KR102248767B1

KR102248767B1 - Lng를 함유하는 비 냉장 탱크의 자율 기간을 실시간으로 계산하는 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR102248767B1
Application number: KR1020187019856A
Authority: KR
Inventors: 벨가셈-스트렉 미쉘 벤; 야신 젤로우프; 프레데릭 르그랑
Original assignee: 앙기
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2021-05-04
Also published as: US20190003650A1; PT3390893T; JP6864689B2; KR20180112770A; EP3390893B1; AU2016373415B2; CN108700260A; WO2017103531A1; FR3045775A1; FR3045775B1; EP3390893A1; CA3008750A1; PL3390893T3; DK3390893T3; ES2754616T3; AU2016373415A1; SG11201805148WA; US10962175B2; CY1122261T1; JP2018538495A

Abstract

본 발명은 액화 천연 가스(liquefied natural gas; LNG) 층 및 기체 천연 가스(gaseous natural gas; GNG) 층을 포함하는 천연 가스를 함유하는 비 냉장 탱크의 자율 기간을 실시간으로 계산하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 발명의 방법에 따라, 비 냉장 탱크의 자율 기간을 실시간으로 계산하는 시스템뿐만 아니라 NG 탱크 및 본 발명에 따른 시스템을 포함하는 차량에 관한 것이다.

Description

LNG를 함유하는 비 냉장 탱크의 자율 기간을 실시간으로 계산하는 방법 및 시스템

본 발명은 일반적으로 액화 천연 가스(liquefied natural gas; LNG) 층 및 기체 천연 가스(gaseous natural gas; GNG) 층을 포함하는 천연 가스(일반적으로 약자 NG로 지정됨)를 함유하는 비 냉장 탱크의 자율 기간을 실시간으로 계산하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

NG를 함유한 비 냉장 탱크의 자율 기간이라는 용어는, 본 발명의 측면에서 탱크의 밸브를 개방하기 전에 탱크 내의 천연 가스의 남은 잔류 시간(또는 저장 시간)을 의미한다.

통상적으로, 액화 천연 가스(약칭 LNG)는 실질적으로 액체 상태의 응축 메탄으로 구성된 천연 가스이다: 대기압에서 약 -160℃의 온도로 냉각될 때, 깨끗하고, 투명하고, 무취이고, 비부식성이며 무독성 액체의 형태를 취한다. LNG를 함유하는 탱크에서는 일반적으로 기체 층("탱크 지붕")에 의해 덮인 액체 층의 형태를 갖는다.

LNG 연료는 기존의 연료에 대한 간단하고 효과적인 대안이다. CO₂ 배출의 관점에서든 오염 입자 및 에너지 밀도의 관점에서든, 점점 더 많은 사용자들이 특히, 도로, 해상 또는 철도 운송 업체에서 이 연료의 사용으로 전환하고 있다.

그러나 NG의 본질적인 결점 중 하나는 대기압에서 극저온 액체(cryogenic liquid)로서의 품질이다. 이는 LNG가 액체 상태를 유지하기 위해 주변 온도보다 훨씬 낮은 온도로 유지되어야 한다는 것을 의미한다. 이것은 비 냉장 LNG 탱크의 불가피한 열 입력을 의미하고, 따라서 탱크의 밸브가 개방될 때까지 기체 층의 압력이 증가한다. 이러한 압력 증가는 탱크 내의 LNG의 자율 기간을 제한한다.

그러나 자율 기간은 로지스틱스 사슬(logistics chain), 특히 LNG의 운송 사슬의 규모를 표시하고 (배터리의 자율 기간이 일반적으로 그 사용자에게 전달되는 것과 같은 방식으로) 잔여 자율 기간을 실시간으로 운영자에게 알리기 위해 알아야 할 결정적인 파라미터이다. 그러한 정보가 LNG 탱크 운영자에게 전달되지 않을 경우, 이는 예를 들어 현재의 환경 요구 사항과 양립할 수 없는, 대기로의 메탄 방출의 결과를 가져온다.

현재, 밸브의 개방 이전에 LNG 탱크의 자율 기간(또는 잔류 시간)을 운영자에게 실시간으로 알려주는 공지된 해결책이 없다. 운영자가 사용할 수 있는 유일한 정보는 탱크 지붕(즉, 탱크 내의 표면 기체 층)의 압력이다. 따라서, 운영자는 경험으로부터 추론되고 대기로의 가스 방출을 방지하기 위해 탱크 제조업체에 의해 제공된 양호한 수행 규칙을 준수한다.

현재의 안전 표준(특히 "미국 기계 학회(American Society of Mechanical Engineers)", "국제 해사 기구(International Maritime Organization)", "국제 도로 위험 물품 운송에 관한 유럽 조약(European Agreement concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road)" 및 "국제 해상 위험물 규정(International Maritime Dangerous Goods)")은 각 표준에 특유한 충전, 온도 및 압력의 특정한 정확한 조건에서 최대 잔류 시간을 계산하고 측정하기 위해 탱크 제조업체에 도입된다. 이 최대 잔류 시간은 현재 로지스틱스 사슬의 규모를 표기하기 위한 연구에서 기준이다. 그러나 이는 탱크의 자율 기간에 관한 실시간 정보가 아니며, 이러한 실시간 정보의 부재는 몇 가지 이유로 인해 문제가 된다:

● 로지스틱스 사슬에서 유연성 부족이 관찰된다: 실제로, 최대 잔류 시간은 로지스틱스 사슬 완성의 상류에서 계산된다. 예기치 않은 상황에서, 고객 또는 운영자는 이들을 지원하기 위해 선택 사항으로 사용 가능한 도구가 없다.

● 불균형한 LNG 관리는 고려되지 않는다: 실제로, 현재 표준에서 고려되는 경우와는 달리 LNG는 반드시 기상과 평형 상태에 있는 것은 아니다. 불평형 상태는 운영자를 놀라게 할 수 있다. 예를 들어, 과냉각 LNG의 경우, 평형 온도에 도달하면 압력이 급격하게 증가할 수 있다. 이 평형 온도는 운영자에 의해 확실히 계산될 수 없다. LNG를 관리해야 하는 모든 운영자는 LNG 조작 및 양호한 실행을 위해 적절한 교육을 받아야 할 필요가 있다. 이것은 시장에서 현재 사용자들의 경우로서, 이들은 대부분 그러한 훈련을 받았고 양호한 실행으로 개시하는 전문가들이다. 그러나 이것은 현재의 LNG 연료 시장 크기가 비교적 작기 때문에 가능하다. 그러나 시장이 급속히 증가한다면, 훈련이 안 된 사용자들이 LNG와 관계될 것이다. 분기 이전의 시간을 알면 LNG 관리에서 이러한 새로운 사용자를 실질적으로 도울 수 있다.

결론적으로, 오늘날의 목표는 연료로서 LNG 개발을 보장하기 위해, 실시간으로 그 거동(behavior)을 양호하게 예측할 수 있는 해결책을 구축하는 것이다. 사전 확립된 구속복에서의 작동 의무는 디젤과 같은 현재 직접적 경쟁자에게 유용한 기술 장치 중 하나이다.

Peng, D. Y. (1976). A New Two-Constant Equation of State. Industrial and Engineering Chemistry: Fundamentals, 15: 59-64. H.T Hashemi, H. W. (1971). CUT LNG STORAGE COSTS. Hydrocarbon Processing, 117-120.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 출원인은 LNG를 함유하는 비 냉장 탱크의 자율 기간을 실시간으로 계산하는 방법 및 시스템을 개발하며, 다음 사항에 따라 LNG 탱크의 자율 기간을 순간적으로 제공할 수 있다:

- 한편으로는, 탱크 내부의 센서에 의해 탱크 내부에서 측정된 LNG의 열역학적 파라미터(액체 및 기체의 온도 및 조성, 기체 LNG의 압력 및 탱크 내의 액체 LNG의 비율), 및

- 다른 한편으로는, 탱크에 관한 데이터(형상, 치수, 탱크의 밸브를 교정하기 위한 압력, 기화율(boil off rate; BOR)).

따라서, 본 발명은 밸브의 설정 압력 p_valve, 그 형상 및 규모뿐만 아니라 기화율(BOR, 탱크에 관한 입력 데이터)에 의해 정의되는 비 냉장 탱크의 자율 기간을 실시간으로 계산하는 방법을 목적으로 하고, 천연 가스(NG)를 함유하는 상기 탱크는 다음과 같이 나누어진다:

● 액체 상태의 천연 가스 층(LNG)으로서, 주어진 순간 t에서 온도 T_liq(t), 조성 x_liq(t) 및 상기 액체 상태의 상기 천연 가스 층에 의한 탱크의 충전 속도(액체 상태의 NG에 대한 열역학적 파라미터들)에 의해 정의됨;

● 기체 상태의 천연 가스 층(GNG)으로서, 주어진 순간 t에서 온도 T_gas(t), 조성 x_gas(t) 및 압력 p(t)(기체 상태의 NG에 대한 열역학적 파라미터들)에 의해 정의됨;

상기 방법은 다음의 단계들을 포함하는 알고리즘으로 구성되는 것을 특징으로 한다:

A. 순간 t₀에서, 상기 액화 천연 가스 층의 물리적 파라미터는 압력 및 온도 센서를 사용하여, 기체 압력 p(t₀) 및 액체 온도 T_liq(t₀)를 측정함으로써 초기화되고, 액상 조성 x_liq(t₀) 및 기상 조성 x_gas(t₀) 각각은 탱크의 적재시의 액상 조성 및 기상 조성 각각에 대응하거나, 사용된 LNG 유형에 대한 평균 조성에 대응하는 공지된 입력 데이터이다;

B. t₀보다 큰 각각의 순간 t 마다, 이러한 순간 t에서 탱크의 동작 상태에 대응하는 기체 또는 액체 상태의 천연 가스의 미리 결정된 체적 V가 감산되며(이 탱크가 정지된 차량에 의해 운송되는 경우, V = 0이고, 그렇지 않으면 V는 NG에서 차량의 소비에 해당함); 탱크에 함유된 액체 및 기체 천연 가스의 질량 및 에너지의 보존에 기초한 방정식을 사용하여, 감산 후에 남은 천연 가스의 체적에 기초하여 물리적 파라미터 p(t), T_gas(t) 및 T_liq(t)의 계산이 이루어진다;

C. 압력 p(t)가 p_valve보다 작은 한, 단계 B의 계산은 일정한 물리적 시간 간격 δt(특히, 열 흐름 및 열역학적 평형의 시간 상수에 따라 약 1분)를 갖는 다음의 순간 t + δt에서 반복된다;

D. p(t), p(t+δt),…, p(t+N*δt)의 N 번의 계산 과정의 반복 동안, 압력 p(t+N*δt)가 p_valve보다 크거나 같아지면, 계산은 정지된다;

E. 추구되는 자율 기간은 계산 정지 시점에서 알고리즘에 의해 경과된 총 기간 N*δt와 동일하다.

본 발명의 다른 장점 및 특징은 첨부된 도면을 참조하고 비 제한적인 예로서 제공된 다음의 설명으로부터 기인할 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 NG 탱크(1)의 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 블록도를 도시한다.
도 4 내지 도 8은 N 개의 비 냉장 탱크를 각각 운송하는 차량의 대시 보드의 화면 캡처이다.

탱크는 개방 시스템(이 경우에는 작동 중인 차량으로 운송됨) 또는 폐쇄 시스템(이 경우에는 정지된 차량으로 운송되거나 운송되지 않음)에서 동작할 수 있다.

본 발명에 따른 방법이 도 2에 도시되어 있다.

탱크에 관한 입력 데이터와 관련하여, 이것은 다양한 형태, 예를 들어 각기둥 모양, 원통형 또는 구형을 가질 수 있다. 이것의 규모는 전형적으로 원통형 탱크의 경우 길이가 약 1.5m이고 직경이 0.5m일 수 있다. 탱크 밸브의 설정 압력 p_valve은 LNG 탱크 제조업체에 의해 제공된다. 체적이 300리터인 저장소의 경우, 일반적으로 약 16 바(bar)이며 최대 25 바까지의 범위에 이를 수 있다.

기화율이라는 용어는, 이 적용의 측면에서 탱크가 개방된 경우 열의 입력으로 인해 하루에 증발되는 액체의 등가량을 의미한다. 이것은 또한 탱크의 특정 값이며, 대개 제조업체로부터 제공된다.

NG와 관련된 열역학적 파라미터와 관련하여, 탱크에 함유된 액화 천연 가스는 도 1에 도시된 바와 같이 액체 상태의 천연 가스 층과 기체 상태의 천연 가스 층으로 나누어지는 것으로 가정한다. 각 층은 각각의 순간 t에서 온도 T_liq(t) 및 T_gas(t)(액체 상태의 LNG 층과 기체 상태의 GNG 층 각각에 대해)와 그 조성 x_liq(t) 및 x_gas(t)(LNG 층과 GNG 층 각각에 대해)에 의해 정의된다.

기상(즉, 기체 상태의 천연 가스 층)은 보다 구체적으로 펭로빈슨(Peng-Robinson) 상태 방정식^[1]에 의해 각각의 순간 t에서 계산되는 압력 p(t)에 의해 특징지어지는 반면, 액상(즉, 액체 상태의 천연 가스 층)은 보다 구체적으로 액체 상태의 천연 가스 층에 의한 탱크의 충전 속도 z에 의해 특징지어지는데, 이는 통상적으로 탱크의 적재 후 체적이 약 80 내지 90%이고, 자율 기간 종결시 체적이 약 10 내지 20%이다.

조성 x_liq(t) 및 x_gas(t)는 LNG의 각 성분의 질량 분율(일반적으로 LNG의 기상 또는 액상 각각의 CH₄, C₂H₆, C₃H₈, iC₄H₁₀, nC₄H₁₀, iC₅H₁₂, nC₅H₁₂, nC₆H₁₄ 및 N₂의 질량 분율)을 제공하는 벡터이다. 액상 및 기상은 반드시 열역학적 평형 상태에 있는 것은 아님을 유념한다: 실제로, 충전하는 동안 기상의 압축은 두 개의 상(과냉각 상태의 액체) 사이의 열 교환에서 지연을 유도할 수 있다.

본 발명에 따른 계산 방법은 다양한 단계(A 내지 D)를 포함하는 알고리즘(또는 NG의 거동 코드)으로 구성된다. 이 코드(또는 알고리즘)는 압력에 영향을 미치는 몇 가지 물리적 현상(이하에서는, 세부 사항):

- 가스의 압축성,

- 전도를 통한 열의 유입,

- 복사를 통한 열의 유입,

- LNG의 증발

을 고려한다.

NG의 거동 코드는 반복적인 유형을 갖고, 즉, 밸브의 개방때까지 각각의 물리적 시간 간격(δt)으로 압력의 변화를 계산한다.

제 1 단계(단계 A)는 초기 순간 t₀에서, 압력 및 온도 센서를 사용하여 (연속적으로) 기체 압력 p(t₀) 및 액체 온도 T_liq(t0)의 측정을 통해, 상기 액화 천연 가스 층의 물리적 파라미터의 초기화로 구성된다. 한편, 액상 조성 x_liq(t₀) 및 기상 조성 x_gas(t₀) 각각은 탱크의 적재시의 액상 조성 및 기상 조성 각각에 대응하거나 사용된 LNG 유형에 대한 평균 조성에 대응하는 공지된 입력 데이터이다.

그런 다음, t₀보다 큰 각각의 순간 t 마다, 탱크의 동작 상태에 대응하는 기체 또는 액체 상태의 천연 가스의 미리 결정된 체적 V가 감산되며; 단계 B 동안 탱크에 함유된 액체 및 기체 천연 가스의 질량 및 에너지의 보존에 기초한 방정식을 사용하여, 물리적 파라미터 p(t), T_gas(t) 및 T_liq(t)의 계산이 이루어진다.

이하에서 상세하게 설명되는 방정식은 비 냉장 탱크가 폐쇄 시스템인 것으로 간주되는 가정에 기초한다: 따라서 질량 보존 방정식은 기상과 액상 사이에서 상보적이며, 표면 증발은 질량 이동을 허용하는 유일한 현상으로 간주된다.

액체 질량의 계산은 천연 가스에 의한 탱크의 충전 속도 z 및 액체 온도 T_liq(t)에서의 LNG의 밀도를 고려하여 수행된다.

기상의 질량의 변화는 수학식(1)으로 제공될 수 있다:

여기서,

-

는 천연 가스의 성분 i의 질량 유량을 지정하고(거동 법칙에서 고려해야 할 물리적 현상을 설명하는 부분에서 표면 증발에 관한 단락을 더 참조하기),

-

는 액체 층의 자유 표면(다른 말로 하면, 액체면과 기체면 사이의 계면)에서 LNG의 증발과 관련된 성분 i의 질량 분율을 지정한다.

액상에 사용된 전력 보존 방정식은 수학식(2)으로 제공될 수 있다:

여기서,

-

는 액상의 총 엔탈피를 지정하고,

-

는 LNG에 작용하는 각각의 현상과 관련된 열 흐름을 지정하고:

o

는 특히 탱크의 젖은 벽(측면과 바닥)을 통한 전도를 통해 기생 열 입력을 지정하고,

o

는 특히 기상의 입사 복사(탱크의 상부 층)를 지정하며,

o

는 액체 LNG 층의 자유 표면에서 증발된 LNG의 흐름을 지정한다.

기상의 전력 보존 방정식은 수학식(3)으로 제공될 수 있다:

여기서,

-

는 기상의 총 엔탈피를 지정하고,

-

는 상기 정의된 바와 같으며,

-

는 특히 탱크의 건조한 벽(측면과 바닥)을 통한 전도를 통해 기생 열 입력을 지정한다.

위에서 언급한 바와 같이, 기상 압력 p(t)는 펭로빈슨(Peng-Robinson) 방정식^[1]에 의해 계산될 수 있다.

기체 온도 T_gas(t) 및 액체 온도 T_liq(t)는 각각의 상의 일정 체적 Cv에서의 열용량에 의해 결정될 수 있으며, 이는 수학식(4)으로 제공될 수 있다:

여기서,

- T(t)는 순간 t에서 계산된 상의 온도를 지정하고,

- h는 고려된 상의 엔탈피를 지정하며,

- Cv는 고려된 상의 일정한 체적에서의 열용량을 지정한다.

본 발명에 따른 방법에 따라 탱크의 자율 기간을 계산할 때 고려되는 압력 p(t)에 영향을 미치는 주된 물리적 현상은, 특히 가스의 압축성, 전도를 통한 열의 유입, 복사를 통한 열의 유입, 및 LNG의 증발을 포함할 수 있다. 이러한 현상에 대한 세부 사항은 아래에 상세히 설명된다.

표면 증발

액상과 기상 사이의 열 및 질량 교환은 표면 증발 법칙에 의해 조종되며, 표면 증발 법칙에서 엔진은 액체 상태로 저장된 LNG의 코어와 그 자유 표면 사이의 차이이다. 탱크의 기상 압력 p(t)은 이 압력에 상응하는 액체/증기 표면에서 NG의 평형 온도에 영향을 줌으로써 표면 증발에 영향을 미친다. LNG의 자유 표면 온도는 LNG의 평형 온도와 같은 것으로 가정한다.

움직이지 않는 NG 탱크에서의 증발은 표면에서 일어나는 국부적인 현상이다. 상 변화는 비교적으로 "온화"하고(즉, 비등(boiling) 없고 비교적 얇은 한계 층에서) 비등 없이 발생한다. 본 발명에 따른 방법의 알고리즘에서, 자연 난류 대류의 법칙에 기초한 법칙이 사용될 수 있으며, 이는 특히 형태^[2]일 수 있다:

여기서,

- K는 항상 포지티브인 LNG에 관한 상수를 지정하고,

- ΔT_surchauffe는 LNG 탱크의 증발 현상 동안 생성되는 과열을 지정하고,

- q_ev는 LNG의 표준화된 증발율을 지정하며,

- α는 LNG에 관한 계수를 지정하고, 1 ≤ α ≤ 2이다.

벽을 통한 열 전도

벽과의 열 교환을 위해, 균일하고 일정한 외벽 흐름을 고려할 수 있다. 흐름의 값은 계산의 입력 치수이며, 제조업체의 기준에 따라 기화율(BOR)에 직접 연결된다.

벽의 열 복사

수직의 비 습식 벽은 기상을 가열하는 효과를 갖는 열 흐름의 자리가 될 수 있을뿐만 아니라, 복사를 통한 액체의 가열에도 기여한다.

액체의 가열에서 기상의 기여를 고려하기 위해, 모든 표면, 즉 LNG 자유 표면(계면)과 탱크의 비 습식 표면(탱크 내의 NG의 기상과만 접촉하는 탱크의 표면)에 걸쳐 복사 균형을 설정하는 간단한 모델을 사용할 수 있다. 이 모델의 가정에 대한 세부 사항은 아래에 제공된다:

- 자유 표면은 LNG의 포화 온도에서 평평한 것으로 가정한다. 한편, 이 표면은 ε = α = 1, ρ = 0인 검은색인 것으로 가정하고, 여기서 ε는 복사율, α는 흡수 계수, 및 ρ는 반사 계수를 지정한다.

- 탱크의 수직 벽은 일정한 온도인 것으로 가정한다. 이 표면들은 또한 일정한 복사율 ε = α = cte, ρ = 1 - α를 갖는 회색인 것으로 가정한다.

- 가스는 벽의 복사에 투명한 것으로 가정한다.

관여된 표면 각각에 대해, 이러한 교환을 제어하기 위해 라디오시티(radiosity) 방정식을 사용할 수 있다:

여기서,

- E는 조명(또는 입사 광속)을 지정하고,

- J는

로 표현되는 라디오시티를 지정하고,

- S_Surface는 관련된 표면의 면적을 지정하며,

-

은 이 표면에 의해 수신된 순 흐름을 의미한다.

이와 같이, 유리하게는, 물리적 파라미터 p(t), T_gas(t) 및 T_liq(t)의 단계 B에서의 계산은 다음과 같이 정의된 단계들에 따라 수행될 수 있다.

● 액상 온도 T_liq(t) 및 기상 온도 T_gas(t)는 액체 상태의 천연 가스의 열용량 및 기체 상태의 천연 가스의 열용량, 탱크 제조업체가 정의한 탱크의 단열, 및 LNG 및 GNG의 순간 t-δt에서의 온도를 입력 데이터로서 사용하는 전력 변환 방정식을 사용하여 직접 결정된다.

● 기상으로 증발된 액체의 질량은 이전 단계에서 결정된 순간 t-δt에서의 압력 및 액체의 온도에 따라 수학식(5)에 의해 결정된다:

여기서,

- K는 LNG에 관한 상수를 지정하고, 항상 포지티브이고,

- q_ev는 LNG의 표준화된 증발율을 지정하며,

- α는 LNG에 관한 계수를 지정하고, 1 ≤ α ≤ 2이다.

● 기상의 압력 p(t)는 순간 t에서의 액체의 증발된 질량, 탱크 체적 및 기체 온도를 입력 데이터로서 사용하는 펭로빈슨(Peng-Robinson) 방정식에 의해 얻어진다.

본 발명에 따른 방법의 알고리즘의 단계 C 동안, 단계 B의 계산은 압력 p(t)가 p_valve보다 작으면, 다음의 순간 t + δt(일정한 물리적 시간 간격 δt를 가짐)에서, 질량 및 전력 보존 방정식을 재시작함으로써 반복된다. 이 시간 간격 δt는 약 1분일 수 있다. 그 값은 열 흐름, 열역학적 평형의 시간 상수에 달려있다.

p(t), p(t+δt),…, p(t+N*δt)의 N 번의 계산 과정의 반복 동안, 순간 t + N*δt에서 기상의 압력 p(t+N*δt)은 밸브의 개방 압력 p_valve보다 크거나 같아지면, 알고리즘은 종료되고(단계 D), 알고리즘에 의해 이동된 총 기간을 반환하며(단계 E), 이는 계산 중지 시점에서 알고리즘에 의해 경과된 총 기간 N*δt와 같다.

이 기간을 알고 있는 운영자는 그것으로부터 탱크의 자율 기간, 즉 탱크의 밸브를 개방하기 전에 탱크 내의 LNG의 남은 잔류 시간(또는 저장 시간)을 추론할 수 있다.

유리하게는, 본 발명에 따른 방법에서, 모든 단계들(A 내지 D)은 순간 t₀ + ΔT에서 자율 기간을 재계산하기 위해, 시간 간격 ΔT(계산기의 기술에 따라 정의됨)가 경과하자마자 반복된다. 통상적으로, 이 시간 간격은 약 1분일 수 있지만 사용되는 기술(특히 계산기, MMI 인터페이스)에 따라 다를 수 있다.

유리하게는, 본 발명에 따른 방법의 알고리즘(또는 거동 코드 NG)은 이러한 자율 기간에 관해 운영자에게 알리는 것을 가능하게 하는 MMI 인터페이스에 연결된 계산기에 의해 구현될 수 있다. MMI 인터페이스에 연결된 계산기 덕분에, 모든 시간 간격 ΔT(사용된 기술에 따라 가변적, 예를 들어 매분)에서 자율 기간의 물리적 계산을 수행할 수 있으며, 이 계산 결과는 MMI에 전송될 수 있다.

전술한 바와 같이, 상이한 유형의 데이터가 계산기에 제공되어야 한다:

- 탱크 관련 데이터(사용자에 의해 한 번만 입력됨):

● 탱크의 형상(각기둥 모양, 원통형, 구형 등),

● 탱크의 규모,

● 탱크의 기화율(또는 BOR),

● 열 입력 평가(제조업체의 데이터), 및

● 밸브 교정 압력 p_valve.

- NG의 조성(탱크의 적재 초기에 입력되거나 평균 조성을 사용함), 및

- 센서에 의해 제공된 데이터(연속적): 기체와 액체의 온도와 기체의 압력.

따라서, 본 발명은 또한 비 냉장 탱크의 자율 기간을 실시간으로 계산하기 위한 시스템을 목적으로 하고, 알고리즘은 탱크의 자율 기간을 계산하는 계산기에 의해 구현되며, 탱크는 밸브의 설정 압력 p_valve, 형상 및 규모뿐만 아니라 기화율에 의해 정의되며, 본 발명에 따른 상기 시스템은:

- 다음과 같이 나누어지는 액화 천연 가스를 함유하는 탱크,

o 액체 상태의 천연 가스 층으로서, 주어진 순간 t에서 온도 T_liq(t), 조성 x_liq(t), 및 상기 천연 가스 층에 의한 탱크의 충전 속도에 의해 정의됨; 및

o 가스 상태의 천연 가스 층으로서, 주어진 순간 t에서 온도 T_gas(t), 조성 x_gas(t) 및 압력 p(t)에 의해 정의됨;

- 압력 센서 및 온도 센서

를 포함한다.

상기 시스템은:

- 상기 압력 및 온도 센서에 연결된 계산기로서, 상기 계산기는 본 발명에 따라 정의된 바와 같은 방법의 알고리즘을 실행할 수 있는 것인, 상기 계산기,

- 상기 계산기와 상호 작용하는 MMI 인터페이스로서, MMI 인터페이스에 연결된 계산기에 의해 구현될 때 본 발명에 따른 방법의 알고리즘(또는 코드 LNG)에 따라 계산된 자율 기간을 운영자에게 보고하기 위한 것인, 상기 MMI 인터페이스

를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 프레임 워크에서 사용될 수 있는 MMI 인터페이스(약어는 Man-Machine Interface를 의미함)의 측면에서, 특히 차량의 대시 보드, 컴퓨터 키보드, LED 표시기 라이트, 터치 스크린 및 태블릿을 언급할 수 있다.

본 발명에 따른 시스템의 유리한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 상기 시스템은 온보드 시스템(onboard system)으로서,

- 계산기는 상기 압력 및 온도 센서에 연결된 온보드 계산기이고, 상기 계산기는 본 발명에 따른 방법의 알고리즘을 실행하도록 특별히 설계된 것이고,

- MMI 인터페이스는 예를 들어 차량이 중앙 제어부에 연결된 경우 온보드에 있거나 또는 대안적으로 오프셋될 수 있다.

- 이 MMI 인터페이스가 온보드에 있는 경우, 차량의 온보드 대시 보드 유형일 수 있으며, 이는 본 발명의 방법에 따라 계산된 자율 기간을 운영자(여기서는 운전자)에게 보고하기 위해 상기 온보드 계산기와 특별히 상호 작용할 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 알고리즘을 실행하도록 특별히 설계된 계산기라는 용어는, 본 발명의 측면에서 전용 저장 메모리 및 인터페이스의 마더 보드와 연관된 프로세서를 포함하는 온보드 컴퓨터를 의미하며; 이 모든 요소들은 기계적, 열역학적 및 전자기적 저항의 측면에서 "온보드 컴퓨터" 장치의 견고성을 보장하고 LNG 차량에서의 사용을 위해 그 적응을 허용하기 위한 방식으로 조립된다.

구체적으로는, 계산기는 화면과 키보드를 더 포함할 수 있다. 이것은 탱크 내부의 LNG의 상태 정보를 제공하는 두 개의 센서(하나는 압력 센서, 하나는 온도 센서)에 연결된다(도 1 참조).

본 발명에 따른 시스템이 도 2에 도시되어 있다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 LNG 탱크 및 시스템을 포함하는 차량(육지, 바다 또는 하늘)을 목적으로 하며, 상기 탱크 및 시스템은 위에서 정의된 바와 같다. 운영자(예를 들어, 차량의 운전자 또는 원격 운영자)가 관심을 갖는 정보인 자율 기간은, 예를 들어 차량의 대시 보드 및/또는 차량의 측면 상에 유리하게 표시될 수 있다.

따라서, 본 발명은 다음과 같은 다수의 장점을 갖는다:

- 모든 LNG 탱크의 잔류 기간 정보를 즉각적으로 가짐.

- 순수 메탄이 기준으로 사용되는 현재 표준에서는 그렇지 않은, LNG의 품질을 계산에서 고려함.

- 불균형 LNG를 관리할 수 있음.

- 탱크 지붕의 압축성에 대해 보고함.

본 발명의 다른 장점 및 특징은 첨부된 도면을 참조하고 비 제한적인 예로서 제공된 다음의 설명으로부터 기인할 것이다:

도 1은 본 발명에 따른 NG 탱크(1)의 블록도를 도시한다.

도 2는 본 발명에 따른 시스템의 블록도를 도시한다.

도 3은 본 발명에 따른 방법의 블록도를 도시한다.

도 4 내지 도 8은 N 개의 비 냉장 탱크를 각각 운송하는 차량의 대시 보드의 화면 캡처이다.

도 1은 LNG 탱크(1)를 개략적으로 도시한 것으로, 이는 NG의 두 개의 균질 층, 즉 액체 층(l)(LNG) 및 기체 층(g)(GNG)을 갖는 2층 시스템으로 모델링된다.

도 2는 본 발명에 따른 시스템의 블록도이며, 상기 시스템은:

- 다음과 같이 나누어지는 액화 천연 가스를 함유하는 탱크(1),

o 액체 상태의 천연 가스 층(l)(T_liq(t), x_liq(t) 및 액체 상태의 천연 가스 층에 의한 탱크(1)의 충전율 z);

o 기체 상태의 천연 가스 층(g)(T_gas(t), x_gas(t) 및 p(t));

- 압력 센서(3) 및 온도 센서(4),

- 상기 압력 센서(3) 및 온도 센서(4)에 연결된 계산기(5)로서, 상기 계산기는 제 4 항에 따라 정의된 바와 같은 방법의 알고리즘을 실행할 수 있는 것인, 상기 계산기,

- 계산기와 상호 작용하는 MMI 인터페이스(6)로서, 제 4 항의 방법에 따라 계산된 자율 기간을 주어진 운영자(7)에게 보고하기 위한 것인, 상기 MMI 인터페이스를 포함한다.

도 3은 본 발명에 따른 방법의 블록도로서, 전술한 바와 같은 방법의 다양한 단계들을 도시한다.

도 4 내지 도 8은 비 냉장 LNG 탱크를 각각 운송하는 차량의 대시 보드의 화면 캡처이다.

특히, 도 4는 탱크에 특정한 입력 데이터(규모, 기화율, 최대 허용 압력)를 도시하는 대시 보드의 화면 캡처이다. 이 데이터는 이후에 설명되는 모든 예들에 공통적이다.

도 5는 본 발명에 따른 계산 방법에 따른 계산의 제 1 예에 대한, LNG에 특정한 입력 데이터(조성, 온도, 압력 및 충전 속도 z)를 보여주는 대시 보드의 화면 캡처이다. 이 예에서, LNG의 평형 온도는 -162.31℃이지만, 이 LNG는 -160℃의 온도로 약간 과열되어 있다.

도 6은 본 발명에 따른 계산 방법에 따른 계산의 제 2 예에 대한, LNG에 특정한 입력 데이터(조성, 온도, 압력 및 충전 속도 z)를 보여주는 대시 보드의 화면 캡처이다. 이 예에서, LNG의 평형 온도는 -154.17℃이지만, 이 LNG는 -157℃의 온도로 약간 과냉각되어 있다.

도 7 및 도 8은 제 1 예(도 4 및 도 5의 데이터) 및 제 2 예(도 4 및 도 6의 데이터)의 각각에 대한 차량이 운송한 비 냉장 탱크의 계산된 자율 기간을 보여주는 화면 캡처이다.

Claims

밸브의 설정 압력 p_valve, 그 형상 및 크기뿐만 아니라 기화율(boil off rate)에 의해 정의되는 비 냉장 탱크의 자율 기간을 실시간으로 계산하는 방법에 있어서, 천연 가스를 수용하는 상기 탱크는,
● 액체 상태의 천연 가스 층(l)으로서, 주어진 순간 t에서, 온도 T_liq(t), 조성 x_liq(t) 및 상기 천연 가스 층에 의한 탱크의 충전 속도에 의해 정의되는 액체 상태의 천연 가스 층(l); 및
● 기체 상태의 천연 가스 층(g)으로서, 주어진 순간 t에서, 온도 T_gas(t), 조성 x_gas(t) 및 압력 p(t)에 의해 정의되는 기체 상태의 천연 가스 층(g)
으로 분할되며,
상기 방법은 알고리즘으로 구성되고,
상기 알고리즘은,
단계 A. 순간 t₀에서, 상기 천연 가스 층의 물리적 파라미터는 압력 센서 및 온도 센서를 사용하여, 기체 압력 p(t₀) 및 액체 온도 T_liq(t₀)를 측정함으로써 초기화되고, 액상 조성 x_liq(t₀) 및 기상 조성 x_gas(t₀) 각각은, 탱크의 적재시의 액상 조성 및 기상 조성 각각에 대응하거나, 사용된 LNG 유형에 대한 평균 조성에 대응하는 공지된 입력 데이터인 것인, 단계 A;
단계 B. t₀보다 큰 각각의 순간 t 마다, 기체 상태 또는 액체 상태의 천연 가스의 미리 결정된 체적이 감산되고, 상기 체적은 이러한 순간 t에서 탱크의 동작 상태에 대응하고, 탱크에 수용된 액체 및 기체 천연 가스의 질량 및 에너지의 보존에 기초한 방정식을 사용하여, 감산 후에 남은 천연 가스의 체적에 기초하여 물리적 파라미터 p(t), T_gas(t) 및 T_liq(t)의 계산이 이루어지는 것인, 단계 B;
단계 C. 압력 p(t)가 p_valve보다 작은 한, 단계 B의 계산은 일정한 물리적 시간 간격 δt를 갖는 다음의 순간 t + δt에서 반복되는 것인, 단계 C;
단계 D. p(t), p(t+δt),…, p(t+N*δt)의 N 번의 계산 과정의 반복 동안, 압력 p(t+N*δt)가 p_valve보다 크거나 같자마자, 계산은 정지되는 것인, 단계 D; 및
단계 E. 추구되는 자율 기간은 계산 정지 시점에서 상기 알고리즘에 의해 경과된 총 기간 N*δt와 동일한 것인, 단계 E
를 포함하는 것인, 비 냉장 탱크의 자율 기간을 실시간으로 계산하는 방법.
제 1 항에 있어서, 단계 A 내지 단계 D 모두는, 순간 t₀ + ΔT에서 자율 기간을 재계산하기 위해, 시간 간격 ΔT가 경과하자마자 반복되는 것인, 비 냉장 탱크의 자율 기간을 실시간으로 계산하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 물리적 파라미터 p(t), T_gas(t) 및 T_liq(t)의 단계 B에서의 계산은 다음과 같이 정의된 단계들에 따라 수행되는 것인, 비 냉장 탱크의 자율 기간을 실시간으로 계산하는 방법.
● 액상 온도 T_liq(t) 및 기상 온도 T_gas(t)는, 액체 상태의 천연 가스의 열용량 및 기체 상태의 천연 가스의 열용량, 미리 결정된 탱크의 단열, 및 액체 상태의 LNG 및 기체 상태의 LNG의 순간 t-δt에서의 온도를 입력 데이터로서 사용하는 전력 변환 방정식을 사용하여 직접 결정되고,
● 기상으로 증발된 액체의 질량은 순간 t-δt에서 이전 단계에서 결정된 압력 및 액체의 온도에 따라 이하의 수학식(5)에 의해 결정되고,
(5)

여기서,
- K는 LNG에 관한 상수를 지정하고, 항상 포지티브이고,
- ΔT_overheat는 LNG 탱크의 증발 현상 동안 생성되는 과열을 지정하고,
- q_ev는 LNG의 표준화된 증발율을 지정하며,
- α는 LNG에 관한 계수를 지정하고, 1 ≤ α ≤ 2,
● 기상의 압력 p(t)는 순간 t에서의 액체의 증발된 질량, 탱크 체적 및 기체 온도를 입력 데이터로서 사용하는 펭로빈슨(Peng-Robinson) 방정식에 의해 얻어짐.
제 3 항에 있어서,
상기 알고리즘은 탱크의 자율 기간을 계산하는 계산기에 의해 구현되며, 상기 계산기는 이러한 자율 기간에 관해 운영자에게 알리는 것을 가능하게 하는 MMI 인터페이스에 연결되는 것인, 비 냉장 탱크의 자율 기간을 실시간으로 계산하는 방법.
제 4 항의 방법에 따라, 밸브의 설정 압력 p_valve, 형상 및 크기뿐만 아니라 기화율에 의해 정의되는 비 냉장 탱크의 자율 기간을 실시간으로 계산하기 위한 시스템에 있어서,
- 액화 천연 가스를 수용하는 탱크로서,
o 액체 상태의 천연 가스 층 - 주어진 순간 t에서, 온도 T_liq(t), 조성 x_liq(t), 및 상기 액체 상태의 천연 가스 층에 의한 탱크의 충전 속도에 의해 정의됨- ; 및
o 가스 상태의 천연 가스 층 - 주어진 순간 t에서, 온도 T_gas(t), 조성 x_gas(t) 및 압력 p(t)에 의해 정의됨 - ;
으로 나누어지는, 탱크; 및
- 압력 센서 및 온도 센서
를 포함하고,
상기 시스템은 온보드 시스템이며,
상기 온보드 시스템은,
- 상기 압력 센서(3) 및 온도 센서(4)에 연결된 온보드 계산기(5)로서, 상기 온보드 계산기는 상기 방법의 알고리즘을 실행하도록 설계된 것인, 온보드 계산기(5), 및
- 상기 온보드 계산기(5)와 상호 작용하는 MMI 인터페이스(6)로서, 상기 MMI 인터페이스(6)는 차량의 온보드 대시 보드 유형이고, 상기 방법에 따라 계산된 자율 기간을 운영자(7)에게 보고하기 위한 것인, MMI 인터페이스(6)
를 더 포함하는 것인, 비 냉장 탱크의 자율 기간을 실시간으로 계산하기 위한 시스템.
NG 탱크 및 제 5 항에 따른 시스템을 포함하는, 차량.