DE19860682A1 - Verfahren zur Emissionsüberwachung auf Tankstellen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung an Tankstellen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. DOLLAR A Um dies zu erreichen, wird der Strömungswiderstand wenigstens in einem Teilstück der Entlüftungsleitung als Druckwert gemessen, wobei diese Messung des Druckwertes wenigstens zu dem Zeitpunkt der Ausbildung des Druckprofils erfolgt. Anschließend wird der aktuelle Strömungswiderstand mit dem maximal zulässigen Widerstand für ein gleichgerichtetes, in der Entlüftungsleitung strömendes Gas verglichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 10 zur Durchführung des Verfahrens.

Ein derartiger Einbau von einer Meßstelle am Entlüftungsmast und eine Bewertung der Anlagenfunktion mittels einer volumetrischen Messung an dieser Stelle ist aus DE 42 24 950.3 bekannt. Wobei hier besondere Maßnahmen getroffen werden, um über den Druckverlauf im Erdtank bei geschlossener Entlüftungsleitung das Volumen der rückgeführten Gasmenge insgesamt zu bestimmen.

Für eine Bestimmung des volumetrischen Durchsatzes zur Analyse der Fehlmengen während einer Betankung sind weitere Maßnahmen erforderlich, um den Zeitpunkt für das aufgebaute Druckgefälle in der Gasrückführung zu erfassen und um mit dem Anschluß der Meßeinrichtung diesen Aufbau des Druckgefälles nicht negativ zu beeinflussen.

Nachdem inzwischen eine Vielzahl von Tankstellen mit Einrichtungen zur Gasrückführung ausgerüstet sind, hat es sich gezeigt, daß die Entlüftungsleitungen, ohne Abschlußventile, bevorzugt offen und drucklos, betrieben werden.

"Zum Stand der betankungsbedingten Tankstellenemissionen von Ottokraftstoffen in Deutschland" wird in WLB 1998 berichtet. (Dr. L. Kacsòh und F. Curtius, Wasser Luft und Boden, 7/8 1998, Vereinigte Fachverlage, Mainz). Um die HC-Emissionen an Tankstellen weiter zu verringern, sind Maßnahmen erforderlich, welche die mangelnde Dauerbelastbarkeit der Systeme feststellen können und bisherige meßtechnische Defizite ausgleichen, damit Tankstellen mit Gasrückführung entsprechend der 21. BImSchV (Bundesimmissions-schutzverordnung vom 7. Okt. 1992) betrieben werden können.

Als weiterer Nachteil hat sich inzwischen herausgestellt, daß durch die Belüftung von mehreren Erdtanks über eine Gasrückführleitung einerseits die Systeme vereinfacht sind. Andererseits ist für die Kontrolle der Gaszufuhr in die Erdtanks und für die Kontrolle der Dampfdichtheit der Rohrleitungen ein erhöhter Aufwand erforderlich.

Der Erfindung liegt ausgehend von diesem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, die Funktion der Gasrückführung an Tankstellen mit offenen Entlüftungsleitungen zu kontrollieren.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß dem Hauptanspruch bzw durch die Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 10 gelöst. Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 9 und 11 beschrieben.

Im Rahmen von Kontrollen an bestehenden Tankstellen sind verschiedene technische Eigenschaften der Tankstellen zu berücksichtigen, welche durch die gesetzlichen Vorgaben und durch die Ausführung der Installationen inzwischen vorgegeben sind:

• - Hierzu gehört die 20. BImSchV vom Juni 1998. Darin wird die Dampfdichtheit für die Systeme gefordert, und gleichzeitig ist der Einbau einer Drosselscheibe in der Entlüftungsleitung mit einem Durchmesser von 10 mm derzeit zugelassen.
• - Die Dauer einer normalen Betankung beträgt bei einer Füllgeschwindigkeit von 40 l/min im allgemeinen nicht mehr als 1,5 Minuten. Eine solche Betankung beginnt zunächst mit dem Aufbau eines Druckprofiles zwischen den Erdtanks, damit die Gasvolumina in ausreichender Menge, entsprechend dem Druckgefälle, fließen können. Speziell bei teilweise aufgefüllten Erdtanks und einem gasförmigen Freiraum von oftmals 50 000 l und mehr, ist für den Aufbau des Druckgefälles eine bestimmte Zeit erforderlich, bis sich konstante Strömungsverhältnisse ausbilden können, da dem geförderten Volumenstrom in den einzelnen Lagertanks für den Druckaufbau oder die Druckabnahme Volumenanteile entnommen oder zugeführt werden. Somit entsteht der den Zustand einer Gasrückführung im offenen Entlüftungsmast kennzeichnende Volumenstrom, der einem gleichbleibenden Druckgefälle entspricht, erst mit einer zeitlichen Verzögerung. Wobei bei 100% Gasrückführung dieser Volumenstrom ab dem Zeitpunkt gegen null geht, ab welchem das Druckgefälle aufgebaut ist. Im offenen Entlüftungsmast wird keine Strömung durch Fehlmengen verursacht, weil der Entnahmetank drucklos bleibt. Der Aufbau des Druckgefälles stellt sich bei aufgefüllten Erdtanks früher ein.
• - Nachteilig ist eine zu geringe Volumenförderung, da einerseits Emissionen am Tankstutzen des Fahrzeuges nicht ausreichend abgesaugt werden und gleichzeitig ein entstehender Unterdruck im Erdtank durch Frischluft ausgeglichen wird. Dieses Luftvolumen vergrößert sich durch Aufsättigung um ca. 50% und führt damit zu Kraftstoffverlusten im Erdtank und zu weiteren HC-Emissionen, die entsprechend der Sättigungsgeschwindigkeit erst nach mehreren Stunden aus dem Entlüftungsmast entweichen.

Als Meßeinrichtung für kleine Fehlvolumina kann man an der Entlüftungsleitung einen Gaszähler anschließen. Ein solcher Zähler der Fa. Elster AG, Mainz arbeitet mit einem Öffnungsdruck von 90 bis 100 Pa. Das bedeutet, daß bis zum Öffnen des Zählers an einem Tanksystem mit 50 000 l Freiraum zunächst ca. 50 l an Fehlvolumen entstanden sein müssen. Deshalb ist dieses Meßsystem für die Bestimmung kleiner Fehlvolumina nicht einsetzbar.

Bei geringeren Druckverlusten kann man nach DE 42 24 950.3 mit einem Anemometer das an der Meßstelle durchgesetzte Volumen insgesamt bestimmen. Im allgemeinen dürfen diese Geräte jedoch nicht in der Explosionszone 0 angeschlossen werden.

Beide der letztgenannten Meßmittel haben die Eigenschaft, daß der Aufbau des Druckprofiles unberücksichtigt bleibt und die Summe eines geförderten Volumens erst zum Ende des Meßzeitraumes angezeigt wird.

Demgegenüber wird für die Kontrolle der einzelnen Zapfstelle der momentane Volumendurchsatz benötigt, der sich an der Meßstelle nach Aufbau des Druckgefälles, also während einer Betankung einstellt.

Diese Messung eines Volumenstromes analog zu der Betankungsgeschwindigkeit mit ca. 40 l/min ist durch die Bernoullische Gleichung nahegelegt. Diese Gleichung gilt für Flüssigkeiten mit konstanter Dichte und ist bei kleinen Druckänderungen auch für Gase und Dämpfe anwendbar. Diese Gleichung ist von E. Schmidt, Technische Thermodynamik, Gleichung 271, 1960 Springerverlag, Heidelberg/Berlin beschrieben.

Erfindungsgemäß werden die Strömungswiderstände der Fehlvolumina gemäß Patentanspruch 1 und 3 unter Anwendung der Bernoullischen Gleichung gemessen.

Bei einer Betankungsgeschwindigkeit von 40 l/min wäre es z. B. angebracht bei einem fehlenden Volumen von 10 l/min also 25% einen Alarm auszulösen. Unter Verwendung dieser Daten ergibt sich in einer 2-Zoll Entlüftungsleitung und einer Drosselscheibe mit 10 mm Bohrung nach Bernoulli ein Strömungswiderstand von ca. 3 Pa. Diese Meßgröße kann dann nach Aufbau des Druckgefälles als Istwert für die Kontrolle der Gasrückführung verwendet werden.

Bei dem Erreichen des Grenzwertes von 3 Pa, nach obigem Beispiel, kann ein Alarm angezeigt werden.

Falls das Fehlvolumen aus obiger Betankung als überschüssige Menge aus dem Erdtank an der Meßstelle bestimmt wird, so kann ein Alarm bei 15% Überschuß also 6 l/min. gegeben werden. In diesem Fall ergibt sich ein rechnerischer Strömungswiderstand nach Bernoulli von ca. 1 Pa.

Die entsprechenden Strömungswiderstände können mit einem Meßumformer, der z. B. auf einen Meßbereich von 200 Pa einstellbar ist, kontinuierlich gemessen werden. Für diesen Meßbereich garantiert die Fa. Endres und Hauser, Weil am Rhein eine Widerholpräzision von 0,05% entsprechend ± 0,1 Pa.

Bei der Festlegung der Grenzen des Meßbereiches zwischen -100 Pa und +100 Pa können mit einem Meßumformer die Fehlvolumina von unterschiedlichen Zapfstellen, einströmend wie ausströmend diagnostiziert werden.

Diese Meßumformer vom Typ deltabar S PMD 230 sind für den Anschluß an die Zone 0 geeignet. Dadurch ist es möglich, durch die Einrichtung einer Meßstelle in der gemeinsamen Entlüftungsleitung von mehreren Erdtanks zunächst den Aufbau des Druckgefälles festzustellen, ab diesem Zeitpunkt die Fehlvolumina zu messen und die aufgetretenen Mängel an dem Gasrückführsystem einzelnen Zapfstellen zuzuordnen.

Dies gilt in gleicherweise für zu hohe wie für zu niedrige Gasrückführvolumina. In der Praxis ist es vorteilhaft, daß durch den Anschluß der Meßeinrichtung die Funktion der Tankstelle in keiner Weise beeinflußt wird.

Dieses Meßverfahren kann auch an Tankstellen mit sogenannten Passivsystem, bei welchen die Gase, ohne eine Pumpe, nur durch ein Druckgefälle in den Erdtank gelangen, eingesetzt werden.

Aus anderen Veröffentlichungen zum Stand der Technik sind weitere Funktionsparameter einer Tankstelle bekannt, die mit druckabhängigen Meßmitteln im Erdtank kontrollierbar sind. Hierzu gehören:
Eine Überprüfung der Dampfdichtheit nach DE 44 45 101.6. Diese Prüfung wird heute nach der 20. BImSchV gesetzlich gefordert.
Eine Regelung der Förderleistung der Pumpe für die Gasrückführung nach DE 195 07 526.9.
Behandlung der Benzindämpfe auf Tankstellen nach EP 0 629 175.
Eine Diagnose von Kraftstoffleckagen nach DE 44 34 216.0-52.
Die Herstellung von dampfdichten Rohrverbindungen bei der Anlieferung von Kraftstoff an die Tankstelle.

Aus obiger Zusammenstellung zeigt sich ein weiterer Vorteil des druckabhängigen Meßverfahrens nach Anspruch 1, daß auch die nach dem Stand der Technik bekannten Kontrollen mit demselben Meßumformer ausführbar sind. Bei Bedarf kann der Meßumformer für den Zeitraum einer anderen Meßaufgabe auf einen günstigeren Meßbereich, kleiner oder größer, eingestellt werden.

Gegebenenfalls ist zusätzlich eine der Meßleitungen z. B. zur Messung des Differenzdruckes zur Umgebung anders anzuschließen. Näheres hierzu ist in Fig. 1 bis Fig. 3 beschrieben.

Das Meßverfahren bietet weiterhin die Möglichkeit, die Einflüsse aus dem gleichzeitigen Betrieb von 2 und mehr Zapfstellen zu diagnostizieren. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß der zu messende Strömungswiderstand mit dem Quadrat der Geschwindigkeitserhöhung ansteigt, also bei einer Verdoppelung der Gasgeschwindigkeit um den Faktor 4 ansteigt.

Das Verfahren wird im Folgenden durch Fig. 1 bis Fig. 3 erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Funktionsüberwachung beim Betanken eines Pkws.

Fig. 2 zeigt die Funktionsüberwachung an einer Tankstelle mit geschlossenem Entlüftungsmast.

Fig. 3 zeigt die Verwendung des druckabhängigen Meßsystemes zur Prüfung der Dampfdichtheit.

Zunächst wird Fig. 1 mit einer Betankung bei offener Entlüftungsleitung beschrieben. Der Kraftstoffbehälter 1 des Pkw 2 wird mit Kraftstoff aus einem Erdtank 3 befüllt. Hierzu wird der Kraftstoff über die Leitung 4, die Pumpe 5, den Zapfschlauch 6 und die Zapfpistole 7 zugeführt. Die im Kraftstoffbehälter 1 überschüssigen Gase werden über die Zapfpistole 7, den Zapfschlauch 6, die Gaspumpe 8, in der Gasrückführleitung 9, einem Erdtank 10 zugeführt und gelangen über die Leitung 11 in einen Freiraum 12 des Erdtankes 3. Über eine offene Entlüftungsleitung 13, die an den Erdtank 3 angeschlossen ist, erfolgt der Druckausgleich mit der Umgebung. In diese Leitung 13 ist eine Drosselscheibe 14 eingebaut, die in Detail A abgebildet ist. Von beiden Seiten der Drosselscheibe 14 führen die Meßleitungen 15 und 16 zu einem Meßumformer 18, der für eine Messung von Differenzdrücken geeignet ist.

Mit dem Beginn einer Betankung baut sich als erstes ein Druckgefälle von der Pumpe 8 in den Erdtank 10, über die Leitung 11, zu dem Erdtank 3 auf. Falls dann der Volumenstrom in der Leitung 11 kleiner ist, als das in der Leitung 4 geförderte Volumen an Kraftstoff, so wird durch den entstehenden Unterdruck über die Öffnung 17 die sich ausbildende Fehlmenge als Luft in den Erdtank 3 gesaugt. Der Strömungswiderstand der eintretenden Fehlmenge kann in der Leitung 13 und/oder über die Drosselscheibe 14 als Druckdifferenz gemessen werden. Die Meßstelle 18 ist hier als PIRA (pressure, indication, recording, alarm) dargestellt. Dabei wird P als ΔP gemessen.

Der maximal zulässige Grenzwert für die eintretende Fehlmenge kann für die jeweilige Betankungsanlage festgelegt werden. Bei Erreichen dieses Grenzwertes kann durch den Meßumformer ein Alarmsignal ausgelöst werden.

Es ist weiter möglich die Drosselscheibe 14 bezüglich des Strömungswiderstandes zu eichen oder in die Leitung 13 eine Normblende, deren Strömungswiderstand bekannt ist, einzusetzen. Weiter ist es möglich bei einer Kraftstoffentnahme aus dem Tank 10, die in Fig. 1 nicht dargestellt ist, in der gemeinsamen Entlüftungsleitung 13 ein entsprechendes Fehlvolumen zu messen. Als Obergrenze der Volumenförderung in der Leitung 9 sind derzeit 105%, bezogen auf die Betankungsgeschwindigkeit, zugelassen. In diesem Fall wird in der Drossel 14 eine Strömungswiderstand für ein austretendes Volumen gemessen.

Das beschriebene Meßverfahren eignet sich auch für sogenannte Passiv Systeme, die ohne Gaspumpe 8 arbeiten. Das für eine Gasförderung erforderlich Druckgefälle zu dem Erdtank 3, wird in diesem Fall durch eine nicht dargestellte Dichtmanschette zwischen dem Pkw 3 und der Zapfpistole 7 unterstützt.

Aus dem Schema nach Fig. 1 ist weiter ersichtlich, daß die Volumenanteile, die als einströmende Fehlmenge in der Drossel 14 diagnostizierbar sind, etwa so groß sind, wie das an der Zapfpistole 7 zuwenig abgesaugte Volumen. Als Folge davon treten Emissionen und Verluste an Kraftstoff an der Zapfpistole auf. Weitere Verluste entstehen noch im Erdtank 3, in welchem sich die angesaugte Luft mit Kraftstoff zunächst langsam sättigt und gleichzeitig der durch die Volumenzunahme entstehende Überschuß entweicht.

Entsprechend dem beschriebenen Verfahren ist es möglich, die Gasrückführung jeder einzelnen Zapfpistole und den Zustand bei Mehrfachbetankungen zu kontrollieren.

In einer Weiterbildung des Verfahrens kann das Meßsignal 19 des nicht gezeigten Meßumformers 18 einem Regler 20 zugeführt werden, welcher einen Regelimpuls z. B. auf eine drehzahl­ geregelte Gaspumpe 8 weiterleitet. Die Ansteuerung der Pumpe 8 kann derart aufgebaut werden, daß der Impuls nur beim alleinigen Betrieb der Pumpe 8 und nach Erreichen des Beharrungszustandes bzw. dem Aufbau des Druckgefälles weitergegeben wird. Dies hat den Vorteil, daß viel benutzte Zapfstellen öfter nachgestellt werden als diejenigen, welche gelegentlich betrieben werden.

Nach obigem Beispiel ist bei einer Fehlmenge von 6 l/min ein Strömungswiderstand von ca. 1 Pa zu erwarten. Falls eine Prozeßtoleranz von ± 3 l/min festgelegt wird, so ergibt sich ein Strömungswiderstand von ± 0,25 Pa. Die Wiederholpräzision der Meßstelle nach dem Stand der Technik wird mit ± 0,05 Pa angegeben. Daraus errechnet sich eine Toleranzausnutzung von (0,05/0,25) entsprechend 20%. Damit sind die vorgestellten Meßmittel als Prüfmittel zur Kontrolle und zur weiteren Optimierung der Gasrückführung geeignet.

Im Folgenden wird anhand von Fig. 2 die Emissionskontrolle an einem nicht drucklos betriebenen Entnahmetank beschrieben. In der Entlüftungsleitung 22 sind ein Abschlußventil 24 sowie ein Meßstutzen 21 eingebaut. An diesen Meßstutzen ist eine offene Entlüftungsleitung 13' vorübergehend anschließbar. Der Strömungswiderstand in der Meßleitung kann wie in Fig. 1 beschrieben gemessen werden. Die Meßleitung 13' kann auch an andere Meßstutzen der Gasrückführung angeschlossen werden.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens. Zunächst kann bei geöffnetem Ventil 25 der Strömungswiderstand in der Leitung 13 als Differenzdruck zur Umgebung über die Meßleitung 15 und die offene Meßleitung 26 gemessen werden.

Bei Schließen des Ventils 25 ist nach DE 44 45 101.6 eine Prüfung der Dampfdichtheit möglich. Hierzu ist es vorteilhaft, den Meßbereich des Meßumformers 18 auf eine gewünschte höhere Druckdifferenz z. B. von +10 mmWS bis -100 mmWS zu erweitern. Die Druckmeßkurve, aufgezeichnet ab der Beendigung des drucklosen Betriebes, zeigt die aktuellen Bedingungen als Druckkurve im Entnahmetank 3. Die 2te Druckkurve, die z. B. bei -90 mmWS aufgezeichnet ist, zeigt den Einfluß einer Leckage auf den Verlauf des Druckes gegenüber der Volumenentwicklung ausgehend von einem drucklosen Betrieb.

Die Differenz zwischen beiden Kurven kann als Einfluß einer Leckage ermittelt werden.

Das vorstehend beschriebene Verfahren hat den Vorteil, daß es an bestehenden Tankstellen anwendbar ist und über eine Meßstelle die Funktion der jeweils benutzten Zapfstelle kontrollierbar ist.

Weiter ist es möglich, den verwendeten Meßumformer auch für die Kontrollen der Dampfdichtheit einzusetzen, welche heute nach der 20. BImSchV zur Reduzierung der verkehrsbedingten HC-Emissionen gefordert werden.

Die Eignung der verwendeten Meßmittel zur Datenfernübertragung kann die Einführung des Verfahrens erleichtern.

Claims (11)

1. Verfahren zur Funktionsüberwachung an Tankstellen mittels einer Kontrolle der Rückführung von Gasvolumen, die zum Ausgleich von Druckänderungen bei der Kraftstoffentnahme dem Entnahmetank zugeführt werden, bestehend aus,
einer Befülleinrichtung für die Kraftstoffbehälter, Vorrichtungsmitteln zur Gasrückführung zu wenigstens einem der Entnahmetanks und
einer druckabhängigen Meßeinrichtung in einer Entlüftungsleitung, die mit einem oder mehreren Entnahmetanks in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Strömungswiderstand wenigstens in einem Teilstück der Entlüftungsleitung als Druckwert gemessen wird,
• - die Messung des Druckwertes wenigstens zum dem Zeitpunkt der Ausbildung des Druckprofiles erfolgt, welches über der Vorrichtung zur Gasrückführung entsteht,
• - und der aktuelle Strömungswiderstand mit dem maximal zulässigen Widerstand für ein gleichgerichtetes, in der Entlüftungsleitung strömendes Gas, verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckwert als Differenzdruck über ein Teilstück der Entlüftungsleitung und/oder über eine Lochblende gemessen wird.

3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Entlüftungsleitung eine Drosselscheibe eingebaut ist und der Strömungswiderstand über die Drosselscheibe gemessen wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselscheibe als Meßblende geeicht wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Entnahmetank, der mittels eines Ventils in der Entlüftungsleitung nach Außen abgeschlossen ist, eine offene Entlüftungsleitung wenigstens zeitweise an einen Meßstutzen angeschlossen wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem von außen eintretenden Gasstrom und dem Unterschreiten des Maximums des Unterdruckes ein Alarm ausgelöst wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem austretenden Gasvolumen und dem Überschreiten des Maximums des Überdrucks ein Alarm ausgelöst wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gemessene Strömungswiderstand als Regelgröße verwendet wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlüftungsleitung verschließbar ist und die Meßeinrichtung zur Überprüfung der Dampfdichtheit verwendet wird.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche 1-9, bestehend aus einem Teilstück einer Entlüftungsleitung einer in die Entlüftungsleitung einbaubaren Drosselscheibe und einem druckabhängigem Meßmittel, dadurch gekennzeichnet, daß

• - ab dem Beginn einer Betankung mittels einer Differenzdruckmessung über die Drosselscheibe die Ausbildung des Druckprofiles in den Mitteln zur Gasrückführung meßbar ist und
• - der Strömungswiderstand eines ein- oder ausströmenden Gasstromes, welcher durch Druckänderungen bei der Kraftstoffentnahme entsteht, meßbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselscheibe bezüglich der Abhängigkeit zwischen dem durchgesetzten Volumenstrome und des Strömungswiderstandes eichbar ist.