СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ УТЕЧКИ В ГЕРМЕТИЧНОМ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОМ РЕЗЕРВУАРЕ
METHOD FOR LEAK DETECTION IN A SEALED THERMAL INSULATION TANK

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[001] Настоящее изобретение относится к области герметичных теплоизоляционных резервуаров для хранения сжиженного газа при низкой температуре и, в частности, к способу обнаружения утечки в герметичном теплоизоляционном резервуаре для сжиженного газа. Такие резервуары могут использоваться для хранения или транспортировки различных газов, например, метана, бутана, этилена и т.д.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[002] Герметичные теплоизоляционные резервуары с мембранами используются, в частности, для хранения сжиженного природного газа (СПГ), который хранится при атмосферном давлении и температуре приблизительно -163°C. Резервуары могут быть установлены на плавучей или неплавучей конструкции (например, резервуар на суше или в хранилище, как правило, выполненном из бетона, известном как морская стационарная платформа гравитационного типа), и предназначены для транспортировки сжиженного природного газа или для приема сжиженного природного газа, который используется в качестве топлива для силовых установок плавучей или неплавучей конструкции.
[003] В уровне техники герметичные теплоизоляционные резервуары используются для хранения сжиженного газа и встроены в несущую конструкцию, например, в двойной корпус судна, предназначенного для транспортировки сжиженного природного газа. Как правило, такие резервуары содержат многослойную конструкцию, имеющую последовательно в направлении толщины от внутренней стороны к внешней стороне резервуара вспомогательный теплоизолирующий барьер, удерживаемый на несущей конструкции, вспомогательную уплотнительную мембрану, опирающуюся на вспомогательный теплоизолирующий барьер, основной теплоизолирующий барьер, опирающийся на вспомогательную уплотнительную мембрану, и основную уплотнительную мембрану, опирающуюся на основной теплоизолирующий барьер и предназначенную для контакта со сжиженным природным газом, содержащимся в резервуаре.
[004] Для обнаружения утечек в соответствии с документом US 4,404,843 пространства, содержащие основной теплоизолирующий барьер и вспомогательный теплоизолирующий барьер, заполняют инертным газом. В зависимости от систем изоляции давления в основном и вспомогательном пространствах регулируют по-разному, но они всегда выше атмосферного давления. Для компенсации каких-либо изменений давления, обусловленных изменениями температуры внутри пространств, или для компенсации изменений атмосферного давления давление в каждом пространстве регулируют и поддерживают в постоянном диапазоне относительного давления с помощью системы регулирования, позволяющей подавать инертный газ или выпускать его часть в атмосферу.
[005] В заявке US2017/0138536 показано, что криогенные резервуары могут иметь горячие точки или холодные точки, и поэтому система обнаружения расхода газа, поступающего и покидающего изоляционные пространства, может быть неточной и может вызывать ложные срабатывания. Для решения этой проблемы в документе предложено использование разных инертных газов для разных изоляционных пространств. Обнаружение утечек осуществляется путем обнаружения газа, которого не должно быть в рассматриваемом пространстве. Такой способ обнаружения требует наличия инертного газа нескольких типов и, следовательно, нескольких контуров распределения, что сложно реализовать на судне для транспортировки газа.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[006] Одна идея, лежащая в основе изобретения, заключается в использовании только одного инертного газа, что исключает проблемы известного уровня техники. Для этого датчики температуры размещены во множестве мест со всех сторон резервуара, содержащего сжиженный газ, для определения тепловой карты изоляционного пространства, расположенного вокруг резервуара и заполненного инертным газом. С помощью тепловой карты предлагается точно вычислить массу инертного газа, присутствующего в изоляционном пространстве в два заданных момента времени (способ 2), и сравнить изменение газа, вычисленное таким образом между этими двумя моментами времени, с количеством газа, измеренным на основе входного и выходного расходов газа между этими двумя моментами времени (способ 1). Согласно закону сохранения массы, изменение массы, определенное обоими способами, должно быть одинаковым. Утечка газа наружу резервуара приведет к несоответствию этих двух результатов.
[007] В соответствии с одним вариантом осуществления изобретение предлагает способ обнаружения утечки в герметичном теплоизоляционном резервуаре для сжиженного газа. Упомянутый резервуар содержит уплотнительную мембрану, окружающую сжиженный газ, причем уплотнительная мембрана окружена изоляционным пространством, отделяющим уплотнительную мембрану от несущей стенки, которая сама по себе является герметичной, причем изоляционное пространство заполнено твердыми теплоизоляционными материалами и инертным газом, при этом изоляционное пространство снабжено по меньшей мере одним трубопроводом подачи и по меньшей мере одним трубопроводом отвода для подачи и отвода инертного газа. Способ обнаружения включает в себя следующие этапы, на которых:
определяют первое изменение массы инертного газа между первым моментом времени и вторым моментом времени, причем первое изменение соответствует суммарной величине общих масс инертного газа, добавленного по трубопроводу подачи и отведенного по трубопроводу отвода между первым моментом времени и вторым моментом времени;
определяют первую массу инертного газа в изоляционном пространстве в первый момент времени и вторую массу инертного газа в изоляционном пространстве во второй момент времени посредством измерений давления и температуры в свободном объеме изоляционного пространства;
вычисляют второе изменение массы инертного газа между первым моментом времени и вторым моментом времени, соответствующее разности между второй массой и первой массой инертного газа; и
сравнивают первое изменение массы инертного газа со вторым изменением массы инертного газа и осуществляют оповещение, если разность между первым изменением и вторым изменением массы инертного газа превышает первое пороговое значение.
2
4
[008] Выражение «инертный газ» означает газ (газы), присутствующий в изоляционном пространстве, т.е. обычно,, нереактивный нейтральный газ, например, молекулярный азот (N), который изначально присутствует в изоляционных пространствах, и газ, подаваемый во время эксплуатации упомянутых изоляционных пространств. Однако способ в соответствии с настоящим изобретением также работает в случае загрязнения газом изоляционных пространств, обычно из-за нежелательного попадания углеводорода (углеводородов), например, метана (CH), в эти пространства, в частности, в случае утечки в (основной) уплотнительной мембране. В этом случае выражение «инертный газ» включает в себя этот нежелательный газ (газы), например, метан.
2
4
[009] Способ и система в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно могут содержать один или множество датчиков, которые могут анализировать природу газов, присутствующих в изоляционных пространствах или покидающих упомянутые пространства, для более точного вычисления масс в соответствии с природой этих газов, т.е. молекулярного азота (N) или, например, метана (CH). Датчики предпочтительно подключены к системе анализа газов, обычно установленной на транспортном средстве (судне) или в хранилище (на суше или в море) сжиженного газа.
[010] Необходимо понимать, что выражение «судно», используемое в настоящей заявке в отношении настоящего изобретения, не ограничивается транспортным средством, осуществляющим рейсы между двумя портами или географическими областями, но также может включать в себя стационарное судно, например, баржу или плавучую установку для регазификации и хранения газа (FSRU), а также сооружение для хранения и/или обработки газа, расположенное на суше.
[011] Настоящее изобретение также может быть выражено следующим образом.
[012] Настоящее изобретение предлагает способ обнаружения утечки в изоляционном пространстве герметичного теплоизоляционного резервуара для сжиженного газа. Упомянутый резервуар содержит уплотнительную мембрану, которая окружает сжиженный газ, причем уплотнительная мембрана окружена изоляционным пространством, отделяющим уплотнительную мембрану от несущей стенки, которая сама по себе является герметичной, причем изоляционное пространство заполнено твердыми (и, при необходимости, пористыми) теплоизоляционными материалами и инертным газом, при этом изоляционное пространство снабжено по меньшей мере одним трубопроводом подачи и по меньшей мере одним трубопроводом отвода для подачи и отвода инертного газа. Способ обнаружения включает в себя следующие этапы, на которых:
- Способ 1: определяют первое изменение массы инертного газа между первым моментом времени и вторым моментом времени путем интегрирования по времени расходов при подаче и отводе с последующим дифференцированием интегрированных расходов;
1
2
- Способ 2: определяют первую массу инертного газа в изоляционном пространстве в первый момент t времени и вторую массу инертного газа в изоляционном пространстве во второй момент t времени посредством измерений давления и температуры в свободном объеме изоляционного пространства;
1
2
вычисляют второе изменение массы инертного газа между первым моментом t и вторым моментом t, соответствующее разности между второй массой и первой массой инертного газа; и
сравнивают первое изменение массы инертного газа со вторым изменением массы инертного газа и оповещают оператора, если разность между первым изменением и вторым изменением массы инертного газа превышает первое пороговое значение.
[013] Благодаря такому способу можно обнаружить утечку в изоляционном пространстве криогенного резервуара. Таким образом, изобретение может использоваться в резервуарах для хранения сжиженного углеводородного газа (СУГ), состоящего в основном из бутана. Транспортировка или хранение в криогенном резервуаре может осуществляться при температуре -44°C и атмосферном давлении, и для этого необходим резервуар лишь с одним простым изоляционным пространством.
[014] В случае сжиженного природного газа (СПГ), состоящего в основном из метана, температура хранения составляет -162°C, и требуется двойное изоляционное пространство. В соответствии с одним вариантом осуществления способ обнаружения утечки может использоваться в одном изоляционном пространстве или в обоих.
[015] Для этого в соответствии с первым вариантом осуществления уплотнительная мембрана представляет собой вспомогательную уплотнительную мембрану, изоляционное пространство представляет собой вспомогательное изоляционное пространство, и резервуар содержит основную уплотнительную мембрану, расположенную между вспомогательной уплотнительной мембраной и сжиженным газом, причем вспомогательная уплотнительная мембрана и основная уплотнительная мембрана разделены основным изоляционным пространством, заполненным твердыми (при необходимости, пористыми) теплоизоляционными материалами и инертным газом.
[016] Для этого в соответствии со вторым вариантом осуществления уплотнительная мембрана представляет собой основную уплотнительную мембрану, изоляционное пространство представляет собой основное изоляционное пространство, разность представляет собой основную разность, и резервуар содержит вспомогательную уплотнительную мембрану, расположенную между основной уплотнительной мембраной и внешней стенкой, причем основная уплотнительная мембрана и вспомогательная уплотнительная мембрана разделены основным изоляционным пространством, при этом вспомогательная уплотнительная мембрана и несущая стенка разделены вспомогательным изоляционным пространством, заполненным твердыми (при необходимости, пористыми) теплоизоляционными материалами и инертным газом.
[017] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления резервуара с двойной мембраной способ обнаружения утечки выполняется для обоих изоляционных пространств. Таким образом, второй вариант осуществления модифицирован так, что при наличии вспомогательного изоляционного пространства, обеспеченного, по меньшей мере, одним трубопроводом подачи и, по меньшей мере, одним трубопроводом отвода для подачи и отвода инертного газа, способ обнаружения также содержит следующие этапы, на которых:
определяют третье изменение массы инертного газа во вспомогательном изоляционном пространстве между первым моментом времени и вторым моментом времени, причем третье изменение соответствует суммарной величине общих масс инертного газа, добавленного по трубопроводу подачи и отведенного по трубопроводу отвода между первым моментом времени и вторым моментом времени;
определяют третью массу инертного газа во вспомогательном изоляционном пространстве в первый момент времени и четвертую массу инертного газа во вспомогательном изоляционном пространстве во второй момент времени посредством измерений давления и температуры в свободном объеме вспомогательного изоляционного пространства;
вычисляют четвертое изменение массы инертного газа во вспомогательном изоляционном пространстве между первым моментом времени и вторым моментом времени, соответствующее разности между четвертой массой и третьей массой инертного газа; и
сравнивают третье изменение массы инертного газа с четвертым изменением массы инертного газа и осуществляют оповещение, если вспомогательная разность между третьим изменением и четвертым изменением массы инертного газа превышает второе пороговое значение.
[018] В соответствии с другим представлением предпочтительного варианта осуществления резервуара с двойной мембраной (при обнаружении утечки в обоих изоляционных пространствах) второй вариант осуществления модифицирован так, что при обеспечении вспомогательного изоляционного пространства по меньшей мере одним трубопроводом подачи и по меньшей мере одним трубопроводом отвода для подачи и отвода инертного газа способ обнаружения также содержит следующие этапы, на которых:
1
2
1
2
определяют третье изменение массы инертного газа во вспомогательном изоляционном пространстве между первым моментом t времени и вторым моментом t времени, путем интегрирования по времени расходов при подаче и отводе с последующим дифференцированием интегрированных расходов, причем третье изменение соответствует суммарной величине общих масс инертного газа, добавленного по трубопроводу подачи и отведенного по трубопроводу отвода между первым моментом t и вторым моментом t;
1
2
определяют третью массу инертного газа во вспомогательном изоляционном пространстве в первый момент t времени и четвертую массу инертного газа во вспомогательном изоляционном пространстве во второй момент t времени посредством измерений давления и температуры в свободном объеме вспомогательного изоляционного пространства;
1
2
вычисляют четвертое изменение массы инертного газа во вспомогательном изоляционном пространстве между первым моментом t времени и вторым моментом t времени, соответствующим разности между четвертой массой и третьей массой инертного газа; и
сравнивают третье изменение массы инертного газа с четвертым изменением массы инертного газа и оповещают оператора, если вспомогательная разность между третьим изменением и четвертым изменением массы инертного газа превышает второе пороговое значение.
[019] При проведении измерений в двух изоляционных пространствах можно снизить риск ложного обнаружения путем изучения возможных корреляций между разностями. Таким образом, если основная разность превышает первое пороговое значение, и/или если вспомогательная разность превышает второе пороговое значение, и, если алгебраическая сумма основной разности и вспомогательной разности меньше третьего порогового значения, можно определить наличие утечки во вспомогательной уплотнительной мембране.
[020] Кроме того, если разности компенсируют друг друга, это может означать утечку во вспомогательной уплотнительной мембране. Если основная разность превышает первое пороговое значение, и/или если вспомогательная разность превышает второе пороговое значение, и, если алгебраическая разность между основной разностью и вспомогательной разностью превышает четвертое пороговое значение, можно определить наличие утечки, по меньшей мере, в одном из основного и вспомогательного изоляционных пространств. С другой стороны, если эта разность между основной разностью и вспомогательной разностью мала, это свидетельствует о возможной систематической ошибке.
[021] Используемые пороговые значения определяются в соответствии с накопленными неопределенностями вычислений в цепочке вычислений. Для снижения затрат количество датчиков температуры уменьшают до минимального количества, позволяющего построить тепловую карту всех объемов изоляционных пространств. Однако изоляционные пространства имеют относительно низкую теплопроводность, что связано с основной их функцией, т.е. теплоизоляцией резервуара. Таким образом, при изменении внешней температуры или температуры внутри резервуара распространение тепла происходит медленно, что приводит к необходимости дополнительных измерений, связанных с переходной фазой.
[022] Для исключения возможной переходной ошибки можно повторить предыдущие этапы между третьим моментом времени, соответствующим первому моменту времени, увеличенному на время подтверждения, и четвертым моментом времени, соответствующим второму моменту времени, увеличенному на время подтверждения, и наличие утечки определяют, если указанное оповещение срабатывает снова по истечении времени подтверждения.
[023] С учетом существенного изменения температуры во время заполнения резервуара способ выполняют по истечении времени, превышающего заданное время стабилизации после заполнения резервуара.
[024] В соответствии с другими вариантами осуществления измерения давления и температуры могут выполняться в течение времени измерения вблизи и, например, после первого момента времени и вблизи и, например, перед вторым моментом времени, причем первая масса и вторая масса представляют собой средние массы за время измерения. Время измерения может быть достаточно коротким, чтобы количество инертного газа, добавленного или отведенного во время измерения, было незначительным по сравнению с общей массой инертного газа, присутствующего в изоляционном пространстве. Предпочтительно инертный газ не добавляют или не отводят из изоляционного пространства во время измерения. Время измерения может быть короче, чем время между первым моментом времени и вторым моментом времени. Например, первое и второе измерения вычисляют скользящим образом за период времени.
[025] В соответствии с одним вариантом осуществления измерения температуры могут содержать измерения, выполняемые датчиками температуры, размещенными во множестве мест на несущей стенке и на вспомогательной уплотнительной мембране. Или измерения температуры могут содержать оценочные значения, вычисленные на основе температуры текучей среды, содержащейся в резервуаре в жидкой или газовой фазе.
[026] В соответствии с другим вариантом осуществления первое изменение массы инертного газа измеряют в зависимости от массового расхода инертного газа на клапане подачи трубопровода подачи и на клапане отвода трубопровода отвода.
[027] Массовый расход на клапане подачи и/или на клапане отвода может быть определен несколькими способами, например, в зависимости от степени открытия клапана подачи и/или клапана отвода. Массовый расход газа на клапане подачи и/или на клапане отвода может быть определен в зависимости от давления и температуры инертного газа перед упомянутым клапаном и после него. В качестве альтернативного варианта осуществления массовый расход на клапане подачи и/или на клапане отвода может быть измерен расходомером, измеряющим массу газа на упомянутом клапане.
[028] Чтобы повысить точность, измерения давления и температуры для определения первой или второй массы инертного газа в изоляционном пространстве выполняют во множестве областей изоляционного пространства, причем все области образуют свободный объем изоляционного пространства.
[029] В соответствии с другим вариантом осуществления изобретение предлагает хранилище сжиженного газа, содержащее герметичный теплоизоляционный резервуар, содержащий уплотнительную мембрану, окружающую сжиженный газ, причем уплотнительная мембрана окружена изоляционным пространством, отделяющим уплотнительную мембрану от несущей стенки, которая сама по себе является герметичной, причем изоляционное пространство заполнено твердыми (и, при необходимости, пористыми) теплоизоляционными материалами и инертным газом, при этом изоляционное пространство снабжено по меньшей мере одним трубопроводом подачи и, по меньшей мере, одним трубопроводом отвода для подачи и отвода инертного газа. Резервуар содержит, по меньшей мере, один датчик давления и множество датчиков температуры, выполненных с возможностью определения давления и температуры инертного газа в свободном объеме изоляционного пространства. Хранилище содержит устройства для измерения расхода инертного газа в трубопроводе подачи и в трубопроводе отвода и, по меньшей мере, одно устройство для обнаружения утечек. По меньшей мере, одно устройство для обнаружения утечек выполнено с возможностью:
1
2
определения с помощью устройств для измерения расхода первого изменения массы инертного газа между первым моментом t времени и вторым моментом t времени, причем первое изменение соответствует суммарной величине общих масс инертного газа, добавленного по трубопроводу подачи и отведенного по трубопроводу отвода между первым моментом и вторым моментом;
1
2
определения первой массы инертного газа в изоляционном пространстве в первый момент t времени и второй массы инертного газа в изоляционном пространстве во второй момент t времени посредством измерений давления и температуры, выполняемых, по меньшей мере, одним датчиком давления и множеством датчиков температуры в свободном объеме изоляционного пространства;
1
2
вычисления второго изменения массы инертного газа между первым моментом t и вторым моментом t, соответствующего разности между второй массой и первой массой инертного газа; и
сравнения первого изменения массы инертного газа со вторым изменением массы инертного газа и осуществления оповещения (например, путем оповещения оператора), если разность между первым изменением и вторым изменением массы инертного газа превышает первое пороговое значение.
[030] В случае хранилища с резервуаром с двойной мембраной уплотнительная мембрана может представлять собой вспомогательную уплотнительную мембрану, изоляционное пространство может представлять собой вспомогательное изоляционное пространство, и резервуар может содержать основную уплотнительную мембрану, расположенную между вспомогательной уплотнительной мембраной и сжиженным газом, причем вспомогательная уплотнительная мембрана и основная уплотнительная мембрана разделены основным изоляционным пространством, заполненным твердыми (и, при необходимости, пористыми) теплоизоляционными материалами и инертным газом.
[031] В соответствии с альтернативным вариантом осуществления хранилища с резервуаром с двойной мембраной, уплотнительная мембрана может представлять собой основную уплотнительную мембрану, изоляционное пространство может представлять собой основное изоляционное пространство, разность может представлять собой основную разность, и резервуар может содержать вспомогательную уплотнительную мембрану, расположенную между основной уплотнительной мембраной и несущей стенкой, причем основная уплотнительная мембрана и вспомогательная уплотнительная мембрана разделены основным изоляционным пространством, вспомогательная уплотнительная мембрана и несущая стенка разделены вспомогательным изоляционным пространством, заполненным твердыми (и, при необходимости, пористыми) теплоизоляционными материалами и инертным газом.
[032] В соответствии с другими вариантами осуществления вспомогательное изоляционное пространство снабжено, по меньшей мере, одним трубопроводом подачи и, по меньшей мере, одним трубопроводом отвода для подачи и отвода инертного газа. Резервуар содержит, по меньшей мере, один датчик давления. Датчики из множества датчиков температуры также выполнены с возможностью определения температуры инертного газа во вспомогательном изоляционном пространстве. Хранилище содержит устройства для измерения расхода инертного газа в трубопроводе подачи и в трубопроводе отвода. Устройство для обнаружения утечек выполнено с возможностью реализации различных способов.
[033] В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления хранилище сжиженного газа находится на судне для транспортировки сжиженного газа, причем транспортное судно может содержать одно или множество хранилищ сжиженного газа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[034] Настоящее изобретение станет более понятным, и другие задачи, детали, признаки и преимущества станут более очевидными из следующего далее описания множества конкретных вариантов осуществления изобретения, приведенных исключительно в качестве неограничивающего примера со ссылкой на приложенные чертежи.
[035] Фиг. 1 иллюстрирует пример судна, включающего в себя резервуары и снабженного устройством для обнаружения утечек.
[036] фиг. 2 схематически иллюстрирует резервуар судна, показанного на фиг. 1, в поперечном разрезе.
[037] Фиг. 3 схематически иллюстрирует резервуар судна, показанного на фиг 1, в продольном разрезе.
[038] Фиг. 4 иллюстрирует пример стенки герметичного теплоизоляционного резервуара для сжиженного газа.
[039] Фиг. 5 иллюстрирует первый вариант осуществления вычисления расхода газа (способ 1).
[040] Фиг. 6 иллюстрирует второй вариант осуществления вычисления расхода газа (способ 2).
[041] Фиг. 7 иллюстрирует вариант вычисления температуры основной герметичной мембраны с помощью меньшего количества датчиков температуры.
[042] Фиг. 8 представляет функциональную схему устройства для обнаружения утечек.
[043] Фиг. 9 иллюстрирует блок-схему работы устройства, показанного на фиг. 8.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[044] Далее изобретение будет описано со ссылкой на основной вариант осуществления, относительно которого будут описаны разные альтернативные варианты. Для этого на чертежах и в описании для обозначения одного и того же элемента используется одна и та же ссылочная позиция.
[045] Фиг. 1 иллюстрирует танкер-метановоз 1 с множеством резервуаров 2, предназначенных для приема сжиженного газа под давлением, близким к атмосферному давлению. Каждый из резервуаров 2 представляет собой герметичный теплоизоляционный резервуар для поддержания транспортируемой текучей среды при температуре сжижения, которая зависит от давления газовой атмосферы, т.е. в случае природного газа при температуре приблизительно -162°C. Такие резервуары могут быть изготовлены с использованием различных технологий, например, технологии, представленной на рынке под торговой маркой Mark III, или технологией, представленной на рынке под торговой маркой NO96, которые принадлежат Заявителю.
[046] Один из резервуаров 2 описан со ссылкой на фигуры 2 и 3. Фиг.2 иллюстрирует поперечное сечение судна 1, которое содержит двойной корпус, состоящий из внешней стенки 10, контактирующей с морской средой, и внутренней стенки 11, служащей в качестве несущей стенки для резервуара 2 с двойной мембраной. В неограничивающем варианте осуществления, показанном на фиг. 2, двойной корпус окружает резервуар 2 и имеет две выступающие части, обычно известные как жидкостный купол 12 и газовый купол 13, позволяющие обеспечивать обмен жидкой и газообразной текучей среды между резервуаром и терминалом для загрузки или разгрузки, и осматривать резервуар, а также пропускать через них трубопроводы в соответствии с известной технологией. Внутренняя стенка 11 должна быть герметичной, в том числе на уровне жидкостного и газового куполов.
[047] Внутренняя стенка 11 покрыта изоляционными блоками, закрепленными на внутренней стенке, во-первых, для обеспечения теплоизоляции, а, во-вторых, в качестве опоры для вспомогательной герметизирующей мембраны 14. Другие изоляционные блоки расположены на вспомогательной уплотнительной мембране 14, во-первых, для обеспечения теплоизоляции, а, во-вторых, в качестве опоры для основной уплотнительной мембраны 15. Основная уплотнительная мембрана 15 контактирует со сжиженным газом и газовым сводом и определяет полезный объем резервуара. Вспомогательная уплотнительная мембрана 14 служит в качестве защиты в случае утечки в основной уплотнительной мембране. Кроме того, пространство между основной уплотнительной мембраной 15 и вспомогательной уплотнительной мембраной 14 образует основное изоляционное пространство 16, а пространство между вспомогательной уплотнительной мембраной и внутренней стенкой 11 образует вспомогательное изоляционное пространство 17.
[048] Резервуар 2 также содержит металлическую конструкцию 30, поддерживающую трубопровод для регулирования сжиженного газа, и, по меньшей мере, один насос 31 для откачки сжиженного газа из резервуара, а также трубопровод, позволяющий заполнять резервуар снизу и/или сверху. Резервуар также содержит паросборник 32 для газа, находящегося в резервуаре и образующегося в результате самопроизвольного испарения сжиженного газа. Резервуар может содержать множество других элементов, которые не показаны, например, распылители, используемые для понижения температуры паровой фазы.
[049] Фиг. 4 иллюстрирует вариант осуществления стенки резервуара в соответствии с технологией NO96. Изоляционные блоки 41 размещены во вспомогательном изоляционном пространстве 17 на полосках 42 полимеризуемой смолы и закреплены с помощью анкерных устройств 43. Полоски 42 полимеризуемой смолы предназначены для компенсации расхождений между теоретической поверхностью, предусмотренной для внутренней стенки 11, и несовершенной поверхностью, полученной из-за производственных допусков, и для относительно равномерного распределения усилий, оказываемых изоляционными блоками 41 на внутреннюю стенку 11. В некоторых системах полоски, выполненные из полимеризуемой смолы, также обеспечивают прилегание изоляционного блока к двойному корпусу. Анкерные устройства 43 обеспечивают крепление изоляционных блоков 41 к внутренней стенке 11. Затем на изоляционные блоки 41 укладывается вспомогательная уплотнительная мембрана 14. В показанном примере вспомогательная уплотнительная мембрана 14 выполнена из инвара. Она укладывается длинными полосами, расположенными смежно друг с другом и приваренными друг к другу приподнятыми краями. Затем на вспомогательную герметичную мембрану 14 укладываются изоляционные блоки 44 и крепятся через вспомогательную уплотнительную мембрану к изоляционным блокам 41 вспомогательного изоляционного пространства с помощью анкерных устройств 43. Затем на изоляционные блоки 44 укладывается основная уплотнительная мембрана 15 и крепится к ним. В качестве примера основная уплотнительная мембрана 15 также может быть выполнена из полос из инвара, приваренных друг к другу приподнятыми краями.
[050] Многие варианты осуществления позволяют изготавливать резервуар с двойной мембраной. Мембраны 14 и 15 могут быть выполнены из триплекса или штампованной нержавеющей стали. Изоляционные блоки 41 и 44 могут быть идентичными или разными. Они выполнены из материалов с хорошими изоляционными характеристиками, например, из дерева, вспененного полимерного материала, стекловаты и т.п.Также известно множество вариантов осуществления анкерных систем. Кроме того, для уменьшения теплопроводности анкерной системы 43 зазоры между изоляционными блоками могут быть заполнены стекловатой или другим изоляционным материалом.
[051] Хотя основное 16 и вспомогательное 17 изоляционные пространства заполнены изоляционным материалом, остается некоторый свободный объем, допускающий наличие газа. В целях безопасности воздух в изоляционных пространствах 16 и 17 замещен инертным газом, например, азотом. Инертирование азотом позволяет предотвратить образование смеси, воспламеняющейся в случае утечки природного газа в первом изоляционном пространстве и во втором изоляционном пространстве. Для этого основное 16 и вспомогательное 17 изоляционные пространства обеспечены трубопроводами 21 и 22 подачи и трубопроводами 23 и 24 отвода инертного газа. Трубопроводы 21 и 22 подачи, например, расположены на уровне жидкостного купола и соединены с источником сжатого азота с помощью клапанов 25 и 26 подачи. Трубопроводы 23 и 24 отвода, например, расположены на уровне газового купола и соединены с атмосферой или с устройством, позволяющим сжигать газы, выпускаемые клапанами 27 и 28 отвода.
[052] За счет того, что изоляционные пространства заполнены азотом, они также участвуют в обнаружении утечек. В основном 16 и вспомогательном 17 пространствах устанавливается небольшое повышение давление азота относительно атмосферного давления. Между основным изоляционным пространством 16 и вспомогательным изоляционным пространством 17 также может иметься разность давлений. Разность давлений между изоляционными пространствами составляет несколько десятков миллибар и устанавливается по разным причинам, таким как, направление утечек и/или предварительная нагрузка мембран. Для поддержания давления в каждом пространстве в пределах установленного для него диапазона давлений выполняется регулировка давления в двух изоляционных пространствах 16 и 17.
[053] В случае повреждения внутренней стенки 11 корпуса, основной уплотнительной мембраны 15 или вспомогательной уплотнительной мембраны 14, возможна утечка. В зависимости от типа утечки могут возникать разные случаи. Инертный газ может перемещаться из одного пространства в другое, наружу резервуара или внутрь резервуара. Сжиженный природный газ или вода также может проникать в одно из основного 16 или вспомогательного 17 изоляционных пространств. За счет своей конструкции резервуары с двойной мембраной имеют преимущество, заключающееся в том, что простая утечка не опасна. Фактически, утечка, которую необходимо предотвратить любой ценой, - это утечка природного газа в корпус.В случае повреждения основной уплотнительной мембраны вспомогательная уплотнительная мембрана служит в качестве защиты. Для гарантии безопасности необходимо гарантировать целостность вспомогательной уплотнительной мембраны и внутренней стенки 11 и, следовательно, периодически или постоянно проверять их герметичность и, следовательно, целостность.
[054] Для проверки целостности предлагается осуществлять обнаружение утечки в основном 16 и вспомогательном 17 пространствах путем проверки того, что количество инертного газа в каждом из пространств 16 и 17 соответствует количеству инертного газа, который фактически был подан в каждое пространство.
[055] Измерение изменения массы посредством расхода (способ 1)
1
2
[056] За счет измерения количества инертного газа, поданного и отведенного из изоляционного пространства, можно определить добавленное и отведенное количество между двумя моментами времени. Первое измерение изменения выполняется для получения изменения количества инертного газа, добавленного и/или отведенного из изоляционных пространств 16 и 17 между двумя моментами t и t времени.
[057] Первое измерение может быть выполнено разными способами. В соответствии с первым вариантом осуществления достаточно определить разность давлений посредством датчиков 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227 и 228 давления, расположенных на трубопроводах 21, 22 подачи и трубопроводах 23, 24 отвода, и знать процент/степень открытия клапанов 25, 26 подачи и клапанов 27 и 28 отвода. Альтернативный вариант осуществления может заключаться в аналитическом определении разных давлений перед клапанами и после них вместо вышеупомянутых датчиков 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227 и 228 давления.
[058] В качестве дополнения к датчикам 121-128 температуры, расположенным перед каждым из клапанов 25, 26 подачи и клапанов 27, 28 отвода и после них, на основе уравнения, известного специалисту в данной области техники (в соответствии с давлением перед/после клапанов, характеристиками клапанов или «VC» и плотностью газа при температуре на входе), эта информация позволяет определить массовый расход клапанов в соответствии со степенью открытия.
1
2
[059] Время, затраченное на заданную степень открытия, позволяет определить количество, добавленное или отведенное из каждого изоляционного пространства. Сумма добавленного газа за вычетом суммы отведенного газа между двумя моментами времени t и времени t позволяет определить для каждого изоляционного пространства изменение массы газа между двумя пространствами в зависимости от степеней открытия и, следовательно, в зависимости от массового расхода клапанов 25-28, основная задача которых заключается в автоматическом поддержании давления в изоляционном пространстве в диапазоне рабочих давлений. Если клапаны 25-28 управляются вручную, может быть предпочтительно использовать другой способ измерения расходов.
1
2
1
2
[060] В соответствии со вторым примером, проиллюстрированным со ссылкой на фиг. 6, расходомеры 325-328 расположены на трубопроводах 21, 22 подачи и трубопроводах 23, 24 отвода, например, перед клапанами 25, 26 подачи и после клапанов 27, 28 отвода. Расходомеры 325-328 позволяют измерить или вычислить количество газа, поданного или отведенного из каждого изоляционного пространства 16 или 17. Сумма поданного газа за вычетом суммы отведенного газа между двумя моментами времени t и времени t позволяет точно определить для каждого изоляционного пространства изменение количества газа между двумя моментами времени t и времени t.
[061] Вычисление количества газа, поданного или отведенного из каждого изоляционного пространства может быть результатом комбинированного применения первого и второго примеров, другими словами, комбинирования использования датчиков 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227 и/или 228 давления, расположенных на трубопроводах 21, 22 подачи или трубопроводах 23, 24 отвода, и информации о проценте/степени открытия клапанов 25, 26 подачи или клапанов 27, 28 отвода, и одного или множества расходомеров 325-328, расположенных на трубопроводах 21, 22 подачи или трубопроводах 23, 24 отвода.
[062] Если рассмотреть два вышеупомянутых варианта осуществления способа 1 иначе, т.е. более схематически, можно привести следующее представление.
[063] В случае первого примера, описанного выше, необходимо наличие, по меньшей мере, следующего:
- датчик давления перед впускным клапаном для каждого из основного 16 и вспомогательного 17 изоляционных пространств (при этом предполагается, что обычно уже имеется датчик давления, расположенный после впускного клапана основного 16 и вспомогательного 17 пространств); и
- датчик давления после выпускного клапана для каждого из основного 16 и вспомогательного 17 изоляционных пространств (при этом предполагается, что уже имеется датчик давления перед впускными/выпускными клапанами основного 16 и вспомогательного 17 пространств); и
- датчик температуры перед впускным клапаном для каждого из основного 16 и вспомогательного 17 изоляционных пространств; и
- датчик температуры перед выпускным клапаном для каждого из основного 16 и вспомогательного 17 изоляционных пространств.
[064] Датчики температуры и пары датчиков давления, расположенные по обе стороны от клапана, позволяют измерять/вычислять расход на входе и выходе соответственно для каждого из основного 16 и вспомогательного 17 изоляционных пространств.
[065] В случае второго примера, описанного выше, необходимо наличие, по меньшей мере, следующего:
- расходомер, установленный перед впускным клапаном (или после него) для каждого из основного 16 и вспомогательного 17 изоляционных пространств; и
- расходомер, установленный перед выпускным клапаном (или после него) для каждого из основного 16 и вспомогательного 17 изоляционных пространств.
[066] Расходомеры по обе стороны резервуара позволяют измерять расходы на входе и выходе соответственно для каждого из основного 16 и вспомогательного 17 изоляционных пространств.
[067] Измерение изменения массы посредством оценки массы (способ 2)
1
2
[068] Для проверки первого измерения изменения необходимо измерить точное количество инертного газа, фактически присутствующего в изоляционных пространствах 16 и 17 в те же два момента времени (t и t). Измерение количества инертного газа, фактически присутствующего в каждом изоляционном пространстве 16 и 17, проводится с учетом объема, температуры и давления инертного газа. Однако с учетом размера резервуаров и характера изоляционных пространств 16 и 17 необходимо учитывать, что температура и давление внутри изоляционных пространств могут отличаться.
[069] В лучшем случае, для определения точного количества инертного газа необходимо определить температуру и давление в каждом элементарном объеме изоляционного пространства 16 или 17 для определения количества содержащегося газа на их основе. Таким образом, сумма количества газа, содержащегося в каждом элементарном пространстве, позволит определить общее количество газа, содержащегося в изоляционном пространстве 16 или 17.
[070] На практике можно разделить каждое изоляционное пространство на множество объемов, температуру и давление которых можно определить или оценить относительно точно с помощью ограниченного количества датчиков. Следует понимать, что, чем больше количество датчиков, тем точнее будет оценка.
[071] Для определения количества датчиков в примере, описанном выше, было принято во внимание, что основная и вспомогательная мембраны 14 и 15, а также внутренняя стенка 11 с учетом их небольшой толщины и высокой теплопроводности имеют одинаковую температуру независимо от того, с какой стороны находится рассматриваемое место. Также в случае двух точек измерения температуры, разделенных однородной средой, учитывается линейный градиент температуры между двумя точками измерения.
[072] Датчики 111 температуры расположены в разных местах на внутренней стенке 11. Как правило, по меньшей мере, один датчик 111 температуры размещен на каждой поверхности, образующей внутреннюю стенку 11. Датчики 114 температуры расположены в разных местах на одной вспомогательной уплотнительной мембране 14. Как правило, по меньшей мере, один датчик 114 температуры размещен на каждой поверхности, образующей вспомогательную уплотнительную мембрану 14. Температура основной уплотнительной мембраны определяется температурой внутри резервуара 2. Некоторые датчики 130 температуры, закреплены, например, на конструкции 30 для удержания трубопроводов для заполнения и откачки текучей среды и позволяют измерять температуру текучей среды в жидкой и паровой фазах. Отдельная установка 102 также позволяет постоянно определять уровень заполнения резервуара (высоту границы раздела жидкой фазы и газовой фазы текучей среды).
[073] Температура в любой точке внутренней стенки 11 может быть определена с помощью формулы вычисления средневзвешенного значения в соответствии с датчиками 111 температуры, расположенными вблизи этой точки. Предпочтительно, чтобы большее количество датчиков температуры было размещено в местах, подверженных сильным изменениям температуры. Как правило, верхняя поверхность внутренней стенки 11, которая может представлять собой промежуточную палубу судна, содержит больше датчиков 111 температуры, чем другие поверхности. Фактически, жидкостный 12 и газовый 13 купола находятся на верхней части резервуара 2, они поддерживают удерживающую конструкцию 30 и поперечные элементы трубопроводов 21, 22 подачи и трубопроводов 23, 24 отвода и паросборник 32, температуры которых связаны с транспортируемыми газами и, следовательно, являются довольно низкими, и в то же время находятся под воздействием солнечного тепла и, следовательно, при температуре значительно выше, чем в других местах.
[074] Температура в любой точке вспомогательной уплотнительной мембраны 14 также определяется путем вычисления средневзвешенного значения в соответствии с датчиками 114 температуры, расположенными вблизи этой точки. Количество датчиков 114 также зависит от предполагаемой однородности температуры на рассматриваемой поверхности.
[075] Вспомогательное изоляционное пространство 17 заполнено твердыми (при необходимости, пористыми) изоляционными материалами между вспомогательной уплотнительной мембраной 14 и внутренней стенкой 11. В однородном твердом материале после определенного времени установления достигается ситуация равновесия с линейным градиентом температуры между двумя точками материала. Температура в точке вспомогательного изоляционного пространства 17 зависит от местоположения этой точки относительно внутренней стенки 11 и вспомогательной уплотнительной мембраны 14. Температура может быть вычислена с помощью простого средневзвешенного значения между точками, наиболее близкими к внутренней стенке 11 и вспомогательной уплотнительной мембране 14.
[076] Температура на основной уплотнительной мембране 15 определяется температурой текучей среды в жидкой и паровой фазах. Текучая среда хранится в резервуаре при температуре равновесия между жидкой фазой и паровой фазой (в зависимости от внутреннего давления резервуара). Экспериментальные измерения показали, что температура газа в паровой фазе, расслаивается на слои повышающейся температуры в зависимости от расстояния до поверхности сжиженного газа.
[077] От нижней части резервуар 2 до верхней части резервуара температура основной уплотнительной мембраны 15 представляет собой температуру груза на той же высоте. В случае высот резервуара, соответствующих положению датчиков 130 температуры, температура соответствует температуре, измеренной датчиками 130 температуры. В случае других высот выполняется линейная интерполяция между известными температурами. Фиг. 7 иллюстрирует аппроксимацию такой температуры в резервуаре 2, осуществленную с помощью датчиков 130 температуры и датчиков 102 уровня. Такая аппроксимация обеспечивает температуру основной уплотнительной мембраны 15 в зависимости от высоты точки измерения.
[078] Основное изоляционное пространство 16 заполнено твердыми (при необходимости, пористыми) изоляционными материалами между вспомогательной уплотнительной мембраной 14 и основной уплотнительной мембраной 15. Температура в точке основного изоляционного пространства 16 зависит от местоположения этой точки относительно основной уплотнительной мембраны 15 и вспомогательной уплотнительной мембраны 14.
[079] Датчики 221, 222, 223 и 224 давления, расположенные на трубопроводах 21, 22 подачи и трубопроводах 23, 24 отвода, позволяют измерять давление в верхней части основного 16 и вспомогательного 17 изоляционных пространств. Давление, измеренное таким образом, можно рассматривать как давление газа в любой точке изоляционных пространств 16 и 17. В одном примере давление может быть скорректировано в зависимости от высоты газа внутри изоляционных пространств 16 и 17.
[080] Изоляционные пространства 16 и 17 имеют размеры и формы, известные производителю резервуаров. Также известны твердые материалы, заполняющие эти пространства, и их пористость, а также свободные пространства, не содержащие твердых материалов. Исходя из этого, для любого элементарного пространства каждого изоляционного пространства 16 или 17 можно определить свободный объем, который может быть заполнен газом. Элементарная масса этого элементарного объема может быть оценена, например, по следующей формуле, полученной на основе закона идеальных газов:
[081] [Формула 1]
[082] В этом случае плотность ρ инертного газа может быть определена по следующей формуле:
[083] [Формула 2]
N
[084] где M - молярная масса азота (в данном случае не рассматривается гипотеза о наличии нежелательно газа), P - давление азота в элементарном пространстве, R - универсальная постоянная идеальных газов, T - температура в элементарном пространстве, ϕ - средняя пористость среды элементарного пространства, и dV - объем элементарного пространства.
[085] Суммирование всех элементарных масс позволяет определить общую массу инертного газа в каждом из изоляционных пространств 16 и 17.
[086] Также можно определить массу газа путем разделения каждого из изоляционных пространств на множество объемов, имеющих конкретные характеристики, позволяющие упростить вычисление. Они характеризуют свободные пространства, позволяющие инертному газу циркулировать в каждом из изоляционных пространств 16 и 17. Если изоляционные блоки 41 и 44 выполнены из пены с закрытыми порами, пористость составляет приблизительно 1%. В качестве примера, зазоры между изоляционными блоками, заполненные стекловатой, имеют пористость приблизительно 85%. Кроме того, вблизи мембран имеются свободные пространства, соответствующие сварным соединениям, выполненным перпендикулярно плоскости мембраны, и/или расширительным швам упомянутых мембран, если они выполнены из нержавеющей стали. Определенные таким образом свободные объемы известны и могут быть смоделированы независимо друг от друга.
[087] С учетом небольшого размера свободных пространств вблизи мембран весь инертный газ в свободных пространствах имеет такую же температуру, что и мембрана, что позволяет определять массу газа в соответствии со средней температурой мембраны, так как рассматриваемый объем известен. Поле распределения температур в изоляционном пространстве может быть аппроксимировано в соответствии с законом, согласно которому температура линейно распределяется в направлении толщины изоляционного пространства. Массу газа, содержащегося в свободных пространствах, можно определить с учетом пористости среды. Сумма масс газа, содержащегося в свободных пространствах изоляционного пространства 16 или 17, дает общую массу газа, содержащегося в упомянутом изоляционном пространстве.
[088] В соответствии с еще более упрощенным альтернативным вариантом осуществления определяют свободный объем инертного газа в каждом из свободных полупространств, расположенных между серединой каждого изоляционного пространства 16 или 17 и мембраной 14 или 15 или внутренней стенкой 11. Затем среднюю температуру мембран 14 или 15 или внутренней стенки 11 применяют к свободному полупространству вблизи нее для получения соответствующей массы газа, которая может быть суммирована с другой массой газа рассматриваемого изоляционного пространства для получения массы газа в каждом пространстве.
1
2
[089] Независимо от используемого способа вычисления массы измерение массы необходимо проводить в момент времени t и в момент времени t, чтобы можно было вывести второе измерение изменения. Второе измерение изменения также соответствует количеству инертного газа, добавленного и/или отведенного из изоляционных пространств 16 и 17, которое можно сравнить с первым измерением изменения.
[090] Исходя из точности вычисления массы, измерения уровня сжиженного газа, давления и температуры могут быть усреднены за периоды измерения. Фактически, временное изменение одного из этих измерений может исказить вычисление массы, при этом, чтобы исключить влияние временного изменения, достаточно взять среднее значение за небольшой период измерения. В качестве примера, сжиженный газ имеет свободную поверхность жидкости, на которой образуются волны. Это может повлиять на устройство 102 измерения уровня. Также в качестве примера, подача или отвод азота из одного из изоляционных пространств локально и временно снижает температуру на клапане, что может привести к ошибочному измерению, если измерение выполняется непосредственно перед, после или во время такой операции. Подобным образом большой размер резервуара означает, что фактическая циркуляция газа в изоляционных пространствах не является мгновенной. Уравновешивание давления после добавления или отвода азота происходит не сразу, а может занимать несколько десятков секунд.
1
2
1
2
2
1
1
2
[091] Таким образом, для исключения ошибок измерения может быть обеспечен период измерения, например, приблизительно 5-15 минут.Периоды измерения могут быть выбраны вблизи первого и второго моментов времени t и времени t. Например, один из периодов начинается после первого момента времени t, а другой из периодов завершается перед вторым моментом времени t, причем второй момент времени t наступает после первого момента времени t. Предпочтительно, разница между моментами времени t и времени t измерения намного больше, чем период измерения.
[092] Для получения наиболее точного измерения предпочтительно не добавлять или не отводить инертный газ в периоды измерения. Однако это возможно, только если в период измерения запрещены какие-либо действия, что не всегда возможно. Другим вариантом является постоянное выполнение измерений и получение скользящего среднего измерения за период времени. Критерий, который может использоваться для выбора периода измерения среди скользящих средних, состоит в том, что в течение скользящего периода не должно осуществляться добавление или отвод газа, или же добавление или отвод газа во время скользящего периода является незначительным, и им можно пренебречь.
[093] Обнаружение утечки
[094] После объяснения разных принципов измерения далее необходимо описать обнаружение утечки. Фиг.8 иллюстрирует функциональную схему устройства 80 для обнаружения утечек, которое, в общем, содержит человеко-машинный интерфейс 81, вычислительный блок 82 и схему 83 интерфейса ввода/вывода. Человеко-машинный интерфейс 81 используется для отображения результатов измерений и оповещений об утечках, а также для обеспечения возможности взаимодействия с системой при необходимости. Вычислительный блок 82 содержит микропроцессор и память для реализации программ и временного, а также постоянного хранения информации. Схема 83 интерфейса ввода/вывода представляет собой схему, подключенную ко всем датчикам, расположенным в резервуаре 2, и, в частности, к датчику 102 уровня, некоторым или всем датчикам 111-130 температуры, некоторым или всем датчикам 221-228 давления, опционально, расходомерам 325-328, и управляющим входам клапанов 25, 26 подачи и клапанов отвода 27, 28.
[095] В соответствии с конкретным вариантом осуществления устройство 80 для обнаружения утечек представляет собой стандартный компьютер, расположенный в кабине судна 1, а интерфейс 83 ввода/вывода представляет собой стандартную плату интерфейса связи, которая позволяет осуществлять связь с датчиками и управлять клапанами. Такая плата связи может быть совместима, например, со стандартом USB, если все датчики также совместимы с ним, или она может представлять собой плату беспроводной связи типа Wi-Fi или Zigbee, если датчики обеспечены интерфейсом связи такого типа.
[096] Среди программ, реализуемых вычислительном блоком 82, первая программа относится к выполнению измерений. В зависимости от выбранного варианта вычисления первая программа либо запускается каждый раз, когда необходимо выполнить измерение, либо работает постоянно и регулярно сохраняет сделанные измерения, которые будут использованы в дальнейшем. Важно то, что программа измерений позволяет выполнять измерения в соответствии с одним из способов, описанных ранее, и позволяет реализовывать вторую программу обнаружения утечек, описанную ниже.
[097] Фиг. 9 иллюстрирует вариант осуществления способа обнаружения утечек, реализуемого устройством 80 для обнаружения утечек. Способ, показанный на фиг. 9, содержит два независимых контура, характерных для каждого изоляционного пространства 16 и 17.
1
2
1
2
1
2
[098] Первый контур выполняет два этапа 911 и 912 сбора данных, предназначенных для получения всех данных, позволяющих определить изменение массы инертного газа в основном изоляционном пространстве 16 в соответствии с двумя вариантами вычисления, описанными ранее. Первый этап сбора данных заключается в получении измерений расхода газа, поданного и отведенного между моментами времени t и времени t по трубопроводам подачи 21 и отвода 23. В зависимости от реализуемой программы измерения этап 911 может выполняться либо путем запуска начала измерения расхода в момент времени t и указания завершения измерения в момент времени t, либо путем считывания и добавления всех измерений расхода, выполненных между моментом времени t и моментом времени t, которые соответствуют подаче и отводу газа между этими двумя моментами.
1
2
1
1
2
2
1
2
[099] Второй этап 912 сбора данных заключается в получении измерений давления и температуры, характерных для основного изоляционного пространства в моменты времени t и времени t. В зависимости от реализуемой программы измерения этап 912 может выполняться либо путем запуска измерения давления и измерения температуры в момент времени t (или в течение периода после момента времени t) и в момент времени t (или в течение периода перед моментом времени t), или путем считывания измерений, сделанных вблизи моментов времени t и времени t, и добавления их в соответствующий период измерения.
1
2
1
2
[100] Как правило, период времени между моментами времени t и времени t должен быть достаточно большим, чтобы можно было выявить утечку, и в то же время достаточно коротким, чтобы обеспечить полезное время обнаружения. Например, период между моментами времени t и времени t составляет от одного до нескольких часов.
1
2
1
2
[101] Первый этап 921 вычисления и второй этап 922 вычисления выполняются после первого и второго этапов 911 и 912 сбора данных. На первом этапе 921 вычисления используются измерения расхода газа, поданного или отведенного между моментами времени t и времени t по трубопроводам подачи 21 и отвода 23, на первом этапе 911 сбора данных для определения первого изменения ΔM1 массы инертного газа. Первое изменение ΔM1 массы инертного газа представляет собой суммарную величину общих масс инертного газа, добавленного по трубопроводу 21 подачи и отведенного по трубопроводу 23 отвода между первым моментом времени t и вторым моментом времени t.
1
2
1
2
[102] На втором этапе 922 вычисления используются измерения давления и температуры, характерные для основного изоляционного пространства в моменты времени t и времени t, полученные на втором этапе 912 сбора данных, для определения второго изменения ΔM2 массы инертного газа. Второе изменение ΔM2 массы инертного газа получают путем определения первой массы инертного газа, содержащегося в основном изоляционном пространстве 16 в первый момент времени t, путем определения второй массы инертного газа, содержащегося в основном изоляционном пространстве 16 во второй момент времени t с использованием одного из способов вычисление, описанных ранее, с последующим вычислением разности между второй массой газа и первой массой газа, т.е.
[103] [Формула 3]
3
4
1
2
[104] Первый этап 931 сравнения используется для вычисления первой разности E1 между первым изменением ΔM1 массы инертного газа и вторым изменением ΔM2 массы инертного газа и сравнения первой разности E1 с первым пороговым значением S1. Как правило, первая разность E1 представляет собой простую разность между первым и вторым изменениями ΔM1 и ΔM2 массы инертного газа. Первая разность E1 представляет собой разность между двумя вариантами измерения одного и того же изменения. Если основное изоляционное пространство не повреждено, другими словами, если отсутствует утечка, первая разность должна быть по существу нулевой. Однако ошибки измерения и вычисления могут привести к незначительной разности. Также первое пороговое значение S1 определяется в соответствии с максимальной ошибкой, которая зависит от цели измерения. Сравнение первой разности E1 с первым пороговым значением S1 выполняется по абсолютному значению. Если первая разность E1 превышает первое пороговое значение S1, это означает, что возможна утечка, и выполняется первый этап 941 оповещения. С другой стороны, если первая разность E1 не превышает первое пороговое значение S1, это означает, что, по всей видимости, утечки нет, и первая разность E1 сохраняется для оставшейся части процесса. Первый контур завершается, чтобы возобновиться в ходе дополнительного измерения в третий и четвертый моменты времени t и времени t, соответствующие моментам времени t и времени t, увеличенным на период подтверждения.
1
2
[105] Первый этап 941 оповещения служит в качестве предупреждения о том, что первая разность E1 слишком велика, и поэтому периодически может срабатывать визуальное или звуковое оповещение для привлечения внимания к измерению разности. Однако, даже если первая разность E1 слишком велика, встречаются случаи, когда эта разность может быть обусловлена определенными условиями измерения, а не утечкой. В частности, это имеет место во время переходной фазы с температурой, которая может локально, быстро и значительно изменяться, тогда как условия измерения и вычисления учитывают температурное равновесие в материалах. Поэтому не следует сразу делать вывод о наличии утечки, и сохранить оповещение A с первой разностью E1 и моментами времени t и времени t для последующего повторного использования. Другие проверки позволяют охарактеризовать утечку, в частности, этапы 950 и 960 проверки, которые выполняются в дальнейшем. В соответствии с альтернативным вариантом осуществления перед срабатыванием визуального или звукового оповещения проверяется, было ли уже сохранено в памяти оповещение A один или несколько раз со слишком большой первой разностью E1.
1
2
1
2
1
2
1
2
[106] Второй контур идентичен первому контуру, но выполняется для вспомогательного изоляционного пространства. Третий этап 913 сбора данных аналогичен первому этапу 911 сбора данных, но выполняется для измерений расхода газа, поданного или отведенного по трубопроводам подачи 22 и отвода 24 между моментами времени t и времени t. Четвертый этап 914 сбора данных аналогичен второму этапу 912 сбора данных, но выполняется для измерений давления и температуры, характерных для вспомогательного изоляционного пространства в моменты времени t и времени t. Третий этап 923 вычисления аналогичен первому этапу 921 вычисления, и на нем вычисляется третье изменение ΔM3 массы инертного газа, которое представляет собой суммарную величину общих масс инертного газа, добавленного по трубопроводу 22 подачи и отведенного по трубопроводу 24 отвода между первым моментом времени t и вторым моментом времени t. Четвертый этап 924 вычисления аналогичен второму этапу 922 вычисления, но предназначен для вычисления четвертого изменения ΔM4 массы инертного газа, которое является результатом определения третьей массы инертного газа, содержащегося во вспомогательном изоляционном пространстве 17 в первый момент времени t, определения четвертой массы инертного газа, содержащегося во вспомогательном изоляционном пространстве 17 во второй момент времени t, с последующим вычислением разности между четвертой массой газа и третьей массой газа, т.е.
[107] [Формула 4]
3
4
1
2
[108] Второй этап 932 сравнения аналогичен первому этапу 931 сравнения, но предназначен для вычисления второй разности E2 между третьим изменением ΔM3 массы инертного газа и четвертым изменением ΔM4 массы инертного газа и сравнения второй разности E2 со вторым пороговым значением S2. Как правило, вторая разность E2 представляет собой разность между третьим и четвертым изменениями ΔM3 и ΔM4 массы инертного газа. Вторая разность E2 представляет собой разность между двумя вариантами измерения одного и того же изменения и характеризует целостность вспомогательного изоляционного пространства 17. Второе пороговое значение S2 определяется в соответствии с максимальной ошибкой измерения. Сравнение второй разности E2 со вторым пороговым значением S2 выполняется по абсолютному значению. Если вторая разность E2 превышает второе пороговое значение S2, это означает, что возможна утечка, и выполняется второй этап 942 оповещения. Если вторая разность E2 не превышает второе пороговое значение S2, это означает, что, по всей видимости, утечки нет, и вторая разность E2 сохраняется для продолжения процесса. Второй контур завершается для возобновления в третий и четвертый моменты времени t и времени t, соответствующие моментам времени t и времени t, увеличенным на время подтверждения.
1
2
[109] Второй этап 942 оповещения аналогичен первому этапу 941 оповещения, но в отношении второй разности E2. Оповещение A сохраняется со второй разностью E2 и моментами времени t и времени t для последующего повторного использования. Затем выполняются этапы 950 и 960 проверки. В соответствии с альтернативным вариантом осуществления перед срабатыванием визуального или звукового оповещения проверяется, было ли уже сохранено в памяти оповещение A один или несколько раз со слишком большой второй разностью E2.
3
4
[110] Этап 950 проверки представляет собой этап проверки возможного обнаружения утечки, когда первая разность E1 или вторая разность E2 или первая и вторая разности E1 и E2 слишком велики. На этом этапе сравнивают первую разность E1 со второй разностью E2 для проверки, компенсируется ли изменение этих разностей E1 и E2. Другими словами, если разность E1 или E2 свидетельствует о потере газа в одном из изоляционных пространств 16 или 17, а другая разность E2 или E1 свидетельствует об увеличении газа в другом из изоляционных пространств 17 или 16, вероятно, что между двумя пространствами имеется утечка, и что эта утечка находится во вспомогательной уплотнительной мембране 14. Для осуществления проверки получают алгебраическую сумму первой и второй разностей E1 и E2. В случае утечки во вспомогательной мембране первая разность E1 должна быть противоположна второй разности E2, то есть их сумма должна быть равна нулю. Выполняется сравнение суммы по абсолютному значению с третьим пороговым значением S3. Если сумма превышает пороговое значение S3, считается, что проверка не актуальна, и после ожидания в течение, по меньшей мере, времени подтверждения процесс возобновляется в моменты времени t и времени t. С другой стороны, если сумма меньше третьего порогового значения S3, должен быть выполнен этап 970 оповещения.
1
2
3
4
[111] На этапе 970 оповещения оповещение A сохраняется с пометкой F4 для дальнейшей проверки. Пометка F4 содержит идентификацию вероятной утечки во вспомогательной уплотнительной мембране, а также моменты времени t и времени t. Кроме того, может срабатывать визуальное или звуковое оповещение для предупреждения команды об утечке во вспомогательной уплотнительной мембране. Визуальное или звуковое оповещение может сработать только в том случае, если это второе оповещение, записанное с пометкой F4. В конце этапа 970 оповещения происходит ожидание в течение, по меньшей мере, времени подтверждения для возобновления процесса в моменты времени t и времени t.
3
4
[112] Этап 960 проверки представляет собой этап проверки возможного обнаружения утечки, когда первая разность E1 или вторая разность E2 или первая и вторая разности E1 и E2 слишком велики. На этом этапе сравнивают первую разность E1 со второй разностью E2 для проверки, равны ли эти разности E1 и E2. Если эти разности E1 и E2 по существу равны, либо имеются две идентичные утечки в двух разных стенках, что маловероятно, либо при измерении происходит систематическая ошибка. Это соответствует, например, переходной фазе, в течение которой в ходе измерений возникает больше ошибок, чем должно быть. С другой стороны, если первая и вторая разности E1 и E2 не равны, это повышает вероятность обнаружения утечки. Вычисляют алгебраическую разность между первой и второй разностями E1 и E2. Затем эту разность сравнивают по абсолютному значению с четвертым пороговым значением S4. Если разность не превышает четвертое пороговое значение S4, первая и вторая разности E1 и E2 по существу равны, и лучше всего выполнить ожидание в течение, по меньшей мере, времени подтверждения для возобновления процесса в моменты времени t и времени t. С другой стороны, если разность превышает четвертое пороговое значение S4, должен быть выполнен этап 980 оповещения.
1
2
3
4
[113] На этапе 980 оповещения оповещение A сохраняется с пометкой F3 для последующей проверки. Пометка F3 содержит идентификацию разности E1 и E2, превышающей четвертое пороговое значение, а также моменты времени t и времени t. Кроме того, может сработать визуальное или звуковое оповещение для предупреждения команды о возможной утечке. Визуальное или звуковое оповещение может сработать только в случае, если это второе оповещение, записанное с пометкой F3. В конце третьего этапа 980 оповещения происходит ожидание в течение, по меньшей мере, времени подтверждения для возобновления процесса в моменты времени t и времени t.
[114] На фиг.9 этапы 911-914 сбора данных выполняются параллельно, и за ними следуют этапы 921-924 вычисления. Однако эти этапы могут выполняться последовательно в любом порядке при условии, что измерения, выполняемые на этапах сбора данных, выполняются в те же моменты времени t1 и времени t2, и первый этап 921 вычисления выполняется после первого этапа 911 сбора данных, второй этап 922 вычисления выполняется после второго этапа 912 сбора данных, третий этап 923 вычисления выполняется после третьего этапа 913 сбора данных, и четвертый этап 924 вычисления выполняется после четвертого этапа 914 сбора данных.
[115] Также этапы 931 и 932 сравнения и этапы 941 и 942 оповещения могут выполняться более последовательно. Важным является вычисление первой и второй разностей E1 и E2, сохранение оповещения A со значением первой разности E1, если первая разность E1 превышает первое пороговое значение S1, и/или сохранение оповещения A со значением второй разности E2, если вторая разность E2 превышает второе пороговое значение S2.
[116] Этапы 950 и 960 проверки и этапы 970 и 980 оповещения могут выполняться параллельно или последовательно. В некоторых случаях этап 950 или 960 проверки может быть опущен.
[117] Подтверждение утечки
[118] Как указано выше, способ позволяет обнаружить вероятность утечки и сделать оповещение. Как указано выше, причина ложного обнаружения может быть связана с переходным температурным режимом. В качестве примера во время заполнения резервуара 2 температура основной уплотнительной мембраны 15 может изменяться на 80°C и даже более чем на 160°C, если резервуар был пуст.Такое изменение температуры распространяется через основное изоляционное пространство 16, а затем через вспомогательное изоляционное пространство 17, достигая состояния теплового равновесия, соответствующего линейному распределению температуры в каждом материале. Отличительной особенностью изоляционных пространств 16 и 17 является то, что они обладают теплоизоляционными характеристиками, то есть имеют высокий уровень теплового сопротивления, и, следовательно, медленное распространение изменений температуры. Таким образом, измерения, выполняемые во время или после значительного изменения температуры, могут содержать ошибку, связанную с переходным состоянием изменения температуры. Эта ошибка, связанная с переходным состоянием, может быть причиной ложных срабатываний оповещения.
[119] Одним из способов предотвращения влияния переходного состояния является значительное увеличение количества датчиков температуры и сокращение определения температуры путем вычисления. Основным недостатком такого подхода является то, что для того, чтобы полностью исключить влияние переходной ошибки, количество датчиков должно быть настолько велико, что стоимость оборудования станет неприемлемой. Следовательно, ошибку необходимо устранить другим способом.
[120] Изменения температуры, связанные с заполнением резервуара, являются относительно большими. Первым вариантом является ожидание в течение времени стабилизации, например, в течение двух дней после заполнения резервуара, перед рассмотрением оповещений.
[121] Кроме того, помимо заполнения резервуара возможны условия, которые приводят к существенным изменениям температуры, например, частичная передача сжиженного газа между двумя резервуарами судна, а также изменение внешней температуры на несколько десятков градусов за несколько часов. Такие условия могут искажать результаты измерений в течение нескольких часов.
3
4
1
2
1
2
[122] Следовательно, предпочтительно автоматически подтверждать оповещения путем дополнительного повторения способа по истечении времени подтверждения. Таким образом, процесс повторяется в моменты времени t и времени t, соответствующие моментам времени t и времени t, увеличенным на время подтверждения. Время подтверждения может быть равно или может быть больше, чем период между моментами времени t и времени t. Кроме того, при каждой записи оповещения A записываются условия оповещения и моменты, соответствующие моментам оповещения. Таким образом, устройство для обнаружения утечек может проверять, повторяется ли оповещение, и осуществлять визуальное или звуковое оповещение только в случае повторения указанного оповещения. Количество повторов оповещения перед осуществлением визуального или звукового оповещения может быть настроено в системе, например, в зависимости от типа оповещения. В случае оповещений, просто связанных с чрезмерной разностью E1 или E2, может потребоваться больше повторений, чем в случае оповещений F3 или F4, учитывающих второй критерий.
1
2
1
2
[123] Необходимо понимать, что в случае осуществления визуального или звукового оповещения должно быть подтверждение оповещения со стороны человека. В частности, возможно изменение некоторых параметров для подтверждения или отклонения оповещения. В качестве примера, некоторые варианты выбора моментов времени сами по себе могут быть причиной ложного оповещения, если время подтверждения составляет, например, один день, а время между моментами времени t и времени t соответствует пику солнечной активности с 9:00 до 12:00 в жарких широтах; это соответствует измерению, выполненному в переходном состоянии. Для подтверждения утечки команда может изменить время между моментами времени t и времени t и время подтверждения для проверки, подтверждается ли утечка при изменении условий измерения.
[124] Кроме того, анализ записанных оповещений также позволяет исключить утечку или определить ее местоположение. Изоляционные пространства 16 и 17 находятся в состоянии незначительного избыточного давления или пониженного давления относительно атмосферного давления и относительно давления в резервуаре. Кроме того, если давление между двумя изоляционными пространствами отличается, и, если имеется утечка, эта утечка обязательно направлена в определенном направлении от наибольшего давления к наименьшему давлению. Первая и вторая разности E1 и E2 указывают, покидает ли газ рассматриваемое изоляционное пространство или поступает в него за пределами трубопроводов подачи и отвода, что также соответствует направлению утечки. Если определения направления, относящиеся к первой и второй разностям E1 и E2, несовместимы с возможным направлением газов, оповещения считаются ложными. С другой стороны, если определения, относящиеся к первой и второй разностям E1 и E2, соответствуют возможному направлению газов, оповещения подтверждаются.
[125] Таким образом, после многократных подтверждений оповещений можно определить высокую вероятность утечки, а также стенку, в которой имеется утечка. Фактически, если оповещение F3 и оповещение F4 многократно подтверждаются, утечка находится во вспомогательной уплотнительной мембране. Если оповещение F3 подтверждается с разностью E1, а оповещение F4 не подтверждается, утечка находится в основной уплотнительной мембране. Если оповещение F3 подтверждается с разностью E2, а оповещение F4 не подтверждается, утечка находится во вспомогательной уплотнительной мембране.
[126] Кроме того, суда для транспортировки газа могут быть оснащены детекторами газа в резервуаре и в каждом изоляционном пространстве для обнаружения наличия газа, которого там не должно быть. Обнаружение кислорода или наличие воды во вспомогательном пространстве свидетельствует об утечке во внутренней стенке корпуса. Обнаружение углеводорода, например, метана, этана, бутана или пропана, в основном пространстве или обнаружение азота в резервуаре для сжиженного газа свидетельствует об утечке в основной уплотнительной мембране. Использование различных средств обнаружения позволяет обеспечить дополнительное подтверждение утечки.
[127] Другие варианты
[128] Настоящее изобретение описано в отношении резервуара с двойной мембраной с выполнением вычисления изменения массы газа в соответствии с двумя разными способами для получения двух разностей E1 и E2, характерных для каждого из пространств. Хотя использование устройства в резервуаре с двойной мембраной особенно предпочтительно, в частности, для обнаружения утечки во вспомогательной уплотнительной мембране, можно использовать упрощенную систему для обнаружения утечек только в одном изоляционном пространстве.
[129] В случае резервуара с двойной мембраной, как указано выше, обнаружение утечки по присутствию постороннего газа может быть выполнено в изоляционных пространствах 16 и 17 и в резервуаре 2. Использование измерения изменения в одном из изоляционных пространств может быть достаточным, если необходимо обнаружить утечку только во вспомогательной уплотнительной мембране в сочетании с другими средствами обнаружения утечки без добавления дополнительного обнаружения. Таким образом, будет измерена одна разность E1 или E2, а этапы 950 и 960 проверки и этапы 970 и 980 оповещения выполняться не будут. Фактически, многократное подтверждение разности E1 или E2 позволяет определить высокую вероятность утечки в изоляционном пространстве, в котором проводилось измерение. Если другие средства обнаружения утечки не обнаруживают утечку, то утечка может быть только во вспомогательной уплотнительной мембране. Использование двойного обнаружения изменения массы в одном пространстве позволяет улучшить обнаружение утечки во вспомогательной уплотнительной мембране, что можно считать достаточным, если не нужна резервная система.
[130] В соответствии с другим альтернативным вариантом осуществления изобретение может быть применено в отношении резервуара, имеющего лишь одно изоляционное пространство, например, резервуара для сжиженного углеводородного газа (СУГ). В этом случае может быть вычислена одна разность. Такая система может использоваться самостоятельно или в резерве с другим устройством для обнаружения утечек.
[131] Настоящее описание относится к транспортному судну с множеством резервуаров. Количество устройств 80 для обнаружения утечек может быть равно количеству резервуаров, или, при необходимости, одно устройство для обнаружения утечек может использоваться с множеством резервуаров, обеспеченных датчиками, необходимыми для реализации способа, в каждом резервуаре. В последнем случае устройство для обнаружения утечек будет реализовывать алгоритм обнаружения утечки столько раз, сколько имеется резервуаров.
[132] Кроме того, изобретение не ограничивается транспортными судами. Фактически, оно применимо к любому хранилищу сжиженного газа, содержащему один или множество резервуаров. Эти резервуары могут представлять собой резервуары, имеющие один или два изоляционных пространства. Устройство для обнаружения утечек может быть расположено удаленно в диспетчерской для отслеживания резервуаров, которая необязательно является кабиной судна.
[133] Хотя изобретение описано со ссылкой на несколько конкретных вариантов осуществления, следует понимать, что оно никоим образом не ограничивается ими, и что оно содержит все технические эквиваленты описанных средств, а также их сочетания, если они находятся в пределах объема изобретения.
[134] Использование глаголов «содержать», «иметь» или «включать в себя» и производных форм не исключает наличия элементов или этапов, отличных от описанных в формуле изобретения. Использование единственного числа для элемента или этапа не исключает наличия множества таких элементов или этапов, если не указано иное.
[135] В формуле изобретения ни одна ссылочная позиция в скобках не может быть интерпретирована как ограничение формулы изобретения.