EP3775669A1 - Tankanordnung und verfahren zur füllstandsregelung - Google Patents

Tankanordnung und verfahren zur füllstandsregelung

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EP3775669A1
EP3775669A1 EP19720394.6A EP19720394A EP3775669A1 EP 3775669 A1 EP3775669 A1 EP 3775669A1 EP 19720394 A EP19720394 A EP 19720394A EP 3775669 A1 EP3775669 A1 EP 3775669A1
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pressure
tank
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line
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    • F17C2260/00—Purposes of gas storage and gas handling
    • F17C2260/02—Improving properties related to fluid or fluid transfer
    • F17C2260/024—Improving metering

Definitions

  • the invention relates to a tank arrangement for cryogenic media and to a method for level control of cryogenic media in a tank arrangement.
  • a tank assembly for level measurement of cryogenic fluids 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 the upper tank area is connected in the gaseous portion of the cryogenic medium.
  • 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.
  • 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.
  • a tank arrangement according to the invention for regulating the level of cryogenic media comprises a tank with an inflow line and a discharge line. Furthermore, the tank arrangement detects a differential pressure measuring device, which via a fluid line with a lower Tank region is connected 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 is present as a gas bubble, an absolute pressure measuring device and / or a
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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. If 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 so that the
  • Tank arrangement can work trouble-free.
  • the tank assembly comprises a flow meter in the inflow conduit and in the control unit a flow regulator configured to control the inflow of the cryogenic fluid through an inflow control valve in the inflow conduit.
  • the tank assembly includes a flow meter in the drain line and in the controller a flow regulator configured to control the flow of cryogenic fluid through a drain control valve in the drain line.
  • 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.
  • the tank arrangement may comprise a pump for filling the tank, in particular temporarily via a tanker truck, connected to the inflow line of the tank arrangement.
  • the inflow of the cryogenic liquid to the tank is controlled taking into account a control signal from the flow controller and an inflow pump, wherein the control signal is dependent on the liquid level determined by the controller.
  • a method for level control of cryogenic media according to the invention comprises the features of claim 8, 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 7
  • the invention relates to a method for level control of cryogenic media in a tank comprising measuring a differential pressure by a
  • Differential pressure measuring device which is connected via a connecting line to the lower tank area and is also connected via a further connecting line to the upper tank area, further comprising measuring an absolute pressure by an absolute pressure measuring device and / or a temperature sensor in the upper tank area in the gaseous portion the cryogenic medium, and controlling the pressure in the gaseous portion of the cryogenic medium in the tank by a gas pressure control valve, wherein the pressure in the gaseous portion of the cryogenic medium regulated by the gas pressure control valve in a branch line between an inflow line and the upper tank area is, and driving the gas pressure control valve by one with the
  • the soil pressure regulator regulates the pressure in the gaseous fraction of the cryogenic medium in the tank to a constant ground pressure, depending on the fill level of the liquid fraction of the cryogenic medium.
  • a desired pressure in the gaseous fraction of the cryogenic medium in the tank is preferably stored in the bottom pressure regulator as a function of the fill level of the liquid fraction of the cryogenic medium.
  • the target pressure in the gaseous portion of the cryogenic medium in the tank is stored as a function or table depending on the level of the liquid portion of the cryogenic medium.
  • an inflow of the cryogenic liquid is controlled to the tank, taking into account a control signal from the ground pressure regulator and an inflow controller via a control valve.
  • the inflow of the cryogenic liquid to the tank taking into account a control signal from the ground pressure regulator and the inflow control a
  • Inflow pump to be regulated.
  • the outflow of the cryogenic liquid from the tank can be regulated taking into account a control signal of the bottom pressure regulator and a discharge regulator.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a first embodiment of the tank assembly according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of a second embodiment of the tank arrangement according to the invention.
  • Fig. 3 is a schematic representation of a third embodiment of the tank assembly according to the invention.
  • Fig. 1 shows a tank assembly 2 for controlling the level 4 in a tank 6, which is to be filled with a cryogenic medium 8.
  • the tank 6 is connected to an inflow line 10 and a discharge line 12.
  • the tank assembly 2 comprises a control unit 14A, which is connected to a differential pressure measuring device 16, an absolute pressure measuring device 18 and a flow sensor in the discharge line 12 for receiving measurement signals.
  • the absolute pressure measuring device 18 is connected via a connecting line 20 to an upper tank region 22 and detects the absolute pressure in the gas bubble in the upper tank region 22 correspondingly.
  • the differential pressure measuring device 16 is connected by a connecting line to the upper tank region 22 and to a connecting line 26 connected to the lower tank portion 28 in which the liquid portion of the liquid medium is present. The differential pressure measuring device 16 therefore detects the
  • the differential pressure measuring device 16 and the absolute pressure measuring device 18 are connected to a control unit 14A in which boiling curves and density curves are stored 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 under
  • the control unit 14A comprises a memory 30 in which boiling curves and density curves for different media, that is, desired pressure values for the pressure in the gaseous portion of the cryogenic medium in the tank 6 depending on the liquid level of the cryogenic medium as a table or function are stored.
  • the control unit 14A further comprises a bottom pressure regulator 32 having as input the
  • the gas pressure control valve 34 is located in a branch line 36 from the inflow line 10 to the upper tank portion 22 and controls, together with an evaporator 38 which is positioned in the branch line 36 between the inflow line 10 and the gas pressure control valve 34, the inflow of vaporized medium in the upper tank area 22.
  • the pressure in the upper tank area 22 becomes too high, the pressure is relieved via an overflow valve 40.
  • liquid medium is supplied to the evaporator 38 where it is vaporized and delivered via the gas pressure control valve 34 to the upper tank area 22 until a corresponding desired pressure is reached in the upper tank area 22, whereupon the gas pressure control valve 34 is closed again.
  • the control unit 14A comprises a flow regulator 42, which receives as input the output signal of the flow meter 44 and outputs a flow control signal for the control variable YQAUS, which drives a flow control valve 45, with which the flow in the drain line 12 corresponding to the controlled variable Yoaus is controlled.
  • the flow control valve 45 is located in the
  • the flow controller 42 regulates the flow through a control algorithm for the flow Q au s by a flow control signal for the controlled variable Yoaus is delivered to the flow controller 42.
  • eQout Q OFF SET - Q OFF
  • YQoff f (GQaus, GQaus, jGQaus dt) wherein eoaus the control difference for the flow rate in the drain line, Q OFF SET, the target flow rate in the drain line, Q OFF is the actual flow rate in the drain line, yQ au s the controlled variable for the flow rate in the drain line, eoaus the time derivative the control difference and Jeoaus dt means the integral of the control difference over time.
  • a temperature sensor 46 is arranged which measures the temperature of the medium in the branch line 36 and the corresponding measured values 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 34th
  • the tank arrangement according to the invention is designed so that from the measured values for the
  • a target pressure in the gaseous medium is determined so that the ground pressure is kept constant regardless of the level, the target Bottom pressure for a particular tank assembly and a specific gas, for example, manufacturer specified.
  • y PB ⁇ (q R B, Q R B, ⁇ q R B dt)
  • E P B the control difference for the bottom pressure PB SOLL the target bottom pressure PB, the actual ground pressure and y P B the control signal at the output of Soil pressure regulator, e P B the time derivative of
  • Control difference and Je P B dt means the integral of the control difference after the time.
  • the bottom pressure PB can be kept constant through a variable gas pressure by reducing the gas pressure to the ground pressure PB minus the actual differential pressure Dr is regulated.
  • FIG. 2 shows a modified embodiment of the tank assembly 2 according to the invention of Fig. 1, wherein like reference numerals are used for corresponding parts.
  • the ground pressure regulator 32 for regulating the ground pressure the gas pressure control by the gas pressure control valve 34, the temperature sensor 46 and the flow control circuit are formed in FIG. 2 analogously to the corresponding units in FIG.
  • the control unit 14B comprises a flow regulator 50, which receives as an input the output of the flow meter 52 and outputs a flow control signal for the controlled variable Yoein via a control algorithm for the flow Qein, which controls a flow control valve 54, with the flow in the outlet pipe 10 is controlled according to the controlled variable Yoein.
  • the flow control valve 54 is located in the inflow line 10 of the tank 6 upstream of the flow measuring device 52 and regulates the flow through a control signal for the controlled variable Yoein, which is discharged from the flow controller 50 to the flow control valve 54.
  • the controlled variable Yoein is determined as follows:
  • YOein f ( ⁇ Qein, ⁇ Qein, J ⁇ Qein dt) wbei eoein the control difference for the flow rate in the inflow line, Q ON the desired flow rate in the inflow line, Q ON is the actual flow rate in the inflow line, yQ au s is the controlled variable for the flow velocity in the inlet pipe, ⁇ QEIN is the time derivative of the control difference and JeoEiN dt is the integral of the control difference after the time.
  • the flow rate in the inflow line 10 is regulated.
  • the absolute pressure measuring device 18 in Fig. 1 a instead of the absolute pressure measuring device 18 in Fig. 1 a
  • FIG. 3 shows a tank arrangement similar to the tank arrangement described in FIG. 2.
  • the tank arrangement according to the invention has, instead of a control valve 54, a pump 58 for filling the tank.
  • the pump 58 may be part of a tank truck temporarily connected to the inflow pipe 10 of the tank.
  • the arrangement with a pump 58 can also be used in an arrangement according to FIG. 1, in which the gas pressure is effected via an absolute pressure measuring device 18.

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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.

Description

Tankanordnung und Verfahren zur Füllstandsregelung
Die Erfindung betrifft eine Tankanordnung für kryogene Medien und ein Verfahren zur Füllstandsregelung von kryogenen Medien in einer Tankanordnung.
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.
Eine weitere Anordnung, bei der der Flüssigkeitsfüllstand in einem kryogenen Tank ermittelt wird, ist aus der DE 10 2004 043 488 A1 bekannt. Dabei wird der Differenzdruck zwischen Gasdruck und Bodendruck erfasst, wobei der Gasdruck auf einen vordefinierten Wert geregelt werden kann.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die Tankanordnung eine, insbesondere temporär über einen Tankwagen, an die Zuflussleitung der Tankanordnung angeschlossene Pumpe zur Befüllung des Tanks umfassen. Der Zufluss der kryogenen Flüssigkeit zu dem Tank wird unter Berücksichtigung eines Stellsignals von dem Durchflussregler und einer Zuflusspumpe geregelt, wobei das Stellsignal abhängig vom durch den Regler ermittelten Flüssigkeitsfüllstand ist.
Zur Lösung der Aufgabe umfasst ein Verfahren zur Füllstandregelung von kryogenen Medien gemäß der Erfindung die Merkmale von Anspruch 8, 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 7 erreicht
So betrifft die Erfindung gemäß einem weiteren Aspekt ein Verfahren zur Füllstandregelung von kryogenen Medien in einem Tank umfassend das Messen eines Differenzdrucks durch eine
Differenzdruck-Messeinrichtung, die über eine Anschlussleitung mit dem unteren Tankbereich verbunden ist und zudem über eine weitere Anschlussleitung mit dem oberen Tankbereich verbunden ist, ferner umfassend, das Messen eines Absolutdrucks durch eine Absolutdruck-Messeinrichtung und/oder einen Temperatursensor im oberen Tankbereich im gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums, sowie Steuern des Drucks in dem gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums in dem Tank durch ein Gasdruck-Stellventil, wobei der Druck in dem gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums durch das Gasdruck-Stellventil in einer Zweigleitung zwischen einer Zuflussleitung und dem oberen Tankbereich geregelt wird, und das Ansteuern des Gasdruck-Stellventils durch einen mit der
Differenzdruck-Messeinrichtung verbundene Bodendruckregler erfolgt.
Erfindungsgemäß regelt der Bodendruckregler den Druck in dem gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums in dem Tank abhängig von dem Füllstand des flüssigen Anteils des kryogenen Mediums auf einen konstanten Bodendruck.
Bevorzugt ist in dem Bodendruckregler ein Soll-Druck in dem gasförmigen Anteil des kryogenen Mediums in dem Tank abhängig von dem Füllstand des flüssigen Anteils des kryogenen Mediums gespeichert .
Insbesondere ist in dem Speicher in dem Bodendruckregler 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 .
Weiter bevorzugt wird ein Zufluss der kryogenen Flüssigkeit zu dem Tank unter Berücksichtigung eines Stellsignals von dem Bodendruckregler und über einen Zuflussregler über ein Stellventil geregelt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann der Zufluss der kryogenen Flüssigkeit zu dem Tank unter Berücksichtigung eines Stellsignals von dem Bodendruckregler und dem Zuflussregeler eine
Zuflusspumpe geregelt werden.
In vorteilhafter Weise kann der Abfluss der kryogenen Flüssigkeit aus dem Tank unter Berücksichtigung eines Stellsignals des Bodendruckreglers und eines Abflussreglers geregelt werden. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen.
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:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Tankanordnung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Tankanordnung, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines drittten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Tankanordnung
Fig. 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.
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.
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.
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.
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 Yoaus 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 Yoaus an den Durchflussregler 42 abgegeben wird. eQaus = Q AUS SOLL - Q AUS IST
YQaus = f(GQaus, GQaus, jGQaus dt) wobei eoaus die Regeldifferenz für die Durchflussgeschwindigkeit in der Abflussleitung, Q AUS SOLL die Soll-Durchflussgeschwindigkeit in der Abflussleitung, Q AUS IST die Ist-Durchflussgeschwindigkeit in der Abflussleitung, yQaus die Regelgröße für die Durchflussgeschwindigkeit in der Abflussleitung, , eoaus die zeitliche Ableitung der Regeldifferenz und Jeoaus dt das Integral von der Regeldifferenz nach der Zeit bedeutet.
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.
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: ePB = 2B SOLL - PB IST
yPB = ί(qRB, QRB, ίqRB dt) 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, ePB die zeitliche Ableitung der
Regeldifferenz und JePB dt das Integral von der Regeldifferenz nach der Zeit bedeutet.
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 Dr geregelt wird. Berechnet wird der Gasdruck-Sollwert aus der Vorgabe des Betreibers für den Bodendruck PB und aus dem Differenzdruck Dr, der an der Differenzdruck-Messeinrichtung gemessen wird, nach folgenden Formeln: pcas = PB - Dr
PB = const
Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführung der erfindungsgemäßen Tankanordnung 2 von Fig. 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 Fig. 2 analog zu den entsprechenden Einheiten in Fig. 1 ausgebildet.
Die Steuereinheit 14B umfasst einen Durchflussregler 50, der als Eingang das Ausgangssignal der Durchfluss- Messeinrichtung 52 erhält und ein Durchfluss-Steuersignal für die Regelgröße Yoein 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 Yoein 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 Yoein , das von dem Durchflussregler 50 an das Durchfluss-Stellventil 54 abgegeben wird. Die Regelgröße Yoein wird wie folgt ermittelt:
OQein = QEIN SOLL“ QEIN IST
YOein = f(©Qein, ©Qein , J©Qein dt) wbei eoein 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, ÖQEIN die zeitliche Ableitung der Regeldifferenz und JeoEiN dt das Integral von der Regeldifferenz nach der Zeit bedeutet.
Im Unterschied zu Fig. 1 wird in der Tankanordnung von Fig. 2 die Durchflussgeschwindigkeit in der Zuflussleitung 10 geregelt. Dazu ist anstelle der Absolutdruck-Messeinrichtung 18 in Fig. 1 ein
Temperatursensor 56 in Fig. 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. Fig. 3 zeigt eine Tankanordnung, die ähnlich zu der in Fig. 2 beschriebenen Tankanordnung, ist. Im Unterschied zu Fig. 2, weist die erfindungsgemäße Tankanordnung anstelle eines Stellventils 54 eine Pumpe 58 zur Befüllung des Tanks auf. Die Pumpe 58 kann insbesondere Teil eines temporär an die Zuflussleitung 10 des Tanks angeschlossener Tankwagen sein. Die Anordnung mit einer Pumpe 58 kann auch in einer Anordnung gemäß Fig.1 , bei der der Gasdruck über eine Absolutdruck- Messeinrichtung 18 erfolgt, Anwendung finden.
Bezugszeichenliste
2 Tankanordnung
4 Füllstand
6 Tank
8 Medium
10 Zuflussleitung
12 Abflussleitung
14A Steuereinheit
14B Steuereinheit
16 Differenzdruck-Messeinrichtung
18 Absolutdruck-Messeinrichtung
20 Anschlussleitung
22 oberer Tankbereich
24 Anschlussleitung
26 Anschlussleitung
28 unterer Tankbereich
30 Speicher
32 Bodendruckregler
34 Gasdruck-Steuerventil
36 Zweigleitung
38 Verdampfer
40 Überlaufventil
42 Durchflussregler
44 Durchfluss-Messeinrichtung
45 Durchfluss-Stellventil
46 Temperatursensor 50 Durchflussregler
52 Durchfluss-Messeinrichtung
54 Durchfluss-Stellventil
56 Temperatursensor
58 Pumpe

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. 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, dadurch gekennzeichnet, dass 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Tankanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe (58) mit der Zuflussleitung (10) verbunden ist, wobei die Pumpe (58) von dem Durchflussregler (50) gesteuert wird.
7. 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.
8. 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), wobei
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) erfolgtdadurch gekennzeichnet, dass 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.
9. Verfahren nach Anspruch 8, 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. 10 Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, 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. 11 . Verfahren nach Anspruch 8 bis 10, 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.
12 Verfahren nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zufluss der
kryogenen Flüssigkeit zu dem Tank (6) unter Berücksichtigung eines Stellsignals von dem Bodendruckregler (32) und einer Zuflusspumpe (56) geregelt wird.
13 Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, 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.
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