内壁外观检查、气密性检测及静态蒸发率检验等。为了使整个检测过程处于一个相对安全的环境中开展，在气瓶接受各种检测之前必须将气瓶的残留气体进行更换处理，把气瓶里的有毒有害或易燃易爆气体更换成对人体无害较为安全的液氮，更换中要同时关注公共区域工作周边环境的氧气浓度和更换排风处的残气浓度，以确保相关人员的安全。更换后要先检测气瓶的外观和内壁，对缺陷较重的、影响到正常使用的气瓶予以报废，对损失较小的并且能够接着用的气瓶开展夹层真空度检测，判定气瓶夹层真空度的合格度。完成真空度检测后，需要进行静态蒸发率的检测。向气

17、瓶中充液氮至一定的充填量为止，操作人员按下采集键后，由系统自动记录随时间改变的大气压力、进出口温度、流量计值等并按照相应的公式计算日蒸发率、时蒸发率等数据，并将数据保留在人机操作界面（触摸屏）中，以方便操作人员的读取和使用。3.2.2 系统性能需求的分析（1）系统的高效率：由于采集数据有可编程控制器（PLC）内置程序自行完成，操作人员只需在人机界面（触摸屏）处观察数据即可，不需要人为进行读数和采集，节省大量人力同时使静态蒸发率测试变得更加合理高效。（2）人性化的设计：对于普通用户来说，操作软件、操作界面只需轻轻一点或者少量的键盘输入，加上简明的界面和清楚的菜单，只要让用户接受简单的操作训练和实

18、际指导后，就可以较快地掌握这个检测系统。（3）查找信息的功能：该系统将两组气瓶的数据和信息储存在人机界面中，操作人员可以随时点开界面进行查询，以方便对不同信息进行整理汇总。（4）软件自动纠错能力：当出现人为操作失误或气瓶出现问题时，系统界面会弹出错误操作的提示框，提示操作人员正确的操作方法，避免进行一些误操作影响系统运行和数据保存。3.3 系统设计方案3.3.1 系统总体结构设计本次系统设计的控制方法采用的是PLC与触摸屏的联合控制。下图3.2展示的是本次系统设计的基本原理示意图，通过该原理图针对PLC部分和触摸屏部分分别展开设计，最后将两者结合，以构成完整的系统设计方案。 图3.2 系统基本

19、原理流程图按照系统流程图，可做出相应的系统实物联接图。如图3.3所示，与LNG气瓶相连的，分别有三种传感器，即温度计、气体质量流量计、气压计，输出的信号进行调理后，进入到PLC的模拟量输入板块，再由RS232串口将采集来的信号传输至触摸屏，最终实现人机交互。 图3.3 系统联接图3.3.2 系统设计各部分的初步方案（1）测试系统台架的设计测试系统台架是用来安装PLC和触摸屏的工具，既要满足合理安装、布置配线、便于通讯等要求，又要兼具简易便携等特点，在开发时要注意PLC和触摸屏的安装要求，尽可能地利用最少的空间完成最大的功能实现。如图3.1和3.2所示，PLC对于安装有着一定的要求，设计台架时应

20、予以充分考虑。图3.1 PLC安装方向图3.2 PLC散热间隙（2）测试系统气动回路的设计气动回路包含各类阀件、传感器设备及管件接头等。在设计开始时，应先按照静态蒸发率的测试标准绘制气动回路原理图。接下来，针对原理图中的各组成部分，需要对各元器件进行选型，以简易便利、性价比优先为原则，选取适当的元器件，并进行调试。面对调试中可能出现的问题，需要对不合理的元件重新选型、对不合适的方案重新考虑进行修正，以期达到设计的目的。（3）测试系统控制部分的设计控制部分简单来说，即由PLC和触摸屏两部分组成。但是涉及到二者通讯、编程设计等问题，需要对两者的说明书进行详细地了解，在熟悉PLC和触摸屏的性能和功能

21、之后开展后续的设计。由于本次设计要求不高，选取小型PLC即可完成要求，同理国产系列的触摸屏也能适应要求，但需要注意的是，小众的PLC和触摸屏问题可能较多、处理起来较为困难，设计时应多查阅手册和说明书。第四章 测试系统台架的设计4.1 测试系统台架设计方案本次设计的目的是为了实现PLC和触摸屏联合控制的测试系统，这就需要一个台架将系统的各个部分安装在其中，使系统可以作为一个整体被投入到实际运行中。首先，可以采用类似仪器箱的结构将PLC容纳其中，同时由于触摸屏本身是嵌入式的，所以安装时将其嵌入到箱体的盖子中。箱体长其次，为了满足PLC的安装需求，PLC与上方的触摸屏、箱体底部及两侧均留有20mm的

22、空隙。同时，容器内底部留有高20mm的凸台，及高90mm的靠板，供PLC安放和安装。最后，在PLC的I/O端子一侧所对应的容器壁上需开两个长槽和一个圆孔供PLC接线用。右下角开有供电端口，220VAC输入。4.2 测试系统台架及组件的示意图如下图4.1（a）、（b）所示，将PLC、触摸屏、流量计、箱体等装配之后，构成了完整的系统箱体设计。图4.1（a）装配图1图4.1（b）装配图2图4.2对应的是箱体，图4.3对应的是PLC模型，图4.4（a）、（b）对应的是触摸屏模型，通过拆解开来逐个认识各组件，可以便于之后对实物进行装配。图4.2 箱体图4.3 PLC模型图4.4（a） 触摸屏模型1图4.

23、4（b) 触摸屏模型2第五章 测试系统气动回路的设计5.1 测试系统气动回路方案按照第二章所述的测试方法设计了本次测试系统的气动回路初步方案，它的构件有以下诸多元件：阀、压力控制器、质量流量计、数字流量积算仪、温度计、压力表、气压计及管件接头等。整体设计图如图5.1所示。在实际调试中可以按图中所示的方式联接管路，管路可选择通用高压气体管道，其余部件为设计内容。本章节面向压力控制器、质量流量计和整体气动回路进行设计，对于系统中涉及到的温度计、压力计、气压计等部件作为整体气动回路的一部分在本文不做讨论。图5.1 检测系统气动回路图5.2 压力阀的选择5.2.1 压力阀功能分析压力阀应能控制气瓶内检

24、测所需要的恒定压力，并且保持在检测过程不随意产生启闭动作。应能伴随气瓶内介质气体量的变化而进行快速有效调节，保持瓶内的检测压力相对稳定不变：当外界环境的变化引起气体量增大，阀瓣的开启度能随之变大，出口气流量变大；当外界环境的变化引起气体量减小，阀瓣的开启度随之变小，出口气流量变小。在这个过程中既不能出现因为动作延迟而导致流量瞬间变大，也不能因为气体量突然减小而导致控制阀产生关闭操作。5.2.2 压力阀的选择按照上述功能要求，选取了某国产厂商型号500(505)/18D 的压力控制器。控制器采用膜片式传感器和无泄漏活塞式的传感器两种形式。500/18D 膜片式传感器可用于空气、气体等中性气体和润

25、滑油、轻燃油等液体介质。控制器的设定值可调，调节范围0.11.6MPa。其主要技术性能包括以下方面：工作粘度：110-3m 2/s 开关元件：微动开关 外壳防护等级：IP54 （符合 DIN40050，与 GB4208 中 IP54 相当） 安装位置：压力口垂直向下（允许倾斜 15） 环境温度：2555 介质温度：2580 抗振性能：Max 100m/s2重复性误差：2.5% 触点容量：AC 220V 6A（阻性）5.3 压力阀部件选择5.3.1 质量流量计的选择热式气体质量流量计是气体流量计中的新型仪表，它适用于钢厂，电厂，核电站及各种管道气体的流量测量。不需要进行压力和温度修正，直接测量气

26、体的质量流量。依据的原理是流体吸收热的速度直接与质量流量相关。移动的气体分子撞击热电阻时吸收带走热量，流量越大，接触热电阻的分子越多，吸收的热量越多，热吸收与某种气体的分子数，热学特性和流动特性有关。依据采集的要求，选择某品牌公司产品，型号DY-EP热式气体质量流量计。其型号具有多种特点，适合负责各种复杂环境。如，不需要温度、压力补偿；一个流量计能同时兼顾小流量和大流量测量，特别适合大口径测量等。可以出色的完成工艺管道的检漏及设备的检漏工作。施工量极小，由于采用插入式结构，只需要在管道上开一个22-25孔。带球阀，校正维修方便。智能数显流量积算仪配套。基地式仪表可以就地显示和带报警控制。以上这

27、些优点有利于实际测试，故选择该型号质量流量计。其输出为线性输出。一体化结构输出的模拟信号是标准4-20mA线性信号，在分体式结构中从变送器单元输出的4-20mA信号，线性较差，只有再从流量积算仪输出的信号才是准线性4-20mA信号。从流量积算仪再输出的4-20mA，可以人为设定整个流量范围的一段。例如：某流量计量程为0-5000Nm3/h，输出4-20mA线性信号，可以设定0-3000Nm3/h，100-1500Nm3/h，输出4-20mA。流量计可选量程分为2SLM、5SLM、和10SLM 3种，分别对应的是2 L/min、5 L/min和10 L/min。经过计算后所需测试的流量范围为：2

28、.755.60L/min。当待测定的流量值在满量程的1/32/3内时，此时流量计的误差最小。故选择量程为10SLM的流量计可以满足实际检测误差值小于1.5%、线性误差小于1%的检测需求。5.3.2 数字流量积算仪的选择结构类型分为一体化结构、分体式结构和高级铠装型。设计追求简易，故选择分体式结构。其原理即传感器、变送器和显示部分分离，显示部分为一台独立的智能流量积算仪，显示瞬时流量和累计流量，设置报警点和输出4-20信号。两部分通过三根线联结，变送器为三线制。数字流量积算仪是DY-EP型流量计自带的，它可为气体质量流量计提供工作电源、操作控制、数字瞬时流量和累积流量的显示，与DY-EP型质量流

29、量计配合使用。该积算仪带有串行通讯口，可通过RS232 或RS485 接口与上位机通讯，实现实时流量监测和控制。5.4 检测气动回路使用时应注意的问题1）当测试压力在非开放式常压状态（承压状态）下，测试压力应控制在0.8 MPa以下，气瓶内的实际压力最好控制在比压力阀的开启压力高0.020.03 MPa，这样可以快速建立起测试平衡压力，提高检验效率。2）当测试压力在非开放式常压状态（承压状态）下，还应注意：承压检测状态时，所有待测瓶系统的管路、管路接管接头及检测系统的所有联接头气密性必需符合要求，不得有任何泄漏；气瓶检测时的充液量不能超过满瓶的3/4液位，如果超充，从放空阀排出的低温液体会使质

30、量流计受损；承压测试压力控制在0.8 MPa以下时，压力侧接管使用专用夹子固定牢固以免松脱。第六章 测试系统控制部分的设计6.1 测试系统控制部分结构方案本次测试系统设计控制部分由PLC和触摸屏两部分组成。针对本次系统设计的具体需求，PLC设计包含程序设计和与上位机通讯两部分，而触摸屏设计包含用户界面设计、与PLC通讯、数据采集记录等功能。下文着重论述如何通过两者结合的系统实现上述的功能。图6.1 控制部分结构图如上图6.1所示，控制部分的结构示意图。信号输入包含压力计、温度计、流量计等数据采集装置的模拟量输入。由于模拟量无法直观地被人认识，所以需要PLC和触摸屏进行模数转换，已达到数据的可读

31、性，这在后续的设计中将作为极为重要的一点。PLC必须带有模拟量输入板块，缺少模拟量输入板块将无法接收模拟量信号，可通过模拟量拓展块或自带的模拟量板块解决模拟信号输入的问题。PLC与触摸屏之间可以通过RS232串口进行通讯，选定合适的通讯协议有助于实现二者之间顺利地互通数据和有效地控制与被控制。触摸屏作为人机交互的界面，设计应该简洁明了、容易上手、方便操作，在版面设计中注重各功能的实现，抛弃不相关的装饰和美化，让操作人员一目了然，操作之时一步到位。触摸屏作为数据的储存设备，应充分考虑利用其自带的数据库以保证断电离线后，数据保留至数据库，供操作人员的读取和使用。6.2 PLC的控制部分设计6.2.1 PLC的选型与说明本次设计使用的是某厂商生产的小型PLC，型号为FBS-10MAT，具体包括: 6 点 24VDC 数字输入(4 点总和可达 5KHz)，4 点 10KHz 晶体管输出，一个 RS232 或 USB通讯端口(最大可扩充至 3 个)，I/O 不可扩充。实物图如下图6.2所示。图6.2 PLC实物图因为本次设计主要功能面向模拟量输入，故对数字量输入输出不多做赘述，详细介绍其自带的模拟量扩充板。6.2.2 关于FBs-B2A1D的详细