DE68910484T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung eines vertikalen Dichteprofils einer Flüssigkeit. - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Messung eines vertikalen Dichteprofils einer Flüssigkeit.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines vertikalen Dichteprofils eines Fluids in einem Fluidspeichertank.
  • Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, ein System und einen Fluidpegel-Sensorkopf zum Messen von vertikalen Dichteprofilen in einem LNG-Tank.
  • In einem LNG-Tank ist das Phänomen des "Überschlagens" ein möglicher Grund der Beschädigung solcher Tanks. Das Phänomen des "Überschlagens" soll als ein unkontrolliertes Ansteigen einer Fluidschicht am Boden von unterschiedlicher Dichte verstanden werden, das in einem solchen Tank vorhanden ist, verbunden mit einer raschen Verdampfung, die die Tankdruckentlastungssysteme überwältigen kann. Dieses Phänomen wird im folgenden näher beschrieben.
  • Wenn ein LNG-Kargo, das eine größere Dichte als ein bereits gespeichertes LNG hat, in einen Tank geladen wird, kann das untere LNG eine Schichtenbildung der Bestandteile verursachen. Während einer Zeitdauer kann ein Wärmeleck bzw. das Eindringen von Wärme in den Tankboden hinein und das Aussieden der leichteren Komponenten an der Oberfläche bewirken, daß die Dichten der zwei Schichten gleich werden, bevor die Temperaturen der Schichten in ein Gleichgewicht kommen. Konvektionsströme, die vorher aufgrund des Dichteunterschieds auf die getrennten Schichten beschränkt waren, können nun durch den ganzen Tank hindurch auftreten. Wie oben erwähnt, kann die Bodenschicht zur Oberfläche aufsteigen, verbunden mit schneller Verdampfung, die die Tankdruckentlastungssysteme mit gefährlichen Folgen überwältigen kann. Eine Kenntnis der vertikalen Temperatur- und Dichteprofile kann Bedienungspersonal mit Informationen versorgen, ob die vorliegenden Bedingungen zu einem Überschlagen führen können, so daß angemessene Bedienungsmaßnahmen angewandt werden können.
  • Ein konventionelles Verfahren, das auf diesem Gebiet angewandt wird, ist das "Blasen"- oder Gasablaß-Verfahren, das den Schritt des Messens eines hydrostatischen Drucks, wie er gewöhnlich für die Bestimmung von Flüssigkeitspegel und -dichte in Umgebungstemperaturprodukten verwendet wird, aufweist. Man läßt Gas durch eine offenendige Röhre bei einer bekannten Höhe in die Flüssigkeit sprudeln, und ein Druckumwandler, der außerhalb des Tanks angeordnet ist, mißt den Gasdruck, der erforderlich ist, um die Blasen zu erzeugen. Dieses konventionelle Verfahren ist nicht sehr genau, weil die vertikale Position entsprechend dem gemessenen Druck schlecht definiert ist und von dem variablen Mechanismus der Blasenbildung bzw. Blasenloslösung abhängt.
  • Es ist daher ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Verfahren, ein System und einen Fluidpegel-Sensorkopf zum Messen eines vertikalen Dichteprofils zur Verfügung zu stellen, wobei die Messungen mit hoher Genauigkeit gemacht werden.
  • Ein anderes Ziel dieser Erfindung ist es, ein Verfahren, ein System und einen Fluidpegel-Sensorkopf zum Messen eines vertikalen Dichteprofils zu schaffen, durch die nicht die Bedingungen gestört werden, die in dem zu untersuchenden Fluid, z.B. LNG, vorhanden sind.
  • Die Erfindung schafft dementsprechend ein Verfahren zum Messen eines vertikalen Dichteprofils eines Fluids in einem Fluidspeichertank gemäß Anspruch 1.
  • Die Erfindung schafft ferner ein System zum Messen eines vertikalen Dichteprofils eines Fluids in einem Fluid-Speichertank gemäß Anspruch 2.
  • Vorteilhafterweise ist der untere Endteil des Fluidpegel-Sensorkopfes eine Röhre mit einem Durchmesser, der im wesentlichen größer ist als der Durchmesser der offenendigen Röhre. Insbesondere ist die Auslaßöffnung in einem flachen Boden enthalten, der den unteren Endteil mit der offenendigen Röhre verbindet, und zwar senkrecht zu den Achsen der Röhren. In einem weiteren Detail ist der untere Endteil ein rohrförmiger Raum, dessen Einlaßöffnung einen Durchmesser hat, der kleiner ist als der Durchmesser des rohrförmigen Raumes.
  • Es wird darauf hingewiesen, daß in FR-A-1 082 066 eine Vorrichtung zum Messen von Öl oder Treibstoff in einer selbstfahrenden Maschine offenbart ist, bei der ein Fluidpegel-Sensorkopf mit einem Druckrohr verbunden ist, wobei der Kopf einen Schulterbereich und ein offenendiges Rohr aufweist.
  • Weiterhin sind in US-A-3 399 573 und De-A-395 063 Dichtemeßanordnungen offenbart, die eine gemeinsame Zufuhreinrichtung, eine Einrichtung zum Leiten von unter Druck gesetztem Gas und eine Einrichtung zur Druckbestimmung aufweisen. Die spezifische Anordnung der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht beschrieben.
  • Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen näher erläutert unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen
  • Fig. 1 schematisch ein System zum Messen eines vertikalen Dichteprofils eines Fluids in einem Fluidspeichertank entsprechend der Erfindung zeigt;
  • Fig. 2 ein Detail II von Fig. 1 ist, das in größerem Maßstab als dem von Fig. 1 gezeichnet ist, und eine Querschnittsansicht einer vorteilhaften Ausführungsform eines Fluidpegel-Sensorkopfes entsprechend der Erfindung wiedergibt; und
  • Fig. 3 eine graphische Darstellung einer Kurve ist, die für LNG unter Verwendung des Fluidpegel-Sensorkopfes der vorliegenden Erfindung während eines Betriebszyklus gemessen wurde.
  • In den Zeichnungen werden die gleichen Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile oder Komponenten zu bezeichnen.
  • In Fig. 1 ist ein schematischer Überblick des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. In einem Fluidspeichertank 1 ist ein Fluid 2 enthalten, dessen vertikales Dichteprofil bestimmt werden soll. Wenn beispielsweise das Fluid 2 LNG ist, kann es, wie erwähnt, ein mögliches Risiko des Phänomens des "Überschlagens" geben, das während der Speicherung auftritt. Aus Gründen der Klarheit ist nur eine Anordnung von zwei Fluidpegel-Sensorköpfen 3 gezeigt. Es sei angemerkt, daß eine Anordnung sehr viel mehr Sensorköpfe 3 enthalten kann, wenn ein komplettes Profil bestimmt werden soll. Jeder Sensorkopf 3 ist auf irgendeine geeignete Weise an einem Druckrohr 4 angebracht, durch das ein Druckgas, z.B. He (Helium) oder N&sub2; (Stickstoff) fließt, um das Fluid nach unten zu drücken, wodurch der Fluidpegel abgesenkt wird. Im Fall von LNG wurde Helium als Arbeitsgas gewählt wegen seiner geringen Löslichkeit in LNG, obwohl Stickstoff akzeptabel und für den normalen Gebrauch wirtschaftlicher wäre. Wenn der Pegel den jeweiligen Sensorkopf erreicht, wird ein genauer Pegelwert erzielt, wie unten erklärt werden wird.
  • Um einen mittleren Dichtewert zu berechnen, werden Daten von einem Paar von Sensorköpfen benötigt. Die Messungen werden separat mit jedem Sensorkopf durchgeführt, wobei ein Selektorventil 5 den passenden Sensorkopf aus der Anordnung auswählt.
  • Das System weist ferner ein Entlüftungsrohr 6, das sich von der Spitze des Speichertanks 1 erstreckt, ein Entlüftungsventil 7 zum Reduzieren des Gasdrucks in einem Gaszufuhrrohr 9 und einen Druckumwandler 8 auf, wie er gewöhnlich zu Differentialdruckmessungen verwendet wird. Die Richtung des druckerzeugenden Gasflusses in dem Zufuhrrohr 9 wird durch den Pfeil g angezeigt.
  • Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß die Höhendifferenz zwischen einem solchen Paar von Sensorköpfen 3 einen Sollwert Δh besitzt. Weiterhin sind die Höhen (oder Tiefen) der Sensorköpfe, insbesondere der pegelanzeigenden Komponenten, exakt voreingestellt. Dann kann mittels Gleichungen für hydrostatisches Gleichgewicht, die dem Fachmann bekannt sind und daher nicht im einzelnen beschrieben werden, der mittlere Dichtewert einer solchen Δh-Schicht unter Verwendung von Gas- und Schwerkraft- Charakteristiken in erforderlicher Weise berechnet werden.
  • Fig. 2 zeigt als einen Ausschnitt II von Fig. 1, der in größerem Maßstab als dem von Fig. 1 gezeichnet ist, eine Querschnittsansicht einer vorteilhaften Ausführungsform eines Fluidpegel-Sensorkopfes 3 entsprechend der vorliegenden Erfindung. Der Sensorkopf 3 ist mit einem Gasdruckrohr verbunden und erstreckt sich in den mit Fluid gefüllten Speichertank. Das Fluid 2 wird durch das Druckgas nach unten in das Druckrohr 4 gedrückt, wie durch den Pfeil g angezeigt, wobei das Fluid einen Fluidpegel oder Meniskus M hat. Der Pegel M wird durch das Druckgas derartig weiter abgesenkt, daß der Fluidpegel M vier aufeinanderfolgende Pegel überstreicht, die jeweils durch L1-L4 angezeigt sind.
  • Wie in dieser Figur gezeigt, weist der Sensorkopf 3 ein Kammer 10 mit einer Einlaßöffnung 11 bei Pegel L1 auf und ist mit einer Auslaßöffnung 13 bei Pegel L3 versehen, wobei die Auslaßöffnung 13 einen abrupten Übergang zwischen der Kammer 10 und einer offenendigen Röhre 12 bildet. Bei Pegel L3 ist die Querschnittsfläche des Sensorkopfes wesentlich reduziert.
  • Vorteilhafterweise ist die Kammer 10 ein Rohr mit einem Durchmesser, der wesentlich größer ist als. der Durchmesser der offenendigen Röhre 12.
  • In der Ausführungsform des Fluidpegel-Sensorkopfes 3, wie er in dieser Figur gezeigt ist, ist die Auslaßöffnung 13 in einem flachen Boden 14 vorhanden, der die Kammer 10 mit dem offenendigen Rohr 12 verbindet, und zwar senkrecht zu den Rohrachsen. Weiterhin hat die Einlaßöffnung 11 der Kammer 10 einen Durchmesser, der kleiner als der Durchmesser des unteren Endteils ist, wodurch sie einen rohrförmigen Raum 15 zwischen dem Druckrohr 4 und der offenendigen Röhre 12 ausbildet und somit einen abrupteren Übergang bei Pegel L3 erlaubt. Wie ebenfalls in Fig. 2 gezeigt, ist die Einlaßöffnung 11 in einem flachen oberen Ende (Top) 16 vorhanden, das den rohrförmigen Raum 15 mit dem Druckrohr 4 verbindet, und zwar senkrecht zu den Achsen dieses Raumes und dieses Rohres. In dieser Ausführungsform sind das Druckrohr 4, die Kammer 10 und das offenendige Rohr 12 koaxial angeordnet. Eine solche Anordnung ist jedoch nicht notwendig, wie dem Fachmann verständlich sein wird.
  • In einer vorteilahften Ausführungsform können die Kammer 10 und der flache Boden 14 durch eine gerundete Ecke 17 verbunden werden, um zu verhindern, daß Fluid beim Vorbeiströmen in der Ecke zurückbleibt, da eine rechtwinklige Ecke verstopfen könnte und das ganze Fluid durch die Auslaßöffnung 13 mit einem Mal nach unten gedrückt wird.
  • Fig. 3 stellt in einer Graphik das Druckverhalten von LNG innerhalb des Sensorkpfes gemäß der Erfindung während des Absenkens des Meniskus M dar. Druckmeßwerte von dem Druckumwandler 8 werden bei bekannten Zeitintervallen gemessen und aufgezeichnet mit Druck p auf der Vertikalachse und Zeit t auf der horizontalen Achse, in Einheiten von jeweils 10&sup5; Pa und s. Eine Druckeinheit ist durch p markiert entsprechend einer Druckdifferenz von 2 mm LNG, wenn die Dichte 460 kg/m³ ist. Ebenfalls eingezeichnet sind die vier Sensorkopfpegel L1, L2, L3 und L4. Wie in der gezeichneten Kurve gezeigt, ist das Überqueren eines Übergangs in der Querschnitssfläche signifikant als eine scharfe Diskontinuität in der Änderungsrate des Drucks aufgelöst. Insbesondere ist das Überqueren des Pegels L3 bei der Auslaßöffnung 13, wie in Fig. 2 gezeigt, deutlich gekennzeichnet. Daher wird eine genaue Messung eines Drucks bei jedem Pegel erreicht. Dementsprechend können genaue gemittelte Dichtewerte, wie bereits beschrieben, berechnet werden.
  • Es sei angemerkt, daß die Schärfe der Diskontinuität durch verschiedene Faktoren beeinflußt wird. Von diesen werden die Flußrate des nach unten gedrückten Fluids, die Viskosität des Fluids und das Verhältnis von Durchmessern (oder Querschnittsflächen) des unteren Endbereichs und der Auslaßöffnung zu der offenendigen Röhre von großer Bedeutung sein. Daher wird das Auswählen von geeignet anzupassenden Dimensionen, Größen und Eigenschaften das Ergebnis einer Konstruktionstätigkeit sein.
  • Die Meßabfolge geschieht folgendermaßen: ein Sensorkopf wird ausgewählt, und der mittlere Druck, der erforderlich ist, um Blasen an dem offenen Ende des Sensorkopfes zu erzeugen, wird bestimmt. Dieser Druckwert wird als ein Bezugswert verwendet, um die Grenzfläche innerhalb des Sensorkopfes voreinzustellen. Als Alternative kann die Detektion eines Pegels L1 als eine Quelle von Referenzdruck verwendet werden, um die Grenzfläche voreinzustellen, und in diesem Fall müssen keine Blasen in den Hauptkörper des Fluids hinein ausgebildet werden. Dann werden Druckmeßwerte bei gleichen Zeitintervallen genommen und z.B. auf einem Computerbildschirm gezeichnet und gespeichert. Vorteilhafterweise wird zur gleichen Zeit die Druckrate berechnet, um zu bestimmen, wann der Meniskus die Begrenzung überquert. Nach der Wahrnehmung der Diskontinuität wird eine feste Anzahl von Datenpunkten gesammelt. Die Abfolgen von Druckmessungen werden dann analysiert, um den präzisen Druck bei der Diskontinuität L3 in der graphischen Zeichnung, d.h. die abrupte Änderung des Gradienten, zu bestimmen.
  • Beispielsweise wird der folgende Algorithmus verwendet. Ein 80 Probenwerte breites Fenster wird ausgewählt, eine gerade Linie wird durch ein Verfahren mit kleinsten Quadraten an die Punkte angefittet, und die Standardabweichung der Druckmeßwerte von der Linie wird bestimmt. Das Fenster wird durch die Datensequenz schrittweise verlagert, wobei eine neue Linie bei jedem Schritt bestimmt wird, bis eine Position gefunden ist, in der sowohl (i) die nächsten fünf Punkte jenseits des Fensters um mehr als zwei Standardabweichungen oberhalb der angefitteten Linie liegen als auch (ii) der sechste Punkt um mehr als vier Standardabweichungen oberhalb des Fensters liegt. Dann wird der letzte Punkt in dem Fenster als der dem Übergang am nächsten liegende genommen. Eine zweite Linie wird an die nächsten 25 Punkte gefittet, die dem Übergang folgen, und der exakte Druck an der Diskontinuität wird als Überschneidung der zwei gefitteten Linien bestimmt. Dann werden nachfolgende Sensorköpfe der Anordnung der Reihe nach ausgewählt, und die Drücke bei ihren Diskontinuitäten werden bestimmt. Danach wird das Dichteprofil berechnet.
  • Vorteilhafterweise hat für die Messungen des Plots von Fig. 3 der Sensorkopf 3 interne Durchmesser von 12,0 mm, 22,10 mm und 0,5 mm jeweils für das Druckrohr 4, den unteren Endbereich 10 und die offenendige Röhre 12 sowie eine interne Höhe für diesen Endbereich von 31 mm.
  • Es wird dem Fachmann klar verständlich sein, daß verschiedene Verbesserungen einbezogen werden können, um die Meßfolge durchzuführen. Beispielsweise können die Druckumwandler-Meßwerte für eine Temperaturdrift kompensiert werden, indem beide Druckausgänge periodisch mit dem Tankgasraum verbunden werden und dann der Ausgangswert gemessen wird. Solche Referenzwerte können für Kalibrierungskorrekturen verwendet werden.
  • Weiterhin können zwei Gasflußwerte verwendet werden, ein großer Fluß, um den Gas-/Fluidpegel innerhalb des ausgewählten Rohres rasch zu bewegen, und ein niedriger Fluß zur Verwendung während der Messungen. Auch kann die Position des Fluidpegels innerhalb des Rohres voreingestellt werden, indem eine Kombination von Entlüften zu dem Gasraum, um ihn zu erhöhen, und des Gasflusses, um ihn zu erniedrigen, verwendet wird.
  • Es wird anerkannt werden, daß das Meß- und Kontrollsystem verbesserte Meß- und Kontrolleinrichtungen enthalten wird, z.B. programmierbare Schalteinheiten, Digitalmultimeter und Solenoidventile, die mittels eines Computersystems kontrolliert werden, was einen selbsttätigen Betrieb ermöglicht.
  • Verschiedene Abwandlungen der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der vorangegangenen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich sein. Solche Abwandlungen fallen dabei in den Bereich der beiliegenden Ansprüche.

Claims (7)

1. Ein Verfahren zur Messung eines vertikalen Dichteprofils eines Fluids in einem Fludspeichertank (1) mittels einer Anordnung von offenendigen, aufrechten Druckrohren (4), die sich nach unten in das Fluid hinein erstrecken, wobei jedes Rohr an seinem oberen Ende eine Einrichtung (5) zum Verbinden bzw. Anschließen an eine gemeinsame Druckgas-Zufuhr (9) hat und das Rohr an seinem unteren Ende einen Fluidpegel-Sensorkopf (3) hat, wobei die Sensorköpfe an jeweils verschiedenen Pegeln in diesem Tank sind, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
(a) für jedes Rohr:
- Verbinden des Rohres mit der gemeinsamen Gaszufuhr,
- Einleiten des Druckgases in das Rohr, wodurch das Fluid nach unten in den Fluidpegel-Sensorkopf gedrückt wird, der an dem unteren Ende des Rohres angebracht ist, wobei der Kopf eine Kammer (10) mit einer horizontalen Querschnittsfläche, die größer als das Rohr ist, und einen unteren Endteil aufweist, in welches das Fluid durch einen Auslaß (13) gelangt, der eine Öffnung von kleinerer horizontaler Querschnittsfläche als die Kammer hat, wodurch ein abrupter Übergang im Querschnitt des Sensorkopfes gebildet wird, wobei der abrupte Übergang bei einem genau bekannten Pegel in dem Tank ist, wobei der Kopf weiterhin eine Röhre (12) ausweist, die an beiden Enden offen ist, wobei ein offenes Ende am unteren Endteil der Kammer angebracht ist, um unter Druck gesetztes Gas zu erhalten, das durch den Auslaß hindurchgeleitet wird,
- Messen des Drucks, der an das Gas angelegt wird, während es durch den Sensorkopf hindurchgeleitet wird und insbesondere, während die Gas-Fluid-Grenzfläche durch den abrupten Übergang hindurchgeht, um druckanzeigende Signale zu entwickeln, und
(b) das Ableiten von Informationen über das vertikale Dichteprofil aus den druckanzeigenden Signalen für wenigstens zwei Sensorköpfe und aus Informationen bezüglich der Pegel innerhalb des Tanks von wenigstens den abrupten Übergängen.
2. Ein System, angeordnet zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Messung eines vertikalen Dichteprofils eines Fluids in einem Fluidspeichertank (1), das eine Anordnung von offenendigen, aufrechten Druckrohren (4) aufweist, wobei sich jedes Rohr nach unten bis zu einer verschiedenen Tiefe in dem Fluid erstreckt, wobei das obere Ende jedes Druckrohrs eine Einrichtung (5) zum Verbinden bzw. Anschließen mit einer gemeinsamen Druckgaszufuhr (9) hat und wobei das untere Ende jedes Druckrohres einen Fluidpegel-Sensorkopf (3) hat, wobei die Sensorköpfe jeweils an verschiedenen Pegeln in dem Tank sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensorkopf aufweist:
- eine Kammer (10), die eine horizontale Querschnittsfläche hat, die größer ist als das Rohr, und einen unteren Endteil, in den das Fluid durch einen Auslaß (13) gelangt, der eine Öffnung von kleinerer horizontaler Querschnittsfläche als die Kammer hat, wodurch ein abrupter Übergang im Querschnitt des Sensorkopfes ausgebildet wird, wobei der abrupte Übergang bei einem genau bekannten Pegel in dem Tank ist, wobei der Kopf ebenfalls eine Röhre (12) aufweist, die an beiden Enden offen ist, wobei ein offenes Ende an dem unteren Endteil der Kammer befestigt ist, um unter Druck gesetztes Gas zu empfangen, das durch den Auslaß gelangt,
- eine Einrichtung (8) zum Messen des Drucks, der an das Gas angelegt wird, wenn es durch den Sensorkopf hindurch gelangt ist und insbesondere, wenn die Gas-Fluid-Grenzfläche über den abrupten Übergang gelangt, um druckanzeigende Signale zu entwickeln,
- eine Einrichtung, die angeordnet ist, um aus den druckanzeigenden Signalen für wenigstens zwei Sensorköpfe und aus Informationen über die Pegel innerhalb des Tanks von wenigstens den abrupten Übergängen Informationen über das vertikale Dichteprofil abzuleiten.
3. Ein System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (10) eine Röhre mit einem Durchmesser ist, der wesentlich größer als der Durchmesser der offenendigen Röhre ist.
4. Ein System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung in einem flachen Boden vorhanden ist, der den unteren Endteil der Kammer mit der offenendigen Röhre verbindet, und zwar senkrecht zu den Achsen der Röhren.
5. Ein System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer ein rohrförmiger Raum ist, deren Einlaßöffnung (11) einen Durchmesseer hat, der kleiner als der Durchmesser des rohrförmigen Raumes ist.
6. Ein System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung in einem flachen oberen Ende vorhanden ist, das den rohrförmigen Raum mit dem Druckrohr 4 verbindet, und zwar senkrecht zu den Achsen des Raumes und dem Rohr.
7. Ein System nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckrohr (4), die Kammer (10) und die offenendige Röhre (12) koaxial angeordnet sind.
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