DE3928679A1 - Verfahren und vorrichtung zur leckpruefung an vertikaltanks oder tankfarmen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Leckprüfung an Vertikaltanks oder Tankfarmen nach den Oberbe­ griffen der Ansprüche 1 und 6.

Unter Vertikaltanks und Tankfarmen werden hier alle Arten von Tanks beliebiger Durchmesser, Höhe und Form verstanden, in wel­ chen Flüssigkeiten gelagert werden oder die hierfür bestimmt sind.

Aus der DE-OS 35 12 082 ist bereits ein Verfahren zur Leckprüfung an einem Tank bekannt, bei welchem die Abweichung des Flüssig­ keitspegels von einem Bezugswert bestimmt wird. Bei einer Ände­ rung der Abweichung wird geprüft, ob eine maximal zulässige Änderung überschritten wird und ggf. eine Anzeige ausge­ löst. Das vorbekannte Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Durchführung haben den Nachteil, daß die Messung des Pegels nur zur Feststellung von Leckagen führen kann, die im Verhältnis zum Tankinhalt relativ groß sind. Dies gilt insbesondere für die ausgeführte Pegeldetektorein­ richtung, bei der ein Schwimmkörper ein Schaltnetz von Widerständen und Reed-Relais beeinflußt. Es versteht sich, daß dieser Stand der Technik insbesondere zur Detektion von Lecks einer hydraulischen Steuerflüssigkeit aus dem Tank einer Werkzeugmaschine geeignet ist, welche ein nur geringes Tankvolumen hat. Außerdem ist nachteilig, daß eine Temperaturänderung über die damit verbundene Dichte­ änderung der Flüssigkeit eine Verfälschung des Pegelmeß­ wertes und eine weitere Ungenauigkeit bei der Feststellung von Leckagen bedingt. Aus den vorstehenden Gründen ist dieser Stand der Technik für den Einsatz an Vertikaltanks oder Tankfarmen ungeeignet, die erhebliche Volumina auf­ weisen können und oft erheblichen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.

Die EP-PS 00 94 533 bezieht sich in der Beschreibungsein­ leitung auf ein Verfahren zur Dichtigkeitsprüfung von Pipelines, bei dem der zu überprüfende Rohrabschnitt mit einer Flüssigkeit gefüllt und unter Druck gesetzt wird. Tritt infolge eines Lecks Flüssigkeit aus, sinkt der im Rohr herrschende Überdruck im Laufe der Zeit ab. Aus dem Druckabfall je Zeiteinheit und den bekannten Daten von Rohrsystem und Flüssigkeit kann auf das Vorhandensein und die Größe eines Lecks geschlossen werden. Dieses Verfahren ist jedoch in der Regel nicht auf Vertikaltanks oder Tank­ farmen anwendbar, weil die Tanks nicht für die erhöhten Prüfdrücke ausgelegt sind und unterschiedliche Befüllni­ veaus aufweisen können. Außerdem ist das Verfahren beson­ ders temperaturempfindlich, so daß entweder für Tempera­ turkonstanz gesorgt werden muß oder eine Temperaturmessung über die Prüfzeit hinweg einzurichten ist.

Aus dieser europäischen Patentschrift ist ferner ein Ver­ fahren zur Leckprüfung von Rohren oder Rohrnetzen bekannt, bei dem der Temperatureinfluß auf das Meßergebnis dadurch vermindert wird, daß eine zeitnormierte Druckänderungs­ differenz aus Druckänderungen von verschiedenen Ausgangs­ druckniveaus bestimmt und mit einem zeitnormierten Vorgabe­ wert verglichen werden. Die Anwendung auf größere Tanks dürfte aber an der unzureichenden Druckfestigkeit und dem großen Prüfaufwand sowie Unterbrechungen durch unabdingba­ re Ablaßvorgänge scheitern.

Da der Stand der Technik für die Leckprüfung an Vertikal­ tanks oder Tankfarmen nicht zufrieden stellt, werden solche Tanks vielfach aus Sicherheitsgründen mit doppelten Tankböden versehen, was herstellungs- und kostenintensiv ist.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchen bei geringem tech­ nischen Aufwand auch kleine Leckagen erfaßt werden können, selbst wenn sich die Temperatur des Tankinhaltes während des Prüfvorganges ändert.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 und bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruches 6 gelöst. Bei einem erfin­ dungsgemäßen Verfahren bzw. einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung wird also der Differenzdruck zwischen einem ersten Ort in der Flüssigkeitssäule und einem zweiten Ort über der Flüssigkeit bestimmt. Dieser Differenzdruck ist ein sehr genaues Maß für die zwischen den beiden Meßpunkten eingeschlossene Flüssigkeitsmasse. Temperaturänderungen führen nämlich im wesentlichen nur zu einer Erhöhung des Gasdruckes im Gaspolster über der Flüssigkeit (bei geschlos­ senem Tank) oder des Umgebungsdrucks (bei offenem Tank), welche durch die Differenzdruckmessung miterfaßt wird. Da sich die Flüssigkeit bei einer temperaturbedingten Dichte­ änderung in das Gasvolumen ausdehnen kann, kommt es nicht zu einem steilen Druckanstieg, wie dies bei dem bekannten Verfahren zur Leckprüfung mit einem hohen Prüfdruck der Fall ist. Aus den ermittelten Druckdifferenzen können ent­ weder zunächst zeitnormierte Druckdifferenzänderungen er­ rechnet werden, die dann in zeitnormierte Flüssigkeitsmas­ senänderungen umgerechnet werden. Alternativ können die Druckdifferenzen aber auch in Flüssigkeitsmassen umgerech­ net werden, aus denen dann zeitnormierte Flüssigkeitsmas­ senänderungen bestimmt werden. Danach erfolgt ein Vergleich der zeitnormierten Flüssigkeitsmassenänderung mit einem zeitnormierten Vorgabewert, der unter Berücksichtigung des Auflösungsvermögens der Druckdifferenzmessung sowie der Meßzeitdauer, und unvermeidlicher Meßtoleranzgrenzen ge­ wählt ist. Erfindungsgemäß können selbst kleinere Leck­ ströme als etwa ein Liter pro Stunde erkannt werden. Mit steigendem Tankdurchmesser wird gemäß dem Differenzdruck­ auflösungsvermögen ein proportionaler Meßzeitanstieg und damit ein größerer Absolut-Mengenverlust einhergehen, der rechnerisch in das Zeitnominal (Leckage pro Minute) umgewan­ delt wird. Voraussetzung hierfür sind lediglich geeignete Differenzdrucksensoren, die auch den maximalen Differenz­ druck mit ausreichender Reproduzierbarkeit und Meßzeitdau­ er messen und ein nicht übermäßig großer Tankdurchmesser.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Druckdifferenzen in Zeitabständen gleicher Dauer bestimmt, wobei der Vorgabewert auf denselben Zeit­ abstand bezogen ist. Durch die konstanten Zeitabstände erübrigt sich eine Normierung der Druckdifferenzen bzw. Flüssigkeitsmassenänderungen und des Vorgabewertes und wird die Auswertung erleichtert.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird der Differenzdruck bzw. der Meßzeitdauer mit einer Auflösung bestimmt, die im Verhältnis zur Größe des Tanks und seines Flüssigkeitsgehalts sowie zur erkennenden kleinsten Leck­ strommenge ausreichend groß ist. Mit steigender Grundflä­ che des Tanks, größerem Flüssigkeitsgehalt sowie sinkender kleinster Leckstrommenge wächst nämlich das erforderliche Auslösungsvermögen der Differenzdruckmessung bzw. der Meß­ zeitdauer an, weil relativ zu dem Differenzdruckwert nur noch kleine Differenzdruckänderungen erfolgen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die zeitnormierten Flüssigkeitsmassenänderungen durch Ausgleichsrechnung für mehr als zwei bestimmte Druckdiffe­ renzen ermittelt. Dabei können mehrere Druckdifferenzen berücksichtigt werden, die einem Meßzeitpunkt zuzuordnen sind und/oder Druckdifferenzen, die in mehreren Zeitab­ ständen ermittelt wurden. Hierdurch werden Umwelteinflüsse, wie Temperaturschwankungen, Dichteänderungen, Vibrationen, Schallwellen, innere Strömung in der Tankflüssigkeit usw. eliminiert. Vorteilhaft ist es, wenn für jeden Meßzeit­ punkt eine sehr große Anzahl von Druckdifferenzen bestimmt und bei der Ausgleichsrechnung verwertet wird.

Schließlich ist bei einer Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, daß die Druckdifferenzen nach einem Befüll- oder Entleervorgang des Tanks erst nach einer vorgegebenen Beruhigungszeit bestimmt werden, so daß durch diese Vor­ gänge hervorgerufene Strömungen einen erheblich vermin­ derten Einfluß auf die gemessenen Druckdifferenzen haben.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Meßeinrich­ tung für die Differenzdruckmessung in Bodennähe des Tanks, insbesondere an einem unteren Tankablaufstutzen und im Be­ reich des Tankdeckels, insbesondere an einem oberen Tank­ stutzen auf dem Tankdeckel angeschlossen oder bei offenem Tankdeckel mit der Atmosphäre verbunden, wobei der obere Tankstutzen insbesondere ein Befüll- oder Entlüftungsstut­ zen sein kann. Bei dieser Ausgestaltung kann die Vorrich­ tung einfach auch an vorhandenen Tanks angebracht werden.

Schließlich ist bei einer Weiterbildung der Vorrichtung vorgesehen, daß die Meßeinrichtung für die Differenzdruck­ messung mit dem Eingang eines Analog-Digital-Wandlers verbunden ist, der ausgangsseitig mit einer digitalen Datenverarbeitungsanlage für die Weiterverarbeitung des Signals gekoppelt ist. Hierdurch wird die Genauigkeit der Meßwertverarbeitung gesteigert und die Beeinflußbarkeit des Meßsignals durch elektrische Störungen vermindert.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein von dieser geliefertes Meßsignal zei­ gen. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen Vertikaltank mit Meßeinrichtung einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung in der Seitenansicht;

Fig. 2 einen Vertikaltank mit einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung in der Draufsicht;

Fig. 3 digitalisierte Meßsignale mit einer Regressionsge­ raden derselben Vorrichtung.

Der in der Fig. 1 dargestellte Vertikaltank 1, der auch Bestandteil einer aus mehreren Vertikaltanks zusammenge­ setzten Tankfarm sein kann, hat typischerweise einen Innendurchmesser von 6 bis 40 m und eine Füllhöhe von 10 bis 20 m. An einem unteren Tankablaufstutzen 2 ist ein Differenzdruckmesser 3 angeschlossen, der andererseits mit einem oberen Tankstutzen 4 des Tankdeckels 5 verbunden ist. Der Tankablaufstutzen 2 ist mit einem Ventil 6 verschließ­ bar, das für eine genaue Messung dicht schließen muß.

Der Vertikaltank 1 kann sowohl belüftet als auch unbelüftet sein. Durch den Tankablaufstutzen 2 und den Tankstutzen 4 mißt der Differenzdruckmesser den Differenzdruck im Ver­ tikaltank 1 zwischen den Niveaus des Tankablaufstutzens 2 und dem Tankstutzen 4. Der Gasdruck im Tankstutzen 4 stimmt in ausreichender Näherung mit dem Druck eines Gas­ polsters 7 an der Oberfläche einer eingefüllten Flüssig­ keit 8 überein.

Zur Verarbeitung der von dem Differenzdruckmesser 3 ge­ lieferten Analogsignale, welche dem Differenzdruck pro­ portional sind, hat die Vorrichtung weitere, in der Fig. 2 dargestellte Komponenten. Der Differenzdruckmesser 3 ist mit einem Analog-Digital-Wandler 9 gekoppelt, welcher das Analogsignal in ein digitales Ausgangssignal umwandelt.

Zum Beispiel liefert der Differenzdruckmesser 3 ein Meßsignal im Bereich von 4 bis 20 mA, welches von einem 22-Bit-Analog- Digital-Wandler in binäre Zahlenwerte umgewandelt wird, die Dezimalzahlen im Bereich von Null bis etwa 4,1 Mio ent­ sprechen. Bei einem Durchmesser des Vertikaltanks von 20 m und einer Füllhöhe von 10 m einer Flüssigkeit AIII mit der Dichte 0,84 kg/l läßt sich mit den vorstehenden Werten des Differenzdruckmessers 3 und des Analog-Digital-Wandlers 9 eine Leckstrommenge von nur 0,742 l pro Zeiteinheit fest­ stellen. Eine entsprechende Leckstrommenge entweicht durch einen Leckquerschnitt von nur 2 mm² am Fuße des Tankes in einer Minute. Bei einem Analog-Digital-Wandler mit einer Auflösung von 16 Bit ließe sich nur eine Leckstrommenge von 47,608 l feststellen.

Der Analog-Digital-Wandler 9 ist mit einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage 10 verbunden, die das Rechnungs­ ergebnis auf einem Monitor 11 darstellt und mit einem Drucker 12 ausdruckt. Die Anlagenkomponenten 9 bis 12 werden vorzugsweise in der Nähe des Vertikaltanks 1 ange­ ordnet, wobei sie jedoch einen Schutzmantel 13 gegen Um­ gebungseinflüsse haben.

Der Fig. 3 sind weitere Einzelheiten der digitalen Signal­ verarbeitung entnehmbar, wobei auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate der gemessenen Druckdifferenz pro­ portionale Dezimalzahlenwerte dargestellt sind, welche binären Zahlenwerten eines Ausschnitts des von dem Digital- Analog-Wandlers abgedeckten Wertbereiches entsprechen. Demnach werden zu einer Meßzeit von etwa 10 Minuten eine Vielzahl von Zahlenwerten gemessen, die alle im Bereich von 3 801 000 bis 3 799 000 liegen. Durch Ausgleichsrech­ nung wird diesen z. B. 600 Meßwerten ein Mittelwert 14 zu­ geordnet. Weitere Mittelwerte 14 werden in Zeitabständen von 10 Minuten gewonnen. Nach Bestimmung einer vorgegebe­ nen Anzahl von Mittelwerten 14 - im vorliegenden Fall nach fünf Bestimmungen - werden diese durch eine Regressions­ gerade 15 ausgeglichen, welche für den Vergleich mit einem zeitnormierten Vorgabewert herangezogen wird. Durch die Ausgleichsrechnungen werden auf Umgebungseinflüssen be­ ruhende Schwankungen der Druckdifferenzen eliminiert.

Claims (8)

1. Verfahren zur Leckprüfung an Vertikaltanks oder Tankfar­ men, bei welchem der Flüssigkeitsgehalt eines Tanks in Zeitabständen bestimmt und beim Überschreiten einer maximal zulässigen Änderung des Flüssigkeitsgehalts eine Anzeige erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß in Zeitabständen Druckdifferenzen zwischen einem in der Flüssigkeit und einem mit einem Gaspolster über der Flüssigkeit in dem Tank verbundenen Ort bestimmt wer­ den, daß Druckdifferenzänderungen aus in Zeitabständen bestimmten Druckdifferenzen ermittelt und durch Bezug­ nahme auf den Zeitabstand zwischen den Druckdifferenzen zeitnormiert werden, worauf aus den zeitnormierten Druckdifferenzänderungen zugeordnete zeitnormierte Flüssigkeitsmassenänderungen ermittelt werden, oder daß aus den Druckdifferenzen zugeordnete Flüssigkeitsmassen ermittelt werden, worauf Flüssigkeitsmassenänderungen aus in Zeitabständen bestimmten Flüssigkeitsmassen er­ mittelt und durch Bezugnahme auf den Zeitabstand zwi­ schen den ermittelten Flüssigkeitsmassen zeitnormiert werden und daß geprüft wird, ob die zeitnormierten Flüssigkeitsmassenänderungen einen auf den gleichen Zeitabstand normierten Vorgabewert erreichen, bei dessen Überschreiten eine Anzeige erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenzen in Zeitabständen gleicher Dauer bestimmt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Differenzdruck bzw. die Meßzeit­ dauer mit einer Auflösung bestimmt wird, die im Verhält­ nis zur Größe des Tanks und seines Flüssigkeitsgehalts sowie zu der zu erkennenden kleinsten Leckstrommenge ausreichend groß ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zeitnormierten Flüssigkeitsmassen­ änderungen durch Ausgleichsrechnung für mehr als zwei bestimmte Druckdifferenzen ermittelt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Druckdifferenzen nach einem Be­ füll- oder Entleervorgang des Tanks erst nach einer vorgegebenen Beruhigungszeit bestimmt werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer in den Tank eingreifen­ den Meßeinrichtung für den Flüssigkeitsgehalt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung eine in Bodennähe und im Bereich des Tankdeckels (5) angeschlossene oder bei offenem Tankdeckel mit der Atmosphäre verbundene Meß­ einrichtung (3) für den Differenzdruck ist, und daß die Meßeinrichtung (3) ein elektrisches Meßsignal an eine elektrische Signalverarbeitungseinrichtung (9, 10, 11, 12) liefert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (3) für die Differenzdruckmessung an einem unteren Tankablaufstutzen (2) und einem oberen Tankstutzen (4) auf dem Tankdeckel (5) angeschlossen oder bei offenem Tankdeckel mit der Atmosphäre verbun­ den ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (3) für die Dif­ ferenzdruckmessung mit dem Eingang eines Analog-Digital- Wandlers (9) verbunden ist, der ausgangsseitig mit einer digitalen Datenverarbeitungsanlage (10, 11, 12) für die Weiterverarbeitung des Signals gekoppelt ist.