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Die Erfindung betrifft ein Entspannungssystem zur Entspannung eines unter Druck stehenden Drucksystems, wobei das Entspannungssystem ein Ventil aufweist, über das bei geöffnetem Ventilzustand ein Massenstrom von der mit dem Drucksystem verbundenen Hochdruckseite des Ventils zu der mit einem Entlastungssystem verbundenen Niederdruckseite des Ventils überführbar ist.
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Solche Entspannungssysteme sind beispielsweise aus Chemieanlagen beispielsweise in Form von Notentspannungssystemen bekannt. Vor allem im LNG-Bereich (LNG = Liquefied Natural Gas) wird sowohl über Landesrecht als auch von den Betreibern ein Schnell-/Notentspannungssystem für den gasförmigen Inhalt der Anlagen gefordert. Beim Auslösen des Entspannungssystems soll der Druck in den zu entspannenden Anlagenteilen zur Verringerung aus dem hochdruckbedingt hohen Gefahrenpotential in kurzer Zeit reduziert werden. Im einschlägigen Regelwerk (vgl. ISO 23251) wird eine Druckreduzierung in solchen Systemen auf 50% des Designdrucks innerhalb von fünfzehn Minuten gefordert. Zum Schutz von Mensch und Umwelt werden die Entlastungsmedien in ein Ableitungssystem, i. d. R. ein Fackelsystem, zur gefahrlosen Beseitigung eingeleitet.
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Das Schnell-/Notentspannungssystem weist in erster Linie ein Auf-Zu-Ventil auf, das im Einsatzfall zum Ableitungssystem hin geöffnet wird und bis zur vollständigen Entspannung des betreffenden Anlagenteils geöffnet bleibt.
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Bei den Auf-Zu-Ventilen gemäß dem sicherheitstechnischen Stand der Technik handelt es sich um ungeregelte und fehleröffnende Ventile. Eine Regelung des Ventils mit Hilfsenergie aus einem nicht-sicherheitsgerichteten Regelsystem ist kaum akzeptabel. Außerdem wird erwartet, dass bei einem Ausfall der zum ”Geschlossen-Halten” des Ventils notwendigen Hilfsenergie das Ventil öffnet. Somit ist der über das Ventil entweichende Massenstrom nicht geregelt und nur von der Größe des Ventils und den Kennwerten (Kv, Cv) des selbigen sowie dem Vordruck (des betroffenen Anlagenteils) und dem Nachdruck (Druck im Ableitungs-/Entlastungssystem) abhängig. Der Kv-Wert wird auch als Durchflussfaktor oder als Durchflusskoeffizient bezeichnet und in der Einheit m3/h angegeben. Häufig wird auch der Cv-Wert (”Flow Coefficient Value”) angegeben, der sich aus dem Kv-Wert berechnen lässt.
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Der durch das Ventil abgeführte Massenstrom zeigt über den Druck im Behälter aufgetragen einen parabelförmigen Verlauf. Somit treten bei einer kleinen Druckabsenkung bereits große Massenströme auf. Dies bedeutet für die Auslegung des Ableitungs-/Entlastungssystems, dass dieses für die kurzfristig auftretenden Massenstromspitzen, insbesondere bei möglicherweise gleichzeitigen Öffnen mehrerer oder sogar aller Ventile (die Ventile sind fehleröffnend), auszulegen ist. Diese Massenstromspitze, kann den Designfall ohne Berücksichtigung der Schnellentspannung um einen Faktor im einstelligen Bereich überschreiten.
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Bei einem voll geöffneten Ventil ist der resultierende Massenstrom nur durch die Öffnung des Ventils begrenzt und proportional zur vorliegenden Druckdifferenz (Vordruck minus Nachdruck). Dies führt zu einem zeitlich exponentiell abfallenden Massenstrom während der Schnellentspannung. Bei einem Abfall des Volumenstroms um den Faktor 10, fällt der Massenstrom in erster Näherung um den Faktor 100. Dies bedeutet, dass der Massenstrom zu Beginn des Entspannungsvorganges hundertmal so hoch ist wie zu dessen Ende. Das Ableitungs-/Entlastungssystem muss folglich zur Aufnahme der maximal auftretenden Massenströme (zu Beginn der Entspannung) ausgelegt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, ein Entspannungssystem, insbesondere zur Schnell-/Notentspannung, anzugeben, das wie vorgeschrieben zu einer Druckabsenkung im zu entlastenden System innerhalb eines bestimmten Zeit-raums geeignet ist, und das gleichzeitig die Designlast des Ableitungs-/Entlastungssystems vermindert, da die Spitzenlast des resultierenden Massenstroms weniger stark ausfällt, insbesondere sogar entfällt.
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Die vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Entspannungssystem, ein Verfahren zum Betreiben desselbigen sowie eine Verwendung desselbigen gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Das erfindungsgemäße Entspannungssystem zur Entspannung eines unter Druck stehenden Drucksystems, beispielsweise eines Anlagenteils einer Chemieanlage, weist ein Ventil auf, über das zur Druckabsenkung im Drucksystem bei geöffnetem Ventilzustand ein Massenstrom von der mit dem Drucksystem verbundenen Hochdruckseite des Ventils zu der mit einem Entlastungssystem verbundenen Niederdruckseite des Ventils überführbar ist, wobei das Entspannungssystem über eine Düse auf der Niederdruckseite des Ventils verfügt, und wobei das Ventil einen Nachdruckregler aufweist, dessen einzige Regelleitung mit dem Inneren der Düse verbunden ist.
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Im Rahmen dieser Anmeldung sei unter ”Entlastungssystem” ein Ableitungssystem verstanden, dem zur Druckentlastung des Drucksystems ein Massenstrom zugeleitet wird. Hierbei kann es sich, wie bereits erwähnt, um ein Fackelsystem handeln.
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Unter ”Düse” sei eine herkömmliche Düse mit sich verengendem Querschnitt, der sich nach der Verengung wieder erweitert oder eine Blende verstanden, die den Öffnungsquerschnitt an der Stelle der Blendenposition verringert.
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Über die Regelleitung des Nachdruckreglers wird der Druck an einer Stelle eines Querschnitts der Düse, insbesondere am geringsten Querschnitt der Düse gemessen. Im Falle einer (Mess-)Blende wird der Druck in der Blendenöffnung gemessen, die somit gleichzeitig den geringsten Querschnitt der ”Düse” darstellt.
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Das erfindungsgemäße Entspannungssystem kann nicht gegen einen Gegendruck regeln, da das Entlastungssystem in aller Regel drucklos betrieben wird und auch im maximalen Auslegungsfall nur einen geringen inneren Druck aufweist. Hiervon soll im Rahmen dieser Anmeldung ausgegangen werden.
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Die durchströmte Düse (oder Blende) des erfindungsgemäßen Entspannungssystems zeigt ab einer kritischen Druckdifferenz zwischen Eingangsseite zu Ausgangsseite der Düse folgendes Verhalten: Im kleinsten Strömungsquerschnitt der Düse herrscht Schallgeschwindigkeit und der Druck im kleinsten Strömungsquerschnitt ist nur abhängig vom Vordruck auf der Eintrittsseite der Düse sowie der Temperatur am kleinsten Strömungsquerschnitt. Die Temperatur am kleinsten Strömungsquerschnitt lässt sich nach den Gesetzen der Thermodynamik aber eindeutig aus den Einströmbedingungen herleiten. Somit kann der abgeführte Massenstrom, der zur Strömungsgeschwindigkeit und zum Druck am kleinsten Strömungsquerschnitt proportional ist, als linear abhängig vom Vordruck auf der Eintrittsseite der Düse angesetzt werden.
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Wird nun bei oder über der genannten kritischen Druckdifferenz der Druck am kleinsten Strömungsquerschnitt konstant gehalten, ergibt sich ein konstanter Massenstrom über die Düse. Gleiches gilt bei Konstanthaltung des Vordrucks auf der Eintrittsseite der Düse. Leichter zu regeln ist jedoch der Druck am kleinsten Strömungsquerschnitt. Somit regelt der Nachdruckregler des Ventils beim erfindungsgemäßen Entspannungssystem den Druck insbesondere am kleinsten Strömungsquerschnitt der Düse auf einen konstanten Wert. Dies hat einen konstanten Massenstrom zur Folge.
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Zweckmäßigerweise ist der Nachdruckregler eigenmediumgesteuert. Dies vermeidet den Einsatz von Hilfsmedien zur Regelung, da Hilfsmedien per se die Verfügbarkeit und somit die Funktionsfähigkeit des Nachdruckreglers limitieren.
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Das erfindungsgemäße Entspannungssystem kann somit folgende Eigenschaften erfüllen:
- – Begrenzung des maximal abgeführten Massenstroms über das Ventil mit der nachgeschalteten Düse unabhängig oder mit geringer Abhängigkeit vom Vordruck des Ventils, also dem Druck auf der Hochdruckseite;
- – Die Begrenzungsfunktion ist unabhängig von externen Regel-/Steuereinrichtungen, von Hilfsmedien sowie von Fremdenergie;
- – Die Begrenzungsfunktion ist weiterhin nahezu unabhängig vom Gegendruck, also dem Druck im Entlastungssystem;
- – Die Begrenzungsfunktion kann mit einem technisch einfachen Aufbau realisiert werden, wobei nur eine einzige Druckmessung in einem Querschnitt, insbesondere dem kleinsten Querschnitt der Düse oder Blende erfolgt.
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Das Ventil des erfindungsgemäßen Entspannungssystems muss in seiner Größe so bemessen sein, dass der abgeführte Massenstrom bei entsprechend kleinem Druckverlust im Ventil zu einer strömungsmechanisch kritischen Durchströmung des Ventils führt, d. h. am kleinsten Strömungsquerschnitt herrscht lokale Schallgeschwindigkeit.
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Im Gegensatz zu bekannten Massenstromreglern bei Mengenbegrenzungsventilen ist vorliegend eine einzige Druckmessung zur Erzeugung eines konstanten Massenstroms ausreichend. Bisher bekannte Mengenbegrenzungsventile halten die eingestellte Durchflussmenge ungeachtet von Druckschwankungen am Eingang und am Ausgang des Ventils konstant. Hierzu wird dem eigentlichen Ventil eine Messblende nachgeschaltet, wobei über eine Regelleitung der Druck in der Messblendenöffnung gemessen wird. Zudem wird der Druck auf der Hochdruckseite und auf der Niederdruckseite des Ventils gemessen. Es sind somit drei Druckmessungen sowie entsprechende Eingangsgrößen für den Regler notwendig.
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Eine Regelung des Massenstroms ist bei einer nicht-kritischen Durchströmung der Düse nicht mehr möglich, jedoch für den hier betrachteten Einsatzfall auch nicht mehr notwendig. Das hier vorgestellte System öffnet das Ventil nämlich bei niedrigem Vordruck, also bei ausreichend abgesenktem Druck im Drucksystem, einfach vollständig.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Entspannungssystems. Zur Erzeugung eines konstanten Massenstroms regelt der Nachdruckregler den Druck an der Stelle im Inneren der Düse, mit der die Regelleitung des Nachdruckreglers verbunden ist, auf einen konstanten Wert. Hierdurch gelingt, wie oben beschrieben, eine Regelung des Massenstroms mit einem Nachdruckregler mit einer einzigen Regelleitung.
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Wenn das Entlastungssystem vorzugsweise drucklos betrieben wird und insbesondere auch im maximalen Auslegungsfall nur einen sehr geringen Betriebsdruck aufweist, findet im Einsatzfall der Entspannung, insbesondere der Not- oder Schnellentspannung eines unter Druck stehenden Drucksystems, in der durchströmten Düse eine kritische Durchströmung statt. Kritische Durchströmung findet statt, sobald das Verhältnis Druck auf der Hochdruckseite/Druck auf der Niederdruckseite = (2/(kappa + 1))^(kappa/(kappa – 1)) (= kritisches Druckverhältnis) erreicht oder überkritische Druckverhältnisse Druck auf der Hochdruckseite/Druck auf der Niederdruckseite < (2/(kappa + 1))^(kappa/(kappa – 1)) vorliegen, wobei kappa = Cp/Cv.
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Für LNG (kappa ~1.3) errechnet sich das kritische Druckverhältnis zu 0.545.
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Solche Druckverhältnisse führen dazu, dass die Strömungsgeschwindigkeit im kleinsten Strömungsquerschnitt der Düse bzw. in der Blendenöffnung der Blende Schallgeschwindigkeit ist In diesem Fall ist der abgeführte Massenstrom linear abhängig vom Vordruck an der Eintrittsseite der Düse, der näherungsweise wiederum proportional zum Druck am kleinsten Strömungsquerschnitt der Düse ist.
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Insbesondere ist es auch vorteilhaft, wenn das durchströmte Ventil im Prozess bei einem kritischen oder überkritischen Druckverhältnis von Druck auf der Hochdruckseite zum Druck auf der Niederdruckseite des Ventils betrieben wird.
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Das erfindungsgemäße Entspannungssystem und das entsprechende Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems sind besonders gut zur Schnell-/Notentspannung für den gasförmigen Inhalt von Drucksystemen, wie Anlagenteile, geeignet.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenbeschreibung
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der beigefügten Zeichnung schematisch dargestellt:
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1 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Entspannungssystems.
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In der einzigen 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Entspannungssystems schematisch dargestellt. Im hier behandelten Ausführungsbeispiel dient das Entspannungssystem der Schnell- bzw. Notentspannung eines Anlagenteils einer LNG-Anlage. Das Drucksystem 8 bezeichnet den im Notfall zu entspannenden Anlagenteil. Die Bezugsziffer 9 bezeichnet das Entlastungssystem, dem der Inhalt des Anlagenteils über das Entspannungssystem zugeführt wird. Bei dem Entlastungssystem in diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich typischerweise um ein Fackelsystem, das drucklos betrieben wird. Im Notfall bewirkt das Entspannungssystem eine Druckreduktion des Drucksystems 8 auf 50% innerhalb von fünfzehn Minuten.
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Im vorliegend betrachteten Fall liegen bei den typischen Drücken im Drucksystem 8 ab etwa 1.65 bar. absolut [kappa = 1.001] und dem drucklos betriebenen Entlastungssystem 9 bei geöffnetem Ventilzustand überkritische Druckverhältnisse vor. Die Hochdruckseite des Ventils 1 des Entspannungssystems ist mit 6 bezeichnet, während die Niederdruckseite des Ventils 1 mit 10 bezeichnet ist.
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Das Ventil 1 verfügt über einen Nachdruckregler 7, dem über die Regelleitung 5 Ist-Werte des Drucks zugeführt werden. Der Druck wird im Inneren der Düse 11 gemessen, die sich auf der Niederdruckseite 10 des Ventils 1 befindet. Statt der dargestellten Düse 11 kann auch eine (an sich bekannte) (Mess-)Blende eingesetzt werden. Die Regelleitung 5 ist an der Stelle des geringsten Querschnitts 3 der Düse 11 mit dieser verbunden. Der eigenmediumgesteuerte Nachdruckregler 7 hält den Druck am geringsten Querschnitt 3 der Düse 11 konstant. Hierdurch wird, wie unten nochmals erläutert, ein konstanter Massenstrom bei geöffnetem Ventilzustand erzeugt. Hierzu genügt eine einzige Regelleitung 5 im Gegensatz zu bekannten Mengenbegrenzungsventilen, bei denen zusätzlich der Druck auf der Hochdruckseite 6 und auf der Niederdruckseite 10 des Ventils 1 gemessen werden muss.
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Im Entspannungsfall liegt zwischen Eingangsseite 2 und Ausgangsseite 4 der Düse 11 eine überkritische Druckdifferenz vor. Somit herrscht im kleinsten Strömungsquerschnitt 3 der Düse 11 Schallgeschwindigkeit. Der Druck im kleinsten Strömungsquerschnitt 3 ist in diesem Fall nur abhängig vom Vordruck auf der Eintrittsseite 2 der Düse 11 sowie der von den Einströmbedingungen abhängigen Temperatur an der Stelle des kleinsten Strömungsquerschnitts 3. Der abgeführte Massenstrom ist seinerseits zur Strömungsgeschwindigkeit und zum Druck am kleinsten Strömungsquerschnitt 3 proportional. Da als Strömungsgeschwindigkeit Schallgeschwindigkeit vorliegt und der Druck im kleinsten Strömungsquerschnitt 3 im Wesentlichen nur vom Vordruck abhängt bzw. als linear abhängig von diesem Vordruck angesetzt werden kann, kann in gleicher Weise der abgeführte Massenstrom als linear abhängig vom Vordruck auf der Eintrittsseite 2 der Düse 11 angesetzt werden. Wird nun dieser Vordruck oder wie in 1 gezeigt, der leichter zu regelnde Druck am kleinsten Strömungsquerschnitt 3 der Düse 11 konstant gehalten, so ergibt sich ein konstanter Massenstrom über die Düse 11.
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Im Notentspannungsfall gelangt somit ein konstanter Massenstrom in das Entlastungssystem/Fackelsystem 9, so dass keine Massenstromspitzen auftreten, auf die hin bisher das Entlastungssystem ausgelegt sein musste.
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Das beschriebene Entspannungssystem kann mit einem technisch einfachen Aufbau mit nur einer einzigen Druckmessung den maximal abgeführten Massenstrom über das Ventil 1 begrenzen, wobei diese Begrenzung im Wesentlichen unabhängig von dem Druck im Drucksystem 8 sowie vom Druck im Entlastungssystem 9 erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventil
- 2
- Eintrittsseite
- 3
- geringster Querschnitt
- 4
- Austrittsseite
- 5
- Regelleitung
- 6
- Hochdruckseite
- 7
- Nachdruckregler
- 8
- Drucksystem
- 9
- Entlastungssystem
- 10
- Niederdruckseite
- 11
- Düse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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