储罐及其预冷系统
技术领域
本发明涉及低温储罐领域，特别涉及一种储罐及其预冷系统。
背景技术
伴随着国家对环境保护的日益重视，在“绿水青山就是金山银山”的大背景下，天然气等清洁能源的普及利用将是能源发展的首要选择
目前，LNG及空分介质仍以低温常压储罐储存为主，此种储存方式具有储存量大、安全系数等诸多优点。由于低温常压吊顶储罐在初始建造完成时处于常温状态，而储存介质LNG(温度-163℃)或空分介质(如LIN温度-196℃)的温度均非常低，所以在设备初次使用之前必须对与低温介质相接触的部位进行彻底的预冷操作，达到相应的温度后才能进行液体充装。
常见的低温常压吊顶储罐预冷主要有两种，其一是直接用液氮将内罐(亦称为主容器)冷却到-163℃后再通入LNG，其二是使用液氮介质将内罐冷却到-120℃左右，然后按照预冷的模式进入LNG介质。
但是目前采用上述两种方式对储罐进行预冷时，会有液态的氮伴随氮气一起进入内罐中，液态氮的滴入会导致内罐中产生较大的温差，无法保证储罐预冷的均匀性。同时温差会产生较高的温差应力，温差应力会与弯曲、焊接等机械载荷产生的应力组合在一起引发储罐的裂纹，该裂纹在预冷过程中又无法检测，因此会导致储罐泄漏，引起较大的安全事故。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中储罐预冷无法保证预冷的均匀性，易产生温差应力，引发安全事故的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种储罐的预冷系统，所述预冷系统连通所述储罐的外部和内部，用于向所述储罐的内罐中通入预冷介质；所述预冷系统包括：预冷前段和预冷后段；预冷前段布置在储罐的外部，所述预冷前段的进口用于通入所述预冷介质；该预冷前段包括相互并联的气化分段和旁通分段，所述气化分段上设有空温式气化器和手动控制阀，所述旁通分段上设有截止阀；预冷后段包括依次连通的延伸段、抬高段以及下降段；所述延伸段的进口与所述预冷前段的出口连通，所述延伸段的出口穿过所述储罐的顶盖进入所述储罐的内部；所述抬高段的出口高于所述延伸段的出口，所述下降段的出口与所述储罐的内罐内部连通；其中，由所述气化分段或所述旁通分段流出的气态的预冷介质，经所述延伸段进入所述抬高段，再由所述抬高段进入所述下降段，并由所述下降段的出口流出而进入所述内罐的内部。
优选地，所述延伸段包括相连通的竖直分段和水平分段，所述竖直分段的进口与所述预冷前段的出口连通；所述水平分段的出口与所述抬高段的进口连通，所述水平分段与所述抬高段之间的夹角为钝角。
优选地，所述抬高段的出口与所述延伸段的出口在竖直方向上的高度差为1300mm-1500mm。
优选地，所述下降段的出口安装有多个喷头，所述喷头为螺旋雾化喷嘴。
优选地，所述抬高段和所述下降段通过法兰连接固定。
本发明还提供一种储罐，包括内罐和设置在所述内罐外围的外罐，所述内罐和所述外罐均呈圆柱形；所述外罐的顶部设有顶盖，所述内罐的顶部设有吊顶，所述吊顶吊接在所述顶盖的下方，所述储罐设有上述的预冷系统，所述预冷前段布置在所述外罐的外部，所述延伸段穿过所述顶盖并延伸至所述吊顶的上方，所述抬高段位于所述顶盖与所述吊顶之间，所述下降段的出口穿过所述吊顶进入所述内罐的内部。
优选地，所述储罐设有进液管路，所述进液管路连通所述储罐的内部和外部，以向所述储罐通入待存储的低温介质；所述进液管路包括依次连通的进液前段、进液中段以及进液后段；所述进液前段和所述进液中段均布置在所述储罐的外部；所述预冷前段的出口与所述进液中段的进口连通，所述进液中段的出口与所述预冷后段的进口连通，以使所述预冷前段通过所述进液中段将气态的预冷介质通入所述预冷后段，并由所述预冷后段通入所述内罐中。
优选地，所述进液前段上设有进液总阀，以控制待存储的低温介质在所述进液管路中的流通。
优选地，所述预冷前段上设有前段手动开关阀，所述前段手动开关阀靠近所述预冷前段和所述进液中段的连接处设置；所述预冷后段上设有后段手动开关阀，所述后段手动开关阀布置在所述储罐的外部，且靠近所述预冷后段与所述进液中段的连接处设置。
优选地，所述吊顶上铺设有保冷材料，所述延伸段的下端伸入所述保冷材料内并被包覆在所述保冷材料中。
优选地，所述储罐还包括温度检测系统，所述温度检测系统设置在所述内罐中；所述温度检测系统包括第一检测单元和第二检测单元，所述第一检测单元和所述第二检测单元均包括多个温度计；所述第一检测单元设置在所述内罐的侧壁上，所述第二检测单元设置在所述内罐的底板上。
优选地，所述第一检测单元中的多个温度计沿竖直方向间隔布置在所述内罐的侧壁上；所述第二检测单元的其中一所述温度计布置在所述内罐底板的中心，其余所述温度计沿所述储罐的周向间隔地布置在所述内罐底板中心的周侧。
优选地，所述储罐设有中控室，所述中控室的显示系统与所述温度检测系统连接，以显示各所述温度计的测量值。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：
本发明的储罐及其预冷系统中，预冷前段中空温式气化器即使在预冷槽车满液位时也能够将预冷介质完全转化成气态，以在储罐的外部避免液态的预冷介质进入储罐的内部；同时预冷后段中的抬高段的出口高于延伸段的出口，管路中预冷介质的冷凝液因高度阻力无法通过抬高段而滞留在延伸段中，避免液态的预冷介质直接滴落至内罐底板的风险，防止内罐的内部因液态介质的进入而产生较大的温差应力，确保冷却过程的安全性；此外预冷前段和预冷后段的双重措施能够有效地保证进入内罐内部的仅为气态的预冷介质，气体进入内罐后能够迅速扩散，确保了预冷过程中内罐整体预冷温降的均匀性。
附图说明
图1是本发明储罐实施例的结构示意图。
图2是本发明储罐实施例中预冷系统和进液管路的结构示意图。
图3是本发明储罐实施例中预冷系统中预冷后段的结构示意图。
图4是图3中A处的放大图。
图5是本发明本发明储罐实施例中支架的结构示意图。
图6是图3中B处的放大图。
图7是本发明储罐实施例中喷头布置的结构示意图。
图8是本发明储罐实施例中温度检测系统的结构示意图。
图9是本发明储罐实施例中第一检测单元的结构示意图。
图10是本发明储罐实施例中第二检测单元的结构示意图。
附图标记说明如下：1、储罐；11、内罐；111、筒体；112、底板；12、外罐；121、筒体；122、底板；123、顶盖；13、吊顶；21、预冷介质容器；22、预冷系统；221、预冷前段；2211、气化分段；2212、旁通分段；2213、空温式气化器；2214、手动控制阀；2215、截止阀；2216、前段手动开关阀；222、预冷后段；2221、延伸段；2221a、竖直分段；2221b、水平分段；2222、抬高段；2223、下降段；2224、后段手动开关阀；23、顶部隔热套管；231、第一封板；24、第一保温支撑环；25、支架；251、立柱；252、支撑板；253、U型螺栓；26、悬顶套管；261、开孔补强圈；262、第二封板；27、第二保温支撑环；28、喷头；3、进液管路；31、进液前段；311、进液总阀；32、进液中段；33、进液后段；331、底部进液段；3311、底部进液阀；332、顶部进液段；3321、顶部进液阀；4、温度检测系统；41、第一检测单元；42、第二检测单元；43、温度计。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
参阅图1至图3，本申请提供一种储罐1，其通常用于空气分离领域氧、氮、氩介质或天然气接收站、液化厂、燃气调峰等工程项目中。储罐1用于储存低温介质，该低温介质通常为LNG、液氮、液氧或液氩。
在本实施例中，储罐1包括内罐11和设置在内罐11外围的外罐12。内罐11和外罐12的结构基本一致，均包括筒体(111、121)和设置在筒体(111、121)底部的底板(112、122)。其中外罐12的顶部还设有顶盖123，该顶盖123呈球形且拱面朝上。顶盖123封盖于外罐12的顶部，使外罐12在结构上保持气密性。储罐1还包括吊顶13，吊顶13通过拉杆吊接在顶盖123径向梁的下方。吊顶13上设有加强筋，以加强整体的结构强度。该吊顶13为平板结构，且吊顶13上铺设有玻璃纤维棉，玻璃纤维棉的厚度一般为1000mm-1200mm。
进一步地，储罐1设有预冷系统22，该预冷系统22连通储罐1的外部和内部，用于向内罐11中通入预冷介质，以在储罐1充装低温介质之前对内罐11与低温介质相接触的内部部件进行冷却，从而使储罐1从常温冷却到能够进行充装低温介质的温度。
在本实施例中，预冷系统22的进口与预冷介质容器21连通。预冷介质容器21的内部储存有低温的冷却介质，本实施例的冷却介质选用的是氮气，氮气是惰性气体，不会存在爆炸的危险。
预冷系统22包括预冷前段221和预冷后段222。其中，预冷前段221布置在储罐1的外部，预冷前段221的进口与预冷介质容器21连通。预冷前段221包括相互并联的气化分段2211和旁通分段2212，气化分段2211上设有空温式气化器2213和手动控制阀2214，旁通分段2212上设有截止阀2215。
预冷后段222包括依次连通的延伸段2221、抬高段2222以及下降段2223。延伸段2221的进口与预冷前段221的出口连通，延伸段2221的出口穿过顶盖123进入储罐1的内部。抬高段2222的出口高于延伸段2221的出口，下降段2223的出口与内罐11的内部连通。
进一步地，参阅图2，预冷介质容器21为充装有液氮的槽车，槽车可以利用自身的增压器将液态氮气化。
在本实施例中，预冷前段221的进口通过快速接头或组合充灌旋卡座与槽车连接，以保证连接的便捷性和安全性。本实施例的气化分段2211中，空温式气化器2213的规格为300Nm3/h以上，该空温式气化器2213可以将液态的氮转化为气态的氮。手动控制阀2214靠近预冷前段221的进口设置，手动控制阀2214和截止阀2215均用于控制管路的通断。
对于本实施例的储罐1，空温式气化器2213在槽车液位较高时使用，待槽车内部的液位下降后，旁通分段2212开始工作。具体地，当槽车内部的气相空间能够满足增压器工作条件时，打开截止阀2215，经槽车增压器转化的氮气可以通过旁通分段2212进入储罐1中，以保证储罐1的冷却需求。当槽车充装量过高或其他原因导致气相空间有限，使增压器无法装液态完全气化时，关闭截止阀2215并打开手动控制阀2214，槽车中的液氮进入空温式气化器2213，空温式气化器2213将液氮完全转化成氮气，从而保证进入储罐1内部的均为气态的氮。
氮气进入储罐1后会迅速填充内罐11，保证内罐11整体温度下降的均匀性。同时槽车增压器与空温式气化器2213的双重保护，可以完全避免液氮进入储罐1，有效地避免液氮直接滴落至内罐11底板的风险，防止内罐11部分区域因液氮的进入而产生较大的温差，确保冷却过程的安全性。
进一步地，参阅图1和图2，储罐1还设有进液管路3，进液管路3用于向储罐1中充装待存储的低温介质。在本实施例中，进液管路3包括依次连通的进液前段31，进液中段32以及进液后段33。
进液前段31上设有进液总阀311，进液总阀311主要用于预冷介质在进液管路3中的流通。当进行预冷操作时，该进液总阀311处于关闭状态，防止预冷介质返回到进液管路3的前端；当预冷操作完成后，该进液总阀311处于开启状态。进液中段32由储罐1的底部一直延伸至储罐1的顶部，进液中段32的出口与进液后段33的进口连通。
进液后段33包括底部进液段331和顶部进液段332，底部进液段331与顶部进液段332相互并联。底部进液段331的出口端穿过顶盖123并延伸至靠近内罐11底板的位置，顶部进液段332的出口端穿过顶盖123且延伸至吊顶13的下方，底部进液段331和顶部进液段332共同作用以实现储罐1内部低温介质的充装。底部进液段331上设有底部进液阀3311，顶部进液段332上设有顶部进液阀3321。
进一步地，本实施例的预冷前段221的出口通过进液中段32与预冷后段222的进口连通。预冷前段的221的出口与进液中段32的进口连通，进液中段32的出口与预冷后段222的进口连通，以使预冷前段221通过进液中段32将气态的液氮通入预冷后段222，并由预冷后段222通入内罐11中。
预冷系统22与进液管路3共用进液中段32，一方面避免了单独铺设预冷管道和对管道进行保冷，减少了不锈钢钢管和管道保冷材料的用量，降低了生产成本；另一方面可以充分利用进液管路3中管道较优的保冷性能，降低氮气在进液中段32的冷能损失，提高低温氮气的冷能利用率，保证较高的经济效益。
在本实施例中，预冷前段221与进液中段32的连接处位于进液总阀311的后端，且与进液总阀311的距离控制在2000mm以内。在储罐1预冷阶段时，只需关闭进液总阀311便可防止预冷介质反向流到前端的工艺设备中；同时此种设置又可使预冷前段221与进液中段32的连接处靠近储罐1，缩减氮气进入储罐1的路程，避免造成不必要的浪费，以降低储罐1预冷的成本。
如图1所示，本实施例的预冷前段221上设有前段手动开关阀2216，前段手动开关阀2216靠近预冷前段221与进液中段32的连接处设置。在需要调节预冷速度及紧急工况时，通过前段手动开关阀2216可以手动操控阀门的开度，保证整个越冷过程的安全性和操作便利性。
本实施例的预冷后段222上设有后段手动开关阀2224，后段手动开关阀2224靠近预冷后段222与进液中段32的连接处设置。后段手动开关阀2224设置在延伸段2221上，且位于储罐1的外部。该后段手动开关阀2224使得预冷过程可控，保证预冷操作的安全性。
进一步地，参阅图3，在预冷后段222中，延伸段2221包括竖直分段2221a和水平分段2221b。其中竖直分段2221a的进口与进液中段32连通，竖直分段2221a的出口穿过顶盖123且延伸至吊顶13的上方。水平分段2221b与吊顶13平行，该水平分段2221b的进口与竖直分段2221a的出口连通，水平分段2221b的出口与抬高段2222的进口连通。
在本实施例中，水平分段2221b与吊顶13之间的距离为500mm-600mm，以使水平分段2221b位于吊顶13上铺设的玻璃纤维棉中，实现水平分段2221b的保冷。
如图4所示，竖直分段2221a的外部套设有顶部隔热套管23，顶部隔热套管23靠近竖直分段2221a穿过顶盖123的位置设置。顶部隔热套管23的顶端设有第一封板231，竖直分段2221a的底端设有第一保温支撑环24。顶部隔热套管23与竖直分段2221a之间的夹层空间内填充有玻璃纤维棉，玻璃纤维棉一直延伸至第一保温支撑环24。该玻璃纤维棉在填充过程中要求压缩系数达到50％，其可以隔绝冷量的传递，保证竖直分段2221a穿过顶盖123时不会对顶盖123产生低温破坏。
参阅图5，吊顶13上设有支架25，支架25用于将水平分段2221b支撑于吊顶13上。该支架25包括一对相对设置的立柱251和设置在两个立柱251之间的支撑板252。立柱251的底端与吊顶13的加强筋焊接固定，水平分段2221b置于支撑板252的上表面并通过U型螺栓253固定。
进一步地，如图6所示，水平分段2221b与抬高段2222之间的夹角为钝角。在本实施例中，水平分段2221b与抬高段2222之间的夹角为135°，且抬高段2222的出口与水平分段2221b的出口在竖直方向上的高度差为1300mm-1500mm。本实施例的抬高段2222的外部设有玻璃纤维棉，以进行保冷。
水平分段2221b和抬高段2222的设置可以在管道内形成气封结构，抬高段2222仅允许氮气通过，并能够有效地防止预冷管道内低温氮气冷凝成液态而直接进入内罐11，保证进入储罐1内部的冷却介质均为气态的氮，避免液氮直接滴落至内罐11底板的风险，防止内罐11部分区域因液氮的进入而产生较大的温差，确保冷却过程的安全性。在本实施例中，抬高段2222上安装有法兰，法兰靠近抬高段2222与下降段2223的连接处设置，以使抬高段2222与下降段2223最后一道合拢缝为非焊接方式，从而有效地避免焊接过程中产生的焊渣堵塞螺旋雾化喷头。
参阅图6，本实施例的下降段2223竖直设置，下降段2223穿过吊顶13且延伸至内罐11的顶部位置。下降段2223的外部设有悬顶套管26，悬顶套管26靠近下降段2223穿过吊顶13的位置设置。悬顶套管26的底端穿过吊顶13，悬顶套管26穿过吊顶13的位置处设有开孔补强圈261，悬顶套管26的顶端设有第二保温支撑环27。在本实施例中，该下降段2223的出口处安装有第二封板262，第二封板262的中心位置开设有螺纹安装孔。
进一步地，下降段2223的出口处设有喷头28，喷头28安装于第二封板262上的螺纹安装孔。本实施例的喷头28为螺旋雾化喷嘴，螺旋雾化喷嘴的雾化角度可以达到120°。螺旋雾化喷嘴喷出的低温氮气进入内罐11后能够迅速扩散，保证了整个预冷过程中内罐11整体预冷温降的均匀性。
如图7所示，本实施例的储罐1的容积为20000m3，其内部设有三个喷头28。其中两个喷头28对称布置，另一个喷头28与另外两个喷头28之间的夹角为90°。此种布置可以有效地避免偏流效应，保证内罐11均匀地冷却。在其他一些较优的实施例中，如在10000m3容积的储罐1中，可以只设置两个喷头28，两个喷头28对称设置。
参阅图8至图10，储罐1还设有温度检测系统4，温度检测系统4设置在内罐11的内部。本实施例的温度检测系统4包括第一检测单元41和第二检测单元42，第一检测单元41和第二检测单元42均包括多个温度计43。在本实施例中。温度计43均为双支式表面温度计。双支式表面温度计自带一个备用点，能够保证在其中一个元件故障时另一个可以备用。
第一检测单元41中的多个温度计43设置在内罐11筒体111侧壁的内表面上，并沿竖直方向间隔布置。第二检测单元42中的多个温度计43均设置在内罐11的底板112上，其中一个温度计43布置在底板112的中心位置，其余的温度计43沿储罐1的周向间隔地布置在底板112中心的周侧。
在本实施例中，在温度计43上安装接线，并将接线穿过外罐12接入储罐1顶部的接线箱，以使温度计43测得的数据会转换成数字信号而传输至中控室。预冷调试人员可以在中控室的电脑显示面板上直接观察到内罐11中的温度变化情况，通过记录数据可以得出每个温度检测点每小时的温降和相邻两点之间的温度差，从而实现储罐1预冷过程预冷效果的可视化。
此外，可以根据内罐11内壁和底板112各点温度降低情况前段手动开关阀2216、后段手动开关阀2224的开度，保持在预冷均匀性的前提下实现最大的预冷速度，整体缩短预冷时间。同时若出现急停工况，可随时快速关断后段手动开关阀2224，可有效避免危险事故的发生。
综上，本发明的储罐及其预冷系统中，预冷前段中空温式气化器能够将预冷介质完全转化成气态，以在储罐的外部避免液态的预冷介质进入储罐的内部；同时预冷后段中的抬高段的出口高于延伸段的出口，管路中预冷介质的冷凝液因高度阻力无法通过抬高段而滞留在延伸段中，避免液态的预冷介质直接滴落至内罐底板的风险，防止内罐的内部因液态介质的进入而产生较大的温差应力，确保冷却过程的安全性；此外预冷前段和预冷后段的双重措施能够有效地保证进入内罐内部的仅为气态的预冷介质，气体进入内罐后能够迅速扩散，确保了预冷过程中内罐整体预冷温降的均匀性。
虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
