DE102018108214A1 - Tank arrangement and method for level control - Google Patents

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Abstract

Verfahren und Tankanordnung zur Füllstandregelung von kryogenen Medien umfassend: einen Tank (6) mit einer Zuflussleitung (10) und einer Abflussleitung (12), eine Differenzdruck-Messeinrichtung (16), die über eine Anschlussleitung (26) mit einem unteren Tankbereich (28) verbunden ist, in dem der flüssige Anteil des Mediums vorhanden ist, und zudem über eine weitere Anschlussleitung (20) mit einem oberen Tankbereich (22) verbunden ist, in dem der gasförmige Anteil des Mediums vorhanden ist, eine Absolutdruck-Messeinrichtung (18) und/oder einen Temperatursensor (18) zur Messung des Drucks und/oder der Temperatur im oberen Tankbereich (22), einen Verdampfer (38) in einer Zweigleitung (36) zwischen der Zuflussleitung (10) und dem oberen Tankbereich (22), ein zur Druckregelung geeignetes, dem Verdampfer (38) in der Zweigleitung (36) nachgeschaltetes Gasdruck-Stellventil (34) zur Steuerung des Drucks in dem im oberen Tankbereich (22), einen mit der Differenzdruck-Messeinrichtung (16) sowie der Absolutdruck-Messeinrichtung (18) und/oder einen Temperatursensor (18) verbundenen Bodendruckregler (32) zur Ansteuerung des Gasdruck-Stellventils (34), wobei der Bodendruckregler (32) konfiguriert ist, den Druck in dem gasförmigen Anteil des Mediums in dem Tank (6) abhängig von dem Füllstand des flüssigen Anteils des Mediums auf einen konstanten Bodendruck zu regeln.Method and tank arrangement for level control of cryogenic media, comprising: a tank (6) with an inflow line (10) and a discharge line (12), a differential pressure measuring device (16) connected via a connecting line (26) to a lower tank area (28) is connected, in which the liquid portion of the medium is present, and also via another connecting line (20) to an upper tank region (22) is connected, in which the gaseous portion of the medium is present, an absolute pressure measuring device (18) and or a temperature sensor (18) for measuring the pressure and / or the temperature in the upper tank region (22), an evaporator (38) in a branch line (36) between the inflow line (10) and the upper tank region (22) Pressure control suitable, the evaporator (38) in the branch line (36) downstream gas pressure control valve (34) for controlling the pressure in the upper tank area (22), one with the differential pressure measuring device (16) as the absolute pressure measuring device (18) and / or a temperature sensor (18) connected bottom pressure regulator (32) for controlling the gas pressure control valve (34), wherein the bottom pressure regulator (32) is configured, the pressure in the gaseous portion of the medium in the Tank (6) depending on the level of the liquid portion of the medium to a constant ground pressure to regulate.

Description

Die Erfindung betrifft eine Tankanordnung für kryogene Medien und ein Verfahren zur Füllstandsregelung von kryogenen Medien in einer Tankanordnung.The invention relates to a tank arrangement for cryogenic media and to a method for level control of cryogenic media in a tank arrangement.

Aus der DE 20 2014 102 808 U ist eine Tankanordnung zur Füllstandmessung von kryogenen Fluiden bekannt, die einen Tank sowie einen Differenzdruckmesser umfasst, der über eine Fluidleitung mit dem unteren Tankbereich in dem flüssigen Anteil des kryogenen Mediums verbunden ist und zudem über eine weitere Fluidleitung mit dem oberen Tankbereich in dem gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums verbunden ist. Ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Fluids und/oder eine Absolutdruck-Messeinrichtung dient/dienen dazu, den Druck im und/oder die Temperatur des Fluids in dem oberen Tankbereich zu erfassen. Eine Auswerteeinheit, die mit dem Differenzdruckmesser und dem Absolutdruck-Messeinreichung und/oder dem Temperatursensor in Verbindung steht, berechnet anhand der ermittelten Werte den Füllstand. Bei dieser Tankanordnung wird nur der Füllstand gemessen, sodass das Potential dieser Tankanordnung nicht ausgeschöpft werden kann.From the DE 20 2014 102 808 U a tank assembly for level measurement of cryogenic fluids is known, comprising a tank and a differential pressure gauge, which is connected via a fluid line to the lower tank area in the liquid portion of the cryogenic medium and also via a further fluid line to the upper tank area in the gaseous portion of the Cryogenic medium is connected. A temperature sensor for detecting the temperature of the fluid and / or an absolute pressure measuring device serve to detect the pressure in and / or the temperature of the fluid in the upper tank area. An evaluation unit, which communicates with the differential pressure gauge and the absolute pressure measurement submission and / or the temperature sensor, calculates the fill level on the basis of the determined values. In this tank arrangement, only the level is measured so that the potential of this tank assembly can not be exhausted.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tankanordnung bereit zu stellen, durch die nicht nur der Füllstand gemessen werden kann, sondern bei der die Anwendung der bekannten Tankanordnung erweitert und ein energiesparender Betrieb der Tankanordnung erreicht werden soll.The invention has for its object to provide a tank assembly by which not only the level can be measured, but extended in the application of the known tank assembly and energy-saving operation of the tank assembly is to be achieved.

Zur Lösung der Aufgabe umfasst eine erfindungsgemäße Tankanordnung zur Füllstandregelung von kryogenen Medien einen Tank mit einer Zuflussleitung und einer Abflussleitung. Ferner erfasst die Tankanordnung eine Differenzdruck-Messeinrichtung, die über eine Fluidleitung mit einem unteren Tankbereich verbunden ist, in dem der flüssige Anteil des Mediums vorhanden ist sowie über eine weitere Fluidleitung mit einem oberen Tankbereich verbunden ist, in dem der gasförmige Anteil des Mediums als Gasblase vorhanden ist, eine Absolutdruck-Messeinrichtung und/oder einen Temperatursensor zur Messung des Drucks und/oder der Temperatur im oberen Tankbereich. Zudem umfasst die Tankanordnung einen Verdampfer in einer Zweigleitung zwischen der Zuflussleitung und dem oberen Tankbereich des Tanks. Ferner umfasst die Tankanordnung eine Steuereinheit, die ein zur Druckregelung geeignetes, dem Verdampfer in der Zweigleitung nachgeschaltetes Gasdruck-Stellventil zur Steuerung des Drucks in dem oberen Tankbereich, regelt. Ferner umfasst die Steuereinheit und einen mit der Differenzdruck-Messeinrichtung sowie der Absolutdruck-Messeinrichtung und/oder einem Temperatursensor verbundenen Bodendruckregler zur Ansteuerung des Gasdruck-Stellventils, wobei der Bodendruckregler konfiguriert ist, den Druck in dem gasförmigen Anteil des Mediums in dem Tank abhängig von dem Füllstand des flüssigen Anteils des Mediums auf einen konstanten Bodendruck zu regeln.To achieve the object, a tank arrangement according to the invention for level control of cryogenic media comprises a tank with an inflow line and a drain line. Further, the tank assembly detects a differential pressure measuring device, which is connected via a fluid line to a lower tank area in which the liquid portion of the medium is present and is connected via a further fluid line to an upper tank area in which the gaseous portion of the medium as a gas bubble is present, an absolute pressure measuring device and / or a temperature sensor for measuring the pressure and / or the temperature in the upper tank area. In addition, the tank arrangement comprises an evaporator in a branch line between the inflow line and the upper tank area of the tank. Furthermore, the tank arrangement comprises a control unit which regulates a gas pressure control valve which is suitable for pressure control and follows the evaporator in the branch line in order to control the pressure in the upper tank area. Furthermore, the control unit and a ground pressure regulator connected to the differential pressure measuring device and the absolute pressure measuring device and / or a temperature sensor for controlling the gas pressure control valve, wherein the ground pressure regulator is configured, the pressure in the gaseous portion of the medium in the tank depending on the Level of the liquid portion of the medium to a constant ground pressure to regulate.

Wenn der Bodendruck auf den konstanten Sollwert geregelt wird, nimmt der Druck in dem gasförmigen Medium, der zur Aufrecherhaltung des Soll-Bodendrucks erforderlich ist, mit Zunahme des flüssigen Mediums ab, wobei sich eine Einsparung an in dem Betrieb erforderlichen Medium ergibt. Damit wird über die Lebensdauer eine minimal erforderliche Menge an flüssigem Medium verdampft. Wenn das Gasdruck-Stellventil direkt über die Steuereinheit angesteuert wird, die den Absolutdruck und/oder die Temperatur in dem oberen Tankbereich als Regelgröße verwendet, kann die Regeltoleranz verkleinert werden und die Gasblase in dem oberen Tankbereich kann kleiner ausgelegt werden. Schließlich ist vorteilhaft, dass bei der erfindungsgemäßen Tankanordnung die Funktionen des Bodendruckreglers und des Gasdruck-Stellventils sich wechselseitig ergänzen, indem die Gasdruckregelung sowohl zur Regelung der Gasdrucks in der Gasblase in dem oberen Tankbereich als auch zur Bodendruckregelung eingesetzt wird.When the ground pressure is regulated to the constant target value, the pressure in the gaseous medium required to maintain the target ground pressure decreases with increase of the liquid medium, resulting in a saving of required medium in the operation. This evaporates a minimal amount of liquid medium over the lifetime. When the gas pressure control valve is directly driven by the control unit using the absolute pressure and / or the temperature in the upper tank area as a controlled variable, the control margin can be reduced and the gas bubble in the upper tank area can be made smaller. Finally, it is advantageous that in the tank arrangement according to the invention, the functions of the bottom pressure regulator and the gas pressure control valve complement each other by the gas pressure control is used both for controlling the gas pressure in the gas bubble in the upper tank area and for ground pressure control.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in der Steuereinheit ein Speicher vorgesehen, in dem ein Soll-Druck in dem gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums in dem Tank abhängig von dem Füllstand des flüssigen Anteils des kryogenen Mediums vorzugsweise als Funktion oder Tabelle gespeichert ist.According to an advantageous embodiment of the invention, a memory is provided in the control unit, in which a desired pressure in the gaseous portion of the cryogenic medium in the tank is preferably stored as a function or table depending on the level of the liquid portion of the cryogenic medium.

Ein Temperatursensor in der Zweigleitung kann in dem Bereich des Gasdruck-Stellventils zur Regelung der Durchflussgeschwindigkeit derart verwendet werden, dass ein in der Zweigleitung angeordneter Verdampfer in der Lage ist, die von dem Stellventil durchgelassene Gasmenge zu verdampfen. Wenn der Temperatursensor eine Temperatur misst, die auf flüssiges Medium schließen lässt, wird der Durchfluss des Mediums durch das Gasdruck-Stellventil so weit gedrosselt, dass der Verdampfer das an dem Gasdruck-Stellventil ankommende Medium vollständig verdampfen kann, sodass die Tankanordnung störungsfrei arbeiten kann.A temperature sensor in the branch pipe may be used in the region of the gas pressure control valve for controlling the flow rate such that an evaporator disposed in the branch pipe is capable of evaporating the amount of gas passed by the control valve. When the temperature sensor measures a temperature indicative of liquid medium, the flow of the medium through the gas pressure control valve is throttled to the point where the evaporator can completely vaporize the medium arriving at the gas pressure control valve, allowing the tank assembly to operate smoothly.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Tankanordnung eine Durchfluss-Messeinrichtung in der Zuflussleitung und in der Steuereinheit einen Durchflussregler, die konfiguriert sind, den Zufluss der kryogenen Flüssigkeit durch ein Zufluss-Stellventil in der Zuflussleitung zu regeln. Nach einer alternativen Ausführung umfasst die Tankanordnung eine Durchfluss-Messeinrichtung in der Abflussleitung und in der Steuereinheit einen Durchflussregler, die konfiguriert sind, den Abfluss der kryogenen Flüssigkeit durch ein Abfluss-Stellventil in der Abflussleitung zu regeln. Wenn der Zufluss der kryogenen Flüssigkeit zu dem Tank unter Berücksichtigung eines Stellsignals von dem Bodendruckregler und dem Zuflussregler geregelt wird, und wenn der Abfluss der kryogenen Flüssigkeit aus dem Tank unter Berücksichtigung eines Stellsignals des Bodendruckreglers und des Abflussreglers geregelt wird, dann kann in vorteilhafter Weise der für die Soll-Abflussgeschwindigkeit bzw. die Soll-Zuflussgeschwindigkeit erforderliche Bodendruck so eingestellt werden, dass die Vorgaben dafür erfüllt werden und dass eine vorgegebene Abfluss- bzw. Zufluss-Geschwindigkeit konstant gehalten werden kann. Dadurch kann auch eine wesentlich genauere und vor allem sicherere Befüllung und Entleerung des Tanks erreicht werden.According to an advantageous embodiment of the invention, the tank arrangement comprises a flow measuring device in the inflow line and in the control unit a flow regulator configured to control the inflow of the cryogenic liquid through an inflow control valve in the inflow line. According to an alternative embodiment, the tank arrangement comprises a flow meter in the drain line and in the control unit a flow regulator configured to To regulate outflow of cryogenic liquid through a drain control valve in the drain line. When the inflow of the cryogenic liquid to the tank is controlled in consideration of a control signal from the bottom pressure regulator and the inflow controller, and when the outflow of the cryogenic liquid from the tank is controlled taking into account a control signal of the bottom pressure regulator and the outflow regulator, then advantageously For the target discharge velocity or the target inflow rate required ground pressure can be adjusted so that the specifications are met and that a predetermined outflow or inflow rate can be kept constant. As a result, a much more accurate and above all safer filling and emptying of the tank can be achieved.

Zur Lösung der Aufgabe umfasst ein Verfahren zur Füllstandregelung von kryogenen Medien gemäß der Erfindung die Merkmale von Anspruch 7, während vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in den restlichen Unteransprüchen charakterisiert werden. Die Vorteile werden analog zu denen der Tankanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6 erreicht.To achieve the object, a method for level control of cryogenic media according to the invention comprises the features of claim 7, while advantageous embodiments of the method according to the invention are characterized in the remaining subclaims. The advantages are achieved analogously to those of the tank arrangement according to claims 1 to 6.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.Further advantages, features and possible applications of the present invention will become apparent from the following description in conjunction with the embodiments illustrated in the drawings.

In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:

  • 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Tankanordnung, und
  • 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Tankanordnung.
In the description, the claims, and the drawing, the terms and associated reference numerals used in the list of reference numerals below are used. In the drawing:
  • 1 a schematic representation of a first embodiment of the tank assembly according to the invention, and
  • 2 a schematic representation of a second embodiment of the tank assembly according to the invention.

1 zeigt eine Tankanordnung 2 zur Regelung des Füllstands 4 in einem Tank 6, der mit einem kryogenen Medium 8 zu befüllen ist. Der Tank 6 ist mit einer Zuflussleitung 10 und einer Abflussleitung 12 verbunden. Die Tankanordnung 2 umfasst eine Steuereinheit 14A, die mit einer Differenzdruck-Messeinrichtung 16, einer Absolutdruck-Messeinrichtung 18 und einem Durchfluss-Sensor in der Abflussleitung 12 zur Aufnahme von Messsignalen verbunden ist. Die Absolutdruck-Messeinrichtung 18 ist über eine Anschlussleitung 20 mit einem oberen Tankbereich 22 verbunden und erfasst entsprechend den absoluten Druck in der Gasblase in dem oberen Tankbereich 22. Die Differenzdruck-Messeinrichtung 16 ist durch eine Anschlussleitung mit dem oberen Tankbereich 22 und mit einer Anschlussleitung 26 mit dem unteren Tankbereich 28 verbunden, in dem der flüssige Anteil des flüssigen Mediums vorhanden ist. Die Differenzdruck- Messeinrichtung 16 erfasst daher den Differenzdruck zwischen dem Druck in dem oberen Tankbereich 22 und in dem unteren Tankbereich 28. 1 shows a tank arrangement 2 for regulating the level 4 in a tank 6 that with a cryogenic medium 8th to be filled. The Tank 6 is with an inflow line 10 and a drainage line 12 connected. The tank arrangement 2 includes a control unit 14A equipped with a differential pressure measuring device 16 , an absolute pressure measuring device 18 and a flow sensor in the drain line 12 connected to receive measurement signals. The absolute pressure measuring device 18 is via a connection cable 20 with an upper tank area 22 connected and accordingly detects the absolute pressure in the gas bubble in the upper tank area 22 , The differential pressure measuring device 16 is through a connecting line to the upper tank area 22 and with a connecting cable 26 with the lower tank area 28 connected, in which the liquid portion of the liquid medium is present. The differential pressure measuring device 16 therefore detects the differential pressure between the pressure in the upper tank area 22 and in the lower tank area 28 ,

Die Differenzdruck-Messeinrichtung 16 und die Absolutdruck-Messeinrichtung 18 sind mit einer Steuereinheit 14A verbunden, in der für unterschiedliche Medien Siedekurven und Dichtekurven zur Auswahl hinterlegt sind. Diese Medien sind beispielsweise Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Kohlendioxid oder Erdgas. Mit den Messwerten des Absolutdrucks sowie des Differenzdrucks kann unter Berücksichtigung der auf der Steuereinheit 14A hinterlegten Daten eine genaue Berechnung des Volumens des in flüssigem Aggregatszustand befindlichen Mediums und damit des Füllstands erfolgen.The differential pressure measuring device 16 and the absolute pressure measuring device 18 are with a control unit 14A connected, in which boiling curves and density curves are available for selection for different media. These media are, for example, nitrogen, oxygen, argon, carbon dioxide or natural gas. With the measured values of the absolute pressure as well as the differential pressure can be considered taking into account the on the control unit 14A stored data accurate calculation of the volume of liquid state in the medium state and thus the level done.

Die Steuereinheit 14A umfasst einen Speicher 30, in dem Siedekurven und Dichtekurven für unterschiedliche Medien, das heißt Soll-Druckwerte für den Druck in dem gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums in dem Tank 6 abhängig von dem Füllstand des flüssigen Anteils des kryogenen Mediums als Tabelle oder Funktion gespeichert sind.The control unit 14A includes a memory 30 in which boiling curves and density curves for different media, that is, target pressure values for the pressure in the gaseous portion of the cryogenic medium in the tank 6 are stored as a table or function depending on the level of the liquid portion of the cryogenic medium.

Die Steuereinheit 14A umfasst weiterhin einen Bodendruckregler 32, der als Eingang die Ausgangssignale der Differenzdruck-Messeinrichtung 16 und der Absolutdruck-Messeinrichtung 18 erhält und ein Steuersignal für die Regelgröße YpB ausgibt, das ein Gasdruck-Stellventil 34 ansteuert, mit dem der Druck in der Gasblase in dem oberen Tankbereich 22 entsprechend der Regelgröße YpB gesteuert wird. Das Gasdruck-Stellventil 34 liegt in einer Zweigleitung 36 von der Zuflussleitung 10 zu dem oberen Tankbereich 22 und steuert zusammen mit einen Verdampfer 38, der in der Zweigleitung 36 zwischen der Zuflussleitung 10 und dem Gasdruck-Stellventil 34 positioniert ist, den Zufluss von verdampftem Medium in den oberen Tankbereich 22. Wenn der Druck in dem oberen Tankbereich 22 zu hoch wird, wird der Druck über ein Überlaufventil 40 entlastet. Wenn der Druck in dem oberen Tankbereich 22 zu niedrig ist, wird flüssiges Medium an den Verdampfer 38 geliefert, dort verdampft und über das Gasdruck-Stellventil 34 an den oberen Tankbereich 22 geliefert, bis ein entsprechender Solldruck in dem oberen Tankbereich 22 erreicht ist, worauf das Gasdruck-Stellventil 34 wieder geschlossen wird.The control unit 14A further includes a bottom pressure regulator 32 , which as input the output signals of the differential pressure measuring device 16 and the absolute pressure measuring device 18 receives and a control signal for the controlled variable Y pB which outputs a gas pressure control valve 34 with which the pressure in the gas bubble in the upper tank area 22 according to the controlled variable Y pB is controlled. The gas pressure control valve 34 lies in a branch line 36 from the inflow line 10 to the upper tank area 22 and controls together with an evaporator 38 who is in the branch line 36 between the inflow line 10 and the gas pressure control valve 34 is positioned, the inflow of vaporized medium in the upper tank area 22 , When the pressure in the upper tank area 22 gets too high, the pressure is over an overflow valve 40 relieved. When the pressure in the upper tank area 22 too low, liquid medium is added to the evaporator 38 delivered, evaporated there and via the gas pressure control valve 34 to the upper tank area 22 delivered until a corresponding target pressure in the upper tank area 22 is reached, whereupon the gas pressure control valve 34 closed again.

Die Steuereinheit 14A umfasst einen Durchflussregler 42, der als Eingang das Ausgangssignal der Durchfluss-Messeinrichtung 44 erhält und ein Durchfluss-Steuersignal für die Regelgröße YQAUS ausgibt, das ein Durchfluss-Stellventil 45 ansteuert, mit dem der Durchfluss in der Abflussleitung 12 entsprechend der Regelgröße YQAUS gesteuert wird. Das Durchfluss-Stellventil 45 liegt in der Abflussleitung 12 stromab von der Durchfluss-Messeinrichtung 44. Der Durchflussregler 42 regelt den Durchfluss über einen Regelalgorithmus für den Durchfluss Qaus , indem ein Durchfluss-Steuersignal für die Regelgröße YQAUS an den Durchflussregler 42 abgegeben wird. e Qaus = Q AUS SOLL Q AUS IST

Figure DE102018108214A1_0001
y Qaus = f ( e Qaus e ˙ Qaus e Qaus  dt )
Figure DE102018108214A1_0002
wobei eQaus die Regeldifferenz für die Durchflussgeschwindigkeit in der Abflussleitung, QAUS SOLL die Soll-Durchflussgeschwindigkeit in der Abflussleitung, QAUS IST die Ist-Durchflussgeschwindigkeit in der Abflussleitung, YQAUS die Regelgröße für die Durchflussgeschwindigkeit in der Abflussleitung, , ėQaus die zeitliche Ableitung der Regeldifferenz und ∫eQaus dt das Integral von der Regeldifferenz nach der Zeit bedeutet.The control unit 14A includes a flow regulator 42 , which as input the output signal of the flow measuring device 44 receives and a flow control signal for the controlled variable Y QAUS which outputs a flow control valve 45 controls, with the flow in the drain line 12 according to the controlled variable Y QAUS is controlled. The flow control valve 45 is in the drainage line 12 downstream of the flowmeter 44 , The flow regulator 42 regulates the flow through a flow control algorithm Q out by providing a flow control signal for the controlled variable Y QAUS to the flow regulator 42 is delivered. e Qaus = Q OFF SHOULD - Q IS OVER
Figure DE102018108214A1_0001
y Qaus = f ( e Qaus . e ˙ Qaus . e Qaus dt )
Figure DE102018108214A1_0002
in which e Qaus the control difference for the flow rate in the drain line, Q OFF SET the target flow rate in the drain line, Q IS OFF the actual flow rate in the drain line, Y QAUS the control variable for the flow velocity in the discharge line,, ė Qout the time derivative of the control difference and ∫e Qaus dt the integral of the control difference after the time.

Schließlich ist zur Regelung der Durchflussgeschwindigkeit des Mediums in der Zweigleitung 36 zwischen dem Gasdruck-Stellventil 34 in der Zweigleitung 36 und dem oberen Tankbereich 22 ein Temperatursensor 46 angeordnet, der die Temperatur des Mediums in der Zweigleitung 36 misst und die entsprechenden Messwerte an die Steuereinheit 14A abgibt. In der Steuereinheit 14A wird sodann festgestellt, ob die Temperatur des Mediums an dem Temperatursensor 46 in einem Bereich liegt, in dem das kryogene Medium flüssig ist. Wenn ja wird der Durchfluss durch den Verdampfer so weit gedrosselt, dass der Verdampfer 38 in der Lage ist, die von dem Gasdruck-Stelleventil 34 durchgelassene Gasmenge zu verdampfen. Damit wird sichergestellt, dass kein flüssiges Medium über die Zweigleitung 36 in den oberen Tankbereich 22 gelangt.Finally, to regulate the flow rate of the medium in the branch line 36 between the gas pressure control valve 34 in the branch line 36 and the upper tank area 22 a temperature sensor 46 arranged, which determines the temperature of the medium in the branch line 36 measures and the appropriate readings to the control unit 14A emits. In the control unit 14A it is then determined whether the temperature of the medium at the temperature sensor 46 is in a range in which the cryogenic medium is liquid. If so, the flow through the evaporator is throttled so far that the evaporator 38 is capable of that of the gas pressure control valve 34 to let vaporized gas flow through. This will ensure that there is no liquid medium over the branch line 36 in the upper tank area 22 arrives.

Die erfindungsgemäße Tankanordnung ist so ausgelegt, dass aus den Messwerten für den Differenzdruck zwischen dem Druck in dem gasförmigen Medium und dem Druck in dem flüssigen Medium, für den Absolutdruck bzw. die Temperatur in dem gasförmigen Medium ein Solldruck in dem gasförmigen Medium bestimmt wird, sodass der Bodendruck unabhängig von dem Füllstand konstant gehalten wird, wobei der Soll-Bodendruck für eine bestimmte Tankanordnung und ein bestimmtes Gas beispielsweise herstellerseitig vorgegeben wird. Die Regelung des Soll-Bodendrucks erfolgt dazu nach folgenden Formeln: e pB = p _ B SOLL p B IST

Figure DE102018108214A1_0003
y pB = f ( e pB ,   e ˙ pB ,   e pB  dt )
Figure DE102018108214A1_0004
wobei epB die Regeldifferenz für den Bodendruck, pB SOLL der Soll-Bodendruck, pB IST der Ist-Bodendruck und YpB das Stellsignal am Ausgang des Bodendruckreglers, ėpB die zeitliche Ableitung der Regeldifferenz und ∫epB dt das Integral von der Regeldifferenz nach der Zeit bedeutet.The tank arrangement according to the invention is designed such that a desired pressure in the gaseous medium is determined from the measured values for the differential pressure between the pressure in the gaseous medium and the pressure in the liquid medium, for the absolute pressure or the temperature in the gaseous medium the ground pressure is kept constant regardless of the level, wherein the target ground pressure for a particular tank assembly and a specific gas, for example, manufacturer specified. The regulation of the desired ground pressure is carried out according to the following formulas: e pB = p _ B SHOULD - p B IS
Figure DE102018108214A1_0003
y pB = f ( e pB . e ˙ pB . e pB dt )
Figure DE102018108214A1_0004
in which e pB the control difference for ground pressure, p B SHOULD the desired ground pressure, p B IS the actual ground pressure and Y pB the control signal at the output of the bottom pressure controller, ě pB the time derivative of the control difference and ∫e pB dt the integral of the control difference after the time means.

Da in einer derartigen Regelung der Gasdruck in dem oberen Tankbereich 22 über das Gasdruck-Stellventil 34 geregelt wird, kann der Bodendruck pB über einen veränderlichen Gasdruck konstant gehalten werden, indem der Gasdruck auf den Bodendruck pB abzüglich des aktuellen Differenzdrucks Δp geregelt wird. Berechnet wird der Gasdruck-Sollwert aus der Vorgabe des Betreibers für den Bodendruck pB und aus dem Differenzdruck Δp, der an der Differenzdruck-Messeinrichtung gemessen wird, nach folgenden Formeln: p gas = p B Δ p

Figure DE102018108214A1_0005
p B = const
Figure DE102018108214A1_0006
Because in such a scheme, the gas pressure in the upper tank area 22 via the gas pressure control valve 34 is regulated, the ground pressure can p B be kept constant over a variable gas pressure by the gas pressure on the ground pressure p B minus the actual differential pressure Δp is controlled. The gas pressure setpoint is calculated from the specification of the operator for the ground pressure p B and from the differential pressure Δp measured at the differential pressure measuring device according to the following formulas: p gas = p B - Δ p
Figure DE102018108214A1_0005
p B = const
Figure DE102018108214A1_0006

2 zeigt eine abgewandelte Ausführung der erfindungsgemäßen Tankanordnung 2 von 1, wobei gleiche Bezugszeichen für entsprechende Teile verwendet werden. Insbesondere der Bodendruckregler 32 zur Regelung des Bodendrucks, die Gasdruckregelung durch das Gasdruck-Stellventil 34, der Temperatursensor 46 und der Durchfluss- Regelkreis sind in 2 analog zu den entsprechenden Einheiten in 1 ausgebildet. 2 shows a modified embodiment of the tank assembly according to the invention 2 from 1 , wherein like reference numerals are used for corresponding parts. In particular, the bottom pressure regulator 32 to regulate the ground pressure, the gas pressure control by the gas pressure control valve 34 , the temperature sensor 46 and the flow control circuit are in 2 analogous to the corresponding units in 1 educated.

Die Steuereinheit 14B umfasst einen Durchflussregler 50, der als Eingang das Ausgangssignal der Durchfluss- Messeinrichtung 52 erhält und ein Durchfluss-Steuersignal für die Regelgröße Y0ein über einen Regelalgorithmus für den Durchfluss Qein ausgibt, das ein Durchfluss-Stellventil 54 ansteuert, mit dem der Durchfluss in der Auslassleitung 10 entsprechend der Regelgröße Y0ein gesteuert wird. Das Durchfluss-Stellventil 54 liegt in der Zuflussleitung 10 des Tanks 6 stromauf von der Durchfluss-Messeinrichtung 52 und regelt den Durchfluss durch ein Steuersignal für die Regelgröße Y0ein , das von dem Durchflussregler 50 an das Durchfluss-Stellventil 54 abgegeben wird. Die Regelgröße Y0ein wird wie folgt ermittelt: e Qein = Q EIN SOLL Q EIN IST

Figure DE102018108214A1_0007
y Qein = f ( e Qein e ˙ Qein e Qein  dt )
Figure DE102018108214A1_0008
wbei eQein die Regeldifferenz für die Durchflussgeschwindigkeit in der Zuflussleitung, Q EIN SOLL die Soll-Durchflussgeschwindigkeit in der Zuflussleitung, Q EIN IST die Ist- Durchflussgeschwindigkeit in der Zuflussleitung, YQAUS die Regelgröße für die Durchflussgeschwindigkeit in der Zuflussleitung, , ėQEIN die zeitliche Ableitung der Regeldifferenz und ∫eQEIN dt das Integral von der Regeldifferenz nach der Zeit bedeutet.The control unit 14B includes a flow regulator 50 , which as input the output signal of the flow measuring device 52 receives and a flow control signal for the controlled variable Y 0ein via a control algorithm for the flow Q is a which outputs a flow control valve 54 controls, with which the flow in the outlet pipe 10 according to the controlled variable Y 0ein is controlled. The flow control valve 54 lies in the inflow line 10 of the tank 6 upstream of the flowmeter 52 and regulates the flow through a control signal for the controlled variable Y 0ein that of the flow regulator 50 to the flow control valve 54 is delivered. The controlled variable Y 0ein is determined as follows: e Qin = Q A TARGET - Q ONE IS
Figure DE102018108214A1_0007
y Qin = f ( e Qin . e ˙ Qin . e Qin dt )
Figure DE102018108214A1_0008
wbei e Qein the control difference for the flow rate in the inflow line, Q ONE SHOULD the desired flow rate in the inflow line, Q IS ON the actual flow rate in the inflow pipe, Y QAUS the control variable for the flow velocity in the inflow pipe,, ė QEIN means the time derivative of the control difference and ∫e QEIN dt means the integral of the control difference after the time.

Im Unterschied zu 1 wird in der Tankanordnung von 2 die Durchflussgeschwindigkeit in der Zuflussleitung 10 geregelt. Dazu ist anstelle der Absolutdruck-Messeinrichtung 18 in 1 ein Temperatursensor 56 in 2 vorgesehen, der die Temperatur des gasförmigen Anteils des Mediums in dem oberen Tankbereich 22 erfasst. Da der Gasdruck und die Temperatur über die Siedekurve gekoppelt sind, kann auch aufgrund der Kenntnis von Differenzdruck und Temperatur der Füllstand in dem Tank 6 berechnet werden.In contrast to 1 is in the tank arrangement of 2 the flow rate in the inflow pipe 10 regulated. This is in place of the absolute pressure measuring device 18 in 1 a temperature sensor 56 in 2 provided that the temperature of the gaseous portion of the medium in the upper tank area 22 detected. Since the gas pressure and the temperature are coupled via the boiling curve, the level in the tank can also be due to the knowledge of differential pressure and temperature 6 be calculated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

22
Tankanordnungtank assembly
44
Füllstandlevel
66
Tanktank
88th
Mediummedium
1010
Zuflussleitunginflow line
1212
Abflussleitungdrain line
14A14A
Steuereinheitcontrol unit
14B14B
Steuereinheitcontrol unit
1616
Differenzdruck-MesseinrichtungDifferential pressure measuring device
1818
Absolutdruck-MesseinrichtungAbsolute pressure measuring device
2020
Anschlussleitungconnecting cable
2222
oberer Tankbereichupper tank area
2424
Anschlussleitungconnecting cable
2626
Anschlussleitungconnecting cable
2828
unterer Tankbereichlower tank area
3030
SpeicherStorage
3232
BodendruckreglerGround pressure regulator
3434
Gasdruck-SteuerventilGas pressure control valve
3636
Zweigleitungbranch line
3838
VerdampferEvaporator
4040
ÜberlaufventilOverflow valve
4242
DurchflussreglerFlow Controllers
4444
Durchfluss-MesseinrichtungFlow measurement device
4545
Durchfluss-StellventilFlow control valve
4646
Temperatursensortemperature sensor
5050
DurchflussreglerFlow Controllers
5252
Durchfluss-MesseinrichtungFlow measurement device
5454
Durchfluss-StellventilFlow control valve
5656
Temperatursensortemperature sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 202014102808 U [0002]DE 202014102808 U [0002]

Claims (11)

Tankanordnung zur Füllstandregelung von kryogenen Medien umfassend: einen Tank (6) mit einer Zuflussleitung (10) und einer Abflussleitung (12), eine Differenzdruck-Messeinrichtung (16), die über eine Fluidleitung (26) mit einem unteren Tankbereich (28) verbunden ist, in dem der flüssige Anteil des Mediums vorhanden ist, und zudem über eine weitere Fluidleitung (20) mit einem oberen Tankbereich (22) verbunden ist, in dem der gasförmige Anteil des Mediums vorhanden ist, eine Absolutdruck-Messeinrichtung (18) und/oder einen Temperatursensor (18) zur Messung des Drucks und/oder der Temperatur im oberen Tankbereich (22), einen Verdampfer (38) in einer Zweigleitung (36) zwischen der Zuflussleitung (10) und dem oberen Tankbereich (22), eine Steuereinheit (14A, 14B), die ein zur Druckregelung geeignetes, dem Verdampfer (38) in der Zweigleitung (36) nachgeschaltetes Gasdruck-Stellventil (34) zur Steuerung des Drucks in dem im oberen Tankbereich (22) regelt, und einen mit der Differenzdruck-Messeinrichtung (16) sowie der Absolutdruck-Messeinrichtung (18) und/oder einen Temperatursensor (18) verbundenen Bodendruckregler (32) zur Ansteuerung des Gasdruck-Stellventils (34) umfasst, wobei der Bodendruckregler (32) konfiguriert ist, den Druck in dem gasförmigen Anteil des Mediums in dem Tank (6) abhängig von dem Füllstand des flüssigen Anteils des Mediums auf einen konstanten Bodendruck zu regeln.Tank arrangement for level control of cryogenic media comprising: a tank (6) with an inflow line (10) and a discharge line (12), a differential pressure measuring device (16) which is connected via a fluid line (26) to a lower tank region (28) in which the liquid portion of the medium is present, and also via a further fluid line (20) having an upper tank region (22 ) in which the gaseous portion of the medium is present, an absolute pressure measuring device (18) and / or a temperature sensor (18) for measuring the pressure and / or the temperature in the upper tank region (22), an evaporator (38) in a branch line (36) between the inflow line (10) and the upper tank area (22), a control unit (14A, 14B) which is suitable for pressure regulation, the evaporator (38) in the branch line (36) downstream gas pressure control valve (34) for controlling the pressure in the upper tank region (22) controls, and connected to the differential pressure measuring device (16) and the absolute pressure measuring device (18) and / or a temperature sensor (18) ground pressure regulator ( 32) for actuating the gas pressure control valve (34), wherein the bottom pressure regulator (32) is configured to increase the pressure in the gaseous portion of the medium in the tank (6) to a constant bottom pressure depending on the level of the liquid portion of the medium regulate. Tankanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (14B, 14B) ein Speicher (30) vorgesehen ist, in dem ein Soll-Druck in dem gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums in dem Tank (6) abhängig von dem Füllstand des flüssigen Anteils des kryogenen Mediums gespeichert ist.Tank arrangement after Claim 1 , characterized in that in the control unit (14B, 14B) a memory (30) is provided, in which a desired pressure in the gaseous portion of the cryogenic medium in the tank (6) depending on the level of the liquid portion of the cryogenic medium is stored. Tankanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Speicher (30) in der Steuereinheit (14B, 14B) der Soll-Druck in dem gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums in dem Tank abhängig von dem Füllstand des flüssigen Anteils des kryogenen Mediums als Funktion oder Tabelle gespeichert ist.Tank arrangement after Claim 2 characterized in that in the memory (30) in the control unit (14B, 14B) the desired pressure in the gaseous portion of the cryogenic medium in the tank is stored as a function or table depending on the liquid level of the cryogenic medium. Tankanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (46) in der Zweigleitung (36) in dem Bereich des Gasdruck-Stellventils (34) zur Regelung der Durchflussgeschwindigkeit verwendet wird, derart, dass ein in der Zweigleitung (36) angeordneter Verdampfer (38) in der Lage ist, die von dem Gasdruck-Stellventil (34) durchgelassene Gasmenge zu verdampfen.Tank arrangement after Claim 2 or 3 characterized in that a temperature sensor (46) is used in the branch line (36) in the region of the gas pressure control valve (34) for regulating the flow rate, such that an evaporator (38) disposed in the branch line (36) in the It is able to vaporize the amount of gas passed by the gas pressure control valve (34). Tankanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchfluss-Messeinrichtung (52) in der Zuflussleitung (10) und in der Steuereinheit (14B, 14B) ein Durchflussregler (50) vorgesehen sind, die konfiguriert sind, den Zufluss der kryogenen Flüssigkeit durch ein Zufluss-Stellventil (54) in der Zuflussleitung (10) zu regeln.Tank arrangement according to one of the Claims 1 to 4 characterized in that a flow meter (52) is provided in the inflow conduit (10) and in the control unit (14B, 14B) a flow regulator (50) configured to control the inflow of the cryogenic fluid through an inflow control valve (10). 54) in the inflow line (10). Tankanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchfluss-Messeinrichtung (44) in der Abflussleitung (12) und in der Steuereinheit (14B, 14B) ein Durchflussregler (42) vorgesehen sind, die konfiguriert sind, den Abfluss der kryogenen Flüssigkeit durch ein Abfluss-Stellventil (45) in der Abflussleitung (12) zu regeln.Tank arrangement according to one of the Claims 1 to 3 characterized in that a flow meter (44) is provided in the drain line (12) and in the control unit (14B, 14B) comprises a flow regulator (42) configured to control the flow of cryogenic fluid through a drain control valve (14). 45) in the drain line (12). Verfahren zur Füllstandregelung von kryogenen Medien in einem Tank umfassend: Messen eines Differenzdrucks durch eine Differenzdruck-Messeinrichtung (16), die über eine Anschlussleitung (26) mit dem unteren Tankbereich (28) verbunden ist und zudem über eine weitere Anschlussleitung (20) mit dem oberen Tankbereich (22) verbunden ist, Messen eines Absolutdrucks durch eine Absolutdruck-Messeinrichtung (18) und/oder einen Temperatursensor (56) im oberen Tankbereich (22) im gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums, sowie Steuern des Drucks in dem gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums in dem Tank (6) durch ein Gasdruck-Stellventil (34), dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in dem gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums durch das Gasdruck-Stellventil (34) in einer Zweigleitung (36) zwischen einer Zuflussleitung (10) und dem oberen Tankbereich (22) geregelt wird, und das Ansteuern des Gasdruck-Stellventils (34) durch einen mit der Differenzdruck-Messeinrichtung (16) verbundene Bodendruckregler (32) erfolgt, wobei der Bodendruckregler (32) den Druck in dem gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums in dem Tank (6) abhängig von dem Füllstand des flüssigen Anteils des kryogenen Mediums auf einen konstanten Bodendruck regelt.A method for level control of cryogenic media in a tank comprising: measuring a differential pressure by a differential pressure measuring device (16) which is connected via a connecting line (26) to the lower tank region (28) and also via a further connecting line (20) with the upper tank area (22), measuring an absolute pressure by an absolute pressure measuring device (18) and / or a temperature sensor (56) in the upper tank area (22) in the gaseous portion of the cryogenic medium, and controlling the pressure in the gaseous portion of the cryogenic medium Medium in the tank (6) by a gas pressure control valve (34), characterized in that the pressure in the gaseous portion of the cryogenic medium by the gas pressure control valve (34) in a branch line (36) between an inflow line (10) and the upper tank area (22) is controlled, and the driving of the gas pressure control valve (34) by a connected to the differential pressure measuring device (16) Bod Enddruckregler (32), wherein the bottom pressure regulator (32) regulates the pressure in the gaseous portion of the cryogenic medium in the tank (6) depending on the level of the liquid portion of the cryogenic medium to a constant ground pressure. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bodendruckregler (32) ein Soll-Druck in dem gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums in dem Tank (6) abhängig von dem Füllstand des flüssigen Anteils des kryogenen Mediums gespeichert wird.Method according to Claim 7 , characterized in that in the bottom pressure regulator (32) a target pressure in the gaseous portion of the cryogenic medium in the tank (6) is stored depending on the level of the liquid portion of the cryogenic medium. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Speicher (30) in dem Bodendruckregler (32) der Soll-Druck in dem gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums in dem Tank (6) abhängig von dem Füllstand des flüssigen Anteils des kryogenen Mediums als Funktion oder Tabelle gespeichert wird.Method according to Claim 7 or 8th , characterized in that in the memory (30) in the ground pressure regulator (32) the target pressure in the gaseous portion of the cryogenic medium in the tank (6) is stored as a function or table depending on the level of the liquid portion of the cryogenic medium , Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zufluss der kryogenen Flüssigkeit zu dem Tank (6) unter Berücksichtigung eines Stellsignals von dem Bodendruckregler (32) und einem Zuflussregler (54) geregelt wird. Method according to Claim 4 , characterized in that an inflow of the cryogenic liquid to the tank (6) is controlled taking into account a control signal from the ground pressure regulator (32) and an inflow controller (54). Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abfluss der kryogenen Flüssigkeit aus dem Tank (6) unter Berücksichtigung eines Stellsignals des Bodendruckreglers (32) und eines Abflussreglers (42) geregelt wird.Method according to one of Claims 7 to 9 , characterized in that an outflow of the cryogenic liquid from the tank (6) is controlled taking into account a control signal of the ground pressure regulator (32) and a discharge regulator (42).
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