具有罐压力和热量管理的气体分配系统的制作方法

1.本公开总体涉及一种用于向使用装置或处理提供气体的低温存储和输送系统，更具体地，在管理低温罐中的热量和压力的同时向使用装置或处理提供气体。


背景技术：

2.低温罐是存储用作气体的低温流体的有效方法。气体通常以液化状态存储，因为它占据小得多的体积。例如，液化天然气占气态液体的空间的约1/600。低温罐的温度和压力调节极为重要。由于低温要求且通常在较低压力下，液化气存储在隔热低温罐中。此外，存储的低温液体通常是饱和的，从而在期望的温度和压力下同时存在气态和液态。
3.使用装置通常需要在特定的温度和压力下从低温罐系统中输送气体。在向使用装置提供气体时，低温罐中的压力和温度可能会波动。当温度和/或压力升高太多时，可能需要将气体排放到大气中，从而造成存储产品的损失。因此，期望具有一种用于向使用装置提供气体的低温输送罐系统，其可以管理内部温度和压力并防止产品损失。
4.如图1所示，用于从低温液体存储和输送罐分配气体的现有技术系统包括低温罐100，具有低温液体110和在液位线115上方的顶部空间中的蒸气120。低温罐包括内壳101和外壳102。低温罐系统包括从低温罐100到产品蒸发器12和分配出口阀10的蒸气或第一管道或管线400。管道或管线400可以包括许多手动隔离阀，比如阀30。管道或管线400还包括节能器调节器6。液体或第二管线300从罐的液体部分通向蒸发器12和分配出口阀10。此外，该系统还包括压力建立或第三管线500，其从罐的液体部分通向压力建立蒸发器13并回到罐100，并包括压力建立调节器7。
5.当分配阀10打开时，来自系统的气体被使用装置或处理消耗。调节器7设定为在约30巴下打开，而节能器6设定为在约32巴下打开。因此，如果罐压力高于32巴，则假定来自罐顶部或顶部空间的气态蒸气流向产品蒸发器12。然而，节能器6是具有小容量(kv或cv值)的小型调节器，因此，仅提供低流量而不会在整个节能器上产生大的压降。当节能器6打开时，气体流过管线400，如图2中的路径401所示。当罐的顶部空间中的压力下降到低于约32巴时，节能器6关闭。
6.分配阀10打开时，不管节能器6是打开还是关闭，来自罐底部的液体都沿着路径301通过液体管道300行进至蒸发器12，如图3所示，以满足消耗需求。
7.如果罐压力下降到低于压力建立调节器7设定点，则该调节器打开，并且如图4所示，液体沿着管线501流动以使用来自压力建立蒸发器13的蒸气对罐加压。
8.取决于使用装置或处理在10处抽出的气体量，产品蒸发器12将被充满。关闭分配阀10将停止气体排出，并且由于残留在其中的残余液体的蒸发，产物蒸发器12中的压力将急剧上升。产生的压力将蒸气和尚未蒸发的加热液体推回到罐的底部。此时，节能器6关闭。在频繁循环(耗气、中断、耗气等)期间，此过程会迅速加热罐中的液体。一段时间后，罐中的压力将升至主调压阀设定点。安全阀(通常用600表示)随后将打开，这导致一部分存储流体的损失。
9.对于该现有技术设计，节能功能具有非常小的工作窗口。仅当罐内压力高且使用装置或过程通过分配阀10的消耗非常低时，节能才工作。在较高消耗时，通过节能器6的流量且因此压降会增加，并且主要仅从罐100中抽出液体。这导致在罐中建立压力，从而可能需要从罐中排出冷剂。
10.期望提供一种用于向使用装置提供气体的低温输送罐，其中改良了对低温罐中所需的温度和压力的维持。


技术实现要素：

11.本主题的多个方面可在下面描述和要求保护的方法、装置和系统中单独或一起体现。这些方面可以单独使用，也可以与本文中描述的主题的其他方面结合使用，并且这些方面一起的描述并不旨在排除单独使用这些方面或者排除在所附的权利要求书中列出的单独或以不同组合地对这些方面的要求。
12.在一方面，一种用于低温气体输送的系统包括：低温罐，其容纳低温液体和在低温液体上方的顶部空间内的气体。该系统还包括第一蒸发器和第二蒸发器以及使用出口。第一管道构造为将气体从顶部空间通过第一蒸发器传输至使用出口。第二管道构造为通过第一蒸发器从所述罐中传输液体，使得第一蒸气流被引导至使用出口。第三管道构造为通过第二蒸发器从所述罐中传输液体从而将第二蒸气流引回到罐的顶部空间而在罐内建立压力。第一调节器阀与第二管道流体连通。第一调节器阀构造成当第一调节器的出口侧的压力下降到低于第一预定压力水平时打开。第二调节器阀与第三管道流体连通。第二调节器阀构造成当所述罐内的压力下降到低于第二预定压力水平时打开。第一预定压力水平高于第二预定压力水平。
13.在另一方面，一种从低温罐向使用装置提供气体同时保持罐内温度和压力的方法，包括存储在输送罐中的液体，包括打开分配阀以开始将气体分配到使用装置。在第一罐压力下，引导气体通过第一管道和第一蒸发器至使用装置。在第二罐压力下，引导液体从所述罐通过第二管道和第一蒸发器至使用装置。在第三罐压力下，引导液体从所述罐通过第三管道和第二蒸发器并回到所述罐。关闭分配阀以停止将气体分配到使用装置，并且通过第一管道将第一蒸发器中的任何残留液体或气体返回到所述罐的顶部。
附图说明
14.图1是现有技术的低温输送罐系统的示意图。
15.图2是图1的系统的第一气体输送功能的示意图。
16.图3是图1的系统的第二气体输送功能的示意图。
17.图4是图1的系统的压力建立功能的示意图。
18.图5是本公开的输送罐系统的一个实施例的示意图。
19.图6是图5的系统的第一气体输送功能的示意图。
20.图7是图5的系统的第二气体输送功能的示意图。
21.图8是图5的系统的压力建立功能的示意图。
22.图9是本公开的输送罐系统的另一实施例的示意图。
23.图10是本公开的输送罐系统的另一实施例的示意图。
24.图11是图10的系统的第一气体输送功能的示意图。
25.图12是图10的系统的第二气体输送功能的示意图。
26.图13是本公开的输送罐系统的另一实施例的示意图。
具体实施方式
27.本公开的实施例提供了一种具有热量和压力管理功能的存储和输送罐。
28.图5示出了本公开的低温输送罐系统200，其包括低温罐203。采用低温罐203来存储低温液体。仅作为示例，低温液体可以是氮气、氦气、氧气或任何其他已知的低温流体。
29.在所示的实施例中，低温罐203具有内壳201和外壳202，其中内壳限定罐的内部。低温液体210存储在内壳201的内部。低温液体210占据低温罐203的特定体积，剩余体积由低温气体或蒸气220占据。液位215被包括用于说明性目的，但液位可能会有所不同，尤其是在不同情况下(系统输送气体之后、向罐重新填充液体等)。
30.在图示的实施例中，低温罐203是立式罐。在其他实施例中，罐203可以是卧式罐。
31.尽管本发明的低温罐203示出为双壁的，但也可以是单壁或三壁的。低温罐可由铜合金、镍合金、碳、不锈钢或本领域中任何其他已知的材料制成。
32.低温罐203可以在内壁和外壁(或壳)之间具有隔热和/或可以是真空隔热的。可以使用用于隔热的任何已知材料的单层或多层隔热。
33.内容器201可以通过一个或多个内容器支撑构件连接到外容器202。例如，如本领域中已知的，内容器支撑构件可以将内容器的颈部和基部连接至外容器。
34.低温输送系统200包括至少一个蒸发器，优选地至少两个，用于将液化气转化成供使用装置或过程使用的气体。各种类型的蒸发器可用于本文公开的蒸发器，比如环境空气、循环水、电、燃料燃烧、蒸气或水浴蒸发器。在一实施例中，利用环境空气蒸发器。低温输送系统200具有至少第一蒸发器12和第二蒸发器13。蒸发器12用作产品蒸发器，并将来自罐的液体转化为蒸气，并将蒸气加热，或将罐的顶部空间中的蒸气加热至对于使用装置的合适压力和温度。蒸发器13用作压力建立蒸发器，用于通过从罐中抽出液体并形成气体(在其返回到罐的顶部空间之前)来提高低温罐的压力。尽管为产品和压力建立蒸发器中的每个示出了三个蒸发器，但低温输送系统200中可以包括更多或更少的蒸发器。
35.关于作为低温输送系统200的一部分的罐和使用装置的许多连接的传输管道或管线提供不同的功能。低温输送系统200包括来自罐的液体部分的液体管线350，其提供液体用于转化为通过蒸发器12并到达使用出口250的气体，该使用出口250连接到使用装置或过程。蒸气管线450从罐203提供气体，用于在移动通过蒸发器12之后，通过使用出口250分配到使用装置。压力建立管线550将液体从罐203引导到压力建立蒸发器13，以将所得的蒸气流循环回至罐203中，从而可以增加罐中的压力。尽管图中未示出具体细节，但每个传输管的两端可以具有许多特定配件。例如，每个配件可包括可移除且可重复使用的密封件。每个管道端部还可包括阀或通风口。该管道和其他结构的横截面可以具有各种形状，比如圆形、椭圆形、方形、三角形、五边形、六边形、多边形和其他形状。
36.低温输送罐系统200的传输管道可具有多个阀。管线450具有隔离阀32，而管线350具有阀10，其在图5的实施例中是隔离阀。管线550具有隔离阀8。使用出口250可以具有分配阀，其被打开以向使用装置或过程提供气体。
37.该系统的阀可以是但不限于截止阀、球阀、止回阀、闸阀、斜盘式止回阀、旋启式止回阀或切断式止回阀。
38.阀也可以是机电阀，例如电磁阀。在一实施例中，在使用出口250处的分配阀是电磁阀。
39.压力建立管线550包括压力建立调节器16，而液体管线350包括液体调节器17。在图5所示的实施例中，蒸气管线450不具有调节器阀或节能器。
40.低温罐系统200可以包括用于读取罐系统的不同特性的装置或仪表。这些装置或仪表可以显示压力、温度、压差、液位等。
41.低温罐系统200还可包括控制系统。控制系统可包括控制器以及可选地位于系统上或系统中的多个传感器(例如压力和温度传感器)。可以利用控制器来控制低温罐系统的各个部分，例如低温罐系统200的阀。控制器可以是有线的或无线的，并且与可选的传感器以及其控制的系统的那些阀和其他部分通信。控制器包括处理器或其他计算机设备，并且可以是可编程的，以便根据某些事件或状态信息来调节或启动过程，包括将系统置于以下所述的构造中。控制器还可以向用户提供信息，诸如历史数据或各种类型指示。
42.在图5的实施例或本公开的任何其他实施例中，低温罐系统200包括至少一个用于用低温液体填充罐的管道。在一实施例中，有分开的填充管道和分开的抽取管道。可能还有来自内容器的其他路径，以填充和除去液体。填充和抽取管道可以是用于输送或允许流体流过的任何合适的导管。
43.图6示出了低温罐系统200的第一气体输送功能。管线450的阀32是打开的，并且在下述操作中保持打开。当连接使用装置或过程并且在使用出口250处打开分配阀时，气体从低温罐203的顶部空间传输，只要管线450中且因此液体调节器17的出口侧的压力高于特定压力。在一实施例中，该压力约为30巴。换句话说，当出口侧的压力(即管线450内的压力)高于约30巴时，液体调节器17关闭。气体从低温罐顶部空间通过管道450和产品汽化器12(可以在其中加热)行进至使用出口250，如通常由箭头451所示。从罐顶部空间抽出蒸气可显著改善整体热量管理，因为去除气体从罐中带走大量的热量。与常规系统不同，管线450上没有节能器或调节器来干扰从罐顶部空间输送出去的气体。
44.图7示出了低温罐系统200的第二气体输送功能。如前所述，管线350上的液体调节器17被设定为约30巴的特定压力。当由于从顶部空间除去气体/蒸气而导致低温罐顶部空间中的压力降低时，管线450内的压力将下降到低于30巴并且液体调节器17将打开。液体然后将从罐流过管线350和调节器17至产品蒸发器12。然后，所产生的蒸气将流过使用出口250至使用装置或过程。流体路径在图7中通常由箭头351表示。
45.图8示出了低温罐系统200的压力增加功能。当罐内的压力下降至特定压力时，管线550上的压力建立调节器16设定为打开。在一实施例中，特定压力为约29巴。当低温罐中的压力降低到该特定压力时，由于从顶部空间除去了气体/蒸气和/或从罐底部除去了液体，液体将通过管线550从罐中流到压力建立蒸发器13。所产生的蒸气将流回到低温罐203，进入蒸气顶部空间。流体路径通常由图8中的箭头551示出。当罐中的压力升高到约29巴以上时，压力建立调节器16关闭。这在罐中和产品蒸发器12上维持期望的压力。
46.当使用装置或过程的消耗停止时，残留在产品蒸发器12中的液体蒸发。通过该动作产生的压力将尚未能够蒸发的加热液体和残留蒸气推回。液体和蒸气通过管线450返回
并进入低温罐203的顶部空间。由于产品蒸发器12中的较高压力，液体调节器17将关闭。罐内的压力很可能会回升至29巴以上，因此关闭压力建立调节器16。以蒸气形式的多余热量将再次在罐顶部建立，并使得在下一气体输送或分配循环期间能够从罐顶部除去气体/蒸气，然后切换为液体抽取。
47.这种设计上的改进确保了罐底部的冷液体将保留在罐中，并且不会像图1所示的现有技术系统那样被加热。通过使罐中的液体保持冷态，它还可以维持存储液体的热容量。因此，即使频繁循环(耗气、中断、耗气等)，效果也将受到限制并导致调压阀打开的频率降低，并且降低存储液体的损失。
48.图9示出了本公开的另一实施例，其中低温罐系统225沿液体管线350使用止回阀18。低温罐系统225可包括低温罐系统200的所有特征，但具有附加止回阀18。作为单向阀，止回阀18在产品蒸发器中的压力低于液体调节器17的设定点(因此液体调节器17是打开的)的情况下防止在气体消耗停止后液体从产品蒸发器12流回到低温罐的底部。
49.可替代地，图9的阀10可以是球形止回阀(省略了止回阀18)，其在产品蒸发器中的压力低于液体调节器17的设定点(因此液体调节器17是打开的)的情况下防止在气体消耗停止后液体从产品蒸发器12流回到低温罐的底部。
50.图10示出了本公开的另一实施例，其中低温罐系统226使用产品蒸发器12之前的回路19。低温罐系统226可以包括低温罐系统200的所有特征，而且还包括在产品蒸发器12之前的回路。值得注意的是，在图10的实施例中，回路19具有在实体上(physically)上升到产品蒸发器12上方的峰部。如图10所示，蒸气管线450附接至回路的该峰部。在本公开的技术的某些应用中可能期望的该实施例防止来自罐和管线350的液体的一部分流入管线450，同时剩余部分行进至产品蒸发器12。进入管线450的这种流动将导致流向罐的顶部空间，从而管线450将充当压力建立回路，这是不希望的。
51.图11和12示出了用于低温罐系统226的第一和第二气体输送功能。图11示出了当液体调节器17关闭时从低温罐203的顶部空间到使用出口250以及使用装置或过程的气体路径，如总体由箭头452指示。图12示出了从低温罐203通过敞开的液体调节器17和蒸发器12到使用出口250以及使用装置或过程的液体路径，总体如由箭头352指示。如前所述，回路19提供了附加结构，以确保通过管线350从低温罐中抽取的液体不会通过阀32流入气体管线450。
52.图13示出了本公开的另一实施例，其中低温罐系统227沿线350使用止回阀18以及图10
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12的回路结构19。低温罐系统227可包括图10
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12的低温罐系统226的所有特征和功能，但具有附加止回阀18，其功能在上面关于图9进行了描述。如关于图9进一步描述，在本公开的系统的另一替代实施例中，图13中的阀10可以是球形止回阀(并且省略了止回阀18)。
53.尽管已经示出和描述了本公开的优选实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本公开的精神的情况下，可以在其中进行改变和修改，本公开的范围由所附权利要求限定。