СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ РЕЗЕРВУАРОВ ТОПЛИВА НА АВТОЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЯХ (АЗС)
METHOD OF CALIBRATING FUEL TANKS AT FILLING STATIONS

Способ относится к определению зависимости вместимости топливного резервуара на АЗС от уровня его наполнения.
Ввиду отсутствия в России производства специализированных емкостей для хранения топлива на АЗС, в качестве хранилищ, как правило, используют железнодорожные цистерны, которые зачастую не имеют ни паспорта, ни калибровочной характеристики. А в интересах владельца АЗС контролировать расход топлива, поэтому возникает проблема составления для каждой из емкостей соответствующей ей градуировочной таблицы - документа, определяющего зависимость вместимости резервуара от уровня его наполнения при нормированном значении температуры. Градуировочную таблицу прилагают к свидетельству о поверке резервуара и применяют для определения объема жидкости (топлива) в нем.
При составлении градуировочной таблицы резервуара могут быть использованы два метода поверки [1]. Объемный динамический метод поверки резервуара, заключающийся в определении вместимости резервуара путем непрерывного наполнения его поверочной жидкостью и в одновременных измерениях уровня, объема и температуры поверочной жидкости для каждого изменения уровня на 1 см (10 мм). Второй метод поверки резервуара (объемный статический метод поверки резервуара), заключающийся в определении вместимости резервуара, путем наполнения его отдельными дозами поверочной жидкости для каждого изменения уровня от 10 до 30 мм. Оба эти способа не только весьма трудоемки, но и требуют перед проведением поверки резервуар (железнодорожную цистерну) установить на прямом участке железнодорожного пути, значение степени наклона которого не более 0,01. Выполнить это условие для железнодорожной цистерны, зарытой из соображений безопасности на АЗС в землю, невозможно. Более того, при эксплуатации резервуара (цистерны) возможна деформация (усадка) фундамента, на который он уложен, а это приводит к необходимости корректировки градуировочной таблицы с учетом отклонения базовых плоскостей резервуара, на которые он уложен на фундамент, относительно горизонтальной плоскости.
Варианты реализации объемного метода поверки резервуаров, в виде способов калибровки резервуаров, основаны на проведении калибровки резервуара в режиме слива топлива из резервуара через высокоточные топливораздаточные колонки (ТРК), для каждой из которых проводят операцию юстировки и определяют объемный расход топлива. Полученные результаты вычислений объема суммируют, определяя объем резервуара или его части. Примеры такого способа калибровки резервуара с различными незначительными отличиями, направленными на повышение точности калибровки, приводятся в патентах на изобретение [2, 3], которые можно взять за аналоги. Принципиальное отличие этих изобретений друг от друга состоит в том, что по патенту [2] калибровка резервуара проводится в режиме слива топлива из резервуара, а по патенту [3] - в режиме заполнения резервуара.
Известен способ градуировки резервуара по авторскому свидетельству СССР №1328681, состоящий в последовательном дискретном заполнении резервуара жидкостью через счетчик жидкости порциями до определенного уровня в резервуаре с фиксацией объема порции жидкости. Целью повторяющихся процедур является определение зависимости между объемами порций жидкости, введенной в резервуар, и изменением уровня - величиной взлива. Известен также способ градуировки резервуаров по патенту РФ №2069317, для которого необходима информация об исходных параметрах резервуара, необходимы сведения об образцовой жидкости и т.д. При этом способ позволяет производить градуировку даже деформируемых резервуаров и определять их геометрические параметры выше уровня взлива. Однако для реализации этого способа необходим постоянный доступ к резервуару, поэтому он не может быть эффективно использован для градуировки резервуара, закопанного в грунт.
Грудуировочную характеристику резервуара можно определить по его математической модели, как это предлагается в работе [4], исходя из геометрических характеристик резервуара. Однако определение действительных геометрических характеристик резервуаров является самостоятельной достаточно сложной задачей, поскольку для реального резервуара его геометрические размеры ввиду технологических погрешностей отличаются от паспортных данных. А зачастую, как отмечалось выше, на АЗС нет и паспортов на резервуары для хранения топлива. Другой проблемой является построение математической модели градуировочной характеристики резервуара, что связано с математическими трудностями при вычислении объема резервуара как функции от величины взлива. Но даже если такая математическая модель построена, необходимо для нее определить действительные геометрические характеристики резервуара.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ градуировки резервуаров по патенту РФ на изобретение №2178153 [5]. Способ градуировки резервуаров включает введение в вычислительный блок исходных данных резервуара, условий его эксплуатации, определение уровней, на которых вычисляются параметры градуировки, заполнение резервуара до заданного уровня, измерение параметров градуировки и расчет градуировки с учетом температуры заполняемой жидкости. В устройстве, реализующем способ, используются сигнализаторы, датчики уровня, которые расположены на фиксированном уровне резервуара, а устройство подачи жидкости выполнено в виде штатной топливно-раздаточной колонки с датчиком температуры и объемным счетчиком, что, по мнению авторов, позволяет повысить точность градуировки, сократить сроки ее проведения и снизить затраты на ее проведение.
Однако при реализации этого способа для резервуаров, используемых для хранения топлива на АЗС, имеется ряд существенных недостатков: сложность проведения градуировки резервуара; высокие затраты на ее проведение; невозможность получения (построения) аналитической модели гадуировочной характеристики; невозможно определить истинные геометрические размеры резервуара и определить его положение относительно плоскости горизонта, то есть, например, для железнодорожной цистерны определить угол между ее продольной осью и плоскостью горизонта.
Целью изобретения является построение аналитической модели вместимости резервуара как функции величины взлива, путем определения основных геометрических размеров резервуара и угла отклонения опорных поверхностей резервуара от плоскости горизонта на основе использования уровнемера в виде мерительной линейки и мерников (известные объемы жидкости (топлива), заливаемые в резервуар).
Предлагаемый способ покажем на примере калибровки железнодорожной цистерны, используемой на АЗС, для хранения топлива. Цистерна уложена на фундамент и засыпана грунтом, причем часть фундамента дала осадку и продольная ось цистерны составляет с плоскостью горизонта угол, равный γ. Поскольку железнодорожная цистерна представляет собой металлический сосуд в форме цилиндра (котла) с овалоидными, торосферическими и эллиптическими днищами, для дальнейшего рассмотрения выберем цистерну с эллиптическими днищами, схема которой показана на фиг.1.
На фиг.1 позициями обозначено: 1 - котел (цилиндрическая часть цистерны); 2 - левое эллиптическое днище; 3 - правое эллиптическое днище; 4 - горловина; 5 - элементы уровнемера.
Характерными геометрическими размерами являются: D - диаметр цистерны, L - длина ее цилиндрической части, S - длина малой полуоси эллиптического днища, h - величина взлива (уровень топлива в цистерне).
Как следует из фиг.1, объем жидкости, залитой в цистерну, состоит из объема жидкости в цилиндрической части цистерны (в котле) и полостях эллиптических днищ. При горизонтальном расположении цистерны, как показано на фиг.1, объем жидкости в полостях днищ эквивалентен объему в эллипсоиде вращения с полуосями D/2 и S при взливе жидкости, равном h. Тогда для определения объема жидкости, находящейся в цистерне, при взливе, равном h, могут быть предложены расчетные схемы, приведенные на фиг.2.
1
2
Исходя из геометрических соображений [6] для вычисления объемов V и V будем иметь
Общий объем жидкости, залитой в цистерну при величине взлива h, будет равен
0
0
1
1
2
2
3
3
Модель (3) может быть использована как градуировочная характеристика цистерны, если известны ее геометрические параметры S, D, L. Однако модель (3) позволяет определить истинные геометрические размеры цистерны. Для этого достаточно залить в цистерну три мерных объема жидкости с замером величины взлива до залива жидкости и после залива каждой порции жидкости. Допустим, в начальный момент в цистерне находились жидкость объема V и величина взлива была h, тогда после долива в цистерну жидкости объемом ΔV пусть измеренная высота взлива будет равна h; после долива ΔV жидкости - h; после долива ΔV- h. Тогда, в соответствии с (3), будем иметь следующую систему уравнений
Из системы (4) получим
В систему (5) из трех уравнений входят три неизвестные, которые можно определить, разрешив систему относительно S, D, L.
i
i
Увеличив количество дополнительных заливов жидкости известного объема ΔV и замеряя после каждого залива взлив h, можно определить геометрические размеры более сложного резервуара, чем изображенный на фиг.1. Более того, этот алгоритм может быть использован для того, чтобы определить отклонение базовых поверхностей резервуара от плоскости горизонта.
Рассмотрим применение алгоритма определения угла наклона продольной оси цистерны к горизонтальной плоскости γ, для простоты на примере цистерны с плоскими днищами, схема которой изображена на фиг.3.
Цистерна, изображенная на фиг.3, состоит из цилиндрического котла 1, днищ 2 и 3, горловины 4, мерительной линейки 5 и поплавка 6, положение которого на мерительной линейке определяет величину взлива h. Мерительная линейка устанавливается перпендикулярно продольной оси цистерны. При угловом отклонении продольной оси цистерны от горизонтальной плоскости величина взлива, измеренная с помощью мерительной линейки 5 по положению поплавка 6, будет зависеть от позиционирования относительно днища цистерны самой мерительной линейки, то есть от параметра t на фиг.3.
Тем самым для построения математической модели, являющейся градуировочной характеристикой (калибровкой) цистерны, схема которой изображена на фиг.3, будем иметь следующие неизвестные характеристики S, D, L, γ.
Из геометрических соображений по фиг.3 для текущего сечения цистерны плоскостью a-a на расстоянии x от левого днища площадь F смоченного сечения будет равна [6]
где λ=h+(L-t)tgγ-tgγ·x;
Тогда для вычисления объема цистерны, заполненного топливом, будем иметь
где
В конечном виде для объема цистерны при величине взлива h будем иметь из (7) следующее выражение
где a, v определяется из выражения (7). С учетом того, что a=a (D, L, t, γ, h), v=v (D, γ), получим
0
0
i
Градуировочная характеристика в виде модели (9) содержит основные геометрические характеристики (D, L, t) и характеристику положения цистерны относительно плоскости горизонта - угол γ. Для определения этих характеристик, в соответствии со сказанным выше, при начальном взливе жидкости в цистерне h и начальном объеме V в цистерну необходимо добавить (залить) дополнительно четыре объема жидкости ΔV, измеряя после каждого залива величину соответствующего взлива. В соответствии с (9) для определения геометрических размеров цистерны и угла γ будем иметь систему из четырех уравнений.
i
Таким образом, в соответствии с изложенным алгоритмом для любого резервуара может быть построена аналитическая модель изменения объема жидкости в резервуаре как функция величины взлива. При этом, путем залива в резервуар известных объемов жидкости и измеряя после каждой такой операции величину взлива, можно определить истинные геометрические размеры резервуара и его положение относительно плоскости горизонта. Целесообразно заливать в резервуар жидкость каждый раз одинакового объема - ΔV=const.
Количество заливов жидкости мерных объемов в резервуар определяется количеством неизвестных геометрических характеристик резервуара. С целью определения количества искомых характеристик, резервуар необходимо разделить на составляющие элементарные геометрические тела, например тела вращения, для которых назначают основные геометрические параметры. В качестве таких тел можно выбрать параллелепипеды, конусы, цилиндры, сферы, торы, эллипсоиды и т.д. Для сферы основным геометрическим параметром является радиус; для цилиндра - длина и диаметр; для конуса - диаметр основания и высота и т.д.
Определив общее количество геометрических параметров, характеризующих объем резервуара, и оценив «на глаз» объем резервуара, назначается объем мерной жидкости, заливаемой в резервуар
где n - количество неизвестных параметров резервуара, соответствующего аналитической модели градуировочной характеристики резервуара;
W - оценочный объем резервуара.
Исходя из геометрии тел, формирующих объем резервуара, для каждого из них строится соответствующая математическая модель изменения объема от величины взлива в каждом из тел. Для каждого из этих тел взливы могут быть выбраны свои.
Выделенные в составе резервуара тела вращения, их геометрические параметры, взливы приводятся к одной базовой системе координат, относительно которой адаптируются математические модели изменения объема от величины базового взлива, при этом относительно базовой системы координат определяется взлив жидкости в резервуаре.
1
2
Суммируя объемы тел, формирующих объем резервуара, в зависимости от величины взлива, строится математическая модель - градуировочная характеристика резервуара. При этом модель резервуара можно построить с учетом отклонения резервуара от плоскости горизонта. Если при этом известны достоверно все геометрические размеры резервуара, определить отклонения от плоскости горизонта базовой поверхности резервуара можно путем залива в резервуар двух мерных объемов жидкости ΔV и ΔV, измеряя при этом соответствующую величину взлива.
Ввиду того что обычно отклонения резервуара от плоскости горизонта малы (на практике продольная ось цистерны наклонена к плоскости горизонта не более, чем на 10°), математическую модель резервуара можно упростить для вычисления угла γ.
3
3
Изложенный алгоритм построения градуировочной характеристики резервуара был проверен на примере железнодорожной цистерны 903 Ra с максимальным объемом по паспорту, равным 54 м. С целью определения истинных геометрических размеров цистерны типа 903 Ra она была предварительно отгоризонтирована, и для определения ее основных размеров в нее последовательно заливали мерную жидкость порциями по 10 м.
3
3
3
3
3
3
1
2
3
4
Железнодорожная цистерна типа 903 Ra относится к цистернам с эллипсоидальными днищами, схема которой приведена на фиг.1. Цистерна 903 Ra имеет три основных геометрических размера - S, D, L, После залива в цистерну 10 м измерялся взлив h, после того как в нее добавили еще 10 мжидкости и ее объем стал 20 м, вновь измерялась величина взлива h. Добавив в цистерну жидкость объемом 10 м, для объема жидкости в цистерне, равном 30 м, измерялась величина взлива h. Для контроля последующих вычислений геометрических характеристик цистерны в цистерну была залита дополнительная порция жидкости объемом 10 м. После этого вновь измерялась величина взлива h. По первым трем величинам взлива и соответствующим им объемам жидкости в цистерне, используя модель (3), была составлена расчетная математическая модель вида (5), из решения которой были определены геометрические размеры цистерны, соответственно равные: D=2600 мм; S=645 мм; L=9310 мм.
3
3
3
После подстановки этих геометрических характеристик в формулу (3) была построена градуировочная характеристика цистерны. Величины взлива, соответствующая объему заполнения цистерны в 40 м, измеренная экспериментально и вычисленная по модели (3), отличались друг от друга на 1,5 мм. Максимальный объем железнодорожной цистерны, равный по паспорту 54,0 м, в соответствии с моделью (3) был определен равным 54,002 м при взливе, равном диаметру цистерны.
Откалиброванная таким образом железнодорожная цистерна была установлена на фундамент в яме АЗС, после чего яма была засыпана грунтом. Эксплуатация цистерны показала, что использование модели (3) для контроля запасов топлива в цистерне, давало значительные погрешности. Было высказано предположение, что причина в осадке фундамента, в результате чего продольная ось цистерны образовала угол γ с плоскостью горизонта.
1
2
γ=
По аналогии с цилиндрической цистерной, схема которой приведена на фиг.3, была построена градуировочная характеристика железнодорожной цистерны 903 Ra с учетом угла γ, образованного продольной осью цистерны с горизонтом. Модель была использована для определения наклона продольной оси цистерны с вышеуказанными геометрическими размерами, которая использовалась на АЗС в качестве резервуара для бензина А-95. Так, заливом мерных объемов топлива в цистерну было установлено, что при заливе в нее 16265 литров топлива величина взлива составила 855 мм, а при объеме топлива в цистерне, равном 24065 литров, величина взлива составила 1156 мм. По разработанной на основе модели (8) градуировочной характеристике железнодорожной цистерны с эллиптическими днищами, учитывающей отклонение ее продольной оси от плоскости горизонта, было определено значение этого угла по замеренным величинам взлива, которое было вычислено для h=855→γ=0,42°; для h=1156 мм величина угла γ была равна 0,45°.
Таким образом, по сравнению с аналогами и прототипом, предлагаемый способ определения градуировочной характеристики резервуара путем построения аналитической математической модели зависимости объема заполнения резервуара от величины взлива позволяет определить не только числовые коэффициенты модели, но и определить положение резервуара относительно плоскости горизонта, что учитывается в конечном итоге градуировочной характеристикой резервуара.
Способ осуществляется следующим образом. Для резервуара, подлежащего градуировке, определяются геометрические тела, формирующие его объем. В качестве таких тел удобно взять такие геометрические тела, как цилиндр, шар, эллипсоид, тор, параллелепипед и т.д. Для каждого из этих тел, на которые мысленно разбивается исходный резервуар, выбираются геометрические параметры, достаточные для того, чтобы построить аналитическую модель для каждого из этих тел расчета объема заполнения этого тела от величины взлива. При этом при построении математических моделей для каждого из тел, формирующих объем резервуара, может быть назначен свой параметр, характеризующий взлив. После этого для резервуара определяется исходная точка, точка на нижней образующей резервуара, которой касается груз измерительной рулетки или метрошток при измерении базовой высоты резервуара и от которой проводят измерение уровня нефтепродуктов при эксплуатации резервуара. Принимая исходную точку за начало отсчета, уточняют математические модели расчета объема заполнения тел, формирующих полость резервуара, от величины уровня жидкости в резервуаре - величины взлива. Математическую модель, позволяющую определить объем жидкости в резервуаре как функцию взлива, строят как сумму объемов жидкости, залитой в резервуар с заданным уровнем его заполнения, находящейся в полостях тел, формирующих общую полость резервуара. Исходя из геометрических соображений конечную математическую модель, позволяющую рассчитать объем жидкости (топлива), находящейся в резервуаре, по величине взлива, уточняют для учета с помощью ее возможного отклонения резервуара от горизонтальной плоскости: для железнодорожной цистерны параметром, характеризующим отклонение цистерны от плоскости горизонта, будет угол, образованный продольной осью цистерны с плоскостью горизонта.
После выявления независимых геометрических параметров, характеризующих объем жидкости, находящейся в резервуаре, по величине взлива и подсчета их общего количества с учетом параметра, характеризующего отклонение резервуара от плоскости горизонта, приступают к непосредственной числовой идентификации этих геометрических параметров для конкретного резервуара, для которого ищется градуировочная характеристика.
i
0
0
С этой целью в резервуар заливаются мерные объемы жидкости, и после каждого залива измеряется величина взлива. Каждый мерный объем ΔV не может быть больше W/(n+2), где W - приблизительный или паспортный максимальный объем резервуара, n - количество параметров, характеризующих объем заполнения резервуара и положение резервуара относительно плоскости горизонта. Числовые значения измеренных величин взлива и соответствующие им значения объемов жидкости в резервуаре, как сумма мерных объемов, залитых в резервуар до измерения последнего взлива, подставляются в аналитическую модель вычисления объема жидкости в резервуаре в зависимости от величины взлива.
После залива в резервуар n мерных объемов жидкости и измерения соответствующих взливов будем иметь n уравнений, связывающих объем жидкости в резервуаре с соответствующим ему взливом. Система n уравнений будет содержать n неизвестных, характеризующих геометрические размеры резервуара и его положение относительно плоскости горизонта. Разрешив систему n уравнений относительно n неизвестных, получим числовые значения геометрических параметров резервуара и характеристику (числовую характеристику) его положения относительно плоскости горизонта.
Подставив найденные числовые значения параметров резервуара в математическую модель, устанавливающую математическую зависимость между объемом жидкости в резервуаре от величины взлива в нем, получим действительную градуировочную характеристику конкретного резервуара.
Предлагаемый способ в отличие от аналогов и прототипа не требует использования при его реализации специального оборудования для проведения градуировки, такого как центробежные насосы, дроссели, расходомеры, трехходовые краны и т.д.; не требует способ и большого количества замеров при проведении градуировки резервуара. Сама градуировочная характеристика резервуара в виде математической зависимостии объема жидкости, находящейся в резервуаре, от величины взлива легко позволяет контролировать объем жидкости в резервуаре с учетом температурных особенностей и плотности жидкости.
3
В соответствии с изложенным алгоритмом была проведена градуировка ряда железнодорожных цистерн, заглубленных в землю, используемых на АЭС Удмуртии для хранения топлива. Адекватность полученных математических моделей, являющихся градуировочной характеристикой для каждой из цистерн, определялась по максимальному взливу и соответствующему ему максимальному уровню наполнения цистерны, который отсчитывается от исходной точки до нижнего среза верхнего сегмента горловины. Для отгоризонтированных цистерн, с паспортным максимальным объемом цистерн типа 903 Ra и равным 54,0 м, градуировочная характеристика цистерны давала отклонение не более±3 литра.
Источники информации
1. Цистерны железнодорожные. Общие требования к методикам поверки, объемным методам. Москва. ИПК, Издательство стандартов. 2004. - 74 с.
2. Способ калибровки резервуаров. Патент Российской Федерации на изобретение №2393439. / Шенкман Э.Н.; Науменко С.Н.; Басагин И.Э. // МПК G01F 25/00, заявл. 19.05.2009, опубл. 27.06.2010.
3. Способ калибровки резервуаров. Патент Россиской Федерации на изобретение №2327118 / Кабанов В.И.; Молчанов О.В. и др. // МПК G01F 25/00; G01F 17/00/.
4. Воронина О.А., Лобанова В.А. Об одном подходе моделирования процесса отпуска нефтепродуктов / Нефтегазовое дело, 2006.
5. Способ градуировки резервуаров и устройство для его осуществления. Патент Российской Федерации на изобретение №2178153 / Акопян А.Р., Акопян Р.А., Годиев А.Г, Ланиза Г.И., Несговоров А.М., Солдатов B.C. // МПК G01F 25/00, опубл. 10.01.2002.
6. Бернштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - 13-е изд. - М.: Наука, Гл. ред. физ. мат. лит., 1986. - 544 с.