Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ объекта исследований, методов и устройств измерений уровня, плотности и массы жидких энергоносителей 10
1.1 Анализ технических характеристик резервуарного парка 10
1.2 Основные контролируемые параметры и показатели 13
1.3 Классификация и сравнительная характеристика устройств контроля и управления состоянием резервуарного парка энергоносителей 16
1.4 Основные проблемы и направления развития устройств контроля и управления состоянием резервуарного парка жидких энергоносителей. Основные задачи исследований 27
1.5 Выводы по главе 1 37
2 Теоретические основы методов контроля и управления расходными характеристиками жидких энергоносителей в резервуарных парках 39
2.1 Обобщенная математическая модель резервуара как объекта контроля и управления 39
2.2 Измерение параметров жидких энергоносителей в резервуарных парках методом импульсного акустического зондирования 48
2.3 Теоретические основы способа измерения массы жидкого продукта в резервуарном парке 75
2.4 Компьютерное моделирование расходных операций жидких энергоносителей в резервуарном парке 84
Выводы по главе 2 93
3 Конструкционная и схемотехническая реализация устройств контроля и управления операциями слива и налива жидких энергоносителей 95
3.1 Элементная база системы мониторинга резервуарного парка 95
3.2 Предполагаемые конструкции и схемы устройств контроля и управления 99
3.3 Программное обеспечение и алгоритмы работы системы мониторинга 103
3.4 Выводы по главе 3 109
4 Информационно-метрологические характеристики устройств управления и контроля операциями слива и налива жидких энергоносителей в резервуарном парке 110
4.1 Структура погрешностей. Постановка метрологической задачи при контроле параметров резервуарного парка ПО
4.2 Основные погрешности 114
4.3 Исследование влияния погрешности комплектующего оборудования на точность проведения расходных операций 129
4.4 Дополнительные погрешности 139
4.5 Выводы по главе 4 141
5 Экспериментальные исследования макетного и опытного образцов системы управления и контроля операциями слива и налива 143
5.1 Экспериментальные исследования процессов акустического контроля параметров жидких сред в лабораторных условиях 143
5.2 Экспериментальные исследования и испытания опытного образца устройства контроля и управления операциями слива и налива 150
5.3 Выводы по главе 5 154
Заключение 155
Список использованных источников
- Классификация и сравнительная характеристика устройств контроля и управления состоянием резервуарного парка энергоносителей
- Измерение параметров жидких энергоносителей в резервуарных парках методом импульсного акустического зондирования
- Предполагаемые конструкции и схемы устройств контроля и управления
- Исследование влияния погрешности комплектующего оборудования на точность проведения расходных операций
Классификация и сравнительная характеристика устройств контроля и управления состоянием резервуарного парка энергоносителей
Резервуарные парки являются одним из основных технологических сооружений нефтеперекачивающих станций магистральных нефте- и продуктопроводов, центральных товарных парков нефтяных промыслов, сырьевых и товарных парков нефтеперерабатывающих заводов, нефтебаз. Они предназначены для обеспечения нормальной работы нефтепромыслов, надежного функционирования и гибкой технологической связи нефтяных комплексов. Согласно [3] нефть и нефтепродукты транспортируют по магистральным нефтепроводам и нефтепродуктопроводам, железнодорожным, автомобильным, воздушным, морским и речным транспортом. Транспортировка осуществляется посредством использования наливных судов, железнодорожных и автомобильных цистерн с внутренним маслобензостойким и паростойким защитным покрытием, удовлетворяющим требованиям электростатической искробезопасности, и оборудованными приборами нижнего налива и слива.
Для хранения нефти и нефтепродуктов применяют разные виды хранилищ в зависимости от видов сырья и продуктов нефтепереработки, которые отличаются по назначению и физико-химическим свойствам хранимого продукта. Резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов относятся к I -повышенному уровню ответственности сооружений. Класс опасности должен учитываться при назначении специальных требований к материалам, методам изготовления, объемам контроля качества и коэффициентов надежности по ответственности [4]. На нефтеперерабатывающих предприятиях применяются стальные цилиндрические конструкции (рисунок 1.1).
При работе с большими объемами продуктов применяют вертикальные резервуары. Резервуары по форме делятся на цилиндрические, сфероидальные (шаровые) и прямоугольные. Сфероидальные или шаровые резервуары применяются, в основном, для хранения легких фракций бензинов и сжиженных газов [5]. Для хранения относительно небольших количеств нефтепродуктов применяются горизонтальные стальные резервуары емкостью до 1000 м . Резервуары могут устанавливаться подземно или наземно.
Транспортировка нефти и нефтепродуктов проводится трубопроводным, водным (танкеры, баржи), автомобильным (автоцистерны, грузовые автомобили), железнодорожным (цистерны, бункеры) транспортом. Слив нефти и реагентов, поступающих на нефтеперерабатывающие предприятия, осуществляется, как правило, через нижний сливной патрубок цистерны, к которому подводится и герметично с ним соединяется сливной прибор. Разработаны конструкции, предназначенные для герметизированного слива-налива светлых нефтепродуктов [5, 7].
На нефтеперерабатывающем предприятии с любым объемом выпуска резервуарные парки являются достаточно важной частью технологического процесса. От современного контроля состояния резервуарного парка зависят показатели процесса переработки нефти и нефтепродуктов. Поступление сырья низкого качества и слив его в резервуар приводит не только к ухудшению качества получаемого в процессе переработки нефтепродукта, но и изменяет внутреннее состояние резервуара за счет накопления парафина на стенах резервуара, увеличение уровня подтоварной воды, при этом уменьшается полезный объем резервуара и искажаются результаты определения объемно-массовых характеристик.
Очевидно, что даже при малейших изменениях геометрических характеристик резервуара, таких как угол наклона, изгиб и деформация днища, увеличение толщины стенки (за счет отложений парафина), получаемая информация о количественных показателях содержащегося в резервуаре продукта окажется неверной.
Все параметры жидких энергоносителей, находящихся в емкостях резервуарных парков, можно разделить на две группы: количественные и качественные. К количественным показателям относятся уровень заполнения резервуара контролируемым продуктом, объем и масса продукта, расход продукта, уровень залегания подтоварной жидкости, температура. Технические средства измерения показателей описаны в разделе 1.3.
Уровень продукта в резервуаре Д [м], является самой распространенной характеристикой, измеряемой при мониторинге. Измерение уровня в зависимости от типа технологического процесса может производиться непрерывно, либо по временным промежуткам с сигнализации достижения определенного предельного значения. Измерение таких параметров как масса М, [кг] и объем G, [м ] преимущественно происходит косвенными методами. Выбор единиц массы или объем для учета количества нефтепродуктов происходит исходя из специфики предприятия. К примеру, учет нефтепродуктов на нефтебазах, наливных пунктах ведется в единицах массы, на автозаправочных станциях определение количества при приеме, отпуске, хранении и инвентаризации нефтепродуктов осуществляется в единицах объема [9]. Расход жидкости Q - физическая величина, равная пределу отношения приращения массы или объема, или количества жидкости, протекающих в трубопроводе через сечение, перпендикулярное направлению скорости потока, к интервалу времени, за который это приращение произошло, при неограниченном уменьшении интервала времени.
Измерение параметров жидких энергоносителей в резервуарных парках методом импульсного акустического зондирования
Используя выражения (2.14) и (2.15), появляется возможность определения скорости звука в жидких продуктах, имея данные об их плотности. При расходных операциях расчет значения скорости звука является важной задачей для реализации процедуры непрерывного контроля качественных и количественных характеристик жидких нефтепродуктов.
Расчет зависимости с = f(p) может быть произведен для группы товарных продуктов на конкретном производстве и использоваться для проведения дальнейших операций контроля, в общем случае данная зависимость имеет вид: Математическая модель распространения зондирующих импульсов в контролируемых жидких средах
Рассмотрим модель распространения импульсов в среде. На рисунке 2.4,а представлена структурная схема резервуара с контролируемым продуктом. В полости резервуара размещается волновод, представляющий собой трубу общего назначения с открытым концом, уровень жидкости в котором соответствует уровня наполнения резервуара. На открытом конце волновода размещается акустический датчик. Резервуар может быть наполнен продуктом до максимального уровня заполнения Нтах, текущий уровень наполнения - Н.
Зондирующие импульсы p(0,t) (см. рисунок 2.4,6), поступившие с генератора, проходят по полости волновода, отражаются от границы раздела сред и возвращаются на приемник излучения, после чего информация передается в устройство обработки для определения параметров контролируемого продукта.
Отметим, что в математической модели наполнения/опорожнения резервуара за ноль принято положение дна резервуара (см. рисунок 2.1), в данном случае за начало координат принимается точка излучения зондирующего импульса, то есть параметр Н подразумевает расстояние, которое проходит импульс в одном направлении. Если акустический датчик установлен на дне резервуара, за начало координат принимается минимальный уровень наполнения, если датчик установлен наверху резервуара, то уровень его наполнения вычисляется как разница между расстоянием Н и расстоянием от датчика до дна.
Функция, определяющая зависимость параметров акустического импульса от параметров среды, в общем виде выглядит так: РотР=АН Р) (2.17) Таким образом, получая данные о параметрах отраженных акустических сигналов, методами математического моделирования можно получить информацию о показателях находящегося в резервуаре продукта. В рассматриваемом случае, этими параметрами будут являться уровень и плотность продукта.
Поскольку алгоритмы расчета процессов прохождения импульсов аналогичны для определенных групп импульсов, рассмотрим группу импульсов: зондирующий импульс и отраженные от границ сред. Как видно из рисунка 2.4 зондирующий импульсp(0,t), созданный в начале координат, посланный датчиком по волноводу, помещенному в контролируемую жидкость, дойдя до границы раздела сред искажается за счет свойств среды I и преобразуется в импульс p(H,t). Этот импульс частично отражается от поверхности раздела, частично преломляется, проходя в среду II, таким образом, разделяясь на два импульса: pi(H,t) и p2(H,t). Эти импульсы, искаженные по форме и амплитуде относительно зондирующего импульса, несут в себе информацию об уровне и свойствах контролируемого продукта, связанных с его показателями качества. В частности, время задержки отраженного импульса относительно зондирующего определяет непосредственно количественные характеристики топлива - уровень (объем). Комплексный амплитудный спектр принятых импульсов, содержат информацию о плотности этого топлива.
При выводе математической модели примем следующие допущения. 1 Углеводородная среда однородна, изотропна и стационарна с точки зрения электрических параметров, то есть скорость изменения электрических параметров среды много меньше скорости изменения применяемых сигналов. 2 Среда линейна и пассивна с точки зрения электромагнитных свойств. 3 Волновод является одномерным, то есть энергия в нем (вектор Пойтинга) распространяется вдоль одной координаты z. Целью математического моделирования является нахождение уравнений, связывающих исследуемые параметры среды - уровень налива продукта в резервуар, плотность и вязкость продукта р, с параметрами сигнала, пришедшими на приемник, такими как время распространения tk, амплитуда (коэффициент затухания а) и форма (спектральный состав S(co)) пришедшего на приемник импульса.
В общем случае форма зондирующих среду сигналов может быть произвольной. Выбор параметров зондирующих импульсов производится исходя из имеющегося генераторного оборудования и требований в процессу измерения, исследования, касающиеся выбора формы и длительности зондирующих импульсов приведены в разделе 5 данной работы.
Зондирующий импульс любой формы p(0,t) есть сгусток энергии, возбуждающий вокруг себя набор колебаний разных частот, комплексный амплитудный спектр которых определяется преобразованием Фурье [78, 79]: S(0, jco) = F[p(0, t)] = \ р(0, i)e-Je dt = Re(co) + j Іт(ш) = P(0, со)еМа) где mco) = \S(0,jco)\ = \co) + lm\co) _ спектральная плотность импульса, определяющая распределение амплитуды (энергии) импульса по частоте,
Предполагаемые конструкции и схемы устройств контроля и управления
Конструктивно составляющие систем мониторинга можно разделить на три группы: - датчиковая аппаратура; - оборудование, определяющее проведение технологических процессов внутри резервуарного парка, непосредственно связанное с транспортным трубопроводом; - устройство управления мониторингом и технологическими процессами. Компоненты, входящие в группу датчикового оборудования, определяются требованиями к перечню параметров, определяемых при мониторинге. Рассматриваемая система включает в себя акустический датчик, датчики температуры, расходомер. Во вторую группу входят насосный агрегат и управляемый вентиль. В большинстве случае, системы мониторинга устанавливаются на запущенные в эксплуатацию емкости. При проектировании системы следует учитывать параметры уже установленного оборудования и использовать для анализа динамическую компьютерную модель, описанную в разделе 2.4. Устройство управления предназначено для дистанционного программного управления комплектующим оборудованием: блок сбора датчиковой информации, блоки управления насосными агрегатами, управляемые вентили. Оператор посредством интерфейса пользователя осуществляет визуальный контроль выполнения технологических процедур, задает исходные параметры процедур налива/слива (время контроля, объем требуемого к перекачке продукта, выбор контролируемой емкости при многоточечном контроле). Общие требования, предъявляемые к устройствам контроля и управления расходными операциями жидких энергоносителей, находящихся в емкостях резервуарных парков, можно сформулировать следующим образом (таблица 3.1).
Датчик реализован на основе пьезоэлектрического преобразователя параметрического типа, использующего прямой и обратный пьезоэффекты. Пьезодатчик выполнен из пьезокерамического материала ЦТС-19 [87]. Конструкционно пьезодатчик может быть выполнен в виде диска, кольца, призмы, цилиндра, полусферы, сферы. Применяемый в системе акустический датчик согласно [71] располагается в полости резервуара при непосредственном контакте с контролируемыми жидкостями. Пьезоэлемент датчика закрепляется в корпусе из химическиустойчивой ударостойкой жесткой пластмассы, для обеспечения сцепления поверхностей и соблюдения герметичности используется контактный клей. Разрешающая способность такого датчика без применения специализированных средств коррекции составляет 2 мм. Акустический датчик в сборе представляет собой цилиндр, который закрепляется на одном из открытых концов трубки (см. рисунок 1.5) и устанавливается на дно полости резервуара. В трубке на известном расстоянии устанавливаются металлические пластины, выполняющие роль диафрагмы, предназначенные для определения реальной скорости звука в среде по времени распространения зондирующего импульса до пластин. Использование горизонтально расположенной волноводной трубки позволяет вычислить скорость распространения звука в слое подтоварной воды, определить уровень ее залегания для ее последующего дренирования. На открытом конце трубки устанавливается отражающая поверхность (зеркало) для отражения зондирующих импульсов и горизонтальной плоскости распространения в вертикальную и обратно. Установка диафрагм в волноводах позволяет вычислить реальную скорость звука в контролируемых в конкретный момент времени, что позволит отказаться от применения формул пересчета скорости звука и плотности сред в зависимости от изменения температуры. Другими словами, при проведении изменений одновременно осуществляется процедуры калибровки системы под конкретные параметры среды.
В разрабатываемой системе планируется использовать расходомер, основанный на ультразвуковом методе измерений. Был произведен обзор современных счетчиков (см. раздел 1.3), в результате был выбран расходомер УЗС-1 модели 2.1 [88]. Это расходомер с одним двухканальным измерительным участком для измерения расхода жидкости с повышенной точностью, условный диаметр измерительного участка от 80 мм до 1000 мм. Диаметры условных проходов трубопроводов и соответствующие им значения нижнего расхода (QH), первого переходного расхода (Qnl), второго переходного расхода (Qn2) и верхнего расхода (QB) Для используемого расходомера приведены в таблице 3.2.
Пределы основной относительной погрешности 8о измерения объема жидкости, пределы основной относительной погрешности 8w измерения объема жидкости по импульсному выходному сигналу, пределы основной приведенной погрешности yF измерения расхода по частотному выходному сигналу, пределы основной приведенной погрешности yQ измерения расхода по индикатору расхода и пределы основной приведенной погрешности уТ измерения расхода по токовому выходному сигналу при определении коэффициента преобразования объема жидкости в число импульсов на РПУ приведены в таблице 3.3.
В большинстве случаев при монтаже системы мониторинга в резервуарном парке насосные агрегаты и управляемые вентили уже установлены в системе транспортного трубопровода, подведенного к каждой емкости. В силу этих причин, следует, используя уже заданные параметры установленного оборудования, произвести подбор параметров измерительной аппаратуры с помощью динамической компьютерной модули расходных характеристик. Выбор насосных агрегатов при организации системы подвода/отвода товарных продуктов в резервуар и системы канализации осуществляется на основании требуемых подачи и напора, устанавливаемых гидравлическим расчетом системы перекачивания жидкости [89]. Управляемый вентиль или запорный клапан - это конструктивный тип арматуры, в котором для перекрытия потока рабочей среды запорный орган перемещается возвратно-поступательно перпендикулярно оси потока рабочей среды. Подвижным элементом вентиля является шпиндель, ввинчиваемый в резьбу неподвижной ходовой гайки, расположенной в крышке или бугеле [90]. Запорные клапаны могут управляться вручную (маховик, рычаг и т.д.), с помощью электроприводов, электромагнитных приводов, мембранных механизмов или поршневых пневмоприводов [91].
Исследование влияния погрешности комплектующего оборудования на точность проведения расходных операций
Дополнительные погрешности вызваны отклонением реальных условий эксплуатации от идеальных. Важнейшей из дополнительных является температурная погрешность. Рассмотрим влияние температуры при измерении уровня и плотности по параметрам отражённого импульса.
Средняя температурная поправка рассчитывается исходя из плотности контролируемого продукта при 20С, для отдельных значений плотностей сред графики изменения абсолютной погрешность измерений уровня в зависимости от температуры жидкого энергоносителя приведены на рисунке 4.12.
Отметим, что при изменении температуры уровень реально изменяется по двум причинам: изменяются размеры (объём) самого резервуара, изменяется объем жидкости. Поэтому не совсем корректно ставить вопрос о погрешности измерения уровня от температуры. Разработанный импульсный уровнемер работает по принципу отражения сигнала от того уровня, который имеет место быть при данной температуре. Поэтому выражение (4.50) показывает изменение показаний прибора при условии, что размеры бака и объем жидкости не изменяются от температуры.
Произведена оценка точности составления тарировочных таблиц резервуаров. Отмечено, что погрешность таблицы складывается из погрешности процедуры тарировки, определяемой точностью используемых приборов и методики проведения тарировки, а также погрешности определения значения объема заполнения резервуара в межузловых точках. Погрешность процедуры тарировки указывается в сопроводительной документации к тарировочной таблице. Погрешность измерения в межузловых точках определяется количеством точек в тарировочной таблице: если таблица задана 50 точками, абсолютная погрешность составляет Ам=-1,032-10" м , приведенная погрешность є=-4.2-10" %.
Произведена оценка погрешности метода определения остаточной массы продукта в резервуаре, основанного на составлении калибровочной модели резервуара, приведенная погрешность измерения массы составляет 0,8%.
Определены зависимости погрешности измерения уровня методом импульсного акустического зондирования от погрешностей определения плотности среды распространения и погрешности измерения разности фаз зондирующего и отраженного импульсов. При максимальной погрешности измерения плотности дизельного топлива (5/ /=8,6 кг/м , погрешности измерения разности фаз Sep =0,015 рад, погрешность измерения уровня не превышает 0,06 м.
Определены зависимости погрешности измерения плотности отражающей среды методом импульсного акустического зондирования от погрешностей определения плотности среды распространения импульсов и погрешности измерения модуля коэффициента отражения. При максимальной погрешности измерения плотности дизельного топлива 5/)/=8,6 кг/м погрешность измерения плотности отражающей среды не превышает 8рп=9 кг/м , при погрешности измерения модуля коэффициент отражения 8К=0,05, погрешность 8рцн& превышает 0,15 кг/м .
Проведены численные эксперименты, в результате которых определены предельные значения постоянных времени расходомера и насосного агрегата, применяемых в системе мониторинга при проведении операций слива и налива жидких энергоносителей в цилиндрический резервуар (//=10 м, Gmax=\000 м ), необходимые для соблюдения условий погрешности отпуска продукции. При требуемом значении погрешности А=0,001%, значения постоянных времени насосного агрегата и расходомера не должны превышать 14 сек, для А=0,01% - не превышать 15,7 сек.
Проведены численные эксперименты по исследованию нестабильности параметров используемого оборудования, которые показали, что нестабильности коэффициентов преобразования датчика уровня, расходомера и насосного агрегата на 0,5% дает неточность в определении количества отпущенного продукта при проведении операции слива в 4,9 м , при ст=1% - абсолютная погрешность AG=9,9 м .
Исследована температурная погрешность измерений и получены зависимости абсолютной погрешности измерения уровня от температуры контролируемого продукта для различных значений плотностей. В процессе измерения производится определение текущей плотности и уровня наполнения резервуара, для сравнения значений с паспортными производится пересчет согласно полученным зависимостям.
Целью исследования было установление прямой зависимости частоты и формы зондирующего импульса и времени распространения звуковой волны в среде. Исследуемые частоты: 67, 73, 81, 94, 106, 121, 142, 172, 232, 260, 275 кГц. В результате эксперимента четкой зависимости установлено не было. При уровне наполнения емкости 1.5 м (расстояние точки излучения до границы сред) на всех исследуемых частотах время распространения импульса составило 2.1 мс, что соответствует скорости звука в среде 1430 м/с. В результате проведенных экспериментов по исследованию формы и параметров зондирующего импульса для дальнейших исследований были выбраны импульсы прямоугольной формы, спектральная плотность зондирующего импульса представлен на рисунке 5.3. Графическое отображение и анализ эхограмм и спектральных характеристик производились в пакете программ Sony Sound Forge Pro
