冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统及方法的改进与优化

李 伟 谢淑贤

（山东中车同力钢构有限公司，山东 济南 250101）

0 引言

冷冻液化气体是指运输过程中由于温度低而部分呈液态的气体，临界温度一般不高于-50℃。随着我国气体产业的发展，以LNG、液氮、液氧为代表的冷冻液化气体消费市场快速增加，而冷冻液化气体罐式集装箱由于其具有安全、高效、灵活的特点，应用越来越广泛。目前，国内冷冻液化气体罐式集装箱的产能并不高，当前国内各冷冻液化气体罐式集装箱生产厂家没有一家能够实现年产2000台以上，除市场因素外，还有两个重要因素是其中的抽真空工序[的成本投资过大、生产时间过长，目前比较成熟的抽真空设备包括内循环加热、外置烘房加热等方式，以12.192m的冷冻液化气体罐箱为例，平均需要8d~10d能完成抽真空，经济性差且生产时间过长，不利于规模化生产。

1 行业现状

目前业界应用较广的抽真空系统，一般采用大功率内循环加热方式，不增加烘房，对小型气瓶效果明显，但对大型罐箱产品，效率并不高。常用罐箱设计的内循环加热所需的进气口和出气口都在内罐体的一端，另一端的温度上升非常缓慢。针对内循环加热缓慢、不均匀的问题，另一种方案是提供一种烘房， 即建设烘房，将整个罐箱放入烘房内，通过燃烧天然气产生热气给外罐体加热，该方法对小体积的气瓶效果非常明显，但是对体积较大的罐式集装箱则依然有很大局限性。以常见的12.192 m1AA型罐箱为例，一个烘房的造价约为50万元，同时须燃烧天然气提供热量，优点是能够加快整个抽真空过程，缺点是加热效率低，成本高，经济性极差的同时还增加了二氧化碳排放。

根据以上问题，该文提出一种冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统及方法，在解决内循环加热缓慢、不均匀的问题的同时提高加热效率，减少资源浪费。

2 试验设备

该文提出冷冻液化气体罐式集装箱抽真空系统及方法包括以下组成部分：内罐体循环加热模块、夹层热氮气循环加热模块、粗抽真空机组、精抽真空机组以及氦检漏装置。

其内罐体循环加热模块，罐箱所用绝热层，由铝箔和绝热纸间隔制成，厚度方向透气孔。内筒体、外筒体通过了氦检漏试验，确保漏率符合标准要求；高真空法兰、真空截止阀营保证密封性能好。真空规管须配合真空计使用，能够精确检测夹层真空度，精度要求至少能够检测到1.0×10Pa级别。热风循环机组，出风口温度不低于300℃，出风量不低于500m³/h，风压不低于30kPa，设置温度调节按钮，风量调节按钮，关停按钮等。

夹层热氮气循环加热模块，所用低温开关阀能够在-196℃下使用。气化器是将液氮气化成氮气的装置，气化后氮气压力由减压阀控制，出口压力不大于0.08MPa。吸附装置是一个可重复利用且拆卸装置，吸附剂为5A分子筛和氧化铝组成，能够吸附气化后氮气中的水分和夹层循环带出的水分，拆卸的吸附装置将分子筛高温活化后可重复使用，活化温度不低于400℃。气体加热器是利用电阻丝加热，在加热氮气时能够确保氮气不被加热系统污染，加热后的氮气温度不能低于150℃。高温风管能够耐受350℃高温且表面利用玻璃纤维材料保温。循环抽气泵能够将真空抽至100Pa即可满足使用。

粗抽系统须将真空度抽至1Pa即可，可以是单级旋片泵、罗茨泵机组及相关连接管路组成或者是能够实现该真空度的其他系统，要求抽速不低于200L/s，极限真空度达到0.5Pa。

精抽系统须将真空度抽至1.0×10Pa。精抽系统包括粗抽系统，在粗抽系统的基础上须增加维持泵，扩散泵或者分子泵及相关管路组成精抽系统，可以仅用精抽系统可以完成整个抽真空工作，仅用粗抽系统无法完成整个抽真空工作，粗抽系统搭配精抽系统使用是为了更快地完成抽真空工作。

3 试验过程

第一步：循环加热。开启内罐体加热模块及夹层热氮气循环加热模块，持续循环加热，当夹层热氮气循环加热模块的出口温度达到120℃后，持续夹层循环加热2h再停止夹层加热，进入第二步。

第二步：氮气置换。停止夹层热氮气循环，确保夹层充满氮气且保持常压，内筒体循环加热系统持续工作。单次置换时长2h后进入第三步。

第三步：粗抽。利用两个或者多个粗抽真空机组，进行粗抽，真空度达到0.5Pa后，重复第一、二步，一般情况下至少完成3次氮气置换，氮气置换完成且粗抽达到1Pa左右后进入第四步。

第四步：精抽。粗抽步骤完成后先封结夹层真空度，接入精抽真空机组，将真空度抽至1.0×10Pa级别后，停止内循环加热，同时封结真空度，进入缓慢降温阶段，然后进入第五步。

第五步：检测真空度。待罐体冷却后检测夹层真空度，出厂前再次检测夹层真空度，若真空有丧失风险，须进行补抽，至此整个抽真空过程完成。

3.1 具体实施方式

按图1和图2将各个部件连接后，打开截止阀Ⅰ、截止阀Ⅱ，启动热风循环机组，开始内循环，确保加热后的无油空气自顶部进液管进入内筒体，自底部进液管返回热风循环机组加热后再次进入内筒体，形成内筒体热风循环；在热氮气循环模块其他阀门都关闭的情况下，先打开真空截止阀Ⅰ，打开放空阀，打开循环抽气泵，进行预抽。打开气体加热器，打开液氮罐开关，打开低温开关阀，打开减压阀，打开截止阀Ⅲ，打开截止阀Ⅳ，打开真空截止阀Ⅱ，加热后的氮气在循环抽气泵的作用下进入夹层空间，同时关闭循环抽气泵，当夹层压力接近大气压时，打开循环抽气泵，关闭放空阀，打开截止阀Ⅴ，关闭减压阀，关闭液氮罐开关，关闭低温开关阀，进入夹层加热循环，夹层空间的热氮气在循环抽气泵的作用下，依次经过吸附装置，气体加热器，高温氮气将夹层绝热层中的水分汽化，随着固体小颗粒一起被氮气带出，经过吸附装置时被吸附，循环以往，可以高效降低夹层空间水分及固体小颗粒，当循环氮气出口位置温度达到120℃且持续2小时以上后，关闭循环抽气泵，关闭真空截止阀Ⅰ，关闭真空截止阀Ⅱ，利用内筒体热风循环保持高温。

图1 抽真空前循环加热示意图

图2 抽真空示意图

利用高真空法兰Ⅰ、高真空法兰Ⅱ将粗抽系统、精抽系统连入，利用粗抽系统和精抽系统的粗抽泵，同时抽真空，直至抽至10Pa左右，利用负压抽入高温氮气，夹层压力达到环境压力时关闭真空截止阀Ⅰ和真空截止阀Ⅱ，夹层温度保持120℃左右静止3h。重复该步骤3次，氮气置换结束。

利用高真空法兰Ⅰ、高真空法兰Ⅱ将粗抽系统、精抽系统连入，利用粗抽系统和精抽系统的粗抽泵，同时抽真空，抽至1Pa时关闭高真空截止阀Ⅱ，卸掉粗抽系统，同时用盲板将高真空法兰Ⅱ盲死。

启动精抽系统的高真空泵，抽至0.05Pa时，完成精抽。关闭高真空截止阀Ⅰ，卸掉精抽系统。

关闭热风循环机组，卸掉内循环加热系统，检测真空度，完成抽真空操作。

因粗抽系统及精抽系统及其操作方式，现有技术已经非常成熟，因此不再赘述。

3.2 试验结果分析

该文以12.192m LNG罐箱为例，内罐体长度接近12m，内筒体容积超过45m³，而内循环加热所需的进气口和出气口都在内罐体的一端，另一端的温度上升非常缓慢（如图3所示），经测试，在进气口一端内封头温度超过120℃时，另一端温度还低于70℃，要使整个内罐体表面温度达到100℃以上，采用功率47.5kW的内循环加热器，需要时间超过15h，单纯内循环加热非常缓慢而且耗电量非常大，在不借助烘房的情况下，仅内循环加热对罐箱来说两端温度不均，不利于夹层另一端水分和其他气体析出，平均需要7d~10d才能完成抽真空。

图3 内循环时内部热流示意图

而采用该文所述抽真空方案（如图4所示），罐箱两端温差始终保持在10℃以内，同样条件下使整个内罐体表面温度达到100℃以上，采用功率47.5kW的内循环加热器。并根据两种方案进行了抽真空试验，试验1采用传统抽真空工艺，试验2采用该文所述抽真空工艺，夹层真空度随时间变化规律如图5所示。

图4 夹层系统抽真空

由图5可知，试验1中夹层真空度从标准大气压达到1Pa需要3天左右，而试验2中夹层真空度从标准大气压达到1Pa仅需要2天，两个试验达到技术要求真空度1.0×10Pa分别需要6天和8.5天。该试验说明该文开发的抽真空工艺可以有效提高抽真空效率，将抽真空时间缩短20%以上。

图5 夹层真空度随时间变化图

4 结论

引入夹层热氮气循环加热模块，循环过程中能够直接对夹层空间加热，实现快速加热夹层空间的同时，通过循环带出容易带出的大部分水分以及固体小颗粒。

设计2个或者多个抽真空口，可以实现夹层气体循环的同时，提高抽真空速度，降低抽真空工序所需能耗，从而降低整个生产过程的成本，减少二氧化碳排放。

仅用精抽系统可以完成整个抽真空工作，仅用粗抽系统无法完成整个抽真空工作，粗抽系统搭配精抽系统使用可以更快地完成抽真空工作。

增设橡胶包覆层，既避免了热量的散失，又减少了烘房建设成本，提高了加热效率，降低了生产成本，还避免了烘房供暖产生二氧化碳对环境的污染。