液氦儲罐發展現狀及關鍵技術

李均方，張瑞春，陳吉剛

(中國石油 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

根據用量不同，大量氦的儲存和運輸主要有高壓氣氦運輸和液氦運輸之分，小量氦氣通常采用高壓鋼瓶運輸和杜瓦液氦運輸的方式[1]。

一般高壓氣氦拖車儲存壓力為20 MPa，儲存運輸溫度為室溫，8瓶/車，單車儲存量約為4500 m3，拖車空載重量約25.57 t，遠高于氦氣本身重量。液氦儲存壓力0.01～0.57 MPa，儲運溫度最低4.2 K，標準11 000加侖液氦儲罐的1次儲存量約25 000 m3(氣氦)，液氦儲罐空載重量約18.5 t，因此可以看出液氦儲存運輸是一種高效的儲運方式。與高壓氣氦拖車儲運相比，液氦儲運具有儲存運輸量大，運輸總重量低，運輸氣壓低，儲存運輸經濟性好的特點，特別是在大量氣體遠距離運輸時的應用更加廣泛。

液氦儲運屬于低溫液體儲運范疇，液氦儲罐屬于專用低溫液體儲罐，這類儲罐的特點是技術性能要求高[2-3](漏熱損失極低)，交貨時間較長(下訂單后18～24個月以上)，價格昂貴(約80～100萬美元)，使用壽命長(根據Gardner報道，其1973年生產的液氦儲罐目前還運行良好，使用壽命已接近50 a)。從安全性看，液氦作為低溫液體，要求儲運時防止低溫凍傷，遠離熱源；同時液氦屬于惰性氣體，大量吸入會有窒息風險。由于氦氣業務的有限性和液氦性質的特殊性，目前全球液氦儲罐的生產廠商主要有Gardner和CryoAB兩家，國內也有廠商提出過試制計劃，但目前無商業供貨。特別是Gardner的產品生產歷史較長，產品市場占有率高。

2 液氦儲罐的特點

作為運輸介質，液氦的特點是溫度低(沸點4.2 K)，汽化潛熱小(20 kJ/kg)，見表1。與其他介質相比，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罐來儲存液氦會造成液氦快速汽化。因此可以看出液氦儲罐對絕熱性能要求極高。

表1 相關介質物理性質對比表

液氦儲罐的關鍵技術是優化結構和參數，有效降低儲罐漏熱損失至最小，達到延長無損運輸時間的目的。目前低溫儲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流傳熱和導熱傳熱，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，因此輻射傳熱對儲罐漏熱損失影響最大。為有效減少輻射傳熱，液氦儲罐還采用液氮屏蔽層，通過液氮蒸發有效降低液氦的蒸發損失，延長無損運輸時間[4-5]。

表征液氦儲罐絕熱性能的技術參數主要有漏熱損失和無損運輸時間。漏熱損失是在一定溫度和風速的環境條件下，液氦儲罐單位時間內從環境吸取熱量的多少。以Gardner的液氦儲罐為例，在室溫為20℃，風速不大于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使用時并不直觀，實際應用中提出了無損運輸時間的概念，即在儲罐規定儲存量的條件下，運輸過程中不會因液氦汽化造成儲罐超壓放空的最長時間。

測量漏熱損失的條件與液體的儲存量關系較大，液體儲存量小時，蒸發到儲存壓力的時間較長；反之，儲存量大時，蒸發到儲存壓力的時間較短。另外，液氦儲運的環境溫度、風速等也會影響漏熱損失。以林德液氦儲存為例，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的液氦儲罐的儲存時間分別為45 d和40 d，見表2。

表2 不同液氦儲罐技術參數對比表

無論蒸發損失如何小，漏熱蒸發必然存在，因此為保證儲罐儲存量和減輕儲罐重量，液氦儲存壓力是另一值得關注的因數，目前這種移動式液氦儲罐的壓力約為0.57 MPa，超過儲存壓力時會造成氣氦放空而產生物料損失。

液氦儲罐的工藝流程見圖1，可以看出液氦儲罐的主要低溫液體管道和閥門均采用真空絕熱，液氦輸入和輸出聯接接口采用專用快速聯接卡口。液氦和液氮屏蔽層設有雙安全閥，現場壓力表和差壓式液位計三種保障措施。為滿足數據遠傳的需要，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置有熱力安全閥。罐體和管道設置有真空封結閥，一般需要廠商同意才能開啟抽真空。為滿足在管道低溫堵塞后的解凍需要，液氦儲罐還有專門的電加熱低溫解凍管道系統。另外，液氦儲罐絕大部分閥門集中設置于尾部的閥箱內，以減少輻射傳熱和方便操作。液氦儲罐整體按12.192 m標準集裝箱尺寸設計，并有與拖車快速聯接設施和吊裝設施，滿足液氦拖車轉運和吊裝等需要[6-7]。

圖1 液氦儲罐工藝流程圖

液氦儲罐有移動運輸儲罐和固定儲罐之分，目前液氦儲罐一般已明確標示不能用于鐵路運輸。本文主要介紹了移動式儲罐的性能，其不僅對絕熱技術性能要求高，同時對可靠性、耐久性、操作運輸適應性等均提出許多高指標要求，對相關閥門儀表等配套設備的選型也有許多對應要求。

3 認識及建議

1.液氦儲罐的最關鍵技術指標是絕熱性能，雖然Gardner的產品技術指標略優于CryoAB，但從總體技術指標和實際應用來看，兩種產品均能滿足國內液氦運輸需求。項目建設中除技術指標外，還應重點關注交貨時間、價格、配套產品等非技術方面的影響因素。

2.隨著國內液氦需求的增加，對液氦儲罐的需要也呈上升趨勢，國內低溫儲罐生產企業應更加關注液氦儲罐的市場與技術需求，加快研制液氦儲罐步伐。

3.作為液氦儲罐的使用者，應熟悉掌握液氦性質、液氦儲罐的結構及操作要點，以指導液氦儲罐的正確、長期、合理使用。