Мультимодальный контейнер для транспортировки и хранения сжиженных криогенных газов
Изобретение относится к техническим средствам для хранения и транспортировки сжиженных криогенных газов (природного газа или, опционально, этилена). Мультимодальный контейнер для хранения и транспортировки сжиженных криогенных газов состоит из криогенной цистерны с экранно-вакуумной изоляцией, к которой подсоединена газовая холодильная машина, соединенная с электродвигателем, к которому подключены система управления и гибридный инвертор, соединенный с основной и резервной аккумуляторной батареей, причем к системе автоматического управления подключен блок солнечных панелей, во внутреннем сосуде цистерны равнодискретно встроены температурные датчики и датчики уровня жидкости, соединенные с системой управления, которая оборудована блоком беспроводного интерфейса и навигационным модулем. Контроллер системы автоматического управления выполнен с возможностью подачи сигнала включения и выключения электродвигателя газовой холодильной машины в зависимости от текущего значения времени хранения, расчет которого производится на основании данных о температурном расслоении в сосуде, уровне жидкости и давлении в газовой полости сосуда с учетом режима его транспортирования. Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в полном отсутствии потерь продукта в течение всего срока транспортировки и хранения одной партии заправленного сжиженного газа с момента отпуска производственной базой до окончания процесса потребления заказчиком.
Изобретение относится к техническим средствам для хранения и транспортировки сжиженных криогенных газов (природного газа или, опционально, этилена).
Наиболее близким аналогом заявляемому изобретению является техническое решение, описанное в патенте на полезную модель RU №2018139548 - это мультимодальный контейнер для хранения и транспортировки сжиженных криогенных газов с автономной системой реконденсации паров, состоящий из криогенного резервуара с экранно-вакуумной изоляцией, к которому подсоединена газовая холодильная машина, соединенная с электродвигателем, к которому подключены система автоматизированного управления и гибридный инвертор, соединенный с основной и резервной аккумуляторной батареей, причем к системе автоматического управления подключен блок солнечных панелей. Недостатком этого технического решения является отсутствие возможности отслеживания появления температурного расслоения в сжиженном природном газе в процессе стационарного хранения, невозможность дистанционной беспроводной информации о состоянии контейнера, включая его текущее местоположение.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности транспортировки сжиженного природного газа в отдаленные районы различными видами транспорта без промежуточных перезаправок и обеспечение длительного хранения жидкого продукта на месте потребления без потерь в атмосферу.
Решение технической задачи обеспечивается за счет того, что мультимодальный контейнер для хранения и транспортировки сжиженных криогенных газов состоит из криогенной цистерны с экранно-вакуумной изоляцией, к которой подсоединена газовая холодильная машина, соединенная с электродвигателем, к которому подключены система управления и гибридный инвертор, соединенный с основной и резервной аккумуляторной батареей, причем к системе автоматического управления подключен блок солнечных панелей, во внутреннем сосуде цистерны равнодискретно встроены температурные датчики и датчики уровня жидкости, соединенные с системой управления, которая оборудована блоком беспроводного интерфейса и навигационным модулем.
Технический результат, достигаемый совокупностью признаков, заключается в полном отсутствии потерь продукта в течение всего срока транспортировки и хранения одной партии заправленного сжиженного газа с момента отпуска производственной базой до окончания процесса потребления заказчиком. Полное отсутствие сбросов газа в атмосферу в процессе нормальной работы также гарантирует отсутствие образования взрывоопасных смесей природного газа с воздухом, что обеспечивает повышенную безопасность при перевозке и хранении.
Компоненты заявляемого технического решения известны из уровня техники:
криогенная цистерна с экранно-вакуумной изоляцией может быть выполнена согласно патенту на изобретение RU 2259312 или патенту на полезную модель RU 166539;
газовая холодильная машина может быть выполнена согласно патенту на изобретение SU 222407;
взрывозащищенный электродвигатель может быть выполнен согласно патенту на полезную модель RU 82951;
гибридный инвертор может быть выполнен согласно патенту на изобретение RU 2538779;
блок солнечных панелей может быть выполнен согласно патенту на изобретение RU 2521523;
приемо-передающее устройство беспроводного интерфейса может быть выполнено согласно патенту на полезную модель RU 145416;
навигационный модуль может быть выполнен согласно патенту на изобретение RU 2640312;
температурный датчик может быть выполнен согласно патенту на изобретение RU 2473874;
датчик уровня жидкости может быть выполнен согласно патенту на изобретение RU 2342640.
Функционирование устройства состоит в следующем.
Мультимодальный контейнер для хранения и транспортировки сжиженных криогенных газов оснащается газовой холодильной машиной, двигатель которой запитан от аккумуляторных батарей. При работе холодильной машины осуществляется конденсация части испарившегося природного газа, за счет чего осуществляется снижение давления в криогенной цистерне. Минимальные удельные затраты электроэнергии на реконденсацию паров природного газа с учетом потерь во всех узлах холодильной установки составляют 5…10 кВт⋅ч на 1 м3 газового пространства резервуара. При условии соблюдения правил эксплуатации контейнера и при исправности экранно-вакуумной теплоизоляции (глубина вакуума 10-4…10-3 мм рт. ст.) полностью исключается сброс паров природного газа в атмосферу в течение всего срока эксплуатации, что обеспечивает повышенную безопасность и исключает потери дорогостоящего продукта при транспортировке и хранении.
Отличительной особенностью рассматриваемого контейнера является наличие закрепленных в верхней части корпуса поликристаллических солнечных панелей, осуществляющих зарядку основной и резервной аккумуляторных батарей, и обеспечивающих, таким образом, полную автономность системы. Удельная электрическая мощность панелей составляет не менее 140 Вт на 1 м2 площади, также солнечные панели защищены покрытием из текстурированного ударопрочного стекла. Солнечный инвертор гибридного типа осуществляет преобразование постоянного тока 24 В в переменный ток 220 В для питания электродвигателя холодильной машины. Также через инвертор можно осуществить питание системы от внешней сети, при наличии к ней доступа в процессе транспортировки.
Включение и выключение электродвигателя газовой холодильной машины осуществляется по сигналу от контроллера системы автоматического управления. При работе системы постоянно контролируются давление, уровень жидкости в резервуаре и температура парового пространства. При достижении верхней заданной уставки по давлению осуществляется пуск холодильной машины. Давление плавно снижается до значения рабочего давления, после чего газовая холодильная машина отключается. При достижении температуры значения уставки производится включение холодильной машины для снижения температуры и давления в паровом пространстве цистерны. Помимо этого, система управления также содержит контроллер заряда аккумуляторов и солнечных панелей.
Преимуществом использования встроенных датчиков уровня по сравнению с системами, оснащенными дифференциальными манометрами, является повышенная точность показаний, поскольку пересчет данных, полученных по перепаду давлений, для жидкостей с переменной плотностью, дает большую погрешность (до 15% в системах хранения СПГ). В свою очередь, по показаниям датчиков температуры и давления, ведется пересчет значения плотности и корректируются данные о массе жидкого продукта в цистерне. Также при транспортировке и хранении СПГ для корректного расчета плотности вводится поправка на химический состав. Эта поправка рассчитывается, исходя из предварительно заданного в систему состава природного газа, который известен по данным от производителя (зависит от месторождения) или занесен в систему после проведения анализа.
Также использование температурных датчиков, размещенных на разной высоте по уровню резервуара, позволяет отслеживать появление температурного расслоения в СПГ в процессе стационарного хранения. При достижении разности температур по высоте, равной значению уставки, производится запуск холодильной машины для реконденсации паров, что вызывает принудительную циркуляцию жидкости в сосуде. Таким образом, обеспечивается повышенная безопасность в процессе хранения за счет исключения возможности наступления ролловера.
Система управления также оборудована блоком беспроводного интерфейса, посредством которого предусмотрена передача данных о состоянии контейнера в диспетчерский пункт (передается информация о давлении и температуре в сосуде, уровне жидкости, уровень заряда батареи, данные о системных ошибках).
Обеспечение возможности транспортировки сжиженного природного газа в отдаленные районы различными видами транспорта без промежуточных перезаправок и обеспечение длительного хранения жидкого продукта на месте потребления без потерь в атмосферу обеспечивается за счет оснащения контейнера-цистерны автономной системой реконденсации паров, включающей в себя газовую холодильную машину с электродвигателем, к которому подключены система автоматического управления и гибридный инвертор, соединенный с основной и резервной аккумуляторной батареей, к системе управления также подключен блок солнечных панелей.
Таким образом, за счет наличия холодильной машины и системы автономного электропитания, отсутствуют ограничения по времени хранения сжиженного природного газа в рассматриваемой криогенной цистерне.
Конструктивное выполнение каждого из устройств, входящих в заявленный контейнер-цистерну, известно из уровня техники. Однако не каждое из устройств используется по своему прямому, известному назначению, а именно:
равнодискретно встроенные датчики температуры используются не для измерения текущей температуры в паровом пространстве (что характерно для большинства промышленных сосудов), а для контроля степени температурного расслоения сжиженного природного газа по высоте сосуда;
навигационный модуль не только считывает координаты при навигации транспортного средства, но и, на основании данных о текущей скорости транспортировки, передает в систему управления данные о режиме эксплуатации контейнера: стационарном или транспортном. Эта информация используется для вычисления поправки при расчете времени хранения (до достижения в сосуде предельного допустимого значения давления) газа в сосуде.
Что касается связей между устройствами, входящими в состав контейнера-цистерны, не все из них осуществляются на основании известных правил, а именно: включение и выключение электродвигателя газовой холодильной машины осуществляется по сигналу от контроллера системы автоматического управления, при этом подача сигнала на включение производится в зависимости от текущего (расчетного) значения времени хранения. Системой производится расчет времени хранения на основании данных о температурном расслоении в сосуде, об уровне жидкости и давлении в газовой полости, а также с учетом текущего режима транспортировки (передвижение или стоянка). Таким образом, учитывается не только текущее измеренное значение давления (для его учета было бы достаточно использования общеприменимых законов регулирования), но и степень температурного расслоения, оказывающая непосредственное влияние на скорость возрастания давления и, следовательно, на продолжительность безопасного хранения сжиженного природного газа в сосуде.
Достигаемый при этом технический результат обусловлен не только известными свойствами частей этого средства и связей между ними, но и возможностью учета комплекса факторов, влияющих на время хранения сжиженного природного газа: текущих значений уровня жидкости, давления, плотности (рассчитанной в зависимости от конкретного состава природного газа), степени температурного расслоения и текущего режима эксплуатации.
В целом, заявленный контейнер отличается повышенной степенью адаптации для работы со сжиженным природным газом различного химического состава, в том числе, за счет уточненного расчета системой плотности природного газа, которая достигается возможностью занесения в систему управления данных о составе газа.
Мультимодальный контейнер для хранения и транспортировки сжиженных криогенных газов, состоящий из криогенной цистерны с экранно-вакуумной изоляцией, к которой подсоединена газовая холодильная машина, соединенная с электродвигателем, к которому подключены система управления и гибридный инвертор, соединенный с основной и резервной аккумуляторной батареей, причем к системе автоматического управления подключен блок солнечных панелей, во внутреннем сосуде цистерны равнодискретно встроены температурные датчики и датчики уровня жидкости, соединенные с системой управления, которая оборудована блоком беспроводного интерфейса и навигационным модулем, отличающийся тем, что контроллер системы автоматического управления выполнен с возможностью подачи сигнала включения и выключения электродвигателя газовой холодильной машины в зависимости от текущего значения времени хранения, расчет которого производится на основании данных о температурном расслоении в сосуде, уровне жидкости и давлении в газовой полости сосуда с учетом режима его транспортирования.
