液氦储罐发展现状及关键技术

2021-11-12李均方张瑞春陈吉刚

低温与特气 2021年5期

李均方，张瑞春，陈吉刚

(中国石油西南油气田分公司成都天然气化工总厂，四川成都 610213)

1 概述

根据用量不同，大量氦的储存和运输主要有高压气氦运输和液氦运输之分，小量氦气通常采用高压钢瓶运输和杜瓦液氦运输的方式[1]。

一般高压气氦拖车储存压力为20 MPa，储存运输温度为室温，8瓶/车，单车储存量约为4500 m3，拖车空载重量约25.57 t，远高于氦气本身重量。液氦储存压力0.01～0.57 MPa，储运温度最低4.2 K，标准11 000加仑液氦储罐的1次储存量约25 000 m3(气氦)，液氦储罐空载重量约18.5 t，因此可以看出液氦储存运输是一种高效的储运方式。与高压气氦拖车储运相比，液氦储运具有储存运输量大，运输总重量低，运输气压低，储存运输经济性好的特点，特别是在大量气体远距离运输时的应用更加广泛。

液氦储运属于低温液体储运范畴，液氦储罐属于专用低温液体储罐，这类储罐的特点是技术性能要求高[2-3](漏热损失极低)，交货时间较长(下订单后18～24个月以上)，价格昂贵(约80～100万美元)，使用寿命长(根据Gardner报道，其1973年生产的液氦储罐目前还运行良好，使用寿命已接近50 a)。从安全性看，液氦作为低温液体，要求储运时防止低温冻伤，远离热源；同时液氦属于惰性气体，大量吸入会有窒息风险。由于氦气业务的有限性和液氦性质的特殊性，目前全球液氦储罐的生产厂商主要有Gardner和CryoAB两家，国内也有厂商提出过试制计划，但目前无商业供货。特别是Gardner的产品生产历史较长，产品市场占有率高。

2 液氦储罐的特点

作为运输介质，液氦的特点是温度低(沸点4.2 K)，汽化潜热小(20 kJ/kg)，见表1。与其他介质相比，液氦的汽化潜热大致为液氮的1/10，液甲烷的1/25，这意味着用液氮或液甲烷储罐来储存液氦会造成液氦快速汽化。因此可以看出液氦储罐对绝热性能要求极高。

表1 相关介质物理性质对比表

液氦储罐的关键技术是优化结构和参数，有效降低储罐漏热损失至最小，达到延长无损运输时间的目的。目前低温储罐的绝热方式主要有高真空绝热、膨胀珍珠岩粉末绝热和高真空多层屏蔽绝热三种。液氦储罐的绝热方式采用高真空多层屏蔽绝热，高真空可有效减少真空夹套中气体对流传热和导热传热，多层屏蔽可减少辐射传热量。由于辐射传热量与温度差的4次方成正比，因此辐射传热对储罐漏热损失影响最大。为有效减少辐射传热，液氦储罐还采用液氮屏蔽层，通过液氮蒸发有效降低液氦的蒸发损失，延长无损运输时间[4-5]。

表征液氦储罐绝热性能的技术参数主要有漏热损失和无损运输时间。漏热损失是在一定温度和风速的环境条件下，液氦储罐单位时间内从环境吸取热量的多少。以Gardner的液氦储罐为例，在室温为20℃，风速不大于5 m/s的情况下，漏热损失期望值为15 Btu/h(注：1 Btu=1.06 kJ)，最大保证值为22.5 Btu/h。由于漏热损失在直接指导使用时并不直观，实际应用中提出了无损运输时间的概念，即在储罐规定储存量的条件下，运输过程中不会因液氦汽化造成储罐超压放空的最长时间。

测量漏热损失的条件与液体的储存量关系较大，液体储存量小时，蒸发到储存压力的时间较长；反之，储存量大时，蒸发到储存压力的时间较短。另外，液氦储运的环境温度、风速等也会影响漏热损失。以林德液氦储存为例，一般液氦初始充装量90%，压力0.02 MPa，室温20℃；液氮充装量98%，压力0.02 MPa。Gardner和CryoAB的液氦储罐的储存时间分别为45 d和40 d，见表2。

表2 不同液氦储罐技术参数对比表

无论蒸发损失如何小，漏热蒸发必然存在，因此为保证储罐储存量和减轻储罐重量，液氦储存压力是另一值得关注的因数，目前这种移动式液氦储罐的压力约为0.57 MPa，超过储存压力时会造成气氦放空而产生物料损失。

液氦储罐的工艺流程见图1，可以看出液氦储罐的主要低温液体管道和阀门均采用真空绝热，液氦输入和输出联接接口采用专用快速联接卡口。液氦和液氮屏蔽层设有双安全阀，现场压力表和差压式液位计三种保障措施。为满足数据远传的需要，可选装智能压力传感器和液位传感器。封闭的低温液体管道间设置有热力安全阀。罐体和管道设置有真空封结阀，一般需要厂商同意才能开启抽真空。为满足在管道低温堵塞后的解冻需要，液氦储罐还有专门的电加热低温解冻管道系统。另外，液氦储罐绝大部分阀门集中设置于尾部的阀箱内，以减少辐射传热和方便操作。液氦储罐整体按12.192 m标准集装箱尺寸设计，并有与拖车快速联接设施和吊装设施，满足液氦拖车转运和吊装等需要[6-7]。