主题乐园液氮输送系统工艺设计
王  凯1，曹  岭1，郑朋亮1，王  冰2
（1.北京长征天民高科技有限公司，北京  100076；2.中国石油大学，北京  102249）
【摘  要】 以某乐园液氮输送系统工艺设计为例，介绍其工作原理、系统组成、基本需求、真空绝热管道系统设计、  BIM合图、安全性设计等，以期为后续液氮输送系统设计提供参考。【关键词】 主题乐园；液氮特效；液氮输送系统；工艺设计；系统组成；安全性设计DOI：10.3969/j.issn.1674-8239.2021.h1.010
The Design of LN2 Delivery System in Theme Park
WANG Kai 1, CAO Ling 1, ZHENG Peng-liang 1, WANG Bing 2
(1. Beijing Long March Tian Min High Technology Co.,LTD., Beijing 100076, China;
2. China University of Petroleum, Beijing 102249, China)
【Abstract】This article explained the theory of LN2 delivery system, main component and prime requirement of each part,    based on one domestic theme park, involving the design of vacuum pipe, BIM and safety, which can be used as      a reference for other LN2 delivery systems.
【Key Words】theme park; LN2 effect; LN2 delivery system; process design; system component; safety design
从火箭发射场到脐带血库，从液氮速冻生鲜[1]到网红食品液氮冰激凌[2]，液氮的应用已经涉及到许多行业，而其在主题乐园的应用也慢慢有所突破。国内某电影主题乐园是首家将液氮储存与输送系统应用在舞台特效方面的大型主题乐园。之后，其他7个地区的电影主题乐园也使用了液氮特效。笔者将解析主题乐园液氮输送系统的工艺设计。
1  工作原理
在主题乐园，液氮主要被用来制造喷雾效果，其原理在于液氮能够在特制的喷嘴中喷射出的一瞬间，吸收大量的热量，迫使周围环境温度降低至饱和温度以下，空气中的水分析出，形成雾效。因其压力可以调节，因此，可以根据效果需求，调节液氮的输出压力，做出喷射或者平铺的雾效[3]。图1
为某乐园液氮喷雾效果展示。
2  系统组成
主题乐园液氮输送系统的系统组成与其他工业领域的应用大同小异，但在安全方面又有自己的特点。液氮输送系统由于建设在人员流通较大的主题乐园中，因此，其设计需要在满足工艺需求的同时，将安全性和可靠性放在首位。某乐园的液氮输送系统设备组成及其功能见表1。
表1中，液氮贮罐、增压器等设备安装在建筑物外部隐蔽部位，既不影
表1  液氮储存和输送系统设备组成
图1  某乐园液氮喷雾效果展示
响乐园整体效果，又方便安装和日常维护。液氮真空绝热管道则依托建筑造型布置，连接液氮贮罐和各用液单元，与各末端阀门及控制系统配合，按时定量提供液氮。排气管路用来收集管道内的低温氮气，连通至高点排放。浓度检测传感器则分散布置在贮罐罐区和建筑物内各用液点附近，用来监测液氮系统周围的氧气浓度，保证系统安全。
3  工艺基本需求
液氮输送系统的主要功能是为特效喷雾系统按时、定量地提供优质的液氮，并能够满足主题乐园对加液频率的要求。因此，该系统的主要工艺参数包括用液量和加液频率。液氮用量需根据效果需求，通过试验测得；加液频率则需要综合考虑用液地区政策和液氮槽车规格、液氮供给厂家的远近等。以某乐园的用液要求为例，液氮单个造雾喷头所需的流量以及液氮补加最长时间间隔见表2。
除了满足正常的压力及用量要求外，液氮储存及供应系统还需实现以下功能：阀门的状态监测、事故的紧急切断与区域隔离、气体浓度监测与报警等。
4  真空绝热管道系统设计
4.1  管道路由规划
根据园区规划的用液需求区和液氮储存区位置以及建筑物基础设计，可以初步规划真空绝热管道路由，管道路由应尽可能地沿着建筑物外侧或者建筑物顶部铺设，在用液点附近穿墙进入建筑物内，穿墙位置需要建筑单位协助做好防水措施，避免漏水、渗水。管道进入建筑物后，应避免走在吊顶以内，因为真空绝热管道内部输送的介质是温度极低的液氮，容易在管道表面结露，结露则容易滴水造成吊顶损坏，且不容易更换和维修。
真空绝热管多为工厂分段预制后再运到现场安装，因此，真空绝热管接头应尽量设置在空旷且方便检修
的位置，阴阳插接接头形式的真空绝热管还需要考虑插头插接所需的安装空间。存在法兰连接的真空绝热管，需要对法兰螺栓进行预紧，并在通液时对各连接接头再次冷紧，确保管路在低温下连接可靠。在管路系统（简称“管系”）末端分支处应设置小口径手动/自动阀门，在向各分支充液前，可以小流量排气的方式，先预冷管道再充液，可降低管系发生“水击”的概率。
4.2  管路保温性能
真空绝热管路的绝热形式多为真空多层绝热，通过在其真空夹层空间内设置多层绝热材料间隔的防辐射屏，并抽至真空，形成良好的绝热性能。真空绝热管漏热损失应符合或优于表3的规定。4.3  管径设计与复核
真空绝热管道的管径可参照规范进行选型，管径和壁厚需要结合路由长度、标高、弯头三通的数量和末端所需的流量压力来确定，要求管道系统设计流量不低于使用流量的1.5倍，从贮罐到管道末端的用液点压降<10%。
初步确定管径和路由后，则可利用水利计算软件对系统进行仿真计算，验证设计是否满足要求。图2为利用AFT Fathom对某乐园液氮输送系统所做的计算模型。
管段的标高和长度均按照初步确定的管路走向在软件中设定（表4），根据拟分配的起点压力和流量，计算得出各用液末端的流量和压力，从而验证管系设计是否符合要求。
4.4  坡度和排气阀设计
横向布置的管路需要设置坡度，真空绝热管系坡度宜设置在0.3%~1%之间。管系各分支的最高点设置气液分离器，方便及时排出管道内由于管道漏热产生的氮气，保证末端用液点的液氮质量。气液分离器的数量可根据竖向管路的数量确定，最少不低于两个。
表2  某乐园液氮系统工艺参数要求表
表3  真空绝热管漏热损失
注：液氮温度下的漏热损失，数值来源于JB/T 12665真空绝热低温管。
4.5  支架的设计
真空绝热管道均为内外双层管
道，内管设置有膨胀节，用于补偿内
外管温度不一致引起的变形。当通入
低温液体时，真空绝热管道的内管膨
胀节会被拉伸，内外管间设置有滑动
支架，允许内管沿轴向变形，抵消低
温变形引起的应力。图3为某典型真
空绝热管道的结构剖面图。
真空绝热管道的外管支架应结合
建筑物的情况进行设计与布置，用于
支撑管系和阀门的重量。
5  BIM合图
BIM是应用于工程设计、建造和
管理的数据化、可视化工具，通过
BIM共享建筑单体的所有信息，并进
行检查。由于真空绝热管道为工厂预
制并抽真空后发货至现场安装，无法
进行现场调整，因此，真空绝热管道
的路由碰撞检查、设备的运输通道以
及安装空间的确认尤为重要。管系设
计完成后，应及时将管系和贮罐等关
键设备的三维模型插入建筑BIM模型
中检查碰撞并占位。
6  安全性设计
6.1  事故的紧急切断与区域隔离
在每一个喷液的支路末端均设置
一个紧急切断阀，在发生紧急情况，
需要紧急切断液氮供给时，可通过
PLC系统远程关闭紧急切断阀。紧急
切断阀为常闭阀门，在失电情况下，
紧急切断阀自动关闭，确保管系内的
液氮不向外泄漏。
特效设计在主管路和支路的分支处同样需
设置紧急切断阀，可瞬间切断任何一图2  液氮管系水利计算模型
表4  液氮管路各管段参数
参考文献：
[1] 程丽娜，余元善，吴炜俊，等. 气/液态氮在食品加工技术中的应用机制和研究进展[J]. 食品与发酵工业,2020(04).
[2] 启萌. 液氮，你为何成了“网红”[J]. 当代学生,2018(10).[3] 欧阳仲秋. 液氮云雾在舞台艺术中的应用[J]. 艺术科技,1999(09).
个支路的液氮供应。在某一支路发生故障需要单独维修时，可只关断该分支的阀门，不影响另一支路的使用。
6.2  阀门的状态监测
每一个紧急切断阀均配置有位置传感器，阀门的位置状态实时反馈到PLC系统中。任何阀门没有按照指令动作运行或者状态信号丢失，均视为阀门故障，PLC系统会立即发出报警，提示操作人员。故障严重时，PLC 系统可直接切断液氮供应。
6.3  气体浓度监测与报警
在液氮罐区和用液点各喷头附近均设置有氧浓度传感器，用于监测环境中氧气的含量。在任何氮气可能积聚的区域均设置至少两个氧浓度传感器，氧浓度传感器参数相互校验，若某区域两个传感器同时报警，则PLC 系统控制切断该处的液氮供给，并向上级控制系统报警，请求启动空调排风系统，并疏散该
区域人员。
7  结语
液氮在国内主题乐园的应用刚刚起步，随着主题乐园的兴起，液氮的应用也会越来越多。本文以某乐园液
图3  真空绝热管道内部结构图
作者简介：
王凯，北京长征天民高科技有限公司主任设计师，参与6家万达主题乐园和北京环球影城等主题乐园项目的特效设计、建设工作。
曹岭，北京长征天民高科技有限公司高级工程师，总经理助理，参与6家万达主题乐园以及迪士尼等项目的特效设计、建设工作，参与第七届世界军人运动会开幕式特效项目建设工作。
郑朋亮，北京长征天民高科技有限公司项目总监，主要参与的项目包括武汉、南昌、合肥、青岛、哈尔滨、广州、无锡等地的万达电影乐园，以及上海迪士尼乐园、北京环球影城等。
王冰，中国石油大学（北京）研究生在读，现于北京长征天民高科技有限公司实习，目前从事低温产品设计工作。
（编辑    王  芳）
氮输送系统工艺设计为例，阐述用于主题乐园的液氮输送系统设计流程、设计选型过程中需要考虑的问题和系统安全性设计需要考虑的内容等，以期为液氮走进更多的乐园提供参考。