储藏罐的氮气供应系统及其方法与流程

本发明涉及一种氮气供应系统，尤其是一种在空调系统的蓄热槽、在工厂或车间等使用的各种罐体、原油等石油化工产品的储藏罐等大空间储藏罐中为了阻隔与外部大气的接触而在内侧上部填充氮气之后再进行排出时，能够在降低氮气消耗量的同时实现有效密封的大空间储藏罐的氮气供应装置及其方法。

背景技术：

通常，在地区性空调系统中所安装的蓄热槽中，为了阻隔与外部大气的接触而在蓄热槽的内侧上部空间(未被水充满的空间)使用水蒸气(蒸汽)进行填充而不使用空气，这被称之为“蒸汽密封(steamsealing)”。在采取如上所述的蒸汽密封方式时，会因为蓄热槽内侧的上部空间多为高温(98℃)多湿状态而导致蓄热槽上部铁质材料的腐蚀，还会因为保温材料的收缩膨胀而形成裂缝并因此导致寿命的缩短和更换成本的增加。此外，因为需要持续供应生成蒸汽用的电加热器和循环泵所需的电力，所以其电力消耗较高。为了解决上述问题，能够使用将氮气填充到蓄热槽内部的“氮气密封”方式以取代蒸汽密封。

此外，在工厂、车间等处对工程水进行水处理(净水处理等)之后，为了在正式使用之前阻隔与一般大气的接触而需要在储藏罐中进行氮气密封，但是因为储藏罐内水位的变化而需要反腐执行氮气的填充和排气处理。在这种情况下，会因为氮气的一次性使用以及排出而导致大量损失，从而导致密封成本的增加。因此，需要研究出一种能够通过重新使用所排出的氮气而降低其密封成本的方案。

此外，在液体状态的燃料用气体以及原油等石油化工产品的储藏罐中会利用阻燃性氮气对其内侧上部进行密封，在这种情况下也会因为氮气的过量排出而导致成本的增加。此外，在很多情况下同样会以防止爆炸以及防止腐蚀等目的而在罐体内部填充氮气，在这种情况下需要一种能够解决因为氮气的过量消耗而导致的成本增加的问题。

图1中图示了在一般氮气密封中所使用的氮气生成器的大致安装结构图(a)，以及用于对氮气生成器中所生成的氮气随时间的浓度变化以及阀开闭动作进行说明的图表(b)。

如图1的(a)所示，在氮气密封中所使用的氮气生成器通过接收由压缩机供应的压缩空气而生成氮气，而所生成的氮气在暂时储藏在缓冲罐中之后再被供应到各个储藏罐等需要氮气的位置。

其中，从压缩机供应到氮气生成器中的压缩空气的成分与大气的构成相同，由78％的氮气、21％的氧气、1％的其他物质构成，而氮气生成器将对压缩空气中的氧气进行分离，从而生成并供应99.0％～99.9999％纯度的高浓度氮气。

具体来讲如图1的(b)所示，最初的压缩空气内的氮气浓度为78％，而为了将压缩空气供应到氮气发生器，图1的(a)中的阀a将被打开。同时为了防止压缩空气的泄露，安装在氮气生成器中的排气用阀b将被关闭。此时在氮气生成器的出口一侧，用于排出低浓度氮气的阀c将被打开，而与缓冲罐连接的阀d将处于关闭的状态。在上述状态下，氮气生成器将开始工作且氮气的浓度将随着时间的经过而逐渐增加，从最初的78％上升至99.9％。在氮气的浓度上升至99.9％之后，阀c将被关闭而阀d将被打开，从而生成用于氮气密封的高浓度氮气(将产生99.9％以上氮气的过程记载为“生成氮气”)并移送到缓冲罐中。生成氮气的过程将在持续一定的时间之后中断，而在氮气生成器中所生成的氮气浓度将重新降低，此时阀d将被关闭。接下来在经过一定的时间之后将再次执行上述过程，从而周期性地生成氮气，且通常通过并列安装2台氮气生成器而持续性地生成一定浓度的氮气。

此外如图1的(b)所示，开始生成98.0％浓度氮气的时间早于开始生成99.9％浓度氮气的时间，且98.0％浓度的氮气从开始生成到结束生成的时长t1长于99.9％浓度的氮气从开始生成到结束生成的时长t2。因此，可以得知98.0％的氮气生成量大于99.9％的生成量。此外，在使用psa方式的氮气生成器时为了生成99.9％的氮气通常需要排出压缩空气中的约四分之三(即，只有压缩空气中的四分之一被回收而其他部分将被排出消耗)，与此相反，为了生成98.0％的氮气只需要排出压缩空气中的二分之一左右而剩余的二分之一将被回收。即，氮气生成器所生成的氮气浓度越高，相对于流入到氮气生成器中的压缩空气量的氮气生成量越少，与此相反，所生成的氮气浓度越高，相对于压缩空气量的氮气生成量越多。因此，相对于生成99.9％浓度氮气的情况，在生成98.0％的氮气时不仅能够因为压缩空气的消耗量较少而降低压缩机的运行率，还能够因为氮气生成量较多而以较低的成本生成更多的氮气。

在这种情况下目前采用的是从一开始就向储藏罐填充99.9％氮气的方式，即，将开始生成和结束生成99.9％氮气的时间间隔t2作为时间差，交替性地对安装在氮气生成器前端和后端的阀(阀a、b以及c、d)进行开闭的所谓时间固定型开闭方式。但是对于大容量的储藏罐，如果在最初内侧上部被一般空气充满的状态下填充氮气，则即使是填充99.9％的氮气，其浓度也会被稀释，而且因为相对于压缩空气的99.9％氮气生成量较少而需要较长的时间，同时还会因为压缩空气的消耗量较多而导致压缩机的运行率和氮气生成器的运行率增加等生成成本增加的问题。

技术实现要素：

技术问题

本发明的目的在于解决上述在现有的储藏罐中采用氮气密封方式时所存在的问题而提供一种既能够降低因为氮气的过量消耗而导致的密封成本的增加，同时实现有效的密封效果，且能够通过采用按照氮气的浓度对生成时间进行增减的运行方式而降低能源的消耗，还能够以较低廉的生成成本生成大量的氮气并完成储藏罐填充的氮气供应装置及其方法。

技术方案

为了实现上述目的，根据本发明的储藏罐氮气供应系统包括：压缩机；氮气生成器，包括接收由上述压缩机供应的压缩空气并生成氮气的氮气生成部、对上述氮气生成部所生成的氮气浓度进行测定的氮气浓度计测仪、以及将上述氮气生成部所生成的氮气供应或停止供应到储藏罐中的供应控制阀；罐内浓度计测仪，对上述储藏罐内部的氮气浓度进行测定；以及控制部，对整个系统的工作进行控制；其中，上述控制部根据氮气浓度计测仪或罐内浓度计测仪所测定出的氮气浓度对上述供应控制阀进行控制，从而对供应到储藏罐中的氮气浓度进行调节。

其中，上述控制部接收由氮气浓度计测仪所测定出的氮气浓度，并在判定所测定出的氮气浓度已达到初期填充浓度时打开供应控制阀，从而将预设初期填充浓度的氮气填充到储藏罐的内侧上部空间；接收由罐内浓度计测仪所测定出的氮气浓度，并在所测定出的氮气浓度达到预设的基准浓度时对供应控制阀进行控制，从而将高于基准浓度的预设后期填充浓度的氮气填充到储藏罐的内侧上部空间，直至达到预设的目标浓度。

其中，优选地为，上述供应控制阀采用能够对其开度进行调整的比例控制阀。

此外，一种氮气供应系统，其特征在于：在上述储藏罐内侧上部空间中的下部一侧配备排气阀，上述排气阀在向储藏罐填充氮气时将最初充满的空气或已填充的氮气排出到外部。

此外，优选地为，在上述储藏罐内侧上部空间的下部一侧配备回收阀，上述回收阀对已填充到储藏罐中的氮气进行回收并供应至上述压缩机，且优选地为，还包括流入气体选择阀，上述流入气体选择阀的一端与上述回收阀连接而另一端与上述压缩机的前端连接，从而能够选择性地将大气空气或所回收的氮气注入到压缩机中。

此外，在另一实施例中，优选地为，在上述储藏罐内侧上部空间中的下部一侧配备排气回收选择阀，上述排气回收选择阀在向储藏罐填充氮气时将最初充满的空气或已填充的氮气排出到外部或对已填充的氮气进行回收并供应至上述压缩机。

此外，优选地为，还包括流入气体选择阀，上述流入气体选择阀的一端与上述回收阀连接而另一端与上述压缩机的前端连接，从而能够选择性地将大气空气或所回收的氮气注入到压缩机中。

此外，根据本发明的氮气供应方法，首先将预设初期填充浓度的氮气填充到储藏罐的内侧上部空间，接下来判定储藏罐内的氮气浓度是否达到预设的基准浓度，在储藏罐内的氮气浓度已达到预设的基准浓度之后，将高于上述基准浓度的后期填充浓度的氮气填充到储藏罐的内部，直至达到预设的目标浓度。

发明效果

通过如上所述的本发明，能够在利用氮气对储藏罐的内侧上部进行密封时降低因为氮气的过量消耗而导致的密封成本的增加，同时实现有效的密封效果，且能够通过采用按照氮气的浓度对生成时间进行增减的运行方式而降低能源的消耗，还能够以较低廉的生成成本生成大量的氮气并完成储藏罐的填充。

附图说明

图1是在现有的一般氮气密封中所使用的氮气生成器的大致安装结构图(a)，以及用于对氮气生成器中所生成的氮气随时间的浓度变化以及阀开闭动作进行说明的图表(b)。

图2是根据本发明的氮气供应装置的结构图。

图3是根据本发明的氮气供应方法的示例性说明示意图。

图4是根据本发明的氮气供应方法的各步骤顺序流程图。

其中，附图标记说明如下：

1储藏罐

10压缩机

12流入控制阀

14流入侧排气阀

20氮气生成器

21氮气生成部

22缓冲罐

24氮气浓度计测仪

26排气阀

28供应控制阀

60氮气供应管

70罐内浓度计测仪

80排气阀

80'排气回收选择阀

82氮气回收管

84回收阀

90流入气体选择阀

100控制部

具体实施方式

下面，将结合附图和较佳实施例对根据本发明的氮气供应装置及其方法进行详细的说明。

本发明的目的在于，向初期被一般空气填满的大空间储藏罐(1)(如蓄热槽、油类储藏罐等)内部供应高浓度(90.0％～99.9999％)的氮气。但是如上所述，即使是从一开始就向储藏罐(1)的内部填充高浓度的氮气，也会因为与最初充满的空气混合而发生稀释，从而无法利用高浓度的氮气充满而且还有可能导致死区(deadzone)的出现，同时还会造成生成氮气的成本增加。为了解决上述问题，采用在初期填充时保持较低的氮气浓度而提升其生成量，从而以较低的成本进行初步填充，接下来在储藏罐(1)内部的氮气浓度达到适当的浓度之后再提升氮气生成器(20)中所生成的氮气的浓度，从而最终将储藏罐(1)内部的气体置换成所需的高浓度氮气的方法。

为此，根据本发明的氮气供应装置如图2所示，包括压缩机(10)、流入控制阀(12),、氮气生成器(20)、氮气供应管(60)、罐内浓度计测仪(70)、排气阀(80)、氮气回收管(82)、流入气体选择阀(90)、以及控制部(100)。

压缩机(10)通过对气体进行压缩而将高压的压缩空气供应至后续说明的氮气生成器(20)，能够吸入大气中的一般空气而生成压缩空气，或如后续说明对填充到储藏罐1中的氮气(以下简称为“工程气体”)进行压缩供应。

流入控制阀(12)配备于上述压缩机(10)的后端，用于将压缩机(10)所生成的压缩空气注入或停止注入到氮气生成器(20)中，由电动阀或电磁阀构成。

氮气生成器(20)被连接到流入控制阀(12)的后端，用于对压缩机(10)所供应的压缩空气中的氧气进行分离和去除而生成氮气，包括氮气生成部(21)、缓冲罐(22)、氮气浓度计测仪(24)、排气阀(24)、供应控制阀(28)。上述氮气生成器(20)的类型通常包括psa(变压吸附，pressureswingadsorption)方式和膜分离(membrane)方式等，下面主要对psa方式进行说明。但是，psa方式的氮气生成器(20)仅为一实施例，本发明并不限定于上述psa方式的氮气生成器(20)。

psa方式的氮气生成器(20)如图2所示，以在腔室形态的氮气生成部(21)内部填充名为cms(碳分子筛，carbonmolecularsieve)的粒子状吸附剂的形态构成，上述cms是一种具有均匀调整的细孔的吸附剂，因为在细孔中的扩散速度的差异而使得氧气分子(分子直径为3.9)的吸附速度大于氮气分子(分子直径为4.3)。虽然两者在平衡吸附量方面几乎没有差异，但其吸附速度却具有(30)倍以上的差异，所以能够利用上述吸附速度差异，从压缩空气中分离去除氧气并生成高纯度的氮气。如上所述的氮气生成部(21)的构成以及工作原理属于公知信息，在此将省略其详细说明。此外，优选地为，上述氮气生成部(21)采用腔室方式的构成，但只要能够有效生成氮气，并不对其具体方式进行限制。

流入侧排气阀(14)同时连接到流入控制阀(12)的后端以及氮气生成器(20)的前端一侧，用于将压缩机(10)所生成的压缩空气中的一部分排出到外部大气或排出氮气生成器(20)所生成的低浓度氮气(未达到预设浓度的氮气)，或将吸附在cms上的氧气吹扫(furging)到外部。

氮气生成器内部的缓冲罐(22)连接到氮气生成部(21)的后端，用于接收氮气生成部(21)所生成的氮气并进行临时储藏。

氮气浓度计测仪(24)用于对氮气生成部(21)中所生成的氮气浓度进行测定，可以使用直接测定出氮气浓度或在测定出氧气浓度之后再间接计算出氮气浓度的计测仪。

排气阀(26)在上述氮气浓度计测仪(24)所测定出的氮气浓度没有达到预设浓度时被打开，用于将相应的氮气排出到外部。

供应控制阀(28)用于将由氮气生成部(21)生成并暂时储藏到缓冲罐(22)中的氮气供应或停止供应到储藏罐(1)中，能够采用单纯的开关阀构成，但如后续说明，优选地为，采用能够根据氮气浓度计测仪24所测定出的氮气浓度对其开度进行调节的构成。关于供应控制阀28的工作方法，将在后续内容中进行说明。

通过上述供应控制阀(28)排出的氮气通过氮气供应管(60)填充到储藏罐(1)的内侧上部空间。此外，储藏罐(1)中配备有用于对所填充的氮气浓度进行测定的罐内浓度计测仪(70)。

此外，上述储藏罐(1)内侧上部空间中的下部一侧如图2的(a)所示，优选地为，配备用于将已填充到储藏罐(1)内部的空气或氮气排出到外部的排气阀(80)和用于在向储藏罐(1)的内侧上部空间填充氮气时对最初填满的空气或所填充的氮气进行回收并供应至后续说明的压缩机(10)中的回收阀(84)。此外，如图2的(b)所示，优选地为，配备能够选择性地对已填充的氮气进行排出或回收的排气回收选择阀(80')以替代排气阀(80)以及回收阀(84)。上述排气回收选择阀(80')用于在向储藏罐(1)的内侧上部空间填充氮气时，将最初填满的空气或已填充的氮气排出到外部，或对已填充的氮气(以下简称为“工程气体”)进行回收并供应至后续说明的压缩机(10)，优选地为，采用三向阀。

流入气体选择阀(90)的一端与上述排气阀(84)或排气回收选择阀(80')连接，另一端与上述压缩机(10)的前端连接，用于选择性地注入大气空气或所回收的工程气体。上述流入气体选择阀(90)用于切换流露以便对注入到压缩机(10)中的气体类型进行变更，可采用三向阀等构成。

上面所说明的根据本发明的氮气供应装置的整体工作由控制部(100)进行自动控制。下面，将结合图2至图4对具有上述结构的根据本发明的氮气供应装置的工作以及氮气供应方法进行详细说明。

被填充到储藏罐(1)中的氮气最终目标浓度(以下简称为“目标浓度”)根据储藏罐(1)的用途等而有所不同，但通常都会被设定为99.0％～99.9％的高纯度状态。目前，在氮气生成部(21)中所生成的氮气浓度未达到目标浓度时将其排出到外部，而只有在达到目标浓度之后，才会从一开始将氮气填充到储藏罐(1)的内部上侧空间。但是如上所述，通常为了生成99.9％目标浓度的氮气需要较长的时间，因此不仅会导致压缩机(10)和氮气生成部(21)运行率的增加，而且氮气的生成量也只有压缩空气的四分之一左右。此外，对于大空间的储藏罐(1)，即使是从一开始就用目标浓度进行填充，也会因为与储藏罐(1)内部的空气混合而得到稀释，所以无法被高浓度的氮气充满且需要非常长的填充时间。

因此，本发明在向储藏罐(1)填充氮气时并不会从一开始就利用目标浓度进行填充，而是如图3所示，在初期利用比目标浓度低(例如98.0％)的设定浓度(以下简称为“初期填充浓度”)的氮气进行填充，并在经过一段时间之后储藏罐1内的氮气浓度上升至预设的一定浓度(以下简称为“基准浓度”)之后在利用比基准浓度高(优选地为目标浓度以上)的设定浓度(以下简称为“后期填充浓度”)的氮气进行填充，直至达到目标浓度。下面，将结合图4对如上所述的填充方法的各个步骤进行说明。

最初，为了利用氮气置换由空气填满的储藏罐(1)内部上侧空间，如图4所示，首先利用预设的初期填充浓度填充氮气从而排出储藏罐1内部的空气。在填充氮气之前，最初的储藏罐(1)内部上侧空间由空气填满，且因为上述空气中包含大量的湿气或因为所储藏的液体而产生的其他气体，其空气质量低于一般大气空气，所以优选地为直接排出到外部而不循环使用。

为此，在最初开始氮气填充作业之后，控制部(100)打开连接到储藏罐(1)中的排气阀(80)并驱动压缩机(10)开始工作。当配备有排气回收选择阀(80')取代排气阀(80)时，打开排气回收选择阀(80')的排气一侧以排出填充在内部的空气。与此同时，控制部(100)将流入气体选择阀(90)切换到大气流入一侧并驱动压缩机(10)开始工作。在压缩机(10)被驱动且生成压缩空气之后，所生成的压缩空气将通过由控制部(100)打开的流入控制阀(12)并供应到氮气生成器(20)中。氮气生成器(20)的氮气生成部(21)对压缩空气中的氧气进行吸附分离，从而生成氮气。在氮气生成部(21)中初期生成的氮气浓度非常低，从一般大气构成种的氮气浓度即78％开始伴随着氧气的吸附分离而逐渐升高。

接下来如图2所示，在氮气生成部(21)中生成的氮气将被临时储藏在缓冲罐(22)中，并利用氮气浓度计测仪(24)对氮气的浓度进行测定。由上述氮气浓度计测仪(24)测定出的氮气浓度将被传送至控制部(100)，控制部(100)在所测定出的氮气浓度小于预设的初期填充浓度时打开排气阀(26)将低浓度的氮气排出到外部，而当所测定出的氮气浓度达到初期填充浓度之后，关闭排气阀(26)并打开供应控制阀(28)，从而通过氮气供应管(60)向储藏罐(1)的内侧上部空间填充初期填充浓度的氮气。

在持续利用初期填充浓度进行填充的过程中，储藏罐(1)内的氮气浓度将从初期浓度(约78％)开始逐渐上升，安装在储藏罐(1)中的罐内浓度计测仪(70)对储藏罐(1)内部的氮气浓度进行测定。由罐内浓度计测仪(70)测定出的氮气浓度将被传送到控制部(100)，控制部(100)在所测定出的氮气浓度达到预设的基准浓度(例如97％，参阅图3)之后，控制(优选地为调整开度)供应控制阀(28)，从而将高于基准浓度(例如97％)的后期填充浓度(例如99.9％)的氮气填充到储藏罐(1)中。

如上所述，当氮气的浓度达到基准浓度时将填充浓度从初期填充浓度转换为后期填充浓度的作业，是通过供应控制阀(28)的工作来完成。其中，优选地为，上述供应控制阀(28)采用能够对其开度进行调整的比例控制阀构成，这是因为根据供应控制阀(28)的开闭程度，氮气生成部(21)中所生成的氮气浓度也将有所不同。如上所述，氮气生成部(21)的内部包括名为cms的吸附粉末，当压缩空气通过上述cms时氧气将被吸附而氮气不会被吸附而直接排出，从而生成高浓度的氮气。此时，如果供应控制阀(28)被完全关闭或只打开一部分，则因为压缩空气在氮气生成部(21)内的滞留时间变长，能够吸附更多的氧气从而提升氮气的浓度，与此相反，如果供应控制阀(28)打开程度较大，则因为压缩空气在氮气生成部(21)内的滞留时间变短，所以氧气的吸附量变少且氮气的浓度也将随之降低。但是，上述供应控制阀(28)并不是必须采用比例控制阀构成，即使是使用单纯的开闭阀，也能够通过开闭切换、开放时间调整、排气阀(24)的开闭调整等方式切换其填充浓度。

因此，在本发明中首先利用初期填充浓度的氮气对储藏罐(1)的内部进行填充，当罐内浓度计测仪(70)所测定出的储存罐(1)内部的氮气浓度达到预设的基准浓度时，由控制部(100)减小供应控制阀(28)的开度，使氮气生成部(21)所生成的氮气浓度提升至预设的后期填充浓度，接下来再利用后期填充浓度的氮气对储藏罐(1)的内部进行填充。

如上所述，通过对供应控制阀(28)的开度进行调整而利用后期填充浓度的氮气进行填充时，储藏罐(1)内部的氮气浓度将从基准浓度开始继续上升。罐内浓度计测仪(70)对储藏罐(1)内的氮气浓度进行测定，当所测定出的氮气浓度达到预设的目标浓度时，控制部(100)在完全关闭供应控制阀(28)的同时关闭排气阀(80)、回收阀(84)或排气回收选择阀(80')并停止压缩机(10)的驱动，从而完成储藏罐(1)内部的氮气置换作业。通过重复执行上述作业，能够反复置换储藏罐(1)内的氮气。

此外，在向储藏罐(1)的内部供应氮气之后需要再次置换成新的氮气时，能够选择开放排气阀(80)将已填充的氮气排出到外部，或者开放回收阀(84)将所回收的工程气体回收到氮气回收管中。如上所述，当对工程气体进行回收时，通过将安装在压缩机(10)前端的流入气体选择阀(90)的流路切换到氮气回收管(82)一侧，能够使所回收的工程气体流入到压缩机(10)而取代大气空气。此外，当配备排气回收选择阀(80')取代排气阀(80)以及回收阀(84)时，能够通过打开排气回收选择阀(80')的排气一侧将工程气体排出到外部，或通过打开回收一侧将所回收的工程气体会受到氮气回收管(82)中。此时，因为所回收的工程气体中可能含有大量的湿气，因此为了降低湿度而优选地在压缩机(10)的前端安装除湿器。通过如上所述的方式，能够借助于氮气的回收利用减少氮气的消耗量，还能够降低氮气生成器的运行率，从而实现节能以及降低运行成本的效果。