李均方，張瑞春，陳吉?jiǎng)?/p>

(中國(guó)石油 西南油氣田分公司 成都天然氣化工總廠，四川 成都 610213)

1 概 述

根據(jù)用量不同，大量氦的儲(chǔ)存和運(yùn)輸主要有高壓氣氦運(yùn)輸和液氦運(yùn)輸之分，小量氦氣通常采用高壓鋼瓶運(yùn)輸和杜瓦液氦運(yùn)輸?shù)姆绞絒1]。

一般高壓氣氦拖車儲(chǔ)存壓力為20 MPa，儲(chǔ)存運(yùn)輸溫度為室溫，8瓶/車，單車儲(chǔ)存量約為4500 m3，拖車空載重量約25.57 t，遠(yuǎn)高于氦氣本身重量。液氦儲(chǔ)存壓力0.01～0.57 MPa，儲(chǔ)運(yùn)溫度最低4.2 K，標(biāo)準(zhǔn)11 000加侖液氦儲(chǔ)罐的1次儲(chǔ)存量約25 000 m3(氣氦)，液氦儲(chǔ)罐空載重量約18.5 t，因此可以看出液氦儲(chǔ)存運(yùn)輸是一種高效的儲(chǔ)運(yùn)方式。與高壓氣氦拖車儲(chǔ)運(yùn)相比，液氦儲(chǔ)運(yùn)具有儲(chǔ)存運(yùn)輸量大，運(yùn)輸總重量低，運(yùn)輸氣壓低，儲(chǔ)存運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，特別是在大量氣體遠(yuǎn)距離運(yùn)輸時(shí)的應(yīng)用更加廣泛。

液氦儲(chǔ)運(yùn)屬于低溫液體儲(chǔ)運(yùn)范疇，液氦儲(chǔ)罐屬于專用低溫液體儲(chǔ)罐，這類儲(chǔ)罐的特點(diǎn)是技術(shù)性能要求高[2-3](漏熱損失極低)，交貨時(shí)間較長(zhǎng)(下訂單后18～24個(gè)月以上)，價(jià)格昂貴(約80～100萬(wàn)美元)，使用壽命長(zhǎng)(根據(jù)Gardner報(bào)道，其1973年生產(chǎn)的液氦儲(chǔ)罐目前還運(yùn)行良好，使用壽命已接近50 a)。從安全性看，液氦作為低溫液體，要求儲(chǔ)運(yùn)時(shí)防止低溫凍傷，遠(yuǎn)離熱源；同時(shí)液氦屬于惰性氣體，大量吸入會(huì)有窒息風(fēng)險(xiǎn)。由于氦氣業(yè)務(wù)的有限性和液氦性質(zhì)的特殊性，目前全球液氦儲(chǔ)罐的生產(chǎn)廠商主要有Gardner和CryoAB兩家，國(guó)內(nèi)也有廠商提出過(guò)試制計(jì)劃，但目前無(wú)商業(yè)供貨。特別是Gardner的產(chǎn)品生產(chǎn)歷史較長(zhǎng)，產(chǎn)品市場(chǎng)占有率高。

2 液氦儲(chǔ)罐的特點(diǎn)

作為運(yùn)輸介質(zhì)，液氦的特點(diǎn)是溫度低(沸點(diǎn)4.2 K)，汽化潛熱小(20 kJ/kg)，見(jiàn)表1。與其他介質(zhì)相比，液氦的汽化潛熱大致為液氮的1/10，液甲烷的1/25，這意味著用液氮或液甲烷儲(chǔ)罐來(lái)儲(chǔ)存液氦會(huì)造成液氦快速汽化。因此可以看出液氦儲(chǔ)罐對(duì)絕熱性能要求極高。

表1 相關(guān)介質(zhì)物理性質(zhì)對(duì)比表

液氦儲(chǔ)罐的關(guān)鍵技術(shù)是優(yōu)化結(jié)構(gòu)和參數(shù)，有效降低儲(chǔ)罐漏熱損失至最小，達(dá)到延長(zhǎng)無(wú)損運(yùn)輸時(shí)間的目的。目前低溫儲(chǔ)罐的絕熱方式主要有高真空絕熱、膨脹珍珠巖粉末絕熱和高真空多層屏蔽絕熱三種。液氦儲(chǔ)罐的絕熱方式采用高真空多層屏蔽絕熱，高真空可有效減少真空夾套中氣體對(duì)流傳熱和導(dǎo)熱傳熱，多層屏蔽可減少輻射傳熱量。由于輻射傳熱量與溫度差的4次方成正比，因此輻射傳熱對(duì)儲(chǔ)罐漏熱損失影響最大。為有效減少輻射傳熱，液氦儲(chǔ)罐還采用液氮屏蔽層，通過(guò)液氮蒸發(fā)有效降低液氦的蒸發(fā)損失，延長(zhǎng)無(wú)損運(yùn)輸時(shí)間[4-5]。

表征液氦儲(chǔ)罐絕熱性能的技術(shù)參數(shù)主要有漏熱損失和無(wú)損運(yùn)輸時(shí)間。漏熱損失是在一定溫度和風(fēng)速的環(huán)境條件下，液氦儲(chǔ)罐單位時(shí)間內(nèi)從環(huán)境吸取熱量的多少。以Gardner的液氦儲(chǔ)罐為例，在室溫為20℃，風(fēng)速不大于5 m/s的情況下，漏熱損失期望值為15 Btu/h(注：1 Btu=1.06 kJ)，最大保證值為22.5 Btu/h。由于漏熱損失在直接指導(dǎo)使用時(shí)并不直觀，實(shí)際應(yīng)用中提出了無(wú)損運(yùn)輸時(shí)間的概念，即在儲(chǔ)罐規(guī)定儲(chǔ)存量的條件下，運(yùn)輸過(guò)程中不會(huì)因液氦汽化造成儲(chǔ)罐超壓放空的最長(zhǎng)時(shí)間。

測(cè)量漏熱損失的條件與液體的儲(chǔ)存量關(guān)系較大，液體儲(chǔ)存量小時(shí)，蒸發(fā)到儲(chǔ)存壓力的時(shí)間較長(zhǎng)；反之，儲(chǔ)存量大時(shí)，蒸發(fā)到儲(chǔ)存壓力的時(shí)間較短。另外，液氦儲(chǔ)運(yùn)的環(huán)境溫度、風(fēng)速等也會(huì)影響漏熱損失。以林德液氦儲(chǔ)存為例，一般液氦初始充裝量90%，壓力0.02 MPa，室溫20℃；液氮充裝量98%，壓力0.02 MPa。Gardner和CryoAB的液氦儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存時(shí)間分別為45 d和40 d，見(jiàn)表2。

表2 不同液氦儲(chǔ)罐技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

無(wú)論蒸發(fā)損失如何小，漏熱蒸發(fā)必然存在，因此為保證儲(chǔ)罐儲(chǔ)存量和減輕儲(chǔ)罐重量，液氦儲(chǔ)存壓力是另一值得關(guān)注的因數(shù)，目前這種移動(dòng)式液氦儲(chǔ)罐的壓力約為0.57 MPa，超過(guò)儲(chǔ)存壓力時(shí)會(huì)造成氣氦放空而產(chǎn)生物料損失。

液氦儲(chǔ)罐的工藝流程見(jiàn)圖1，可以看出液氦儲(chǔ)罐的主要低溫液體管道和閥門均采用真空絕熱，液氦輸入和輸出聯(lián)接接口采用專用快速聯(lián)接卡口。液氦和液氮屏蔽層設(shè)有雙安全閥，現(xiàn)場(chǎng)壓力表和差壓式液位計(jì)三種保障措施。為滿足數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的需要，可選裝智能壓力傳感器和液位傳感器。封閉的低溫液體管道間設(shè)置有熱力安全閥。罐體和管道設(shè)置有真空封結(jié)閥，一般需要廠商同意才能開(kāi)啟抽真空。為滿足在管道低溫堵塞后的解凍需要，液氦儲(chǔ)罐還有專門的電加熱低溫解凍管道系統(tǒng)。另外，液氦儲(chǔ)罐絕大部分閥門集中設(shè)置于尾部的閥箱內(nèi)，以減少輻射傳熱和方便操作。液氦儲(chǔ)罐整體按12.192 m標(biāo)準(zhǔn)集裝箱尺寸設(shè)計(jì)，并有與拖車快速聯(lián)接設(shè)施和吊裝設(shè)施，滿足液氦拖車轉(zhuǎn)運(yùn)和吊裝等需要[6-7]。

圖1 液氦儲(chǔ)罐工藝流程圖

液氦儲(chǔ)罐有移動(dòng)運(yùn)輸儲(chǔ)罐和固定儲(chǔ)罐之分，目前液氦儲(chǔ)罐一般已明確標(biāo)示不能用于鐵路運(yùn)輸。本文主要介紹了移動(dòng)式儲(chǔ)罐的性能，其不僅對(duì)絕熱技術(shù)性能要求高，同時(shí)對(duì)可靠性、耐久性、操作運(yùn)輸適應(yīng)性等均提出許多高指標(biāo)要求，對(duì)相關(guān)閥門儀表等配套設(shè)備的選型也有許多對(duì)應(yīng)要求。

3 認(rèn)識(shí)及建議

1.液氦儲(chǔ)罐的最關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是絕熱性能，雖然Gardner的產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)略優(yōu)于CryoAB，但從總體技術(shù)指標(biāo)和實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，兩種產(chǎn)品均能滿足國(guó)內(nèi)液氦運(yùn)輸需求。項(xiàng)目建設(shè)中除技術(shù)指標(biāo)外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注交貨時(shí)間、價(jià)格、配套產(chǎn)品等非技術(shù)方面的影響因素。

2.隨著國(guó)內(nèi)液氦需求的增加，對(duì)液氦儲(chǔ)罐的需要也呈上升趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)低溫儲(chǔ)罐生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)更加關(guān)注液氦儲(chǔ)罐的市場(chǎng)與技術(shù)需求，加快研制液氦儲(chǔ)罐步伐。

3.作為液氦儲(chǔ)罐的使用者，應(yīng)熟悉掌握液氦性質(zhì)、液氦儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)及操作要點(diǎn)，以指導(dǎo)液氦儲(chǔ)罐的正確、長(zhǎng)期、合理使用。