实时计算容纳LNG的非冷藏罐的自治持续时间的方法和系统与流程

根据本发明，术语容纳NG的非冷藏罐的自治持续时间是指打开罐的阀之前罐中的天然气的剩余保留时间(或储存时间)。

液化天然气(缩写为LNG)通常是基本上由液态的冷凝甲烷组成的天然气：当其在大气压下冷却至约-160℃的温度时，其形式为清澈、透明、无气味、无腐蚀性且无毒的液体。在容纳LNG的罐中，LNG通常具有液体层的形式，该液体层被气体层(“罐顶”)覆盖。

LNG碳氢燃料是传统燃料的简单而有效的替代品。无论从CO2排放的角度看，还是从污染颗粒和能量密度的角度看。越来越多的参与者转向使用它们，特别是公路、海上或铁路运输者。

然而，LNG的固有缺陷之一是其在大气压下为低温液体的性质。这意味着LNG必须维持在远低于环境温度的温度下以便保持液态。这隐含着热不可避免地进入LNG的非冷藏罐中，并且因此气体层中的压力升高直到罐的阀打开为止。该压力的升高限制了LNG在罐中的自治持续时间。

然而，自治持续时间是要知晓的至关重要的参数，用于标定物流链并且特别是LNG的运输链的规模，并且实时通知操作者(经营者)剩余的自治持续时间(与通常将电池的续航时间传达至其用户的方式相同)。当这样的信息没有传达至LNG罐的操作者时，这会导致例如甲烷排放到大气中，其不符合当前环境要求。

当前，并不知晓有在打开阀之前实时通知操作者LNG的罐的自治持续时间(或保留时间)的解决方案。操作者可获得的仅有的信息是罐顶(即罐中的表面层气体)的压力。因此，操作者遵循从经验推导出并且由罐制造商提供的良好的行为规则，以防止气体排放到大气中。

当前安全标准(特别是由“American Society of Mechanical Engineers(美国机械工程师协会)”、“International Maritime Organization(国际海事组织)”、“European Agreement concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road(关于危险货物道路国际运输的欧洲协议)”和“International Maritime Dangerous Goods(国际海上危险物品)”给出的那些)要求罐制造商计算和测量在特定于每种标准的填充、温度和压力的某些精确条件下的最大保留时间。该最大保留时间当前是被研究以用于标定物流链的规模的参考。然而，这不是关于罐的自治持续时间的实时信息，并且出于以下几个原因，缺少该实时信息是有问题的：

●观察到物流链中缺乏灵活性：事实上，最大保留时间是在物流链的确立(制定)的上游计算的。在意想不到的情况下，客户或操作者没有可用的工具来支持他们做出选择；

●没有考虑对不平衡的LNG的管理：事实上，与当前标准中考虑的情况相反，LNG不一定处于与其气相平衡的状态。不平衡的状态可能会使操作者感到意外。例如，在过冷LNG的情况下，一旦达到平衡温度，压力的增加可能会急剧加速。显然，操作者无法计算该平衡温度；必须使管理LNG的所有操作者都接受操作LNG和良好做法(实践、规范)方面的适合的培训。市场中当前的参与者就是这种情况，这些参与者大多是接受过这种培训的专业人员，并且也被传授了这些良好做法。这是可行的是，因为当前的LNG碳氢燃料的市场具有相对小的规模。然而，如果市场迅速增长，那么培训较少的参与者将与LNG产生联系。知晓排气(通风)前的时间可以显著帮助这些新参与者LNG管理。

总之，为了确保LNG作为燃料的发展，当前目标是提出解决方案，使得可以更好地实时预测其行为。在预建立的枷锁(约束)下工作的束缚是当前有利于其直接竞争对手诸如柴油的技术障碍。

为了实现上述目标，本申请人已经开发了用于实时计算容纳LNG的非冷藏罐的自治持续时间的方法和系统，该方法和系统使得根据以下方面使得可以即刻提供LNG罐的自治持续时间：

-一方面，通过在罐内部的传感器在罐内部测量到的LNG的热力学参数(罐中的液体和气体的温度和组成、气体LNG的压力以及液体LNG的比例)，以及

-另一方面，关于罐的数据(形状、尺寸、用于标定罐的阀的压力、以及蒸发(汽化)率，或英语为“Boil Off Rate”(BOR))。

因此，本发明的目的为一种用于实时计算非冷藏罐的自治持续时间的方法，并且该罐由阀的设定压力p阀、其形状及其尺寸、以及其蒸发率(在英语中通常表示为“Boil Off Rate”以及对应的首字母缩写BOR(关于罐的输入数据)限定，容纳天然气(NG)的所述罐被分成：

●液态天然气(LNG)层，在给定时刻t由其温度T液体(t)、其组成x液体(t)以及所述液态天然气层对该罐的填充率(关于液态NG的热力学参数)限定；

●气态天然气(GNG)层，在给定时刻t由其温度T气体(t)及其组成(成分)x气体(t)、以及压力p(t)(关于气态NG的热力学参数)限定；

所述方法的特征在于，其由包括以下步骤的算法组成：

A.在时刻t0，通过使用压力传感器和温度传感器测量气体的压力p(t0)和液体的温度T液体(t0)，对所述液化天然气层的物理参数进行初始化，同时液相x液体(t0)和气相x气体(t0)的相应组成是与装载该罐时液相和气相的相应组成对应的已知输入数据，，或与所使用的LNG的类型的平均组成对应的已知输入数据；

B.对于大于t0的每个时刻t，扣减与在该时刻t处罐的工作状态对应的预定体积V的气态或液态天然气(如果该罐由停止的交通工具运输，则V＝0，否则V对应于交通工具在NG方面的消耗)；并且使用基于容纳在罐中的液体和气体的天然气的质量和能量守恒的方程，基于扣减之后剩余的天然气的体积，计算物理参数p(t)、T气体(t)和T液体(t)；

C.只要压力p(t)小于p阀，就对具有恒定的物理时间步长δt(特别是约1分钟，根据热流量和热力学平衡的时间常数)的下一时刻t+δt重复步骤B的计算。

D.一旦在p(t)，p(t+δt)，...，p(t+N*δt)的N次迭代计算过程期间，压力p(t+N*δt)变得等于或大于p阀，则停止计算；

E.所寻求的自治持续时间等于在停止计算时该算法经过的总持续时间N*δt。

罐可以在开放系统(在这种情况下由工作中的交通工具运输)或封闭系统(在这种情况下由停止的交通工具运输或未被运输)中工作。

图2中示出了根据本发明的方法。

关于罐的输入数据，罐可以具有各种形式，例如棱柱形、圆柱形或球形。对于圆柱形罐，其尺寸通常可以是长度约1.5米且直径约0.5米。LNG罐的制造商给出了罐的阀的设定压力p阀。对于具有300升容量的容器来说，通常为约16巴，并且甚至可以达到25巴。

根据本申请，术语蒸发率意味着在罐打开的情况下由于进入的热而每天将被蒸发的液体的等效体积。这也是罐的特定值，通常由制造商给出。

关于NG的热力学参数，假设罐中容纳的液化天然气被分成液态天然气层和气态天然气层，如图1所示。每个层在每个时刻t通过其温度T液体(t)和T气体(t)(分别用于液态LNG层和气态LNG层)及其组成x液体(t)和x气体(t)(分别用于LNG层和GNG层)限定。

气相(即气态天然气层)更具体地由其压力p(t)表征，其在每个时刻t通过Peng-Robinson状态方程^[1]计算，而液相(即液态天然气层)更具体地由液态天然气层对该罐的填充率z表征，其在罐装载之后通常为容积的约80％至90％，并且在保存(工作)结束时，为容积的大约10％至20％。

组成x液体(t)和x气体(t)是给出LNG的每种组分的质量分数(通常为在LNG的气相或液相的每一相中CH4、C2H6、C3H8、iC4H10、nC4H10、iC5H12、nC5H12、nC6H14和N2的质量分数)的矢量。请注意，液相和气相不一定处于热力学平衡：事实上，填充期间气相的压缩可能引起两相之间的热交换延迟(液体处于过冷状态)。

根据本发明的计算方法由包括从A至D各步骤的算法(或NG的行为规则)组成。该规则(或算法)考虑了影响压力的多个物理现象(下文详述)：

-气体的可压缩性，

-通过传导的热输入，

-通过辐射的热输入，

-LNG的蒸发。

NG的行为规则是迭代类型的，即它计算每个物理时间步长δt处的压力的变化，直到打开阀。

第一步(步骤A)在于，在初始时刻t0，通过使用压力传感器和温度传感器(连续地)测量气体的压力p(t0)和液体的温度T液体(t0)，初始化液化天然气的所述层的物理参数。另一方面，液相x液体(t0)和气相x气体(t0)的各自的组成是已知的输入数据，对应于装载罐时液相和气相的各自的组成，或者所使用的LNG类型的平均组成。

然后，对于大于t0的每个时刻t，扣减与在该时刻他处罐的工作状态对应的预定体积V的气态或液态天然气；然后在步骤B期间，使用基于容纳在罐中的液体和气体的天然气的质量和能量守恒的方程进行物理参数p(t)、T气体(t)和T液体(t)的计算。

这些方程，其细节在下文中提供，是基于非冷藏罐被认为是封闭系统的假设：质量守恒方程因此在气相和液相之间是互补的，并且表面蒸发被认为是允许质量转移的唯一现象。

液体质量的计算是通过考虑天然气对该罐的填充率z以及LNG在液体的温度T液体(t)下的密度来进行的。

气相的质量变化可以由关系式(1)给出：

(1)

其中：

-mi表示天然气的组分i的质量流率(详见关于表面蒸发的段落，在说明书中描述行为规律中要考虑的物理现象的部分)，以及

-x蒸发,液体,i表示与在液体层的自由表面(换言之，液体与气体面之间的界面)处的LNG蒸发相关联的组分i的质量分数。

用于液相的能量守恒方程可以由关系式(2)给出：

(2)

其中：

-h液体表示液相的总焓，

-Φ表示与作用于LNG的每个现象相关联的热流量：

oφ^液体传导特别表示经由通过罐的湿壁(侧面和底部)的传导的寄生热输入，

oΦ辐射特别表示气相(罐的上层)的入射辐射，以及

oΦ蒸发表示液体LNG层的自由表面处蒸发的LNG的流量。

气相的能量守恒方程可以由关系式(3)给出：

(3)

其中：

-h气体表示气相的总焓，以及

-Φ蒸发如上文所定义的，以及

-φ^气体传导特别表示通过罐的干壁(侧面和底部)的传导的寄生热输入。

如上所述，气相的压力p(t)可以通过Peng-Robinson方程^[1]计算。

气体和液体的温度分别为T气体(t)和T液体(t)，可以由每相的在恒定体积CV下的热容量确定，这可以由关系式(4)给出：

(4)

其中：

-T(t)表示所考虑的相在时刻t计算的温度，

-h表示所考虑的相的焓，以及

-CV，所考虑的相在恒定体积下的热容量。

影响压力p(t)的主要物理现象在按照根据本发明的方法对罐的自治持续时间的计算中被考虑到，特别是可以包括气体的可压缩性、通过传导的热输入、通过辐射的热输入以及LNG的蒸发。这些现象的细节在下文中详述：

表面蒸发

认为液相与气相之间的热交换和质量守恒由表面蒸发定律引导，其原动力(诱因)是以液态储存的LNG的核心与其自由表面之间的温度差。罐的气相中的压力p(T)影响表面蒸发，这是通过影响与该压力对应的液体/蒸汽表面处的NG的平衡温度实现的。假设LNG的自由表面的温度等于LNG的平衡温度。

静止的NG罐中的蒸发是在表面上发生的局部现象。相的变化是相对“温和的”(即没有沸腾并且在相对薄的边界层中)并且在没有沸腾的情况下发生。在根据本发明的方法的算法中，可以使用基于自然湍流对流规律的定律，其可以特别是以下形式^[2]：

(5)q蒸发＝K·(ΔT过热)^α

其中：

-K表示关于LNG的常数，其始终为正，

-ΔT过热表示LNG罐中蒸发现象期间产生的过热，

-Q蒸发表示LNG的标准化蒸发率，以及

-α表示关于LNG的系数，其中1≤a≤2。

壁上的热传导

对于与壁的热交换，可以考虑统一而且恒定的周壁(pariétal)流量。该流量的值是计算的输入量，其直接与根据制造商的标准的蒸发率(在英语中通常表示为“Boil Off Rate”以及对应的首字母缩写BOR)关联。

壁的热辐射

竖直的非湿壁也可以是热流部位，其具有加热气相的作用，但也有助于通过辐射加热液体。

为了考虑气相在加热液体方面的贡献，可以使用简单的模型，该模型建立了在所有表面上的辐射平衡，上述所有表面即LNG的自由表面(界面)与罐的非湿表面(仅与罐中NG的气相接触的罐的表面)。下面提供了该模型的假设的细节：

-假设在LNG的饱和温度下自由表面是平坦的。另一方面，假设该表面是黑的，其中ε＝α＝1，ρ＝＝0，ε是发射率，α是吸收系数，并且ρ表示反射系数，

-假设罐的竖直壁处于恒定温度。还假设这些表面为灰的而且具有恒定的发射率ε＝α＝cte，ρ＝1-α，

-假设气体对壁的辐射是透明的。

对于所涉及的表面中的每一个表面，可以使用辐射方程以便控制这些交换：

(6)Φ净＝面积×(反射辐射-入射辐射)＝S×(J-E)

其中：

-E表示照度(或入射通量)以及

-J表示以(εσT⁴+ρE)表示的辐射度；

-S面积表示所涉及表面的面积；

-Φ净表示由该表面接收到的净流量。

这样，有利地，可以根据如下定义的步骤来执行物理参数p(t)、T气体(t)和T液体(t)在步骤B处的计算。

●使用能量守恒方程直接确定液相的温度T液体(t)和气相的温度T气体(t)，其中输入数据为液态天然气和气态天然气的热容量、由罐的制造商定义的罐的热绝缘性以及LNG和GNG在时刻t-δt的温度，

●通过关系式(5)、根据前一步骤中确定的在时刻t-δt的压力和液体的温度来确定蒸发为气相的液体的质量：

(7)q蒸发＝K·(ΔT过热)^α

其中：

-K表示关于LNG的常数并且该常数始终为正，

-ΔT过热表示LNG罐中的蒸发现象期间产生的过热，

-Q蒸发表示LNG的标准化蒸发率，以及

-α表示关于LNG的系数，其中1≤a≤2；

-a关于LNG的系数，其中1≤a≤2；

●通过Peng-Robinson方程获得气相的压力p(t)，其中输入数据为蒸发的液体质量、罐的体积以及在时刻t气体的温度。

在根据本发明的方法的算法的步骤C期间，只要压力p(t)小于p阀，就通过对下一刻t+δt(具有恒定的物理时间步长δt)重新开始质量和能量守恒方程，重复步骤B的计算。该时间步长δt可以为约一分钟。其值取决于热流量、热力学平衡的时间常数。

一旦在计算p(t)、p(t+δt)，......，p(t+N*δt)的N次迭代过程期间气相的压力p(t+N*δt)在时刻t+N*δt变得大于或等于阀的打开压力p阀，则算法结束(步骤D)并且返回由算法行进的总持续时间(步骤E)，其等于算法在计算停止时经过的总持续时间N*δt。

获知该持续时间的操作者可以从中得出罐的自治持续时间，即在打开罐的阀之前LNG在罐中的剩余的保留时间(或存储时间)。

有利地，在根据本发明的方法中，只要时间间隔ΔT(根据计算装置的技术定义)已经过去，就重复所有的步骤A至D，以便重新计算时刻t0+ΔT的自治持续时间。通常，该时间间隔可以为约1分钟，但是可以根据所使用的技术(计算装置、特别是MMI接口)而变化。

有利地，根据本发明的方法的算法(或NG行为代码)可以依靠连接到MMI接口的计算装置来实现，使得能够告知操作者该自治持续时间。得益于连接到MMI接口的计算装置，可以在所有时间间隔ΔT(根据所使用的技术可变，例如每分钟)处进行自治持续时间的物理计算，并且可以将该计算结果传输到MMI。

如上所述，必须向计算装置提供不同类型的数据：

-关于罐的数据(用户只输入一次)：

●罐的形状(棱柱形、圆柱形、球形等)，

●罐的尺寸，

●罐的蒸发率(或BOR)，

●对热输入的评估(来自制造商的数据)，以及

●阀的校准压力p阀。

-NG的组成(要在开始装载罐时输入的组成或使用平均组成)，以及

-由传感器提供的数据(连续地)：气体和液体的温度以及气体的压力。

因此，本发明的目的还在于提供一种实时计算非冷藏罐的自治持续时间的系统，其中该算法通过计算装置实现，该计算装置计算罐的自治持续时间，该罐由阀的设定压力p阀、其形状及其尺寸、以及其蒸发率限定，根据本发明的所述系统包括：

-容纳液化天然气的罐，分为：

o液态天然气(LNG)层，在给定时刻t由其温度T液体(t)、其组成x液体(t)以及所述天然气层对该罐的填充率限定；以及

o气态天然气层，在给定时刻t由其温度T气体(t)及其组成x气体(t)、以及压力p(t)限定；

-压力传感器和温度传感器，

所述系统的特征在于，其还包括：

-连接到所述压力传感器和温度传感器的计算装置，所述计算装置能够执行诸如根据本发明定义的方法的算法，

-与所述计算装置交互的MMI接口，用于在通过连接到MMI接口的计算装置实现根据本发明的算法时，向操作者报告根据该算法(或行为代码LNG)计算的自治持续时间。

就可以用于本发明的框架的MMI接口(首字母缩略词，意思是人机接口)而言，它们可以是交通工具的仪表板、计算机键盘、LED指示灯、触摸屏和平板计算机。

根据依据本发明的系统的有利实施方式，根据本发明的所述系统是嵌入式系统，其中：

-计算装置是连接到所述压力传感器和温度传感器的嵌入式计算装置，所述计算装置被特别设计为执行根据本发明的方法的算法，

-MMI接口也可以是嵌入式的，或可替换地，远程的，例如如果交通工具连接到中央控制器时。

-该MMI接口如果是嵌入式的，则可以是交通工具的嵌入式仪表板类型，与所述嵌入式计算装置专门交互，以向操作者(这里是驾驶员)报告根据本发明的方法计算的自治持续时间。

就本发明而言，专门设计用于执行根据本发明的方法的算法的计算装置，意指包括与专用存储内存相关并且与接口的主板相关的处理器的车载计算机；其中所有这些元件以确保“车载计算机”整体在机械、热力学和电磁阻抗方面的鲁棒性的方式组装，并且因此允许其适合用于LNG交通工具。

具体地，计算装置还可以包括屏幕和键盘。其连接到两个传感器，一个压力传感器和一个温度传感器，其用于提供罐内部的LNG状态的信息(见图1)。

图2中示出了根据本发明的系统。

本发明的目的还在于包括LNG罐的交通工具(陆、海或空)和根据本发明的系统，罐和系统如上所述。自治持续时间对操作者(例如交通工具的驾驶员或远程操作者)来说是感兴趣的信息，自治持续时间可以例如有利地显示在交通工具的仪表板上和/或交通工具的侧面上。

因此，本发明具有以下多重优点：

-即时提供任何LNG罐的保留时间的信息。

-在计算中考虑LNG的质量，而在使用纯甲烷作为参考的当前标准的情况下不是这样。

-能够管理不平衡LNG。

-报告罐顶的可压缩性。

本发明的其它优点和特点将由作为非限制性实施例提供并参考附图进行的以下描述得出：

o图1示出了根据本发明的NG的罐1的框图；

o图2示出了根据本发明的系统的框图；

o图3示出了根据本发明的方法的框图；

o图4至图8是交通工具的仪表板的屏幕捕获，每个交通工具运输NG的非冷藏罐。

图1示意性地示出LNG的罐1，其由具有两个均质(同质)NG层(液体层l(LNG)和气体层g(GNG))的两层系统建模。

图2是根据本发明的系统的框图，包括：

-罐1容纳的液化天然气被分为：

o液态天然气层l(T液体(t)、x液体(t)以及液态天然气层对罐1的填充率z)；

o气态天然气层g(T气体(t)、X气体(t)以及p(t))；

-压力传感器3和温度传感器4，

-连接到所述压力传感器3和温度传感器4的计算装置5，该计算装置能够执行诸如根据权利要求4定义的方法的算法，

-与计算机交互的MMI接口6，用于向给定的操作者7报告根据权利要求4的方法计算的自治持续时间。

图3是根据本发明的方法的框图，示出了如上所述的方法的各个步骤。

图4至图8是交通工具的仪表板的屏幕捕获，每个交通工具运输LNG的非冷藏罐。

特别地，图4是仪表板的屏幕捕获，显示了特定于罐的输入数据(尺寸、蒸发率、最大允许压力)。这些数据对于下文所述的所有实施例是共同的。

图5是仪表板的屏幕捕获，针对根据本发明的计算方法的第一计算实施例示出了特定于LNG的输入数据(组成、温度、压力和填充率z)。在该实施例中，LNG稍微过热：温度为-160℃，尽管该LNG的平衡温度是-162.31℃。

图6是仪表板的屏幕捕获，针对根据本发明的计算方法的第二计算实施例示出了特定于LNG的输入数据(组成、温度、压力和填充率z)。在该实施例中，LNG稍微过冷：温度为-157℃，而该LNG的平衡温度为-154.17℃。

图7和8分别针对第一实施例(图4和5的数据)和第二实施例(图4和6的数据)中的每个的屏幕捕获，给出计算的由交通工具运输的非冷藏罐的自治持续时间。

参考文献列表

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[2]H.T Hashemi,H.W.(1971).CUT LNG STORAGE COSTS.Hydrocarbon Processing,117-120.