液化天然气运输车仪表附件两个问题的讨论.pdf

T E CHHI C F ORU M／ ] 术 论坛『2 0 1 2 ／ 0 7 液化天然气运输车仪表附件两个问题的讨论 Di s c u s s o f T wo I s s u e s a b o u t I n s t r u me n t Ac c e s s o r y o f L i q u e f i e d Na t u r e Ga s T r a n s p o r t e r 王春娟李景宾 WANG C h u n - j u a n e t a l 石家庄安瑞科气体机械有限公司 河北石家庄0 5 0 0 61 摘要结合液化天然气运输车结构设计经验，总结了在罐车作业中出现的问题 ，对液化天然气汽 车罐车液面计显示和真空测量装置的设置两个争议较大的问题提出了看法。 关键词 液面计 汽化 真空测量装置 Abs t r a c t Co mb i n i ng wi t h t h e d e s i g n e x pe r i e nc e o f na t u r e g a s t r a n s p o r t e r ,t h e p r o bl e m s o f t a n k e r whi l e wo r k i n g wa s s u mma r i e d． Th e t wo d i s p u t e d i s s u e s o f s e t t i n g u p LNG t r a n s p o r t e r l e v e l me t e r a n d i n t e r l a y e r v a c uu m me a s u r e p a ns wa s d i s c u s s e d ． K e y wo r d s l e v e l me t e r ； va p o r i z e ；int e r l a y e r v a c u u m me a s u r e D a r t s 中图分类号 U 4 6 9 ． 6 1 文献标识码 B文章编号 1 0 0 4 0 2 2 6 2 0 1 2 0 7 0 0 9 5 0 2 1 前言 近年来 ，液化天然气 以下简称L NG 作为一种洁净、低耗的 能源 ，在石油 、化工、交通、民用等行业的应用需求快速增加 ， 储运液化天然气的汽车罐车、罐式集装箱等低温装备市场也随之 兴起 。低温储运设备应用范围和规模不断扩大 ，在使用过程 中出 现了某些普遍性的问题 。其中 ，L N G运输车液面计显示和是否应 该设置真空测量装置两个 问题存在的争议较大 ，本文结合设计和 使用实践 ，对这两个问题分别提出了看法。 2 L NG半挂车液面计 显示 问题 液面计是一种显示容器 内盛装介质液面高度的仪表。相关规 程 和标 准 均对L NG汽车罐 车上 液面 计 的配置 有相 应的 规定 。 1 9 9 4 年劳动部颁 发的 液化气体汽车罐车 安全监察规程第6 8 条 规定 罐体必须装设至少一套液面测量装置 ，液面测量装置必须 灵敏准确 ，结构牢固 ，操作方便 ，精度等级不低于2 ． 5 级。依据标 准J B ／ T 4 7 8 3 2 0 0 7 低温液体汽车罐车 中4 ． 5 ． 1 ． 1 的规定 ，液面 计属于低温液体 汽车罐车的安全附件之一 ， 应安装在便于观察的 位置 。2 0 1 2 年6 月1 日起实施 J T S G R 0 0 0 5 2 0 1 1 移动式压力容 器 安全技术监察规程中9 ． 6 条规定 液面计测量装置是罐体充装 量的辅助测量装置 ，罐体的最大充装量以衡器称重为准。 2 ． 1使用中出现的问题 根据L NG 运输车的随车工作人员反映 ，有关液面计的问题大 致分为两类 ，一类是罐 内还有大量液体介质的时候 ，液面计表盘 上指针显示 液位高度为零 ，这种现象多出现在我国北方地 区的冬 季 ；二是液面计上显示的高度所对应的介 质质量和实际称 重的介 第一作者 王春娟，女，1 9 8 2 年 生 ，工程 师 ， 从 事压 力容器 、低 温设 备、罐式汽车及燃气设备 工 作。 质质量不一致 ，有时差别较大。 2 ． 2 液面计的工作 原理 国内的L NG 运输车 ，一般采用差压式液面计 ，它依靠介质本 身的静压差来测量罐内介质的液面高度 ，如图1 所示。 图 1 L N G运输车液面计示意图 液面计上管和液面计下管分别连接到液面计仪表的相应接口 上 ，由图1 可见 ，液面计上管与内容器气相空间连通 ，管内为气态 天然气 ，压力P 等于容器顶部的压力，根据力学平衡得 出，液面 计下管的压力P 计算公式为 P于 P p g H 式中 ， P 为液面计上管压力，MP a ；P 2 为液面计下管压力，MP a P 为罐车 内充 装液化 天然 气的 密度 ，k g ／ m ；g 为重 力加 速度 ， N ／ k g 日为容器内液位高度，mm。 液面计 下管与上管的压力差为△ 尸 一 P 。 p g H，即压力差等 于罐 内介质的静压差 ，液面计根据这个静压差得出介质液面高度 T E , QI - I NI C F oRU M／ 技术 论坛l 2 o 1 2 ／ 0 7 H，并通过表盘刻度反映出来 。 文献[ 2 ] 4 ． 5 ． 5 ． 7 规定 液面计应有液位指示亥 0 度与容积的对应 关系 ，且在不同温度下的介质密度 、压力与体积对照表 ，液面计 上的最低和最高液位处应有明显的标记。国产的液面计仪表中， 如某企业生产的C YJ 一 1 型液面计 ，表盘的刻度 内容是mm WC，用 户可依据表盘指针的指示值 ，对照L NG 运输车制造厂提供的充装 质量对照表，得到对应的介质容积和介质质量。 2 ． 3液面计显示问题分析 2 ．3 ． 1 无液位显示 L NG 运输车在运行的过程 中，根据称重或者实际的装载情况 记录得知 ，罐车内还有大量介质，但是液面计表盘上的指针处于 O 刻度 ，液位显示与实际情况不一致。这种现象在北方地 区出现较 多 ，且冬季 比夏季 问题严 重 。分 析其 原因是液 面计下 管 内的 L N G介质无法汽化 ，管 内是液态介质，P 压力无法正常传输到液 面计的感应元件 ，液面计得不到A P p g Hl数据指示 ，故表盘上 也没有液位高度劢_拘对应显示。 可见 ，液面计下管内的L NG 介质能否汽化是液面计正常显示 的关键因素之一 。L NG 介质的汽化程度取决于介质温度的高低 ， 温度高 ，则汽化量大；温度低 ，则汽化量小。在同一时期 ，北方 地 区比南方地 区的温度低 ；同一地 区，冬季比夏季温度低。温度 低的条件下 ，外界环境传递到液面计下管的热量少 ，管 内L NG 介 质没有足够的热量，无法汽化，导致液面计不能正常显示。 L N G 运输车罐体部分是由内容器和外壳套合组焊而成 ，内容 器与外壳之间采用高真空多层绝热结构 ，液面计下管处于真空夹 层内 ，因夹层 内为真空状态，没有空气作为热传递的导体 ，外界 的热量无法传递到液面计下管 ，因此 ，必须设置一种导热结构 ， 能够将外壳上的热量传递到液面计下管 ，使得液面计下管获得汽 化所需的热量。在设计实践中，加大液面计下管在夹层 内的长度 就是为了能够促进管内介质的汽化 。这种导热结构的设计和材料 选择在相 关标准规范中没有规定 ，设计者需要根据理论传热模型 分析 ，选用导热性 良好 的导热材料 ，选用结构应考虑制造时便于 在夹层内组装，以达到增大传热量、改善汽化效果的 目的。 2 ． 3 ． 2 液位显示不准确 L N G 运输车在运行工况 下，会出现液位显示与实际充装的介 质体积、质量不一致。依据液面计工作原理和罐体的主体结构型 式 ，从介质密度、汽化界面位置、液面横向截面形状三方面分别 对这一现象进行讨论。 2 ． 3 _ 2 _ 1 L N G介质密度 天然气是由亿万年前的有机物 质转化 而来 ，主要成分是 甲 烷 ，根 据不同的地质形成条件 ，还 含有少量 的乙烷 、丙烷 、丁 烷 、戊烷 等低碳烷以及二氧化碳、氮气、氢气、硫化物等非烃类 物质 ，对于不同气源产地的L N G，组分含量不同 ，有的气 田中还 含有氦气 ，组分含量的差别 ，导致L N G的密度也会有差别，而通 常罐车的液位 、压力、充装质量之间的换算都是以一个 固定的密 度值进行 ，无法根据所有可能的组分密度进行，这样 ，如果实际 充装的L N G 介质密度与计算采用的密度值相差较 多，液位显示的 容积和质量就会与实际值产生较大偏差。 在L N G密度取值方面，对于甲烷含量较高的天然气 ，近似当 作纯甲烷考虑 ，液态甲烷是一种无色无味、高热值的液体 。常压 沸点为1 1 2 K，行业内较多采用密度为4 2 6 k g ／ m 3 ，文献[ 2 】 作为低温 液 体汽 车罐 车行 业标准 ，在 附录D中给 出 的甲烷 密度 是4 2 4 ． 1 kg ／ m3 ，国内有的地 区L NG 密度取值采用4 3 3 k g ／ m ，国 I, L N G 密度 还有4 7 0 k g ／ m 的计算取值 ，由于密度作为一项物理性质指标 ，数 值是根据取样试验数据统计得 出，无法对所有的气源密度进行取 样试验。不同的密度取值会导致换算出的液面计显示不准确。 2 ． 3 _ 2 ． 2汽 化界 面的位置 液面计下管 内压力平衡点位于液体与气体平衡的界面上 ，气 液平衡界面的位置 ，对于压力差A p p g l 影响，如图1 N示。假 设液面计 下管内的L NG 全部汽化 ，则气液平衡面为液面计下管与 内容器罐体连接的界面 ，此时 ，液面计下管的压 力e 2 P 。 ， 与上述液面计工作原理的理论模型一致 ，液面计显示的高度与容 器 内的实际液位高度在数值上相等。 完全气化是一种理想状态 ，在实际条件下 ，液面计 下管中的 介质，越接近容器罐体底部 ，温度越低 ，气化越 困难 ，即使有时 能够气化 ，也会在很短的时间内被容器 内大量的低温介质液化 ， 所以气液平衡界面往往远离容器罐体 ，位于液面计下管的水平段 内 ，此时液面计下管的压力尸 2P 。 p g H p g h ，液面计显示的液位 高度为 与 之和 ，大于实际液位高度 ，如果降低液面计直管段 的高度h ，那么液面计下管与容器底部筒体在竖直方向上的距离减 小 ，受容器内大量低温介质的影响，管内介质更加难以气化 ，也 无法保证正常的液位显示。当外界环境温度 比较低 ，传递到液面 计 下管部 分的热量 很少 的情 况下 ，液面计 下管 内全部 是液 态 L N G，此时 ，气液平衡界面有可能出现在液面计 下管向上弯起的 部 分 ，按照相 同的推理 ，液面计显示 的高度低 于实际液位高度 日。在当前的测量条件下 ，只有通过实践经验 ，不断对液位管路 进行优化改进，获得比较理想的结构数据。 2 ． 3 _ 2 ． 3 液面横 向面积形状 一 般差压式液面计用在立式圆筒型容器 上，显示 比较准确 ， 将L NG 车罐体内容器与立式容器进行比较分析。图1 显示的罐车内 容器由一个圆柱形筒体和左右两个椭圆封头组焊而成 ，这种结构 是行业内普遍采用的结构型式。这种卧置型式的容器 ，每一个高 度的液面在横向的截面形状都是左右两个半球形与中间矩形 的组 合 ，与立式的圆筒形容器情况不一样 。立式圆筒形容器 ，由上下 两个封头和直立简体组成 ，每一个液面高度对应的截面就是一个 圆。 在相 同简体直径条件下，卧置容器液面横 向截面的面积远大 于立式容器液面的圆形截面面积 ，对 于相 同的液面高度变化 ，卧 置 容器 内介质体积和 质量 的变化远大于立式容器 内介质 的变化 量。反过来 可以得知 ，对于相 同的介质变化量 ，卧置容器 内的液 面高度变化远小于立式容器 ，反映到液面表盘上，读数变化 比较 小 ，而对于立式容器 ，介质液面高度变化就比较 明显 ，所 以当罐 车内介质质量 已经发生变化时 ，液面计表盘上指针显示却没有变 化 ，因此 ，容器的结构型式也是L N G罐车液位显示不准确的原因 之一 。 2 ． 4 结论和探讨 综合以上 问题分析得知，这种差压式液面计只能用于指示液 位高度的近似值 ，不能准确测量罐体内充装介质质量 ，考虑到上 述影响因素无法完全避免 ，应该依靠称重方式获得精确的质量数 据 。对比前述文献[ 1 ] 和文献[ 3 】 的规定可以看出，新颁布实施的移 动规程对汽车罐车液位测量装置做出了新的定义 ，仅是罐体充装 量的一种辅助测量，而不再是文献【 l 冲 规定的 “ 液面测量装置必 须灵敏准确”。 L NG 罐车液面计的正常显示 ，与环境温度、液面计 管路 结 构 、介质密度 、容器结构等诸多因素有 关，如果想得到比较准确 的测量结果 ，需要在罐体结构设计和新型液面计研发等方面进行 不断探索和深入研究。 3 真空测量装置的设置 真空测量装置是用来检测罐体夹层真空度的装置 ，一般由真 空测量阀及规管组成 ，真空测量阀一般情况下处于关闭状态 ，只 有在检测夹层真空度时才允许打开 ，测量完后关闭；规管为热堆 规 。这种真空测量装置一般设置在L N G 运输车后部的操作箱内 ， 便于用户测量操作 。 3 ． 1 使用现状 有的用户在采购时明确提出 ，要求设置真空测量装置 ，而有 的用户则明确提出不配备真空测量装置 。L NG 汽车罐车行业内的 设计者 ，对此也有不同的看法，有的认为应该设置 ，有的认为没 有必要设置。 在L NG 汽车罐车运行实践中 ，经常出现这样 的现象设置真 空测量装置的罐车 ，罐体外表面 “ 冒汗” ，压力升高 ，经过逐项 检查 ，结果发现真空阀处于打开状态 ，或者是真空测量阀与规管 T E CHN I C F oRU M／ 技术 论坛l 2 0 1 2 ／ o 7 之间的连接螺纹被破坏导致漏气。 3 ． 2设置的必要性讨论 对于是否必须设置真空测量装置这一问题 ，以前的标准 中没 有规定。新颁布 实施的文献【 3 ] 附件D中D 3 ．4 第5 项规定真空绝热 罐体应当设置真空规管 ，与真空计连接后用于指示 隔热空间的绝 对压 力。从使用的角度考虑 ，目的是为 了方便真空度测量，有利 于操作者了解夹层的真空绝热性能指标。从罐车的低温性能角度 考虑，设置真空测量装置 ，必然在罐体外壳上增加一个开孔焊接 接头 ，增加一个可能漏点 ；如果真空规管和真空阀使用不 当，密 封螺纹破坏 ，或者操作人员使用后忘记关闭真空阀 ，外界空气进 入夹层内 ，经过一定 的时间 ，最后导致真空夹层真空度被破坏 ， 夹层 内温度升高 ，内容器的L N G 介质吸收热量后汽化 ，则会严重 影响罐车的正常作业。 L N G运输车属于多层缠绕高真空绝热容器 ，真空度只是对静 态蒸发率的影响因素 之一 ，反映在低温罐 车上是内容器压力的升 高或外壳结露 ，在用 户正常运输过程 中如果压力不升高 ，证明真 空度 、保温层及漏放气速率等均满足要求 ，不必进行真空度的检 测。用户在运输的过程 中有罐车压 力记录表，如压 力不升高 ，或 运到 目的地时的压力小于罐体的最高工作压力 ，就说明真空度满 足要求。如压力升高，真空度出现 问题 ，那么罐车应该及时停止 作业 ，采取安全措施后 ，返回罐车生产企业进行专业处理。 由上述分析得知 ，是否在L N G 运输车上配置真空测量装置 ， 用户和设计者需要依据实际的使用条件权衡利弊 ，综合进行考 虑。 4 结语 低温储运装备市场的快速兴起和扩大 ，对L NG汽车罐车结构 和性能提 出了更高的要求 ，对于液面计显示和真空测量装置两个 普遍性问题 ，还需要不断研究、探索 ，进行优化改进 ，更好地满 足用户使用需求 ，同时推动L NG 汽车行业更好地与国际水平接轨。 参考文献 [ 1 ]液化气体汽车罐车安全监察规程【 s ] [2 ]J B ／ T 4 7 8 3 2 0 0 7 ． 低温液体汽车罐车[ s ] [ 3 ]T S G R 0 0 0 5 2 0 1 l 移动式压力容器安全技术监 察规程 [ s 】 收稿 日期2 0 l 2 ． 0 4 一 O 8