Brevet FR2924788A1 — publié le 20090612

La présente invention concerne un procédé de détermination en temps réel de la masse de fluide dans un réservoir cryogénique ainsi que du débit massique de fluide consommé. L'invention concerne notamment l'estimation à chaque instant de la masse de liquide et de gaz contenue dans les réservoirs cryogéniques. Cette masse est importante pour le calcul du profil de consommation des clients reliés à ces réservoirs. Les réservoirs cryogéniques disposent en général de mesures de pression PH, PB et de la mesure de différence de pression DP=PH-PB entre le haut et le bas du réservoir. La mesure de masse peut être faite par des pesées mais la quasi totalité des réservoirs existants n'en sont pas dotés. Une méthode existe actuellement pour estimer la masse à partir des mesures du différentiel de pression DP mais avec une grande incertitude. L'invention propose une nouvelle méthode qui permet d'estimer d'une manière plus précise la masse du liquide et du gaz contenus dans le réservoir en se basant sur la mesure du différentiel de pression DP et de préférence également de la pression PH ou PB aux extrémités supérieure et inférieure du réservoir. Connaissant la masse à chaque instant, on peut ainsi calculer le profil de consommation du client. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des 20 inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le procédé selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape de mesure du différentiel de pression entre les parties haute et 25 basse du réservoir, la mesure étant réalisée via au moins un capteur de pression déporté relié aux parties haute et basse du réservoir via des tuyaux de mesure respectifs dont un tuyau supérieur, une étape de calcul le niveau de liquide dans le réservoir selon la formule générale hl = DP.R1-R2 30 dans laquelle R1 est un premier coefficient correctif en pression tenant compte de l'influence de la pression dans les tuyaux de mesure, et R2 un second coefficient correctif tenant compte de l'influence de la pression dans les tuyaux de mesure et de la géométrie du réservoir, - une étape de calcul des volumes de liquide et de gaz dans le réservoir en fonction du niveau de liquide obtenu à l'étape précédente, - et une étape de calcul de la masse fluide dans le réservoir en fonction des volumes de liquide et de gaz obtenus à l'étape précédente. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'étape de calcul le niveau de liquide dans le réservoir utilise la formule 10 générale suivante hl = C.DP- (Pg pgg).G dans laquelle C est un premier coefficient constant déterminé, G un second coefficient déterminé fixe et représentatif de la géométrie du réservoir, pg la masse volumique du gaz dans le réservoir approximée à une valeur déterminée, pgg la masse volumique du gaz dans le tuyau supérieur et situé en face de la phase 15 gazeuse du réservoir, cette masse volumique pgg étant approximée à une température déterminée, p, la masse volumique du liquide dans le réservoir approximée à une moyenne déterminée, pg, la masse volumique du gaz dans le tuyau (11) supérieur et situé en face de la phase liquide du réservoir, cette masse volumique pg, étant approximée à une température déterminée, 20 - la masse volumique du gaz dans le réservoir est calculée à la pression moyenne (PB+PH)/2 mesurée en temps réel dans le réservoir et à une température (Tg) déterminée supérieure à la température d'équilibre liquide-gaz dans le réservoir, - la masse volumique du gaz dans le tuyau supérieur et situé en vis-à-vis de 25 la phase gazeuse du réservoir est calculée à la pression mesurée moyenne (PB+PH)/2 du réservoir et à une température évaluée selon la formule Pl -Ag +Pgg -Pgl suivante Tgg = Tg +E. (Te11,b ûTg) dans laquelle E est un coefficient déterminé fonction d'une part de la distance entre le tuyau supérieur et le réservoir et d'autre part de l'épaisseur connue de l'isolation autour du réservoir intérieur, Tamb étant la température ambiante mesurée autour du réservoir, Tg étant la température déterminée du gaz dans le réservoir, - la masse volumique du liquide dans le réservoir est approximée comme étant égale à la moyenne entre d'une part la masse volumique du liquide déterminée avant un remplissage et, d'autre part, la masse volumique du liquide Pl before +P1 alter déterminée après remplissage selon la formule : pl = 2 - le procédé comprend au moins une étape de remplissage du réservoir réalisé à partir d'un stockage d'alimentation, notamment d'un camion de livraison, caractérisé en ce que la masse volumique du liquide après un remplissage est approximée comme étant la somme, pondérée en volume occupé, d'une part de la masse volumique du liquide à l'équilibre à la pression du stockage d'alimentation (p, ecLCrack) et, d'autre part, de la masse volumique à l'équilibre à la pression du réservoir (pl ecLtank) et en ce que le volume du liquide restant dans le réservoir avant remplissage est approximé à une fraction K déterminée du volume maximal du liquide dans le réservoir de sorte que Pl alter = (1ùK) p 1_ecLtruck + K. p 1_ecLtanlc avec 1>K>0, - la masse volumique du gaz dans le tuyau supérieur et situé en face de la phase liquide du réservoir est calculée à la pression mesurée moyenne (PB+PH)/2 25 du réservoir et à une température évaluée selon la formule suivante : Tg, = T, + E. (Tamb û Tl) dans laquelle E est un coefficient connu fonction d'une part de la distance entre le tuyau supérieur et le réservoir et, d'autre part, de l'épaisseur connue de l'isolation autour du réservoir intérieur, Tamb étant la température ambiante mesurée autour du réservoir T, étant la température connu ou estimée 30 du liquide dans le réservoir,20 - le second coefficient G est représentatif de la géométrie du réservoir et de préférence égal à la somme de la hauteur maximale du liquide dans le réservoir prise à partir du bas du réservoir et de la hauteur maximale du liquide dans le réservoir prise à partir du haut du réservoir, - le réservoir est cylindrique de rayon R et avec l'extrémité inférieure au moins de forme elliptique de hauteur F, l'étape de calcul de la masse fluide (mtot) dans le réservoir étant obtenue en additionnant la masse du liquide et la masse de gaz selon la formule : mtot = p1V1 + pgVg ; Vg étant le volume du gaz dans le réservoir et le complément du volume du liquide V, dans le réservoir par rapport au volume total du réservoir Vtot, et en ce que, lorsque la hauteur de liquide atteint ou excède la parte elliptique ( hl F), la masse de fluide (mtot) dans le réservoir est donnée par la formule : m101 = nR2 C.DP- 3 (p1+pg)+(pgl ùpgg)hi +pgg.G . - lorsque le tuyau de mesure supérieur est situé à l'extérieur du réservoir (à l'extérieur de l'inter-parois), la masse volumique du gaz dans le tuyau supérieur situé en face de la phase gazeuse du réservoir Pgg et la masse volumique pg, du gaz dans le tuyau supérieur situé en face de la phase liquide du réservoir sont chacune égales à la masse volumique pg(Tamb) du gaz calculée à la température ambiante extérieure autour du réservoir et à la pression moyenne du réservoir (PB+PH)/2 : Pgg = pg, = pg(Tamb). L'invention concerne également un procédé de détermination du débit massique de fluide consommé dans un réservoir utilisant ou non l'une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessus ou ci-après. Selon une particularité, le procédé comprend une étape de mesure du différentiel de pression entre les parties haute et basse du réservoir, la mesure étant réalisée via au moins un capteur de pression déporté relié aux parties haute et basse du réservoir via des tuyaux de mesure respectifs dont un tuyau supérieur, caractérisé en ce que le débit massique de consommation mconso de fluide est calculé selon une formule du type : mconso = Y. dD P dans laquelle Y est un coefficient correctif tenant compte de l'influence de la pression dans les tuyaux de mesure et de la géométrie du réservoir. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : -la figure 1 représente une vue schématique illustrant un premier exemple de réservoir cryogénique de mise en oeuvre de l'invention (conduits extérieurs aux parois du réservoir), - la figure 2 représente une vue schématique illustrant un second exemple de réservoir cryogénique de mise en oeuvre de l'invention (conduits intérieurs aux parois du réservoir). La méthode d'estimation qui va être décrite ci-après peut être mise en oeuvre par un ordinateur d'un système de contrôle de réservoir (local ou déporté). Cette méthode comprend une mesure de pression (différentiel DP), une estimation ou un calcul et peut comprendre une transmission de données à distance. Les pressions en haut PH et/ou en bas PB du réservoir sont mesurées via des conduits 11, 12 qui peuvent être situés dans l'espace inter parois du réservoir (figure 2) ou à l'extérieur 11 (figure 1). Le réservoir 1 peut comprendre un dispositif de pressurisation tel qu'un réchauffeur 3 de vaporisation apte à prélever du liquide pour le vaporiser et le réinjecter dans le réservoir. Ce réchauffeur 3 régule classiquement la pression au sein du réservoir 1. Par souci de simplification, le réservoir intérieur qui stocke le fluide sera désigné ci-après uniquement par le terme � réservoir �. Une méthode connue de calcul de masse à l'intérieur d'un réservoir cryogénique vertical (cf. figure 1) se base sur la détermination de la hauteur du liquide contenu dans le réservoir h, à partir de la mesure du différentiel de pression DP (en bar) selon la formule suivante : 105 DP h, = PI g dans laquelle pl est la masse volumique du liquide cryogénique à l'intérieur du réservoir supposée constante et g l'accélération terrestre. Dans le cas d'un réservoir cylindrique de rayon R et d'extrémités elliptiques de hauteur F (cf. figures 1 et 2), connaissant la hauteur du liquide h, dans le réservoir 1, on peut calculer le volume V, occupé par ce liquide selon la formule suivante (équation 2): Si hl F V,=nR2 h,-3 a Sihl 15 du réservoir 1 puisque le capteur 4 est relié au réservoir par deux tuyaux 11, 12 faussant la mesure. Le premier tuyau supérieur 11 relie le capteur 4 à l'extrémité supérieure du réservoir 1. Le second tuyau 12 relie le capteur 4 au bas du réservoir 1. La méthode actuelle pour l'estimation de la masse contenue dans le 20 réservoir 1 présente trois défauts : - elle ne prend pas en compte le poids du gaz contenu dans le réservoir, - elle néglige la correction de pression et du différentiel de pression DP liée aux tuyaux 11, 12 reliant l'unité 4 de mesure au réservoir 1, - elle considère que la masse volumique p, du liquide dans le réservoir 1 25 reste constante dans le temps. Selon l'invention, on prend en compte la masse du gaz à l'intérieur de ce réservoir 1 ainsi que la correction de pression et du différentiel de pression due à la présence de tuyaux 11, 12 entre le capteur 4 et le réservoir 4. La masse5 volumique p, utilisée selon l'invention est de préférence une moyenne entre la masse volumique du liquide avant remplissage et la masse volumique du liquide après remplissage. Selon l'invention, le calcul de la masse totale contenue dans le réservoir 5 cryogénique se base d'abord sur le calcul de la hauteur h, du liquide dans le réservoir selon, par exemple, la formule suivante (équation 4): 105 DP ù (pg ù pgg ) (Hmax + ovlength) dans laquelle : - g est l'accélération terrestre en m.s-2, 10 - Hmax la hauteur maximale du liquide dans le réservoir prise à partir du bas du réservoir (en mètre), -ov_length est la hauteur maximale du liquide dans le réservoir prise à partir du haut du réservoir (en mètre), - pg est la masse volumique du gaz dans le réservoir approximée à une 15 valeur déterminée, - Pgg est la masse volumique du gaz dans le tuyau 11 supérieur situé en face de la phase gazeuse du réservoir, - p, est la masse volumique du liquide dans le réservoir approximée à une moyenne déterminée, 20 - pg, est la masse volumique du gaz dans le tuyau (11) supérieur situé en face de la phase liquide du réservoir. La masse volumique p, du liquide dans le réservoir est approximée comme étant égale à la moyenne entre d'une part la masse volumique du liquide avant remplissage P1 before et la masse volumique du liquide après remplissage 25 P1 afcer (équation 5) : hl = Pl -Pg +Pgg - Pgl g Pl before + Pl after P1 = 2 Par ailleurs, on peut approximer la masse volumique du liquide avant remplissage P1 beforecomme étant égale à la masse volumique à l'équilibre à la pression moyenne du réservoir (PH+PB) /2 (moyenne des pressions mesurées en haut PH et en bas PB) P1 ecLtank (équation 6) : P 1_before = P 1_eq_tank La masse volumique du liquide après remplissage pl after peut être approximée comme étant la moyenne pondérée par la fraction du volume occupé de: 1) la masse volumique du liquide à l'équilibre à la pression du stockage du camion de livraison P1_eq_truek et de 2) la masse volumique à l'équilibre à la pression moyenne du réservoir (PH+PB)/2 p ecLtank Le volume du liquide restant dans le réservoir avant remplissage est 15 approximé à une valeur déterminée(par exemple à 30% en moyenne du volume maximal du liquide dans le réservoir), cela conduit à l'équation 7 : Pl after = 0,7. p 1eci truck + 0, 3 .Pl eqtank La masse volumique du gaz dans le réservoir Pg sera calculée à la pression moyenne du réservoir Ptank (connue ou mesurée (PH+PB)/2) et pour 20 une température de gaz Tg dépassant de 20K la température d'équilibre dans le réservoir Teq_tank (cette température d'équilibre Teq_tank est déduite à partir de la pression moyenne du réservoir Ptank=(PH+PB)/2). On obtient ainsi l'expression suivante (équation 8) : Pg = Pg (Tg = Teq_tank + 20, Ptank 25 La masse volumique pgg du gaz dans le tuyau 11 supérieur reliant le haut du réservoir 1 au capteur 4 (portion en face de la partie gazeuse du réservoir) peut 8 être calculée à la pression du réservoir Ptank et à une température évaluée selon la formule suivante (équation 9) : = d-Pipe (T ùT l Tgg Tg + wlength \amb g / Dans laquelle d_pipe est la distance séparant le tuyau 11 de la paroi du réservoir (interne), w length est l'épaisseur de l'isolation autour du réservoir intérieur (non représentée) et Tamb est la température ambiante moyenne mesurée autour du réservoir. En effet, on peut considérer un profil linéaire de température dans l'isolant du réservoir entre la température du gaz Tg à l'intérieur du réservoir 1 et la température ambiante extérieur Tamb. La masse volumique pgI du gaz dans le tuyau 11 supérieur situé en face de la phase liquide du réservoir peut être calculée à la pression du réservoir Ptank et à une température évaluée selon la formule suivante (équation 10) : _ d_pipe Tgt T1+ T wlength am- - T, De la même façon, on peut en effet considérer un profil de température linéaire dans l'isolant (autour de la phase liquide du réservoir) entre la température du liquide à l'intérieur du réservoir T, et la température ambiante Tamb. Le volume occupé par le liquide V, dans le réservoir cylindrique de rayon R et d'extrémités elliptiques de hauteur F est égal à (équation 11): Si hlF V1=nR2 hlù3 2 Sih1 Le volume du gaz dans le réservoir Vg est le complément du volume du liquide V, par rapport au volume total du réservoir Vtot = Vg + V,. Le volume total du réservoir Vtot est donné par (équation 13) : Vtot = 7[R 2 h tot Vg = Vtot V1 2F 3) La masse totale de fluide à l'intérieur du réservoir mtot est égale à la somme de la masse du liquide m, et de la masse de gaz mg selon la formule (équation 14) : mtot _ p1 V1 + P g Vg Dans le cas où le niveau de liquide atteint ou dépasse la partie elliptique (hl F) (ce qui est le cas le plus fréquent) et en utilisant les équations 4, 14 et 1, la formule de la masse totale mtot dans le réservoir 1 se simplifie selon l'équation 15 suivante: 2 105DP F ( mit=7[R g --(Pl +Pg)+1Pgl Pgg)hi+Pggh0 En dehors des périodes de remplissage du réservoir, le débit massique de consommation de l'utilisateur mconso est égal à la dérivée par rapport au temps dm de la masse totale à l'intérieur dt°t du réservoir (équation 16) : dm m tot rr- _ dV1 °°ns° - - dt W1 P dt Dans le cas où le niveau de liquide dépasse la partie elliptique (hl F), la formule précédente se simplifie à (équation 17) : 10521R' d(DP 1h COnso _ ù - dt r pgl Pgg ` pl Pg - ~- Dans ce qui précède, sauf indication contraire, les unités de dimension sont le mètre et l'unité de masse volumique est le kg/m3. La nouvelle méthode de calcul de masse dans le réservoir a été testée sur un réservoir de 10000 litres contenant de l'oxygène liquide. Pour évaluer l'erreur relative maximale sur l'estimation de la masse avec la méthode selon l'invention, la demanderesse a fait varier de façon déterminée la pression, le niveau du liquide et la température du liquide et du gaz dans le réservoir. Les g 1 résultats ont été comparés aux valeurs réelles connues de masse dans le réservoir. L'invention a été testée notamment sur un réservoir de rayon 0,73m de hauteur de fond de cuve F=0,5m de hauteur maximale de liquide Hmax =5,9m et de hauteur totale ht0 = 6,5m. La pression dans le réservoir a fait l'objet d'une variation entre 3 et 30 bar. Les températures de gaz et de liquide on été modifiées entre 97 et 182 K. Le niveau de liquide réel dans le réservoir a été modifié entre 30% et 100% du niveau de liquide maximal possible. La demanderesse a constaté que, selon l'invention, l'erreur relative maximale sur la masse totale calculée dans le réservoir reste inférieure à 1.5% quels que soient la pression, le niveau du liquide et les températures de liquide et de gaz dans le réservoir. Il est à noter que selon les techniques de l'art antérieur, l'erreur relative sur la masse totale dans le réservoir (par rapport à la masse réelle) peut atteindre 33% à des pressions de 30 bar environ.15 REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination en temps réel de la masse de fluide dans un réservoir (1) cryogénique destiné à contenir un mélange diphasique liquide-gaz, le procédé comprenant : - une étape de mesure du différentiel de pression (DP) entre les parties haute et basse du réservoir (DP=PB-PH), la mesure étant réalisée via au moins un capteur (4) de pression déporté relié aux parties haute et basse du réservoir via des tuyaux (11, 12) de mesure respectifs dont un tuyau supérieur (11), une étape de calcul le niveau de liquide (hl) dans le réservoir (1) selon la formule générale hl = DP.R1-R2 dans laquelle R1 est un premier coefficient correctif en pression tenant compte de l'influence de la pression dans les tuyaux (11, 12) de mesure, et R2 un second coefficient correctif tenant compte de l'influence de la pression dans les tuyaux (11, 12) de mesure et de la géométrie du réservoir (1), - une étape de calcul des volumes de liquide (V,) et de gaz (Vg) dans le réservoir (1) en fonction du niveau de liquide (hl) obtenu à l'étape précédente, - et une étape de calcul de la masse fluide (mtot) dans le réservoir (1) en fonction des volumes de liquide (V,) et de gaz (Vg) obtenus à l'étape précédente. dans laquelle C est un premier coefficient constant déterminé, G un second coefficient déterminé fixe et représentatif de la géométrie du réservoir, pg la masse volumique du gaz dans le réservoir approximée à une valeur déterminée, Pgg la masse volumique du gaz dans le tuyau (11) supérieur et 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de calcul le niveau de liquide (hl) dans le réservoir (1) utilise la formule générale suivante hi = C.DP - (Pg pgg ).G P1 -Ag +Pgg -Agisitué en face de la phase gazeuse du réservoir, cette masse volumique Pgg étant approximée à une température déterminée, p, la masse volumique du liquide dans le réservoir approximée à une moyenne déterminée, pg, la masse volumique du gaz dans le tuyau (11) supérieur et situé en face de la phase liquide du réservoir, cette masse volumique pg, étant approximée à une température déterminée. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la masse volumique (pg) du gaz dans le réservoir (1) est calculée à la pression moyenne (PB+PH)/2 mesurée en temps réel dans le réservoir et à une température (Tg) déterminée supérieure à la température d'équilibre liquide-gaz dans le réservoir. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la masse volumique (pgg) du gaz dans le tuyau (11) supérieur et situé en vis-à- vis de la phase gazeuse du réservoir (1) est calculée à la pression mesurée moyenne (PB+PH)/2 du réservoir (1) et à une température (Tgg) évaluée selon la formule suivante Tgg = Tg +E. (T.b ûTg) dans laquelle E est un coefficient déterminé fonction d'une part de la distance (d_pipe) entre le tuyau (11) supérieur et le réservoir (1) et d'autre part de l'épaisseur connue de l'isolation autour du réservoir intérieur, Tamb étant la température ambiante mesurée autour du réservoir, Tg étant la température déterminée du gaz dans le réservoir. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la masse volumique (p,) du liquide dans le réservoir est approximée comme étant égale à la moyenne entre d'une part la masse volumique du liquide déterminée avant un remplissage (pl before) et, d'autrepart, la masse volumique du liquide déterminée après remplissage (pl alter) Pl before + Pl alter selon la formule : P1 = 2 6. Procédé selon la revendication 5, comprenant au moins une étape de remplissage du réservoir (1) réalisé à partir d'un stockage d'alimentation, notamment d'un camion de livraison, caractérisé en ce que la masse volumique du liquide après un remplissage (pl alter) est approximée comme étant la somme, pondérée en volume occupé, d'une part de la masse volumique du liquide à l'équilibre à la pression du stockage d'alimentation (P1eq_track) et, d'autre part, de la masse volumique à l'équilibre à la pression du réservoir (pl ecLtank) et en ce que le volume du liquide restant dans le réservoir (1) avant remplissage est approximé à une fraction K déterminée du volume maximal du liquide dans le réservoir (1) de sorte que Pl after = (1ù K). P 1_ecLtruck + K. P 1_ecLtank avec 1>K>0 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la masse volumique (pg,) du gaz dans le tuyau (11) supérieur et situé en face de la phase liquide du réservoir est calculée à la pression mesurée moyenne (PB+PH)/2 du réservoir (1) et à une température Tg, évaluée selon la formule suivante : Tgl = Tl + E. (Tamb ù T1) dans laquelle E est un coefficient connu fonction d'une part de la distance (d_pipe) entre le tuyau (11) supérieur et le réservoir (1) et, d'autre part, de l'épaisseur connue de l'isolation autour du réservoir intérieur, Tamb étant la température ambiante mesurée autour du réservoir T, étant la température connu ou estimée du liquide dans le réservoir (1). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le second coefficient G est représentatif de la géométrie du réservoir et de préférence égal à la somme de la hauteur maximale du liquide dans le réservoir prise à partir du bas du réservoir (Hmax) et de la hauteuret de la hauteur maximale du liquide dans le réservoir prise à partir du haut du réservoir (ov_length). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le réservoir (1) est cylindrique de rayon R et avec l'extrémité inférieure au moins de forme elliptique de hauteur F, l'étape de calcul de la masse fluide (mtot) dans le réservoir (1) étant obtenue en additionnant la masse du liquide et la masse de gaz selon la formule : mtot = + pg Vg ; Vg étant le volume du gaz dans le réservoir (1) et le complément du volume du liquide V, dans le réservoir par rapport au volume total du réservoir Vtot, et en ce que, lorsque la hauteur de liquide atteint ou excède la parte elliptique ( h, F ), la masse de fluide (mtot) dans le réservoir est donnée par la formule : C.DP- 3 (p1 +pg)+(pg, -pjh, +pgg.G 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que lorsque le tuyaux (11) de mesure supérieur est situé à l'extérieur du réservoir (à l'extérieur de l'inter-parois), la masse volumique du gaz dans le tuyau (11) supérieur situé en face de la phase gazeuse du réservoir p9g et la masse volumique p9, du gaz dans le tuyau (11) supérieur situé en face de la phase liquide du réservoir sont chacune égales à la masse volumique Pg(Tamb) du gaz calculée à la température ambiante extérieure autour du réservoir et à la pression moyenne du réservoir (PB+PH)/2 : P9g = p9, = pg(Tamb). m t.t = ?CR z