无排放加注影响因素的试验研究

　　我国开展低温技术研究已有50余年的历史,从20世纪50~60年代的空分、小型氢和氦的液化、绝热技术的研究,已逐渐发展成为大型工业应用、储运行业的发展、与生物医药和超导等学科的交叉发展以及空间技术的拓展[1].随着低温产品需求的日益增加,低温液体贮运产业呈现出一派欣欣向荣之势,而与贮运密不可分的低温液体加注环节也受到关注.低温液体在常温常压下易汽化,使得有效加注的液体量锐减;另外,由于低温液体中的危险品液氢(LH2)和液化天然气(LNG)等易燃烧,禁止在大气中排放,且低温液体中的有价介质如液氦(LHe)获取不易,在转移的过程中需小心处理,因而采用无排放加注替代传统的排放加注模式已成为发展趋势.

　　国外对无排放加注技术的研究可追溯到20世纪60年代,以美国国家航空航天局(NASA)为代表,陆续开展了一系列性能测试和理论研究[2-4],但国内开展无排放加注的研究起步较晚.杜玉清[5]在LNG汽车燃料储罐加注技术的研究中发现,采用无排放加注具有较好的优越性;另外,围绕无排放加注过程中的压力特性[6]和加注结构的影响[7]也陆续开展了研究.

　　由于增大供液容器与接收容器间的压差可以保证流体的稳定加注,故在规定供液压力的前提下,控制接收容器内的压力和升压速度,对成功实现无排放加注十分重要.另外,确保最终充满率达到指定值和尽可能缩短加注时间也是衡量无排放加注质量的重要指标.因此,接收容器内压力、最终充满率和加注时间成为衡量无排放加注性能的主要特性参数.研究表明[8],进液温度、进液流量和接收容器内壁面温度对接收容器内压力的影响显著.鉴于此,本文针对上述主要影响因素对接收容器内压力的影响规律进行试验研究,并分析了加注结构、加注口高度对3个主要特性参数的影响,以期为降低无排放加注技术的操作难度和改进无排放加注方法提供依据.

　　1 无排放加注试验台及流程

　　无排放加注试验台主要包括供液储罐、低温泵和180 L低温绝热接收容器,如图1所示.其中:供液储罐容积为5 m3,并附带自增压供液装置;低温泵选用卧式单级离心泵,额定流量为12 m3/h,扬程80 m,功率11 kW;低温绝热接收试验所用气瓶内容积为180 L,采用高真空多层绝热方式(见图2);输液管路采用泡沫堆积绝热.试验采用的低温流体介质为液氮(LN2).LN2从供液储罐底部用液阀流出,经过低温泵后被迅速增压而成为过冷液体,并流经输送管路及加注接头而进入低温绝热接收容器.

　　在测试中,采用Micro Sensor公司制造的MPM4730型传感器(精度?100 Pa)分别测量供液压力和接收容器内压力.采用T型热电偶分别测量加注口进液温度、容器外壁温度以及内部介质温度,热电偶分布位置见图2,共使用了21个热电偶.其中:14个用于测量内部介质温度,从下而上分为8层分布,在第2、3、6层从轴线至壁面径向等距离各布置了3个热电偶以测量轴向温度分布,其余各层只有1个位于轴线上的热电偶;将6个热电偶自下而上分布在接收容器内筒体的外壁面,用于测量容器外壁面温度,测点的高度分别与内部温度测点的高度相对应,1个热电偶布置于加注口内,用于测量进口液体温度.试验时,将接收容器置于SCS-600型电子平台秤(由METTLER TOLEDO公司制造,精度?0.1 kg)上,通过称重法累积记录被加注流体的质量,结合进液温度的测量而得到实际进液密度,由此计算出进液流量.通过测量内部介质的温度,可得容器内的实时液体密度,从而计算实际的充满率.