СИСТЕМА ОТБОРА СОСТАВНЫХ ПРОБ ГАЗА
COMPOSITE GAS SAMPLING SYSTEM

В настоящей международной заявке РСТ испрашивается приоритет по заявке США №14/205526, поданной 12 марта 2014 г., и по предварительной заявке США №61/794240, поданной 15 марта 2013 г.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к сбору составных проб газа для анализа и, в частности, к сбору составных проб кондиционирования криогенного газа с помощью системы типа, описанной в патенте US 7484404 (Thompson), которая принадлежит заявителю данного изобретения и реализуется на рынке под маркой Mustang Sampling system. В частности, эта система отбора составных проб является дополнением к испарителю для кондиционирования проб газа, используемому для сбора кондиционированных испаренных проб сжиженного природного газа и/или жидкости из природного газа
Уровень техники
Отбор сжиженного природного газа регулируется стандартом ISO 8943 и руководством GIIGNL (Международной группы импортеров) по передаче сжиженного природного газа (LNG) потребителю. В Европе и других регионах мира накладываются дополнительные требования, такие как обязательный отбор составных проб перекачиваемых объемов LNG, и, в частности, выгружаемых из танкеров. Стандарт предписывает отбор составных проб, которые должны собираться в течение всего периода разгрузки судна. Отбираемый для проб поток газа направляется в небольшие цилиндрические контейнеры для проб с целью хранения и сравнения с усредненными результатами непрерывного анализа в реальном времени.
В течение процесса перекачки из средства для перевозки сжиженного природного газа желательно обеспечить достаточно точный отбор проб с целью контроля энергосодержания выгружаемого LNG. Этого можно достичь благодаря использованию таких известных технологий, как периодический прямой отбор проб из отводимого потока испарителя и/или отбор составных проб. В то время как прямой отбор проб обеспечивает возможность быстрого анализа с помощью соответствующего анализатора, такого как газовый хроматограф, этот прямой отбор проб позволяет в то же время получить точную картину содержания LNG, выгружаемого из транспортного средства, в течение всего процесса перекачки только посредством экстраполяции выбранных накопленных данных. Кроме того, периодически может производиться ручной прямой отбор проб, например, при перекачке  и  объема груза судна. Автоматический отбор составных проб используется для получения отдельных объемов испаренного LNG в выбранные периодические интервалы в течение процесса перекачки. Однако анализ содержания типовой составной пробы возможен только после окончания процесса перекачки.
Стандартный способ отбора составных проб LNG реализуется, как правило, с помощью систем с колпаком или свободно плавающего поршня. Системы с колпаком основаны на применении камеры и требует наличия текучей среды (как правило, воды) для изоляции собирающего колпака от окружающей среды и поддержания давления в собранных пробах. Затем полученную извлеченную составную пробу перекачивают из колпака в цилиндры пробы для целей анализа и/или хранения для следующих качественных анализов. Поскольку для работы систем с колпаком нужна текучая среда/вода, любая неисправность соответствующих водяных уплотнений чревата загрязнением составной пробы.
Пробоотборники со свободно плавающим поршнем имеют более простую конструкцию, чем пробоотборники с колпаком. Кроме того, в них предотвращается ввод воды/текучей среды в качестве способа уплотнения, при этом они основаны на механических уплотнениях. Соответственно считается, что в системах со свободно плавающим поршнем сводится к минимуму ввод других окружающих газов (например, кислорода) в составную пробу природного газа. Однако системы со свободно плавающим поршнем содержат множество подвижных деталей и, кроме того, для них требуется переносной источник для создания давления в поршне. Помимо того, что такие подвижные детали являются причиной загрязнения пробы при утечках и других подобных дефектах, известно, что в этих системах применяются относительно более высокие давления для откачки из пробоотборной камеры в течение циклирования.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание новой системы и способа отбора проб для кондиционированного испаренного газа в течение процесса перекачки.
Другая задача изобретения заключается в устранении вышеупомянутых проблем, связанных со стандартными конструкциями, известными из уровня техники.
Еще одна задача изобретения заключается в создании средства для преодоления выявленных проблем с помощью существующих способов отбора проб.
Дополнительная задача изобретения заключается в обеспечении большей гибкости при адаптации выбора способа отбора проб и его выполнения для любой конкретной операции перекачки.
Дополнительная задача изобретения заключается в выборочном обеспечении совмещенной секвестрации свежего газа и составной пробы газа для анализа.
Наконец, еще одна задача изобретения заключается в создании удобной интегрированной системы отбора составных проб газа с минимальным числом подвижных деталей.
Для решения указанных и других задач предложено устройство для отбора периодической пробы газа после испарения и кондиционирования в газовую фазу источника криогенного жидкого углеводорода в течение процесса перекачки,
отличающееся наличием по меньшей мере первой и второй линий ввода испаренной пробы, каждая из которых включает в себя по меньшей мере первую линию непосредственного питания, вторую линию скоростного контура и третью линию питания аккумулятора; причем каждая из первых линий непосредственного питания первой и второй линий ввода испаренной пробы непосредственно соединена с газоанализатором для поточного анализа в реальном времени несоставной пробы газа; каждая из линий скоростного контура соединена со скоростным контуром, содержащим регулятор давления, насос высокого давления, множество клапанов с соленоидным управлением для управляемого наполнения множества цилиндров несоставной пробы для хранения свежих проб газа, получаемых через заданные интервалы процесса, и перепускное выходное отверстие к системе отпарного газа; каждая из указанных линий аккумулятора включает в себя по меньшей мере один клапан с соленоидным управлением, причем указанная линия аккумулятора предназначена для прохождения пробы газа выбранного объема через выбранные интервалы времени к регулятору давления, клапан с соленоидным управлением, аккумулятор газа для приема множества периодических проб газа выбранного объема с целью образования составной пробы газа, насос высокого давления для поддержания в аккумуляторе газа давления, достаточного для предотвращения выпадения пробы газа в точке росы, выходное отверстие из аккумулятора газа с клапанным управлением и множество цилиндров захвата пробы для приема составных проб из аккумулятора газа после завершения процесса над источником.
Для достижения других целей предложена система для выборочного отбора проб из источника криогенного жидкого углеводорода, причем жидкий углеводород был испарен и кондиционирован посредством испарителя в течение процесса перекачки, отличающаяся тем, что она содержит корпус; контроллер для управления операцией отбора газа, размещенный внутри указанного корпуса; канал для испаренного газа, имеющий первую, вторую и третью линии питания потоком газа, выполненные с возможностью приема пробы испаренного газа выбранного объема и в выбранное время; газоанализатор, соединенный с указанной первой линией питания потоком газа; скоростной контур, соединенный с указанной второй линией питания; множество удаляемых цилиндров пробы, соединенных со скоростным контуром для сбора несоставных свежих проб в выбранные моменты времени непосредственно из испарителя; аккумулятор, соединенный с указанным третьим потоком газа для приема выбранного объема газа с целью образования составной пробы испаренного газа; по меньшей мере один насос, связанный с указанным аккумулятором, для удержания давления в аккумуляторе на уровне, предотвращающем выпадение испаренного газа в точке росы; множество удаляемых цилиндров захвата пробы для приема составных проб испаренного газа из аккумулятора; установку для удаления остаточного газа для удаления остаточного газа из системы после процесса перекачки криогенного жидкого углеводорода.
Для решения других задач предложен способ отбора проб испаренного газа из криогенного жидкого углеводорода с использованием системы отбора проб газа, отличающийся тем, что он включает в себя следующие этапы: получают первую пробу испаренного газа выбранного объема и через первые выбранные интервалы из испарителя, соединенного с хранилищем криогенного жидкого углеводорода; передают выбранный объем указанной первой пробы испаренного газа в первый цилиндр захвата пробы; перекачивают второй выбранный объем указанной первой пробы испаренного газа в бак аккумулятора составной пробы под давлением, достаточным для предотвращения выпадения в точке росы; получают вторую пробу газа выбранного объема через выбранный интервал, отличный от первого выбранного интервала; передают первый выбранный объем указанной второй пробы испаренного газа во второй цилиндр захвата пробы; перекачивают второй выбранный объем указанной второй пробы испаренного газа в бак аккумулятора составной пробы под давлением, достаточным для предотвращения выпадения в точке росы, с целью получения составной пробы газа; передают составную пробу газа в один выбранный цилиндр из множества удаляемых цилиндров сбора составной пробы с целью приема указанной составной испаренной пробы из бака аккумулятора; удаляют указанный один выбранный цилиндр из цилиндров составной пробы; и удаляют по меньшей мере указанный первый цилиндр захвата пробы.
3
Система отбора проб согласно настоящему изобретению выполнена с возможностью принимать пробы в определенное время после того как система кондиционирования пробы преобразовала жидкую пробу в газ из одного или более потоков газа ввода, и использует соответствующий газовый хроматограф или другой анализатор с непосредственным питанием для целей моментального анализа, свежую пробу для последующего анализа через выбранные промежутки времени в процессе кондиционирования и составную пробу для последующего анализа, характеризующую все содержание газа в течение всего процесса сбора пробы. Это означает, например, что после завершения загрузки или выгрузки судна или контейнера и поступления составной пробы в аккумулятор пробоотборник выключают. Затем производят наполнение соответствующих пробоотборных цилиндров вместимостью, как правило, 500 см из аккумулятора. После наполнения пробоотборных цилиндров удаляют газ, остающийся в аккумуляторе, и производят очистку системы способом продува, вакуумирования и пр.
Для управления различными процессами в рамках изобретения предпочтительно пользоваться резидентным программируемым логическим контроллером (PLC). Этот PLC управляет ходом последовательных операций, а также синхронизацией насосов для составных проб и клапанов в газопроводах с целью обеспечения выполнения необходимого пошагового отбора проб. Кроме того, в случае использования резервных или множественных потоков газа и насосов в соответствии с изобретением предусмотрено, чтобы все они запитывали один общий аккумулятор, специфицированный для данной системы.
Система согласно изобретению основана не только на измерениях объемов, но также обеспечивает управляемый периодический отбор проб, основанный на дискретных и известных временных интервалах накопления проб. Другими словами, непрерывный процесс отбора проб с наполнением пробоотборных цилиндров обеспечивает получение более точных результатов на основе более технически эффективного подхода к отбору проб с упором на выборочную синхронизацию накопления проб, а не только на поток пробы газа. Согласно изобретению предложена система отбора проб, обеспечивающая получение проб с одновременным поддержанием относительно низких давлений с использованием статической конструкции (без подвижных деталей), в результате чего сводится к минимуму опасность утечек и загрязнения. Кроме того, благодаря изобретению существенно уменьшается риск охлаждения на основе эффекта Джоуля-Томсона и сопутствующего выпадения углеводорода в точке росы, что неблагоприятно сказывается на точности анализа проб.
Для дефинитивных целей при использовании в данном документе выражение «соединенный» включает в себя физическое прямое или опосредованное прикрепление или установку с возможностью регулировки, как, например, система отбора составных проб соединена с испарителем, а линия скоростного контура соединена с цилиндрами захвата пробы и с байпасом. Таким образом, если это специально не оговорено, выражение «соединенный» следует понимать как относящееся к любому действующему функциональному соединению.
Используемое в данном документе выражение «процесс перекачки» относится к любым процессам, включающим в себя перемещение криогенной жидкости из одного места в другое в общепринятом смысле, а также из любого большого контейнера (или в любого большое вместилище) криогенного жидкого природного газа, такого как судна, железнодорожные цистерны или грузовые автомобили.
Используемые в данном документе выражения «по существу», «как правило» и другие подобные выражение для обозначения степени представляют собой относительные модификаторы, служащие для указания на допустимое отклонение от модифицируемой таким образом характеристики. Подразумевается, что эти выражения не служат для ограничения абсолютного значения или характеристики, которые они модифицируют, а отражают, скорее, большую степень физической или функциональной характеристики, чем их противопоставление, и, предпочтительно, приближение или аппроксимацию такой физической или функциональной характеристики.
В нижеследующем описании даются ссылки на прилагаемые чертежи, которые приведены для иллюстрации отдельных конкретных вариантов осуществления изобретения. Нижеследующие иллюстративные варианты осуществления описаны достаточно детально для обеспечения возможности специалисту в данной области техники реализовать это изобретение. Предполагается, что также могут использоваться другие варианты осуществления изобретения, при этом могут быть сделаны конструктивные изменения, основанные на известных на сегодняшний день конструктивных и/или функциональных эквивалентах без выхода за рамки объема изобретения.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой вид в аксонометрии системы отбора составных проб в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
фиг. 2 представляет собой схематический вид варианта осуществления изобретения по фиг. 1;
фиг. 3 представляет собой схематический вид варианта осуществления изобретения, относящийся к многопоточному сбору множества проб;
фиг. 4 представляет собой схематический вид варианта осуществления изобретения, в соответствии с которым используются бескамерный аккумулятор и вакуумная установка для удаления остаточного газа из системы после окончания процесса перекачки.
Осуществление изобретения
3
В соответствии с вариантом осуществления, представленным на фиг. 1, используется система 10 отбора составных проб, помещенная в корпус 11. Эта система 10 обеспечивает получение представительной составной пробы газа посредством взятия проб очень малого размера в течение некоторого временного периода. Система 10 содержит программируемый логический контроллер (PLC) 12, соединенный с удаленным средством связи для управления клапанами, соленоидами и сигнальными лампами для функционирования системы, а также для мониторинга состояния системы. Кроме контроллера 12 корпус 11 системы 10 отбора проб содержит насосы 14 для проб, множество удаляемых цилиндров 16 захвата пробы аккумулятора (в рассматриваемой здесь системе использованы четыре таких цилиндра 16), множество пробоотборных цилиндров 18 свежих проб для приема соответствующей пробы газа через заданный промежуток времени (например, при 1/3, 1/2 и 2/3 перекачки нагрузки) в течение процесса перекачки. Цилиндры 16 захвата соединены с аккумулятором 20 через соответствующий трубопровод для передачи составной пробы. В аккумулятор 20 поступает множество проб заданного небольшого размера, например 0,5 см, через заданные временной промежуток (а именно 1 сек) с поддержанием условий (давления и температуры) для предотвращения выпадения в точке росы. Сходным образом при питании составным газом из аккумулятора 20 проб в соответствующие цилиндры захвата пробы соответствующий(ие) насос(ы) должен (должны) поддерживать давление газа, чтобы предотвратить выпадение в точке росы. Для поддержания устойчивости системы во внутреннем пространстве корпуса 11 имеется электрический подогреватель 22 корпуса, обеспечивающий поддержание температур на высоком уровне.
3
В процессе работы предлагаемая система отбора составных проб ежесекундно захватывает свежую пробу объемом 0,5 см с сохранением ее в аккумуляторе 20 для перекачки в соответствующие цилиндры 16 захвата после завершения операции перекачки. После этого составную пробу можно удалять и перекачивать для последующего анализа в лабораторию или в местоположение анализатора.
В соответствии с изобретением предусматривается удаление остаточного отобранного в пробы газа после окончания процесса выгрузки или перекачки с целью возврата системы в исходное состояние для следующей операции процесса. На фиг. 2 показана подсистема продувки газом, которая основана на газообразном азоте, подаваемом в систему из баллона 24. Операция продувки может быть полностью автоматизированной или полуавтоматической (регулятор азота открывается вручную после того как в PLC подана команда на открытие клапанов системы для продувки).
Перейдем теперь к рассмотрению фиг. 3, где показана разветвленная система отбора с множеством испарителей для множества одновременных входов. Кроме того, в этом варианте осуществления используются скоростные контуры 24, обеспечивающие наличие альтернативны линий питания для испаренного газа непосредственно из испарителя в один или более цилиндров выбранного сбора и/или перелив из газовых насосов 14, связанных с аккумулятором 20. Данная конкретная конфигурация предоставляет пользователю системы максимальную эксплуатационную гибкость путем обеспечения возможности использования любого набора цилиндров сбора для отбора несоставных проб, либо обеспечения вентиляции питания 28 линии для системы газосборника/коллектора отпарного газа (BOG).
На фиг. 4 показана другая возможность возврата системы в исходное состояние системы, в которой поточно с системой размещен блок 26 генерации вакуума, который при активации при помощи PLC 12 открывает все клапаны для создания в системе отрицательного давления и перемещения остаточного газа в соответствующий выходной канал, такой как коллектор 28 BOG, либо с использованием вышеупомянутого продувочного газа с положительным давлением, например гелия, из бака 23 для вытеснения остаточного газа в вентиль или т.п. После удаления система эффективно возвращается в исходное состояние и готова к выполнению следующей операции по отбору проб.
Промышленная применимость
Система отбора проб согласно настоящему изобретению может использоваться при перекачке LNG из транспортного средства и, в частности, из трансокеанских танкеров для LNG (метановозов). Эта система выполнена с возможностью взятия испаренных проб из системы кондиционирования проб после преобразования жидкости в газ из множества входных потоков газа и для обеспечения питания пробы в анализатор, а также прямых периодических проб и аккумулированной составной пробы от операции перекачки. При завершении операции перекачки производят сравнение анализа соответствующих собранных проб газа от разных входов, при этом выбранные пробы сохраняют на случай последующих энергоаудитов или разногласий.
В вышеприведенном описании раскрыт конкретный вариант осуществления изобретения. Специалисту в данной области техники понятно, что в рамках данного изобретения возможны многочисленные модификации и варианты осуществления с использованием идей, указанных в вышеприведенном описании и на соответствующих чертежах. Таким образом, очевидно, что изобретение не ограничивается раскрытыми в данном документе конкретными вариантами осуществления, при этом предполагается, что в объем изобретения включены многочисленные модификации и другие варианты осуществления. Кроме того, хотя выше использованы отдельные специальные термины, следует понимать, что они употреблялись здесь лишь в самом общем описательном смысле, без намерения каким-либо образом ограничить объем изобретения.