Высокоточный учет сжиженных углеводородных газов в транспортных емкостях

56

Высокоточный учет сжиженных углеводородных газов в транспортных емкостях

1В.И. Терешин, генеральный директор

ООО «Техносенсор» (г. Санкт-Петербург), к.т.н.,

А.С. Совлуков, профессор, гл. научный сотрудник

Института проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (г. Москва), д.т.н.

В статье рассматриваются технические решения, обеспечивающие достоверные измерения массы сжиженных углеводородных газов (СУГ) при сливе из транспортных емкостей (автоцистерны и железнодорожные цистерны). Предлагается новый подход к калибровке резервуаров с использованием СУГ в качестве рабочей среды.

станции, газгольдеры автономного газоснабжения и групповые резервуарные установки). Газовоз развозит СУГ, как правило, по нескольким потребителям. Без учета СУГ на газовозе невозможно обеспечить достоверный сквозной учет этого продукта.

Точная и достоверная информация о массе сжиженного газа в газовозе, а также о массе принятого в газовоз и отпущенного из него продукта позволяет организовать сквозной учет движения товара и исключить возможность несанкционированных сливов СУГ из газовоза.

Для измерения массы СУГ в резервуарах наиболее часто используется косвенный метод статических измерений, при котором измеряется уровень и плотность, по градуировочной таблице вычисляется объем, масса определяется перемножением объема на плотность [1-3]. Если отойти от необходимости точного измерения плотности, то точность измерений массы можно существенно повысить.

Прямой метод статических измерений массы СУГ с применением радиочастотных датчиков реализован в измерительной системе СУ-5Д с датчиками ДЖС-7М, государственный реестр СИ № 54787-13 [4-7]. Выходной параметр датчика ДЖС-7М - общая масса СУГ, в том числе масса газообразной фазы.

Учет СУГ на газовозе может быть организован двумя способами: измерением массы СУГ в резервуаре газовоза (табл. 1), измерением массы СУГ с помощью массомера на трубопроводе (табл. 2).

Ключевые слова:

сжиженный углеводородный газ, измерение, масса, калибровка резервуаров, измерительные системы.

жиженные углеводородные газы поступают с баз хранения (газонаполнительные станции и склады производителей СУГ) в газовозы, которыми развозятся по потребителям (автомобильные газозаправочные

10 лет

журналу

Таблица 1

Измерение массы СУГ в резервуаре газовоза

Преимущества Недостатки

Достоверный непрерывный учет. Датчик ДЖС-7т обеспечивает измерение массы СУГ с учетом массы пара с погрешностью не более ± 0,7 % Для точной работы датчика в резервуаре необходимо выполнить один раз калибровку по кориолисовому массомеру или по весам

Учет массы пара, измерение массы перепущенного по линии паровозврата пара. Измерение массы полученного и отпущенного газа Имеются дополнительные погрешности при наклонах резервуара из-за неровности площадок

Если при отключенном питании был произведен несанкционированный слив, это сразу обнаружится при включении питания, потому что изменится масса СУГ в резервуаре газовоза Имеется дополнительная погрешность при уровне СУГ менее 70 мм, датчик в этой зоне выдает значение массы, соответствующее уровню 70 мм

Позволяет контролировать движение газовоза. При движении и наклонах цистерны показания постоянно изменяются, при остановке - стабилизируются Этот метод рекомендуется для внутреннего учета СУГ в компании. При коммерческом отпуске на сторону рекомендуется использовать кориолисовый массомер

Таблица 2 Измерение массы СУГ с помощью массомера на трубопроводе

Преимущества Недостатки

Коммерческий учет отпущенного или принятого сжиженного газа При отключенном питании возможен несанкционированный слив

(й) Погрешность Массомера Micro Motion F100S не более ± 0,2 % Паровая фаза должна быть перекрыта, потому что масса пара, прошедшего по линии паровозврата, не измеряется

При установке дополнительного массомера  Micro Motion на линию паровозврата обеспечивается измерение массы перепущенного пара Измерение массы перепущенного пара может быть выполнено с помощью датчика ДЖС-7т в резервуаре газовоза, при этом необходимо остановить перекачку

57

Вместо кориолисового массомера может использоваться объемный счетчик LPM-200 с энкодером и плотномер ДЖС-7П. При отсутствии плотномера берется расчетное значение плотности (по составу и температуре СУГ).

АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация»

Шы

^СОЦИЛОУ9'

V

Сжиженный углеводородный газ

K\\\\\\\\\\\\\N

Рис. 1. Система измерительная СУ-5Д-М для газовозов

Измерительные системы

Измерительные системы СУ-5Д-М, поставляемые ООО «Техносенсор», предназначены для коммерческого учета СУГ в газовозах (рис. 1) и для учета СУГ на автомобильных газозаправочных станциях (АГЗС) и газонаполнительных станциях (ГНС). Информация от всех объектов в режиме реального времени поступает на сервер, формируются архивы и отчеты. Это позволяет организовать автоматизированный сквозной учет СУГ - масса СУГ, отпущенного с ГНС, должна совпадать с массой СУГ, залитого в газовоз, а масса СУГ, принятого на АГЗС, должна совпадать с массой СУГ, слитого из газовоза.

Системный блок СБ-5 устанавливается в удобном месте на цистерне газовоза или в кабине водителя. Системный блок обеспечивает опрос датчиков, обработку информации, выдачу результатов измерений на сенсорный экран высокого разрешения, а также выдачу на сервер результатов измерений через GSM-модем в режиме реального времени. Сервер опрашивает все газовозы и раздает информацию в режиме реального времени по сети и через интернет на удаленные ПЭВМ. Таким образом, отображаемая на экране системного блока информация дублируется на экране ПЭВМ на автозаправочной станции.

В минимальной комплектации измерительная система состоит из системного блока и датчика в резервуаре газовоза. На экран выводится информация по запасам СУГ в резервуаре газовоза - общая масса, масса пара и жидкости, объем, уровень, плотность пара, плотность жидкости, температура. В расширенной комплектации на трубопроводы устанавливаются кориолисовые массомеры Micro Motion

Рис. 2. Системный блок СБ-5

или плотномер ДЖС-7П и счетчик LPM-200 с энкодером. Обеспечивается автоматизированный отпуск заданного количества СУГ.

Системный блок СБ-5 (рис. 2) выполнен в виде цельносварного металлического ящика и может эксплуатироваться на улице без дополнительной защиты от влаги и грязи. При движении газовоза передняя дверка должна быть закрыта, это защищает сенсорную панель и другие элементы от грязи. Замок передней дверки защищен от грязи и имеет блокирующий штырь, на который может быть повешен дополнительный навесной замок.

Измерения проводятся постоянно, в том числе при движении газовоза и закрытом шкафчике. Информация через 08М-модем в режиме реального времени поступает на сервер и раздается через интернет на удаленные ПЭВМ (на АГЗС, в территориальные филиалы и т.п.).

Подключения выполняются через герметичные кабельные вводы, расположенные на нижней стенке ящика. Питание от бортсети +24 В или +12 В. Потребление не более 25 Вт, в зимнее время при включении электроподогрева (включается автоматически при температуре ниже -10 °С) не более 65 Вт. Датчики и энкодер подключаются через расположенный внутри системного блока СБ-5 блок искро-защиты ИЗК-3 по искробезопасному интерфейсу. К системному блоку СБ-5 может подключаться электромагнитный клапан для управления отпуском заданного количества СУГ.

Обеспечивается измерение массы СУГ в резервуаре газовоза с погрешностью не более ± 0,7 % (свидетельство Ш.С28.001.Л № 52215, рег. № 54787).

Блок искрозащиты ИЗК-3 обеспечивает взрывобезопасность подключаемых датчиков и кабельных сетей. Вид взрывозащиты - «Искробезопасная электрическая цепь уровня Л» по ГОСТ Р МЭК 60079-11-2010 (сертификат № ТС Яи С-Ш.ГБ08.В.00689, серия Ш № 0239716).

Датчики на резервуаре газовоза могут устанавливаться на нижний, верхний, боковой или торцевой лючок. На нижний лючок рекомендуется устанавливать датчик ДЖС-7т. Если имеется верхний лючок, то можно устанавливать датчики ДЖС-7т или ДЖС-7Мр. На боковой или торцевой лючок с проходным отверстием 150 мм устанавливается датчик ДЖС-7Б.

На сервере в режиме реального времени собирается информация от датчиков в резервуарах газовозов и в резервуарах АГЗС и ГНС. Обеспечивается выборка любых измерительных каналов в режиме реального времени, а также любых архивных данных. На графиках (рис. 3) выбран первый канал (красный) - масса СУГ в резервуаре АГЗС и второй канал (черный) - масса СУГ в резервуаре газовоза.

Выполнялась калибровка датчика ДЖС-7Б в резервуаре АГЗС по датчику ДЖС-7Б в резервуаре газовоза с дополнительным контролем по весам.

10 лет

журналу

59

АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА) ^^

^СОЦИЛОУ9'

Сжиженный углеводородный газ

а

б

Рис. 3. Информация от датчика в резервуаре газовоза и от датчика в резервуаре АГЗС в режиме реального времени. Зависимость общей массы (т) от времени (число, время суток):

а - результаты измерений за 5 часов, с 11:30 до 18:30; б - то же самое в увеличенном масштабе, результаты измерений за 1,5 часа с 14:50 до 16:20;

первый канал (красный) - масса СУГ в резервуаре АГЗС; второй канал (черный) -масса СУГ в резервуаре газовоза

Газовоз был заполнен СУГ и взвешен. В дегазированную емкость на АГЗС был выполнен слив 7900 кг СУГ. Потом газовоз поехал на весы, вернулся обратно, СУГ из резервуара АГЗС был перекачан обратно в газовоз, который был взвешен еще раз.

Датчик в резервуаре газовоза позволяет контролировать процесс его движения и остановок по изменению показаний при движении. Погрешность измерения массы СУГ в резервуаре АГЗС не превышает ± 0,7 %. В резервуаре же газовоза имеется еще дополнительная погрешность от наклонов цистерны, а при движении возникает так называемая «борода» - изменение показаний до 3000 кг. Если площадки ровные, то погрешности укладываются в ± 0,7 %. Показания датчика ДЖС-7 в цистерне газовоза в 15 часов на весах на ГНС - 8340 кг, а в 15:50 на АГЗС - 8320 кг, разница показаний составила 20 кг (0,2 %).

Высокая достоверность результатов измерений обеспечивается за счет непрерывного сравнения данных от газовоза и АГЗС. Программа учета позволяет формировать отчеты по любым выбранным объектам - сколько СУГ было слито с газовоза и сколько поступило на АГЗС. Показания

датчика в резервуаре газовоза должны совпадать с результатами его взвешивания. Одновременное использование трех различных средств измерений массы обеспечивает сквозной учет, высокую точность и достоверность измерений, позволяет полностью исключить несанкционированные сливы и потери продукта. Срок окупаемости оборудования для сквозного учета СУГ -от 5 до 15 месяцев.

Калибровка резервуара газовоза

Для точного измерения массы СУГ с помощью измерительной системы СУ-5Д (датчики ДЖС-7Мр, ДЖС-7т, ДЖС-7МБ в резервуаре газовоза) выполняется калибровка резервуара газовоза. Для этого порожний газовоз с калибруемым датчиком устанавливается на весы. Другой газовоз (заполненный газом) необходимо подогнать, поставить рядом и соединить с газовозом на весах шлангами для жидкой и паровой фаз (рис. 4). Один из газовозов должен быть оборудован электрическим насосом.

Рис. 4. Калибровка датчика

Необходимо перекачивать СУГ порциями (по 200...800 кг), после перекачки каждой порции фиксировать показания весов. Для расчета калибровочной характеристики используется таблица (табл. 3), в которую заносятся показания весов (столбец 2, суммарная доза слитого СУГ по весам), текущее время и данные из архива измерительной системы СУ-5Д (столбцы 3-6).

Для получения общей массы СУГ в резервуаре (столбец 7) к значениям суммарных доз (столбец 2) необходимо прибавить значение массы СУГ в начальной точке измерения (в данном случае 338 кг). Масса находящегося в резервуаре жидкого СУГ, поступившего согласно показаниям весов (столбец 8), определяется вычитанием из общей массы СУГ (столбец 7) массы пара (столбец 5). Объем жидкого СУГ (столбец 9) определяется делением его массы (столбец 8) на плотность жидкого СУГ (столбец 6) в резервуаре.

В результате этих измерений и вычислений получаем зависимость объема поступившего в резервуар газовоза жидкого СУГ (столбец 9) от его уровня в резервуаре (столбец 4). В таблицу необходимо добавить нулевую точку (для уровня 0 мм объем 0 л) и несколько значений объема и уровня для заполнений более 85 % (их можно взять из типовой градуировочной таблицы). Столбцы 4 и 9 - градуировочная характеристика резервуара. При необходимости иметь таблицу с фиксированным шагом градуировки характеристика пересчитывается математическими методами.

10 лет

журналу

61

АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация»

^СОЦИЛОУ9'

62

Сжиженный углеводородный газ

х\\\\\\\\\\\\\

Таблица 3

Расчет калибровочной характеристики

1 2 3 4 5 6 7 8 9

№ п/п Суммарная доза по весам, кг Время СУ-5Д Уровень СУ-5Д, мм Масса пара СУ-5Д, кг Плотность жидкости СУ-5Д, кг/м3 Показания весов

Общая масса в емкости газовоза, кг Масса жидкости в емкости газовоза, кг Объем жидкости в емкости, л

- - - 0 - - - - 0

1 0 11:30:33 74 207 554,4 338 131 236

2 250 11:36:42 139 222 557,1 588 366 657

3 504 11:41:49 198 232 557,3 842 610 1095

4 749 11:47:46 260 244 556,7 1087 843 1514

36 9000 15:08:22 1467 66 555,4 9338 9272 16694

37 9320 15:14:48 1526 55 555,5 9658 9603 17287

- - - 1600 - - - - 18044

Калибровка резервуаров на АГЗС с помощью газовоза с кориолисовым массомером

В соответствии с ГОСТ 8.346-2000 градуировка резервуаров должна выполняться объемным методом. Градуировка резервуаров с СУГ проводится водой, потому что СУГ не может использоваться для градуировки объемным методом. Это связано с тем, что поступающий в резервуар СУГ разделяется на фазы -жидкость и пар (газообразная фаза). Объем СУГ в резервуаре не равен объему СУГ, поступившего в резервуар, обычно он больше (за счет конденсации пара) или меньше. Кроме этого, изменяется состав СУГ и сильно изменяется температура (за счет кипения и конденсации паров), это тоже приводит к изменению объема.

Для градуировки водой требуются дегазация резервуаров, подключение поверочной установки, температура не ниже 5 °С, удаление воды и воздуха из резервуаров после градуировки. На большинстве АГЗС резервуары для СУГ не прошли градуировку, потому что для этого требуется вывод их из эксплуатации и значительные затраты.

Компания «Техносенсор» предлагает калибровку резервуаров с применением СУГ. Это решение обеспечивает снижение затрат на градуировку в несколько раз, при этом не требуется вывод резервуаров из эксплуатации. Калибровка резервуаров на АГЗС выполняется аналогично калибровке резервуаров газовозов по показаниям весов, только вместо весов используется кориолисовый массомер на газовозе. СУГ необходимо перекачивать порциями (по 200...800 кг), после перекачки каждой порции фиксировать показания кориолисового массомера на газовозе. Результаты заносятся в таблицу (см. табл. 3). При калибровке

ШШШШШШШ Щ

допускается перепуск пара через линию паровозврата. Масса перепущенного пара измеряется с высокой точностью при помощи датчика ДЖС-7 в резервуаре газовоза или в резервуаре АГЗС.

Измерение массы перепущенного пара

Для перепуска паровой фазы СУГ производится остановка слива - перекрытие трубопровода жидкой фазы СУГ. Затем открывают линию паровозврата и после уравнивания давлений закрывают ее снова. Длительность остановки составляет не более 10 мин. Во время перепуска пара масса СУГ в резервуаре изменяется только на величину массы перепущенного пара, потому что трубопровод жидкой фазы СУГ перекрыт. Измерительная система СУ-5Д (датчик ДЖС-7Мр, или ДЖС-7т, или ДЖС-7МБ в резервуаре газовоза) определяет общую массу СУГ в резервуаре, поэтому, если часть перепущенного пара изменила фазовое состояние (сконденсировалась), результаты измерений все равно будут корректными.

10 лет

журналу

63

Архив трендов за 08.06.2017

V

Ч

ВрвмЯ

Рис. 5. Изменение общей массы (т) СУГ от времени (число, время суток) в резервуаре при перепуске паровой фазы СУГ

На рис. 5 показано изменение общей массы СУГ в резервуаре при перепуске паровой фазы СУГ. В данном случае датчик ДЖС-7т установлен не на газовозе, а в резервуаре АГЗС объемом 20 м3. Масса слитого СУГ - 3500 кг, масса перепущенного пара - 34 кг. Датчик ДЖС-7т имеет малые шумы и автоматическую калибровку нуля, это позволяет обеспечить измерение массы перепущенного пара с высокой точностью.

Линия паровозврата открывалась постепенно, чтобы не вызвать резкое кипение СУГ в резервуаре. Тем не менее кипение присутствует, поэтому для обеспечения стабильных показаний необходимо выждать несколько минут. После этого нестабильность измеренных значений общей массы СУГ в резервуаре

АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА) ^^

^СОЦИЛОУ9'

Сжиженный углеводородный газ

и

не превышает ±1 кг. Полученные экспериментальные данные позволяют после доработок датчика ДЖС-7т представить его на госиспытания как средство измерения массы перепущенного пара с погрешностью не более ±3 кг.

64 Действия оператора контролируются с помощью датчика положения крана

линии паровозврата (сигнал передается в блок искрозащиты и на сервер).

Рассмотренные технические решения обеспечивают следующие конкурентные преимущества сквозного учета СУГ при его сливе из транспортных емкостей:

• достоверность и высокая точность измерения массы СУГ в резервуаре газовоза статическим методом за счет калибровки датчика по весам или по массомеру;

• двойной контроль - учет СУГ динамическим методом (счетчик на трубопроводе) и статическим методом (датчик ДЖС-7Мр, или ДЖС-7т, или ДЖС-7МБ в резервуаре газовоза), что позволяет полностью исключить возможность несанкционированных отпусков СУГ;

• в режиме реального времени контроль массы СУГ в одном окне программы по датчику на газовозе и по датчику на АГЗС, формирование отчетов;

• возможность калибровки датчика в резервуаре АГЗС (построение градуиро-вочной характеристики резервуара) при сливе СУГ через массомер газовоза;

• учет перепущенного пара;

• универсальность установки;

• возможность установки датчика на нижний, верхний, боковой или торцевой лючок (Dy 150 мм);

• быстрый слив железнодорожных цистерн компрессором через массомер за счет применения плотномера СУГ с определением фазового состояния и состава СУГ;

• удобное отображение информации, современная электроника и программное обеспечение (апгрейд выполнен в 2017 году).

Использованные источники

1. Гаузнер С.И., Кивилис С.С., Осокина А.П., Павловский А.Н. Измерение массы, объема и плотности. - М.: изд-во стандартов, 1982. - 528 с.

2. Рачевский Б.С. Сжиженные углеводородные газы. - М.: Нефть и газ, 2009. -640 с.

3. Зоря Е.И., Яковлев А.Л., Ларионов С.В. Определение массы сжиженных углеводородных газов при приеме, хранении и отпуске потребителям. - М.: Издательский дом Недра, 2012. - 197 с.

4. Sovlukov A.S., Tereshin V.I. Measurement of liquefied petroleum gas quantity in a tank by radio-frequency techniques // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 2004. - V. 53. - No. 4. - P. 1255-1261.

5. Совлуков А.С., Терешин В.И. Радиочастотный метод измерений количественных параметров сжиженных углеводородных газов в резервуарах // Измерительная техника. - 2005. - № 10. - С. 68-71.

6. Совлуков А.С., Терешин В.И. Измерение количества сжиженного углеводородного газа в резервуаре // Измерительная техника. - 2006. - № 2. - С. 40-42.

7. Совлуков А.С., Терешин В.И. Радиочастотные измерения массы сжиженного углеводородного газа в резервуаре // Датчики и системы. - 2012. - № 12. - С. 41-45.