МОНИТОРИНГ ГЕРМЕТИЧНОГО И ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННОГО РЕЗЕРВУАРА
MONITORING OF SEALED AND THERMALLY INSULATED VAT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области мониторинга герметичных и теплоизолированных резервуаров, предназначенных для низкотемпературных сжиженных топливных газов, в частности, к мембранному резервуару, в котором стенка резервуара содержит многослойную конструкцию, установленную на несущую стенку, многослойная конструкция содержит герметичную мембрану, контактирующую с сжиженным топливным газом, содержащимся в резервуаре, и теплоизоляционный барьер, установленный между герметичной мембраной и несущей стенкой, причем теплоизоляционный барьер содержит изоляционные твердые вещества и газовую фазу, находящуюся под отрицательным относительным давлением, с помощью всасывающего устройства, подсоединенного к теплоизоляционному барьеру.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Герметичные и теплоизолированные резервуары могут использоваться для хранения и/или транспортировки низкотемпературных сжиженных топливных газов, например, газа с высоким содержанием метана, обычно называемого сжиженным природным газом (СПГ), точка кипения которого приблизительно -162°С при атмосферном давлении.
В технологии мембранных резервуаров одна стенка резервуара содержит многослойную конструкцию, установленную на несущую стенку и содержащую по меньшей мере одну герметичную мембрану и по меньшей мере один теплоизоляционный барьер, установленный между герметичной мембраной и несущей стенкой. Один или каждый теплоизоляционный барьер содержит изоляционные твердые вещества, которые образуют опорную поверхность для поддержки одной или каждой герметичной мембраны.
Чтобы повысить изоляционную способность одного или каждого теплоизоляционного барьера, патентная публикация FR-A-2535831 предлагает поддерживать газовую фазу вспомогательного теплоизоляционного барьера под абсолютным давлением, которое ниже окружающего атмосферного давления, а именно под отрицательным относительным давлением.
Кроме того, использование такого резервуара для сжиженного топливного газа предполагает, что необходимо придерживаться жестких условий безопасности, и, в частности, что любая потеря герметичности мембраны может быть обнаружена как можно быстрее. Так, существуют определенные нормы, которые требуют, чтобы содержимое изолирующего пространства анализировалось по меньшей мере каждые 30 минут.
Документ FR 2317649 раскрывает способ для проверки изменений пористости первичной и вторичной герметичных мембран, установленных на каждой стороне промежуточного пространства. Вторичный теплоизоляционный барьер заполнен смесью азота и аргона. Промежуточное пространство между двумя герметичными мембранами обдувается потоком азота, и метановое и аргоновое содержание в потоке азота анализируется для обнаружения утечек в основной герметичной мембране или во вторичной герметичной мембране. В промежуточном пространстве поддерживается пониженное давление, чтобы способствовать миграции газа через герметичные мембраны.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одна идея изобретения предлагает способы и устройства для мониторинга, пригодные для эффективного обнаружения присутствия топливного газа в термоизоляционном барьере, даже если газовая фаза удерживается под отрицательным относительным давлением.
В соответствии с одним вариантом осуществления, изобретение предлагает способ мониторинга герметичного и теплоизолированного резервуара, предназначенного для низкотемпературного сжиженного топливного газа, причем
в способе стенка резервуара содержит многослойную конструкцию, установленную на несущую стенку, многослойная конструкция содержит герметичную мембрану, контактирующую со сжиженным топливным газом, содержащимся в резервуаре, и теплоизоляционный барьер, установленный между герметичной мембраной и несущей стенкой, при этом теплоизоляционный барьер содержит изоляционные твердые вещества и газовую фазу, находящуюся под отрицательным относительным давлением, и предлагаемый способ включает в себя:
получение образца разбавленного газа путем извлечения пробы газовой фазы под отрицательным относительным давлением в теплоизоляционном барьере через трубку для отбора образцов, выходящую из стенки резервуара, и добавления контролируемой порции инертного газа в газовую фазу, которая должна быть извлечена или которая была извлечена,
сжатие, а именно повышение давления в образце разбавленного газа до рабочего давления газового анализатора, и
измерение концентрации топливного газа в образце разбавленного газа с помощью газового анализатора.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления такой способ мониторинга может включать в себя один или более следующих отличительных признаков.
В соответствии с одним вариантом осуществления способ дополнительно включает в себя:
определение концентрации топливного газа в газовой фазе теплоизоляционного барьера как функции измеренной концентрации и порции инертного газа, добавленной к газовой фазе.
В соответствии с одним конкретным вариантом осуществления, способ включает в себя:
- определение коэффициента разбавления, обусловленного добавлением контролируемой порции инертного газа к газовой фазе, которая должна быть извлечена или которая была извлечена, в соответствии с измерениями давления и температуры газовой фазы, которая должна быть извлечена или которая была извлечена, до и после добавления контролируемой порции инертного газа к газовой фазе; и
- определение концентрации топливного газа в газовой фазе теплоизоляционного барьера как функции измеренной концентрации и коэффициента разбавления, обусловленного добавлением контролируемой порции инертного газа.
Топливный газ может состоять из сжиженного природного газа, сжиженного нефтяного газа (СНГ), этилена и т.п.
Использование инертного газа делает возможным повышение порции вещества в образце, который будет анализироваться, без риска создания взрывчатой смеси. Например, инертный газ может быть выбран из группы, состоящей из молекулярного азота, гелия, аргона и их смеси.
В соответствии с разными вариантами осуществления, отрицательное относительное давление соответствует абсолютному давлению ниже 10 кПа, предпочтительно ниже 1 кПа.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, рабочее давление газового анализатора составляет 80 кПа - 120 кПа, предпочтительно 86 кПа - 108 кПа. При таком рабочем давлении можно использовать газовые анализаторы, которые относительно недороги и имеются в свободной продаже.
Концентрацию топливного газа можно измерять с помощью разных общеизвестных методов обнаружения. Например, газовый анализатор может содержать детектор топливного газа, выбранный из группы, в которую входят инфракрасные детекторы, и в частности те, которые работают путем измерения поглощения и/или пропускания, и электрохимические детекторы.
Существует два способа, которые можно использовать для разбавления газовой фазы под низким давлением, содержащейся в изоляционном барьере. Первый способ подразумевает смешивание инертного газа с газовой фазой перед извлечением образца, а именно в изоляционном барьере. Второй способ подразумевает смешивание инертного газа с газовой фазой после извлечения образца, а именно в устройстве мониторинга. Эти два способа можно объединять.
Согласно варианту осуществления, соответствующему первому вышеупомянутому способу, шаг получения образца разбавленного газа включает в себя:
добавление контролируемой порции инертного газа к газовой фазе в теплоизоляционном барьере, чтобы повысить относительное давление газовой фазы в теплоизоляционном барьере от отрицательного первого значения до отрицательного второго значения, и
извлечение образца газовой фазы при относительном давлении, равным второму отрицательному значению в теплоизоляционном барьере, через трубку для отбора образцов, выходящую из стенки резервуара, чтобы получить образец разбавленного газа, и
понижение относительного давления газовой фазы в теплоизоляционном барьере от второго отрицательного значения до первого отрицательного значения после извлечения образца газовой фазы.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, первое отрицательное значение составляет менее 1 кПа, предпочтительно менее или равное 0,1 кПа, а второе отрицательное значение превышает или равно 1 кПа.
В соответствии с вариантом осуществления, соответствующим второму вышеупомянутому способу, этап получения образца разбавленного газа содержит:
извлечение образца газовой фазы под отрицательным относительным давлением в теплоизоляционном барьере через трубку для отбора образцов, выходящую из стенки резервуара, и
добавление контролируемой порции инертного газа в извлеченный образец газовой фазы.
В этом случае этапы по извлечению, разбавлению и сжатию образца могут осуществляться одновременно с помощью всасывающего устройства с эффектом Вентури, при этом всасывающее устройство с эффектом Вентури содержит:
основную трубку, имеющую входное отверстие, соединенное с источником инертного газа под давлением, и выходное отверстие, соединенное с замкнутым пространством для измерения или с промежуточным замкнутым пространством, и
всасывающую трубку, имеющую входной конец, соединенный с трубкой для отбора образцов, и выходной конец, выходящий сбоку в сужающийся-расширяющийся участок основой трубки таким образом, что поток инертного газа, идущая по основной трубке, приводит к понижению давления во всасывающей трубке.
В соответствии с одним вариантом осуществления, этап по извлечению образца включает в себя:
откачивание образца газовой фазы через трубку для отбора образцов в направлении промежуточного замкнутого пространства, и
изолирование промежуточного замкнутого пространства от теплоизоляционного барьера.
В соответствии с другим вариантом осуществления, соответствующим второму вышеупомянутому способу, контролируемая порция инертного газа добавляется в промежуточное замкнутое пространство, и этап по сжатию образца разбавленного газа содержит:
откачивание образца разбавленного газа из промежуточного замкнутого пространства в направлении замкнутого пространства для измерения, соединенного с газовым анализатором.
В вариантах осуществления этап по сжатию образца разбавленного газа, а именно повышение давления образца разбавленного газа, может включать в себя:
сохранение извлеченного образца газовой фазы в промежуточном замкнутом пространстве, соединенном с трубкой для отбора образцов, и
перемещение подвижной стенки в промежуточном замкнутом пространстве, чтобы заключить образец разбавленного газа в замкнутом пространстве для измерения с меньшим объемом, чем промежуточное замкнутое пространство.
Например, замкнутое пространство для измерения состоит из конечного участка промежуточного замкнутого пространства или замкнутого пространства меньшего размера, соединенного с промежуточным замкнутым пространством.
В соответствии с одним вариантом осуществления этапы по разбавлению и сжатию образца могут осуществляться с помощью всасывающего устройства с эффектом Вентури, при этом всасывающее устройство с эффектом Вентури содержит:
основную трубку, имеющую входное отверстие, соединенное с источником инертного газа под давлением, и выходное отверстие, соединенное с замкнутым пространством для измерения, и
всасывающую трубку, имеющую входной конец, соединенный с промежуточным замкнутым пространством, и выходной конец, выходящий сбоку в сужающийся-расширяющийся участок основой трубки таким образом, что поток инертного газа, идущая по основной трубке, приводит к понижению давления во всасывающей трубке.
В соответствии с одним вариантом осуществления, изобретение также предлагает устройство для мониторинга, которое может использоваться в герметичном и теплоизолированном резервуаре, предназначенном для низкотемпературных сжиженных топливных газов, в котором стенка резервуара содержит многослойную конструкцию, установленную на несущую стенку, многослойная конструкция содержит герметичную мембрану, контактирующую со сжиженным топливным газом, содержащимся в резервуаре, и теплоизоляционный барьер, установленный между герметичной мембраной и несущей стенкой, теплоизоляционный барьер содержит изоляционные твердые вещества и газовую фазу, находящуюся под отрицательным относительным давлением,
устройство для мониторинга содержит:
трубку для отбора проб, соединяющую теплоизоляционный барьер с наружной стороной стенки резервуара, при этом упомянутая трубка для отбора образцов оборудована изоляционным клапаном;
промежуточное замкнутое пространство, соединенное с теплоизоляционным барьером с помощью трубки для отбора образцов;
замкнутое пространство для измерений, соединенное с промежуточным замкнутым пространством,
газовый анализатор, соединенный с замкнутым пространством для измерений, для измерения концентрации топливного газа в замкнутом пространстве для измерений,
насосное устройство, соединенное с трубкой для отбора образцов, способное извлекать образец газовой фазы при отрицательном относительном давлении в теплоизоляционном барьере и транспортировать образец газовой фазы в замкнутое пространство для измерений;
емкость с инертным газом, соединенную с промежуточным замкнутым пространством и предназначенную для добавления определенной порции инертного газа в газовую фазу, которая была извлечена, в промежуточном замкнутом пространстве, и
измерительное устройство для измерения порции инертного газа, добавленной к газовой фазе.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления такое устройство для мониторинга может содержать один или более следующих признаков.
В соответствии с одним вариантом осуществления замкнутое пространство для измерений соединено напрямую или опосредованно с трубкой для отбора образцов с помощью стопорного клапана.
В соответствии с одним вариантом осуществления устройство дополнительно содержит систему обработки данных, способную определять концентрацию топливного газа в газовой фазе термоизоляционного барьера как функцию концентрации, измеренной газовым анализатором, и порции инертного газа, добавленной к газовой фазе.
В соответствии с одним вариантом осуществления система обработки данных способна определять коэффициент разбавления, обусловленный добавлением контролируемой порции инертного газа к газовой фазе, которая должна быть извлечена или которая была извлечена, как функцию измерений давления и температуры газовой фазы, которая должна быть извлечена или которая была извлечена, до и после добавления контролируемой порции инертного газа к газовой фазе, и определять концентрацию топливного газа в газовой фазе теплоизоляционного барьера как функцию концентрации, измеренной газовым анализатором, и коэффициента разбавления, обусловленного добавлением контролируемой порции инертного газа.
Насосное устройство может быть изготовлено разными способами. В соответствии с одним вариантом осуществления, насосное устройство содержит вакуумный насос, например, типа Рутс или другого типа.
Насосное устройство может быть специально предназначено для устройства мониторинга, или в целях экономии насосное устройство может работать с устройством для мониторинга и с устройством регулирования давления термоизоляционного барьера, которое используется для постоянного поддержания отрицательного относительного давления в изоляционном барьере.
В соответствии с одним вариантом осуществления, насосное устройство содержит всасывающее устройство с эффектом Вентури, всасывающее устройство с эффектом Вентури содержит:
основную трубку, имеющую входное отверстие, соединенное с емкостью с инертным газом, и выходное отверстие, соединенное с замкнутым пространством для измерения, и
всасывающую трубку, имеющую входной конец, соединенный с трубкой для отбора образцов посредством промежуточного замкнутого пространства, и выходной конец, выходящий сбоку в сужающийся-расширяющийся участок основой трубки таким образом, что поток инертного газа, идущий по основной трубке, приводит к понижению давления во всасывающей трубке.
В соответствии с одним вариантом осуществления, изобретение также предлагает герметичный и теплоизолированный резервуар, предназначенный для низкотемпературного сжиженного топливного газа и оборудованный вышеупомянутым устройством для мониторинга.
В резервуаре стенка резервуара содержит многослойную конструкцию, установленную на несущую стенку, причем многослойная конструкция содержит основную герметичную мембрану, контактирующую со сжиженным топливным газом, содержащимся в резервуаре, вторичную герметичную мембрану, размещенную между первичной герметичной мембраной и несущей стенкой, первичный теплоизоляционный барьер, размещенный между первичной герметичной мембраной и вторичной герметичной мембраной, и вторичный теплоизоляционный барьер, расположенный между вторичной герметичной мембраной и несущей стенкой, и в резервуаре один или каждый теплоизоляционный барьер содержит изоляционные твердые вещества и газовую фазу, удерживаемую под отрицательным относительным давлением, устройство для мониторинга, содержащее первую трубку для образца, выходящую в основной теплоизоляционный барьер, и вторую трубку для образца, выходящую во вторичный теплоизоляционный барьер.
Такой резервуар может быть частью наземного хранилища, например, для хранения СПГ, или может быть установлен на плавучее береговое или морское сооружение, в частности, на танкер-метановоз, плавучую установку для хранения и регазификации, плавучую систему нефтедобычи, хранения и выгрузки и тому подобные.
В соответствии с вариантом осуществления, судно для перевозки холодных жидких продуктов содержит двойной корпус и вышеупомянутый резервуар, размещенный в двойном корпусе.
В соответствии с одним вариантом осуществления, изобретение также предлагает способ погрузки и разгрузки такого судна, в котором холодный жидкий продукт поступает через изолированный трубопровод от плавучего или наземного хранилища или из него, в резервуар судна или из него.
В соответствии с одним вариантом осуществления, изобретение также предлагает систему транспортировки для транспортировки холодного жидкого продукта, содержащую вышеупомянутое судно, изолированный трубопровод, размещенный таким образом, чтобы соединять резервуар, установленный в корпусе судна, с плавучим или наземным хранилищем, и насос для обеспечения протекания потока холодного жидкого продукта по изолированному трубопроводу из плавучего или наземного хранилища или в него или в резервуар судна или из него.
Определенные аспекты изобретения основаны на идее облегчения анализа газовой фазы, находящейся под низким давлением, и поэтому в небольшом количестве, в то же время снижая стоимость извлечения образца и средств для анализа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет лучше понятно, и далее задачи, подробности, признаки и преимущества изобретения станут более очевидными в ходе последующего описания ряда в целом не ограничивающих и иллюстративных вариантов осуществления изобретения, данных со ссылками на прилагаемые чертежи:
Фиг. 1 - схематическое изображение мембранного резервуара и устройства для мониторинга резервуара.
Фиг. 2 - схематическое изображение замкнутого пространства для измерений, которое может использоваться в устройстве для мониторинга на фиг. 1.
Фиг. 3 - изображение, аналогичное на фиг. 1, показывающее устройство для мониторинга резервуара в соответствии с другим вариантом осуществления.
Фиг. 4 - увеличенный вид в разрезе области IV на фиг. 3.
Фиг. 5 - изображение, аналогичное на фиг. 1, показывающее устройство для мониторинга резервуара в соответствии с другим вариантом осуществления.
Фиг. 6 - временной график, показывающий изменение давления, которое можно получить в изоляционном барьере резервуара на фиг. 5.
Фиг. 7 - схематическое изображение, показывающее с вырезом резервуар танкера-метановоза, который может быть оборудован устройством для мониторинга, и терминал для погрузки/разгрузки такого резервуара.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг. 1 изображает мембранный резервуар 1 очень схематически в поперечном разрезе. Этот резервуар содержит несущую конструкцию 2, определяющую полость, в которой сооружается резервуар, изоляционный барьер 3, содержащий изоляционные элементы, закрепленные на внутренних поверхностях несущей конструкции 2, и непроницаемую для жидкости и газонепроницаемую мембрану 4, например, изготовленную из листового металла, покрывающую всю внутреннюю поверхность резервуара.
В соответствии с вариантом осуществления, изображенным на фиг. 5, вторичная герметичная мембрана может помещаться между несущей конструкцией 2 и герметичной мембраной 4, так чтобы разделять два изоляционных барьера на каждой стороне вторичной герметичной мембраны. Такая схема не изображена на фиг. 1.
Несущая конструкция 2 также изготавливается таким образом, чтобы быть главным образом газонепроницаемой. Так, изоляционный барьер 3 помещен в изоляционном пространстве, которое изолировано от давления окружающей среды герметичной мембраной 4 и несущей конструкцией 2. Регуляторы давления, не изображенные, могут использоваться для поддержания низкого давления газа в изоляционном пространстве, например, давления порядка 0,1 кПа - 1 кПа, так чтобы еще более снизить теплопроводность изоляционного барьера 3.
Устройство для мониторинга может использоваться, чтобы осуществлять мониторинг состава газовой фазы в изоляционном пространстве, так чтобы обнаруживать любую потенциальную утечку в герметичной мембране 4. Мониторинг только изоляционного пространства 3, которое будет описываться далее в документе, может осуществляться таким же образом для каждого изоляционного пространства в случае, если резервуар включает в себя ряд последовательных мембран.
Чтобы это сделать, устройство 10 для мониторинга на фиг. 1 содержит трубку 11 для отбора образцов, которая проходит через несущую конструкцию 2 и выходит в изоляционный барьер 3 так, что образец газовой фазы может быть извлечен в этой точке. Множество трубок для отбора образцов, не изображенных, может быть помещено таким же образом в разных местах в резервуаре, чтобы можно быть производить отбор образцов газовой фазы в нескольких соответствующих зонах изоляционного барьера 3.
Трубка 11 для отбора образцов соединяет изоляционный барьер 3 с промежуточным замкнутым пространством 12 с помощью вакуумного насоса 13 и изоляционного клапана 14. Соединительная трубка 18 также соединяет емкость 15 с молекулярным азотом под давлением с промежуточным замкнутым пространством 12 с помощью стопорного клапана 16. Имеется система датчиков 17, такая, что можно измерить некоторое количество молекулярного азота, введенного из емкости 15 с молекулярным азотом под давлением в промежуточное замкнутое пространство 12. Датчики, которые можно использовать для такой цели, например, являются расходомерами, соединенными с соединительной трубкой 18, и/или температурными датчиками и датчиками давления, соединенными с промежуточным замкнутым пространством 12.
Промежуточное замкнутое пространство 12 можно использовать следующим образом:
- образец газовой фазы, присутствующий в изоляционном барьере 3, транспортируется вакуумным насосом 13 в промежуточное замкнутое пространство 12. Образец может быть очень небольшим количеством газовой фазы, в зависимости от мощности вакуумного насоса 13 и/или времени, имеющегося для отбора образцов;
- клапан 14 закрывается, чтобы изолировать промежуточное замкнутое пространство 12;
- определенная порция молекулярного азота добавляется из емкости 15 в промежуточное замкнутое пространство 12 с помощью клапана 16. Например, порция молекулярного азота может быть измерена с помощью измерений давления и температуры в промежуточном замкнутом пространстве 12 до и после добавления молекулярного азота. Добавление молекулярного азота в замкнутое пространство 12 позволяет разбавлять образец, чтобы и получить большее количество вещества для анализа, и немного поднять давление газовой фазы, которая подлежит анализу.
Давление в промежуточном замкнутом пространстве 12 затем выше, чем преобладающее в изоляционном барьере 3. Оно, например, составляет порядка 1-10 кПа. Этого не обязательно будет достаточно для того, чтобы легко провести химический анализ, при условии, что большинство стандартных газовых анализаторов работает при давлениях, близких к атмосферному давлению. Поэтому возможно или проанализировать разбавленный газ напрямую в промежуточном замкнутом пространстве 12, или осуществить дополнительное сжатие разбавленного газа заранее, так что можно использовать более быстрое и/или менее дорогое газоанализаторное оборудование.
Чтобы выполнить дополнительное сжатие, на фиг. 1 изображена соединительная трубка 24, соединяющая промежуточное замкнутое пространство 12 с замкнутым пространством 21 для измерений меньшего размера с помощью второго насоса и двух изоляционных клапанов 22 и 23. Соединительную трубку 24 можно использовать следующим образом:
- после того, как молекулярный азот был добавлен в промежуточное замкнутое пространство 12, клапаны 14 и 16 остаются закрытыми, а клапаны 22 и 23 открываются, и насос 20 активируется, таким образом он сжимает и транспортирует разбавленный газ из промежуточного замкнутого пространства 12 в замкнутое пространство 21 для измерений;
- когда давление в замкнутом пространстве 21 для измерений достигает значения, достаточно высокого для работы газового анализатора 25, клапан 23 закрывается, и концентрация метана в разбавленном газе измеряется с помощью газового анализатора 25.
Газовые анализаторы 25, способные измерять концентрацию метана, могут быть приобретены, например, у шведской компании Consilium АВ.
Система 30 обработки данных может затем использоваться для расчета концентрации метана в изоляционном барьере 3 до разбавления с помощью измерительных сигналов, поданных газовым анализатором 25, которые указаны схематично стрелкой 31, и измерительных сигналов, поданных системой 17 датчиков, которые указаны схематично стрелкой 32.
Концентрация метана в изоляционном барьере может быть, в частности, рассчитана на базе следующего уравнения:
4
insulating barrier
где [С(СН)] - концентрация метана в изоляционном барьере до разбавления;
ϑ - коэффициент разбавления, вызванного добавлением контролируемой порции инертного газа к газовой фазе, которая была извлечена; и
4
measured
[С(СН)] - концентрация метана, измеренная газовым анализатором 25.
Коэффициент разбавления ϑ рассчитывается с помощью измерительных сигналов, поданных системой датчиков 17 и предоставляющих измерения давления и температуры в промежуточном замкнутом пространстве 12 перед и после добавления молекулярного азота.
В соответствии с одним вариантом осуществления, коэффициент разбавления ϑ можно рассчитать с помощью следующей формулы:
где PBefore dilution - давление (в Па) внутри промежуточного замкнутого пространства перед разбавлением; и
PAfter dilution - давление (в Па) внутри промежуточного замкнутого пространства после разбавления путем добавления контролируемой порции инертного газа.
В соответствии с другим вариантом осуществления коэффициент разбавления ϑ может быть рассчитан путем учета температуры газовой фазы, образец которой был отобран до и после добавления инертного газа к газовой фазе, с помощью следующей формулы:
где PBefore dilution - давление (в Па) внутри промежуточного замкнутого пространства перед разбавлением; и
PAfter dilution - давление (в Па) внутри промежуточного замкнутого пространства после разбавления путем добавления контролируемой порции инертного газа;
TBefore dilution - температура (в К), преобладающая внутри промежуточного замкнутого пространства перед разбавлением; и
TAfter dilution - температура (в К), преобладающая внутри промежуточного замкнутого пространства после разбавления.
Система 30 обработки данных, например, программируемый компьютер, может также осуществлять тревожную функцию путем подачи тревожного сигнала, когда концентрация метана в изоляционном барьере 3 превышает предустановленный порог.
Таким же образом концентрации других газов, в частности кислорода или водяного пара, или других углеводородов в извлеченной газовой фазе могут быть исследованы. Соответствующие газовые анализаторы имеются в продаже для выполнения этих измерений. Продукты углеводорода в общем могут быть обнаружены с помощью инфракрасного анализатора.
На фиг. 1 изображены два насоса 13 и 20, расположенных один на входе, а другой на выходе в промежуточном замкнутом пространстве 12. В альтернативном варианте только один из двух насосов 13 и 20 представлен и используется для выполнения всех этапов, а именно для извлечения начального образца, затем для сжатия разбавленного образца. Один из насосов 13 и 20 может суммарно выполнять функцию поддержания низкого рабочего давления в изоляционном пространстве 3. Для этого должны иметься трубка сброса в атмосферу и соответствующий контрольный клапан.
В альтернативном варианте дополнительный насос, не изображенный, имеется на трубопроводе 18 для транспортировки азота.
На фиг. 2 изображен другой вариант осуществления устройства для мониторинга, в котором дополнительное сжатие разбавленного газа может осуществляться напрямую в промежуточном замкнутом пространстве. Элементы, аналогичные или идентичные элементам на фиг. 1, имеют ссылочные позиции, увеличенные на 100 по отношению к фиг. 1.
В варианте осуществления на фиг. 2 замкнутое пространство 121 для измерений примыкает к одному концу промежуточного замкнутого пространства 112, а поршень 120 установлен с возможностью двигаться, сохраняя герметичность, в промежуточном замкнутом пространстве 112, чтобы он мог перемещать разбавленный газ, содержащийся в промежуточном замкнутом пространстве 112, в замкнутое пространство 121 для измерений. На виде слева изображен поршень 120 в начале этапа по сжатию, а на виде справа изображен поршень 120 в конце этапа по сжатию. Для напоминания, эта операция аналогична устройству для мониторинга на фиг. 1.
Существуют разные способы откачивания образца, который подлежит анализу, через трубку для отбора образцов. В варианте осуществления на фиг. 3 используется всасывающее устройство с эффектом Вентури, изображенный в укрупненном виде на фиг. 4, который одновременно позволяет откачивать порцию газовой фазы в изоляционном барьере, и разбавлять этот образец в порции инертного газа. Элементы, аналогичные или идентичные элементам на фиг. 1, имеют ссылочные позиции, увеличенные на 200 по отношению к фиг. 1.
Всасывающее устройство 220 с эффектом Вентури содержит основную трубку 35 с сужающейся-расширяющейся геометрией и входным концом, соединенным соединительной трубкой 218 с емкостью 215 с инертным газом под давлением, и выходным концом, соединенным соединительной трубкой 224 с замкнутым пространством для измерения. Стопорный клапан 216 имеется на соединительной трубке 218, чтобы регулировать поступление молекулярного азота из емкости 215. Имеется система датчиков 217 для измерения порции молекулярного азота, введенного из емкости 215 с молекулярным азотом под давлением в промежуточное замкнутое пространство в основную трубку 35. Стопорный клапан 223 имеется на соединительной трубке 224, чтобы было возможно закрывать замкнутое пространство 221 для измерений на период измерения газовым анализатором 225.
Операция проходит следующим образом:
- когда клапаны 216 и 223 открыты, поток молекулярного азота под давлением проходит во входной конец сужающегося-расширяющегося участка, как показано стрелкой 37, и из-за эффекта Вентури вызывает понижение давления в боковой трубке 36 всасывающего устройства 220 с эффектом Вентури, которая соединена с трубкой 211 для отбора образцов. Затем происходит откачивание порции газовой фазы, содержащейся в изоляционном барьере 203, как показано стрелкой 38. Струя извлеченной газовой фазы и струя молекулярного азота соединяются на выходном конце сужающегося-расширяющегося участка, как показано стрелками 39, и идут в направлении замкнутого пространства 221 для измерений через соединительную трубку 224;
- полученный образец разбавленного газа затем анализируется в замкнутом пространстве 221 для измерений таким же способом, как описано выше.
Предпочтительно, чтобы клапан, не изображенный, также имелся на трубке 211 для отбора образцов и открывался только после того, как стабильный поток азота образуется на подходящей скорости в основной трубке 35. Это создает возможность избежать обратного оттока молекулярного азота в направлении изоляционного барьера 203 во время фазы начала течения молекулярного азота. Аналогичным образом этот клапан может быть закрыт в конце процесса отбора образца перед тем, как поток молекулярного азота будет прерван.
Всасывающее устройство 220 с эффектом Вентури на фиг. 4 может также использоваться вместе с промежуточным замкнутым пространством, расположенным на входе боковой трубки 36.
В соответствующем варианте осуществления, который не изображен, устройство 210 для мониторинга на фиг. 3 соединено с промежуточным замкнутым пространством 12 на фиг. 1 таким образом, что боковая трубка 36 всасывающего устройства 220 с эффектом Вентури занимает место соединительной трубки на фиг. 1. Функция насоса 20 может затем осуществляться всасывающим устройством 220 с эффектом Вентури, который заменяет насос 20, и который также выполняет разбавление образца в молекулярном азоте. В результате, предварительное добавление молекулярного азота в промежуточное замкнутое пространство 12 не является абсолютно необходимым в этом случае, и емкость 15 на фиг. 1 может потенциально отсутствовать.
В вариантах осуществления, описанных в данном документе, происходит добавление молекулярного азота к образцу газовой фазы, взятому из изоляционного барьера. Как вариант, добавление молекулярного азота может осуществляться в изоляционном барьере перед тем, как будет извлечен образец, подлежащий анализу.
Соответствующий вариант осуществления далее описывается со ссылками на фиг. 5 и 6. Элементы, аналогичные или идентичные элементам на фиг. 1, имеют ссылочные позиции, увеличенные на 300 по отношению к фиг. 1.
На фиг. 5 показан резервуар 301 с двойной герметичной мембраной, в котором вторичная герметичная мембрана 40 разделяет изоляционный барьер на первичный изоляционный барьер, размещенный между первичной мембраной 304 и вторичной мембраной 40, а вторичный изоляционный барьер, размещенный во вторичном изоляционном пространстве 42, расположенном между вторичной мембраной 40 и несущими стенками 302.
Сначала будет описано устройство для мониторинга 310, предназначенное для мониторинга состава газовой фазы в первичном пространстве 41.
Трубка 311 для отбора образцов выходит одним концом в первичное пространство 41, а другим концом в газовый трубопровод 46 и имеет стопорный клапан 45. Газовый трубопровод 46 соединен со всасывающей стороной вакуумного насоса 320, который таким образом может извлекать образец газовой фазы, присутствующей в основном пространстве 41, когда клапан 45 открыт. Нагнетательная сторона вакуумного насоса 320 соединена соединительной трубкой 324, оборудованной клапаном 323, с замкнутым пространством 321 для измерений, оборудованным газовым анализатором 325. Клапан 323 позволяет закрывать замкнутое пространство 321 для измерений после того, как образец, подлежащий анализу, был взят и на протяжении измерения.
Перепускная труба 47, снабженная клапаном 48, ответвляется от входа клапана 323 соединительной трубки 324 и позволяет направлять поток, нагнетаемый насосом 320, в направлении других установок, не являющихся замкнутым пространством 321 для измерений, в частности, в направлении трубы для дегазации, выходящей в окружающую атмосферу, или любую другую систему сброса, потенциально через систему регенерации газа, чтобы избежать загрязнений. Такая схема, в частности, позволяет осуществлять продувку и откачку всего контура для извлечения газа перед каждым забором образца, так чтобы сделать операцию по извлечению образца и анализа более точной и быстрой. Такая схема размещения может быть осуществлена таким же образом, как и в других вариантах осуществления, описанных выше.
Отводная труба 49, снабженная клапаном 50, может также иметься для соединения замкнутого пространства 321 для измерений с трубой для дегазации или другой системой сброса. Такая схема позволяет выпускать образец газа после того, как он проанализирован, без необходимости использовать перепускную трубу 47. Она также позволяет газу пройти через замкнутое пространство 321 для измерений, этот газ, например, является инертным газом, так что это предотвращает накопление следов газа, которые могут исказить последующие анализы.
Устройство 310 для мониторинга может использоваться следующим образом.
- При условии, что контур для отбора образцов газа первоначально был продут и что клапаны 48 и 50 были закрыты, на первом этапе активируется насос 320, если это не тот насос, который работает постоянно, и открываются клапан 45 и клапан 323, чтобы извлечь порцию газовой фазы из первичного пространства 41 в замкнутое пространство 321 для измерений.
- Когда давление в замкнутом пространстве 321 для измерений достигает значения, совместимого с работой газового анализатора 325, клапан 323 закрывается, и анализ извлеченного газа осуществляется, как описывается выше.
- После анализа замкнутое пространство 321 для измерений продувается путем создания вакуума.
Оборудование 51 для анализа, содержащее вакуумный насос 320, газовый анализатор 325, замкнутое пространство 321 для измерений и его вспомогательные контуры, может быть изготовлено в форме портативного мобильного аппарата. Газовый трубопровод 46 позволяет совместно использовать оборудование 51 для анализа с помощью трубок для отбора образцов, выходящих в разные зоны основного пространства 41 и, возможно, вторичного пространства 42. На фиг. 5, таким образом, изображены две трубки для отбора образцов, выходящие в разные зоны основного пространства 41. Отбор образцов может таким образом осуществляться последовательно в разных зонах путем последовательного открывания разных клапанов 45.
Повышение давления в замкнутом пространстве 321 для измерений может быть очень медленным в соответствии с мощностью вакуумного насоса 320 и давлением газа, преобладающим в изоляционном барьере 3. Чтобы ограничить продолжительность процесса отбора образца и анализа, можно управлять давлением в первичном пространстве 41 таким образом, чтобы временно поднимать давление каждый раз, когда нужно отобрать образец для анализа.
Для этого на фиг. 5 показано инжекционное устройство, содержащее емкость 315 с молекулярным азотом под давлением, первичную инжекционную трубку 55, оборудованную клапаном 56 и соединяющую емкость 315 с молекулярным азотом с первичным пространством 41, и вторичную инжекционную трубку 57, оборудованную клапаном 58 и соединяющую емкость 315 с молекулярным азотом со вспомогательным пространством 42.
Клапан 56 может управляться таким образом, чтобы регулировать давление в первичном пространстве способом, представленным на фиг. 6.
На фиг. 6 показано давление 65 газа в основном пространстве как временная функция во время цикла отбора образца для анализа. Вне периода отбора образцов давление поддерживается как низкое давление Р1, например, порядка 0,1-1 кПа, так чтобы максимально увеличить теплоизоляцию.
Средства, используемые для поддержания низкого давления, могут быть системой, не изображенной, полностью независимой от устройства для мониторинга, описанного в данном документе. Например, это могут быть вакуумные насосы, регулируемые автоматическим контроллером с заданным значением и способным актировать насосы, когда это заданное значение пересекается в верхнем направлении и выключать насосы, когда это заданное значение пересекается в нижнем направлении, предпочтительно с некоторой степенью запаздывания, чтобы повысить общую стабильность.
В одном варианте осуществления это поддержание низкого давления может, с другой стороны, быть второй функцией вакуумного насоса 320, чтобы сэкономить на оборудовании.
За несколько моментов времени перед фактическим извлечением образца цикл отбора образца начинается в момент 10 с деактивации средств, используемых для поддержания низкого давления, таким образом получается первый подъем давления, который происходит относительно медленно из-за естественных утечек из первичного пространства 41, на период 60.
В момент t1 клапан 56 открывается, чтобы произошел впрыск газообразного молекулярного азота в первичное пространство 41. Впрыск осуществляется до момента, когда будет получено высокое давление Р2 в момент t2. Клапан 56 затем закрывается. Затем идет время 61 ожидания до момента t3, чтобы газовая фаза стала достаточно однородной из-за естественной диффузии.
Давление Р2 - отрицательное относительное давление, не такое низкое, как Р1, например, порядка 0,5-10 кПа. Чем выше давление Р2, тем больше расход энергии, требуемой для возвращения первичного пространства 41 до давления Р1.
В момент t3 вакуумный насос 30 активируется, а клапан 45 и клапан 323 открываются, чтобы осуществить всасывание порции газовой фазы из первичного пространства 41 в замкнутое пространство 321 для измерений во время фазы 62 отбора образца. Давление в первичном пространстве 41 поэтому начинает падать.
В момент t4 клапан 323 закрывается, и средства поддержания давления повторно активируются, чтобы вызвать падение давления в первичном пространстве 41 до значения давления Р1, и давление остается таким до следующего цикла отбора образца. Этот цикл отбора образца можно сократить до общей длительности в несколько минут.
Путем точного измерения давления и температуры в первичном пространстве 41 с помощью системы датчиков 317, можно точно измерить коэффициент разбавления, обусловленный добавлением азота в первичное пространство 41, и таким образом рассчитать после этого концентрацию газа перед разбавлением. Система 300 обработки данных используется с этой целью. Измерения температуры внутри резервуара можно осуществлять с помощью оптико-волоконной системы или тому подобного.
Можно осуществлять мониторинг вторичного пространства 42 таким же образом, используя средства, аналогичные описанным в отношении первичного пространства 41. Для этого устройство для мониторинга вторичного пространства может изготавливаться независимо от устройства для мониторинга первичного пространства, как схематично показано позицией 410. Как вариант, определенные средства могут совместно использоваться для мониторинга двух пространств 41 и 42. Например, в одном варианте осуществления, не изображенном, оборудование 51 для анализа может совместно использоваться путем соединения трубки 69 для отбора образцов, оборудованного клапаном 68, с трубопроводом 46.
В одном варианте осуществления, который не изображен, замкнутое пространство 321 для измерений устройства 310 для мониторинга может быть изготовлено таким же способом, как и промежуточное замкнутое пространство 112 на фиг. 2, так чтобы добиться повышения давления газа в замкнутом пространстве 321 для измерений перед тем, как оно будет анализироваться. Дополнительное добавление молекулярного азота в замкнутое пространство 321 для измерений возможно, но не обязательно, что означает, что трубопровод 118 на фиг. 2 может отсутствовать в данном варианте осуществления. Это замкнутое пространство 321 для измерений, вмещающее средства для сжатия, может использоваться вместе с вакуумным насосом 320 или, предпочтительно, без вакуумного насоса вообще, таким образом становится возможным снизить расходы на устройство для мониторинга.
В одном варианте осуществления все или часть устройства для мониторинга, в частности, вакуумный насос 320, помещается внутри поперечной конструкции с двойными стенками, называемой гидротехнической перемычкой, которая разделяет два резервуара танкера-метановоза. Такая схема облегчает совместное использование насоса несколькими точками отбора образца, расположенными в разных местах одного или обоих резервуаров. В одном варианте восемь точек для отбора образцов имеются на резервуаре, предпочтительно они все подсоединены к одному трубопроводу для отбора образцов.
Хотя вышеприведенное описание относится только к молекулярному азоту и метану, другие пары топливного газа и инертного газа могут использоваться аналогичным образом. Газ, используемый для разбавления образца газовой фазы, необходимо отбирать таким образом, чтобы избежать любой опасной, в частности, взрывчатой, химической реакции, и избежать прерывания измерения концентрации исследуемых химических агентов.
Методы, используемые в данном документе, для создания устройства для мониторинга изоляционных пространств, могут использоваться в различных типах емкостей, например, для мониторинга первичного пространства и/или вторичного пространства емкости с СПГ в наземном сооружении или в плавучей конструкции, такой как танкер-метановоз или тому подобное.
Со ссылкой на фиг. 7, вид с вырезом танкера-метановоза 70 демонстрирует герметичный и изолированный резервуар 71 общей призматической формы, установленный внутри двойного корпуса 72 судна. Стенка резервуара 71 содержит первичный герметичный барьер, предназначенный для контакта с СПГ, содержащимся в резервуаре, вторичный герметичный барьер, размещенный между первичным герметичным барьером и двойным корпусом 72 судна, и два изоляционных барьера, размещенные соответственно между первичным герметичным барьером и вторичным герметичным барьером и между вторичным герметичным барьером и двойным корпусом 72.
Хорошо известным способом погрузочный/разгрузочный трубопровод, размещенный на верхней палубе судна, может быть соединен с помощью подходящих муфт с морским или портовым терминалом, чтобы транспортировать СПГ из резервуара 71 СПГ или в него.
На фиг. 7 показан пример морского терминала, содержащего погрузочно-разгрузочную станцию 75, подводную трубу 76 и наземное сооружение 77. Погрузочно-разгрузочная станция 75 - стационарное морское сооружение, содержащее подвижную стрелу 74 и башню 78, несущую мобильную стрелу 74. Мобильная стрела 74 имеет связку изолированных гибких шлангов 79, которые могут быть подсоединены к погрузочно/разгрузочному трубопроводу 73. Ориентируемую мобильную стрелу 74 можно адаптировать под любой размер танкера-метановоза. Соединительная труба, не изображена, проходит внутри башни 78. Погрузочно-разгрузочная станция 75 позволяет осуществлять погрузку и разгрузку танкера-метановоза 70 с наземного сооружения 77 или на него. Эта установка содержит резервуары 80 для хранения сжиженного газа и соединительные трубы 81, соединенные подводной трубой 76 с погрузочно-разгрузочной станцией 75. Подводная труба 76 позволяет транспортировать сжиженный газ между погрузочно-разгрузочной станцией 75 и наземным сооружением 77 на большое расстояние, например, 5 км, что позволяет держать танкер-метановоз 70 на большом расстоянии от берега во время погрузочно-разгрузочных операций.
Чтобы создать давление, необходимое для транспортировки сжиженного газа, используются насосы, находящиеся на борту судна 70 и/или насосы, которыми оборудовано наземное сооружение 77 и/или насосы, которыми оборудована погрузочно-разгрузочная станция 75.
Хотя изобретение описано в отношении нескольких конкретных вариантов осуществления, понятно, что оно никаким образом не ограничено таковыми, и что оно содержит все технические эквиваленты описанных средств и комбинаций таковых, где это попадает в объем изобретения.
Использование глаголов «содержит», «имеет» или «включает в себя» и их форм не исключает присутствия других элементов или шагов, помимо перечисленных в пункте формулы изобретения. Использование единственного числа при описании элемента или шага не исключает, если не упомянуто иначе, наличия множества таковых элементов и шагов.
В формуле изобретения любая ссылочная позиция скобках не должна пониматься как представляющая ограничение пункта формулы изобретения.