МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ ХРАНЕНИЯ КРИОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ ПРИ МУЛЬТИМОДАЛЬНЫХ ПЕРЕВОЗКАХ

VIRTUAL SIMULATION AND MODELING SYSTEM FOR AUTOMATED TESTING OF SPECIAL SOFTWARE

I.V. Shcherbakov

The article discusses approaches to building a virtual simulation-and-modeling system for automated testing of software for automated systems for organizing air traffic control. The conceptual foundations for creating a virtual simulation system are outlined, the structure of the system is described, and an informational approach is proposed for evaluating the potential for successful problem solving by the virtual simulation system being developed.

Key words: workstation, virtual simulation system, Industry 4.0, qualimetry software, special software.

Shcherbakov Ivan Vladimirovich, senior test engineer, 21.01ivan@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences

УДК 004.942:621.642.8

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-616-617

МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМ ХРАНЕНИЯ КРИОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ ПРИ МУЛЬТИМОДАЛЬНЫХ ПЕРЕВОЗКАХ

Е.С. Солдатов

В статье представлены выводы из анализа состояния методов контроля состояния криогенных транспортных систем хранения, которые применяются в мультимодальных перевозках криогенных продуктов. Система мониторинга обеспечивает возможность отслеживания в режиме реального времени состояния криогенных танк-контейнеров, при обеспечении автономного электропитания части системы, смонтированной на каждом из танк-контейнеров, подключенных к системе мониторинга. В частности, обеспечивается возможность на основе полученных данных вычислять отклонения темпа роста давления в танк-контейнере от номинального значения.

Ключевые слова: криогенный танк-контейнер, криопродукт, сжиженный природный газ, мультимодаль-ные перевозки, мониторинг термодинамических процессов, бездренажное хранение.

В промышленности и других отраслях экономики сохраняется повышенный интерес к использованию танк-контейнеров или контейнеров-цистерн (далее танк-контейнеров) для перевозки сжиженных газов, в том числе криогенных танк-контейнеров с высоковакуумной теплоизоляцией для хранения и транспортировки криогенных продуктов. Такие контейнеры пригодны для использования в мультимодальных перевозках, т.е. с их помощью можно без перезаправки и, соответственно, без промежуточных потерь осуществить доставку одной партии жидкого продукта (азота, кислорода, аргона, сжиженного природного газа, водорода) различными видами транспорта. Следует отметить, что среднегодовой темп роста мирового рынка танк-контейнеров составляет 11,8 % [1].

Помимо транспортировки на большие расстояния, является актуальной задача долговременного хранения криогенных продуктов в пункте назначения, где срок бездренажного хранения любого из криопродуктов ограничен, вследствие роста давления в танк-контейнере из-за неизбежных теплопритоков из окружающей среды через изоляцию. При этом проблема роста давления в сосуде усугубляется за счет температурной стратификации продукта, возникающей вследствие процесса естественной конвекции в неподвижном танк-контейнере [1-3].

Задачами, для решения которых в настоящее время активно применяются криогенные танк-контейнеры, являются доставка и хранение жидкого азота для различных технологических нужд (захолаживание оборудования, инертизация трубопроводов), доставка и хранение жидкого аргона с целью последующего наполнения баллонов на месте эксплуатации (обеспечение инертным газом для сварочных работ). Особо следует отметить перспективную задачу по доставке сжиженного природного газа (СПГ) в отдаленные районы, где отсутствует трубопроводный газ.

Системы мониторинга состояния оборудования в режиме реального времени на транспорте. С целью повышения безопасности при транспортировке опасного груза различными видами транспорта (автомобильным, железнодорожным, авиационным, морским, речным) используются системы мониторинга технического состояния транспортных средств и оборудования. Теплопритоки через вакуумную изоляцию приводят к росту давления в цистерне танк-контейнера и, при достижении максимального уровня рабочего давления, к значительным потерям криогенного продукта через предохранительные клапаны, что также обусловливает высокий уровень риска возникновения аварийной, в том числе взрывопожароопасной ситуации [2-4]. При этом темп роста давления напрямую зависит от технического состояния танк-контейнера, главным образом, от уровня вакуума в теплоизоляционной полости танк-контейнера [2-4].

Современные системы мониторинга состояния оборудования на транспорте позволяют отслеживать параметры состояния определенного количества находящихся в эксплуатации транспортных единиц. Например, в режиме реального времени принимается и анализируется навигационная информация, получаются предупреждения об утечке продукта через запорную арматуру по показаниям от датчика температуры, а также формируются предупреждения для водителя транспортного средства о возникновении аварийной ситуации. Предусмотрена передача данных по беспроводной сети о состоянии криогенной цистерны на автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора диспетчерской службы и на сервер для хранения и обработки информации о состоянии криогенной цистерны.

При этом распространенные системы мониторинга автотранспорта для перевозки криогенных продуктов не предназначены для отслеживания состояния контейнера-цистерны при мультимодальных перевозках, а именно, когда используется несколько видов транспорта, помимо автомобильного [4-6]. Также серийно выпускаемые транспортные цистерны и танк-контейнеры, как правило, не оснащены датчиками давления вакуума в теплоизоляционной полости, что делает невозможным проведение оценки технического состояния цистерны в процессе эксплуатации, т.е. уровень вакуума можно измерить только после опорожнения сосуда и временного прекращения эксплуатации на время проведения технического обслуживания.

Таким образом, не имея информации о параметрах, влияющих на темп роста давления в танк-контейнере, не представляется возможным оценить время бездренажного хранения криогенного продукта. Во время продолжительных транспортировки и хранения, когда по разным причинам долгое время отсутствует отбор из танк-контейнера жидкого продукта на потребление, это может привести к потерям из-за автоматического сброса излишков газа через предохранительные устройства. При эксплуатации танк-контейнера для перевозки горючих сред, таких как СПГ, водород, этилен, это дополнительно обусловливает повышенные риски взрывопожароопасной ситуации.

Таким образом, важной задачей является внедрение специальных систем мониторинга состояния танк-контейнеров, позволяющих, помимо прочего, вовремя отследить ухудшение состояния теплоизоляционной полости, а также обеспечить возможность уточненной оценки темпа роста давления в сосуде с учетом дополнительного теплового потока к продукту за счет ухудшения условий теплоизоляции.

Танк-контейнер с оборудованием для дистанционного мониторинга и автономной системой электропитания. Для возможности обеспечить контроль состояния каждого из танк-контейнеров необходимо, в первую очередь, оборудовать их датчиками давления и уровня, а также обеспечить независимыми модулями телеметрии (не связанными напрямую с модулями телеметрии транспортного средства, как в случае с криогенными автоцистернами). Также автономный телеметрический модуль нуждается в системе автономного электропитания, что обеспечит его работу вне зависимости от режима хранения или транспортировки, вида транспорта, количества погрузочно-разгрузочных операций и пр.

То есть каждый совместно транспортируемый криогенный танк-контейнер оборудуется датчиком перепада давления между газовой и жидкостной фазами, датчиком давления газовой фазы, подключаемыми к модулю беспроводной передачи данных. Модули беспроводной передачи данных всех танк-контейнеров, состояние которых необходимо отслеживать в режиме реального времени, осуществляют передачу информации на удаленный сервер и в диспетчерский центр, при этом расчет отклонения темпа роста давления в танк-контейнере от номинального значения производится в зависимости от текущих показаний датчиков и текущей навигационной информации.

Производители криогенных цистерн и контейнеров-цистерн в большинстве случаев указывают в конструкторской документации величину теплопритока к продукту через изоляцию, значение которого справедливо при нормативном уровне вакуума в теплоизоляционной полости (не выше 10"3.. ,10"2 Па). Также в документации указывают гарантийный срок на вакуум - не более двух лет, тогда как срок службы сосуда может достигать 20 лет (и более, при условии проведения комплекса мероприятий по продлению срока эксплуатации). Из опыта эксплуатации транспортных цистерн известно, что ухудшение вакуума не всегда удается вовремя диагностировать [7, 8]. А восстановление вакуума в сосуде - длительная и подчас дорогостоящая процедура, которую не всегда удается быстро реализовать.

При этом возможны различные варианты. Например, уровень давления в теплоизоляционном пространстве может стать аварийным в случае полной разгерметизации (давление равно атмосферному). В этой ситуации требуется немедленная остановка и вывод сосуда из эксплуатации до окончания ремонтных работ. Но также возможен вариант, когда потеря вакуума является незначительной, при этом в большинстве случаев экономически нецелесообразна немедленная остановка сосуда, однако дальнейшая эксплуатация будет сопровождаться дополнительными потерями продукта, а время бездренажного хранения будет значительно ниже, чем при нормативном значении давления вакуума.

Это обусловливает необходимость контроля за состоянием сосуда при повышенном теплопритоке через изоляцию, отличного от указанного в документации от изготовителя сосуда, с целью не допустить срабатывания предохранительных клапанов и утечки криопродукта в атмосферу. В частности, техническое состояние конкретного сосуда необходимо учитывать при логистическом планировании.

Схематическое изображение танк-контейнера с телеметрическим оборудованием и системой электропитания приведено на рис. 1. Криогенный танк-контейнер 1, подключаемый к системе мониторинга, должен иметь датчик давления 3 и датчик перепада давления 2 между газовой и жидкостной фазами сосуда. Наиболее часто встречающимся и приемлемым вариантом технической реализации является наличие в танк-контейнере клапанного узла с манометром и дифференциальным манометром с токовым выходом. Навигационная информация о танк-контейнере, а также информация от датчиков давления и перепада давления между газовой и жидкостной фазами поступает в модуль беспроводной передачи данных 4. Передача данных от датчиков и навигационной информации во внешнюю сеть может быть реализована в рамках известных технических решений на базе GPS/ГЛОНАСС трекера [5, 6, 9].

Питание на модуль беспроводной передачи данных подается от блока аккумуляторных батарей 6 через стабилизатор напряжения 5. Целесообразно использование в конструкции морозостойких литий-ионных аккумуляторов [10]. Подзарядку батарей возможно производить во время стоянки транспортного средства с танк-контейнером через контроллер заряда 7 от внешней электрической сети.

Таким образом, часть системы, размещаемая в рамках танк-контейнера, является автономной, что позволяет обеспечить работоспособность системы мониторинга при мультимодальных перевозках.

Система дистанционного мониторинга совместно транспортируемых танк-контейнеров. Структура системы мониторинга, к которой через беспроводную сеть передачи данных (БСПД) подключены танк-контейнеры, оборудованные автономной системой электропитания, приведена на рис. 2. Использование БСПД позволяет подключать к системе мониторинга различные танк-контейнеры, независимо от степени их удаленности от сервера хранения данных или диспетчерского центра, а также независимо от степени удаленности емкостей друг от друга.

От модуля GPS/ГЛОНАСС каждого из контейнеров 1 осуществляется передача информации через БСПД 2 на удаленный сервер в модуль приема-передачи данных 3, к которому подключен вычислительный модуль 4, где осуществляется вычисление текущего значения отклонения темпа роста давления от номинального значения.

Работа вычислительного модуля основана на принципе таблицы поиска. Такое техническое решение позволяет избежать необходимости каждый раз по требованию производить трудоемкие вычисления параметров хранения криопродукта.

Вычислительный модуль с заданной периодичностью выдает ближайшие к измеренным значения давления и уровня жидкости. При этом каждой табличной паре давление-уровень соответствует определенное номинальное значение темпа роста давления.

4 5

Рис. 1. Танк-контейнер с оборудованием для телеметрии и автономной системой электроснабжения: 1 - криогенный контейнер-цистерна с вакуумной теплоизоляцией; 2 - датчик перепада давления между газовой и жидкостной фазами цистерны; 3 - датчик давления в цистерне; 4 - модуль беспроводной передачи данных; 5 - стабилизатор напряжения; 6 - блок аккумуляторных батарей; 7 - контроллер заряда

аккумуляторных батарей

4 3 5

Рис. 2. Передача данных при работе системы мониторинга танк-контейнеров: 1 - криогенный танк-контейнер с вакуумной теплоизоляцией; 2 - беспроводная сеть передачи данных (БСПД); 3 - модуль приема-передачи данных на удаленном сервере; 4 - вычислительный модуль; 5 - АРМ оператора

диспетчерского центра

Отклонение темпа роста давления от номинального значения для транспортного режима хранения (контейнер находится в движении в соответствии с данными навигации, режим «Движение») определяется по формуле:

= 100%%

где рг - текущее измеренное значение давления, рг-1 - предыдущее измеренное значение, Кном номинальное значение коэффициента роста давления для текущих значений давления рг и уровня жидкости Ьг. Значения Ьг и рг определяются в соответствии с показаниями датчиков давления и перепада давления между газовой и жидкостной фазами [11].

В случае, когда в соответствии с навигационной информацией скорость транспортного средства равна нулю (режим «Стоянка»), искомая величина отклонения темпа роста давления определяется по формуле:

5сТ = (-^-^ном'^сТр)-100%

где Кстр - коэффициент, учитывающий степень температурного расслоения в стационарном режиме хранения продукта, зависящий от геометрических и эксплуатационных характеристик танк-контейнера.

При превышении значения отклонения темпа роста давления выше критического значения, производится формирование и отправка аварийного сообщения на АРМ оператора диспетчерского центра. Получение аварийного сообщения сигнализирует о технической неисправности танк-контейнера, которая привела к существенному возрастанию давления вакуума в теплоизоляционной полости.

Программное обеспечение АРМ оператора диспетчерской службы содержит программный модуль визуализации результатов расчета отклонения темпа роста давления и других мониторируемых теплофизических параметров, а также модуль для приема и обработки аварийных сообщений. При необходимости с АРМ оператора направляется информация о существенном изменении технического состояния танк-контейнера водителю транспортного средства или оператору эксплуатирующей организации. В этом случае появляется возможность принятия мер по предотвращению дальнейшего роста давления или по осуществлению безопасного сброса давления из танк-контейнера. Программное обеспечение АРМ оператора может также использоваться для расчета уточненной оценки потерь при хранении и мультимодальных перевозках криопродуктов, а также для сбора статистических данных при подготовке рекомендаций по увеличению времени хранения [4, 12].

Применение разработанных технических средств мониторинга позволит существенно повысить уровень безопасности эксплуатации криогенных танк-контейнеров. Это обеспечивается за счет превентивного информирования об изменении технического состояния танк-контейнера в процессе эксплуатации путем оценки отклонения темпа роста давления от номинального значения.

Принятие превентивных мер эксплуатирующим персоналом позволяет, в частности, предотвратить утечки и не допустить образование в воздухе взрывоопасных смесей, если идет речь о хранении таких криогенных продуктов, как СПГ, этилен или водород.

Список литературы

1. ISO tank container global market report - 2023. [Электронный ресурс] URL: https://www.thebusinessresearchcompany.com/report/iso-tank-container-global-market-report (дата обращения: 25.01.2023).

2. Солдатов Е.С. Численное исследование нестационарного тепломассообмена в криогенном резервуаре долговременного хранения с подвижной границей раздела фаз // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2019. Том 5. № 2. С. 148 - 159.

3. Солдатов Е.С. Численное исследование температурной стратификации в танк-контейнере для хранения и транспортировки сжиженного природного газа // Сборник научных статей по итогам седьмой международной научной конференции «Передовые инновационные разработки. Перспективы и опыт использования, проблемы внедрения в производство». 2019. С. 36-38.

4. Soldatov E., Bogomolov A. Issues of Energy-efficient Storage of Fuel in Multimodal Transport Units // Smart Innovation, Systems and Technologies, 2022.Vol. 232. P. 393 - 402.

5. Макаренко В.Г., Богомолов А.В., Рудаков С.В., Подорожняк А.А. Технология построения инерциально-спутниковой навигационной системы управления транспортными средствами с нейросетевой оптимизацией состава вектора измерений // Мехатроника, автоматизация, управление. 2007. № 1. С. 39-44.

6. Макаренко В.Г., Подорожняк А.А., Рудаков С.В., Богомолов А.В. Инерциально-спутниковая навигационная система управления транспортными средствами // Проблемы управления. 2007. № 1. С. 64-71.

7. Ряжских В.И., Сумин В.А., Хвостов А.А., Журавлев А.А., Семенихин О.А. Численное моделирование термоконцентрационной конвекции в криогенных резервуарах // Математические методы в технике и технологиях. ММТТ. 2020. Т. 5. С. 17-20.

8. Bo W., Ruoyin L., Hong C., et al. Characterization and Monitoring of Vacuum Pressure of Tank Containers with Multilayer Insulation for Cryogenic Clean Fuels Storage and Transportation // Applied Thermal Engineering, 2021. Vol. 187, 116569.

9. Федотов Д.О., Тарасов В.В., Миронов М.А. Существующие системы мониторинга состояния автотранспорта // Сборник трудов XIII Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Актуальные проблемы развития авиационной техники и методов ее эксплуатации - 2020». Иркутск, 2021. С. 242 - 250.

10. Литиевый аккумулятор на морозе. [Электронный ресурс] URL: https://www.virtustec.ru/news/litievyj-akkumulyator-na-moroze.html#subtitle4 (дата обращения: 25.01.2023).

11. Солдатов Е.С. Программное обеспечение моделирования и мониторинга процессов в резервуарах и цистернах при длительном хранении криогенных продуктов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. № 10. С. 385 - 393.

12. Seeli H., Dorapudi S., Pasala V., Kumar S. Designing and Analysis of Cryogenic Storage Vessels // International Journal of Scientific & Engineering Research, 2016. Vol. 7, Issue 7. P. 1 - 12.

Солдатов Евгений Сергеевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, volshebnoekoltso@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук

MONITORING THE STATE OF STORAGE SYSTEMS FOR CRYOGENIC PRODUCTS DURING MULTIMODAL

TRANSPORTATION

E.S. Soldatov

The article presents conclusions from the analysis of the state of the methods for monitoring the state of cryogenic transport storage systems, which are used in multimodal transportation of cryogenic products. The monitoring system provides the ability to monitor the state of cryogenic tank containers in real time, while providing an autonomous power supply to a part of the system mounted on each of the tank containers connected to the monitoring system. In particular, it is possible, on the basis of the obtained data, to calculate the deviations of the pressure growth rate in the tank container from the nominal value.

Key words: cryogenic tank container, cryogenic product, liquefied natural gas, multimodal transportation, monitoring of thermodynamic processes, non-drainage storage.

Soldatov Evgeny Sergeevich, candidate of technical sciences, senior researcher, volshebnoekoltso@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Federal Research Center of the Russian Academy of Sciences