АКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ В РЕЗЕРВУАРАХ РАЗЛИЧНОЙ ВМЕСТИМОСТИ

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к средствам определения уровня жидкости, и может быть применена в нефтяной промышленности для определения уровней нефти и нефтепродуктов в резервуарах. Для измерения уровней нефти и нефтепродуктов в резервуарах применяются различные типы уровнемеров. Наибольшее применение нашли визуальные, поплавковые, гидростатические, электрические, акустические, радарные, радиоизотопные уровнемеры [Прахова М.Ю. Основы автоматизации производственных процессов нефтегазового производства. М.: Академия, 2012].
Известно измерительное устройство для определения уровня воды в резервуарах, предназначенных для нефти и вязких нефтепродуктов [Матвеев Ю.А., Еланский И.А. Патент на полезную модель №66035 от 27.08 2007. Измерительное устройство для определения уровня воды в резервуарах, предназначенных для нефти и вязких нефтепродуктов].
Внутри и снаружи вертикального цилиндрического резервуара для темных нефтепродуктов устанавливается следующее дополнительное оборудование: люк, роликовое устройство, шток, а также металлическая линейка, которая крепится к резервуару с помощью металлических уголков. На линейке закреплена пластина, которая с помощью тросика горизонтально перемещается в зависимости от положения цилиндра, имеющего в нижней части груз. Груз предназначен для принятия цилиндром вертикального положения. Верхняя часть цилиндра соединяется с тросиком при помощи кронштейна. Цилиндр имеет возможность горизонтального перемещения по штоку с помощью кольца.
Измерительное устройство работает следующим образом. Цилиндр с помощью металлического тросика и кольца опускается по штоку и устанавливается верхней частью на границе раздела фаз нефть-вода. При помощи роликового устройства тросик изменяет положение указательной пластины. По верхнему положению пластины на измерительной линейке определяется уровень воды в резервуаре. При этом значительно сокращается время производства замеров и повышается точность определения. Сокращение времени происходит из-за того, что оператору нет необходимости подниматься и спускаться на резервуар для производства замеров воды. Уровень воды оператор может определить, пользуясь предлагаемым измерительным устройством, не поднимаясь на резервуар, что повышает эффективность его работы по производству замеров воды и нефти.
Недостатками измерительного устройства являются:
1. Невозможность определения количества нефти без проведения замеров с помощью различных измерительных устройств (метрштока, измерительной рулетки с лотом);
2. Сложность и металлоемкость устройства и большая погрешность измерения;
3. Отсутствие автоматизированного контроля уровня нефти и нефтепродуктов.
Также известно устройство для визуального определения уровней нефти и воды в резервуарах [Матвеев Ю.А., Богданов А.Ю. Патент на полезную модель №74205 от 20.06 2008. Устройство для визуального определения уровней нефти и воды в резервуарах].
Внутри и снаружи вертикального стального резервуара для нефтепродуктов устанавливается следующее дополнительное оборудование: два люка, два роликовых устройства, два штока, а также две металлические линейки, которые крепятся к резервуару с помощью металлических уголков. На линейках закреплены две пластины, которые с помощью металлических тросиков горизонтально перемещаются в зависимости от положения цилиндров, имеющих в нижней части груз. Груз предназначен для принятия цилиндром вертикального положения. Верхняя часть цилиндров соединяется с тросиком при помощи кронштейнов. Цилиндры имеет возможность горизонтального перемещения по штоку с помощью колец.
Необходимо отметить, что один комплект дополнительного оборудования, включающий люк, роликовое устройство, шток, металлическую линейку с пластиной, которая соединена при помощи металлического тросика с цилиндром, предназначен для определения уровня воды, а второй аналогичный комплект дополнительного оборудования для уровня нефти.
Массы цилиндров подбираются с учетом плотностей нефти и воды. При этом необходимо учитывать, что плотности нефти и воды имеют различные значения.
Устройство работает следующим образом. Цилиндр, предназначенный для определения уровня воды, с помощью металлического тросика и кольца опускается по штоку и устанавливается верхней частью на границе раздела фаз нефть-вода. При помощи роликового устройства тросик изменяет положение указательной пластины. По верхнему положению пластины на измерительной линейке определяется уровень воды в резервуаре.
Аналогичным образом, цилиндр, предназначенный для определения уровня нефти, с помощью металлического тросика и кольца опускается по штоку и устанавливается на верхней границе уровня нефти. При помощи роликового устройства тросик изменяет положение указательной пластины. По верхнему положению пластины на измерительной линейке определяется уровень нефти в резервуаре.
При этом значительно сокращается время производства замеров и повышается точность определения.
Недостатками устройства для визуального определения уровней нефти и воды в резервуарах являются:
1. Сложность и металлоемкость устройства и большая погрешность измерения;
2. Отсутствие автоматизированного контроля уровня нефти и нефтепродуктов;
3. Затраты, связанные с ремонтом и обслуживанием устройства.
Также известен акустический уровнемер УА-2 [Прахова М.Ю. Основы автоматизации производственных процессов нефтегазового производства. М.: Академия, 2012].
Данный уровнемер предназначен для непрерывного бесконтактного автоматического измерения уровней жидкости в резервуарах.
Уровнемер включает излучатель звуковых волн и приемник излучения, блок преобразователей и усиления, пульт управления. Излучатель звуковых волн и приемник излучения устанавливаются на крыше резервуара. Уровень определяется по времени прохождения звуковых волн расстояния от излучателя до границы раздела двух сред (пар-нефтепродукт) и обратно до приемника излучения. Функции источника и приемника звуковых волн выполняет пьезоэлемент. Погрешность измерения составляет 1-2%.
Акустический уровнемер работает следующим образом. Излучатель формирует звуковые волны, которые отражаются от поверхности нефтепродукта и воспринимаются пьезоэлементом.
Уровень нефти и нефтепродукта в резервуаре определяется по формуле
h=H-0,5ct,
где h - уровень нефтепродукта в резервуаре, м; Н - высота резервуара, м;
с - скорость распространения ультразвука в данной среде, м/с; t - время прохождения ультразвуком расстояния от излучателя до границы раздела сред (пар-нефтепродукт) и обратно до приемника излучения, с.
Скорость распространения ультразвука зависит высоты парового пространства резервуара. Также от высоты парового пространства изменяется, и время прохождения ультразвуком расстояния от излучателя до границы раздела сред и обратно до приемника излучения.
Измеренные значения скорости распространения ультразвука и времени прохождения ультразвуком указанного расстояния по линии связи поступают в блок преобразователей и усиления, а затем на пульт управления. На пульте управления оператор получает информацию об уровне нефти и нефтепродукта в резервуаре.
Недостатками акустического уровнемера УА-2 являются:
1. Сложность, дороговизна устройства и высокая погрешность измерения;
2. Влияние на показание уровнемера температуры, давления и состава паров от которых зависит скорость звуковых волн.
Также известно «Устройство для измерения объема нефтепродукта в накопительном резервуаре» [Колыхалин В.М., Давыдов В.В. Патент на полезную модель №50656 от 20.01.2006. Устройство для измерения объема нефтепродукта в накопительном резервуаре].
Устройство содержит громкоговоритель, подключенный к источнику электрических сигналов, выполненному в виде последовательно соединенных генератора шума, полосового фильтра, и усилителя. Также устройство включает микрофон, подключенный к шумомеру, соединенному с регистрирующим устройством. Громкоговоритель и микрофон установлены внутри накопительного резервуара. В резервуаре находится мазут. Снаружи резервуар покрывается уплотненным слоем (минеральной ватой или стекловатой), или обрабатывается слоем штукатурки с металлической сеткой. Таким образом, в воздушном объеме резервуара создаются практически идеальные условия диффузного звукового поля.
Полезная модель работает следующим образом. Генератор шума через полосовой фильтр и усилитель подает сигнал на громкоговоритель, расположенный внутри герметично закрытого резервуара. В результате в воздушном объеме резервуара возбуждается шум во всем частотном диапазоне. При отключение генератора через микрофон с помощью шумомера на регистрирующем устройстве фиксируется процесс затухания звука. В качестве регистрирующего устройства может быть использован самописец или персональный компьютер. Измерения производятся при различном уровне мазута и на различных частотных диапазонах от 125 до 4000 Гц. Результаты измерений сводятся в таблицу. Наиболее определенная зависимость времени реверберации от уровня мазута наблюдается в области частотных диапазонов 250-500 Гц. Таким образом, произведя калибровку резервуара и получив зависимость, можно с большой степени точности (до 10%) определять воздушный объем резервуара, и следовательно объем нефтепродукта.
Недостатками «Устройства для измерения объема нефтепродукта в накопительном резервуаре» являются:
1. Сложность измерения и большая погрешность полученных результатов;
2. Применение устройства в основном для темных нефтепродуктов (мазут, моторные масла), у которых не возникает больших испарений и не создается паровое пространство с определенным давлением и температурой.
3. Низкая эффективность учета температуры, состава паров и давления парового пространства для конкретных нефтепродуктов с высокой испаряемостью (автомобильных бензинов, авиационных керосинов, дизельных топлив и т.д.).
4. Использование в резервуарах определенного типа с уплотненным наружным слоем.
Наиболее близким по технической сущности предполагаемой полезной модели является акустическая диагностика остатков нефтепродуктов в накопительных резервуарах [Колыхалин В.М. Акустическая диагностика остатков нефтепродуктов в накопительных резервуарах. Автореферат диссертации, Санкт-Петербургский государственный университет кино и телевидения, октябрь 2008 г.].
Устройство содержит резервуар, на крыше которого установлены громкоговоритель и микрофон. Громкоговоритель соединен с генератором звука заданной частоты, усилителем и с микрофоном. Связь с микрофоном осуществляется с помощью акустического канала. Микрофон связан с персональным компьютером. При этом резервуар содержит паровое пространство и горючее (например, мазут). В резервуар с паровым пространством испускаются звуковые волны, которые отражаются от горючего. В результате наблюдается реверберация (многократные отражения) звука. В дальнейшем отраженный «розовый шум», возбуждаемый громкоговорителем принимается микрофоном. Затем осуществляется частотный анализ посредством анализатора спектра.
В результате, получив частотную (условно «калиброванную» в данный период времени измерения) зависимость времени стандартной реверберации чистого воздушного объема резервуара можно с достаточной точностью до 10% дистанционно определять объемы нефтепродукта или шлама по результатам измерения времени реверберации в оптимальной полосе частот 250…500 Гц в зависимости от степени наполнения резервуаров.
То есть при анализе частот звука в резервуаре учитывается наличие определенного объема парового пространства.
Недостатками указанного устройства являются:
1. Высокая погрешность измерение до 10%.
2. Низкая эффективность учета температуры, состава паров и давления парового пространства для конкретных нефтепродуктов с высокой испаряемостью (автомобильных бензинов, авиационных керосинов, дизельных топлив и т.д.).
3. Низкая эффективность для коммерческого учета конкретных марок нефтепродуктов (автомобильный бензин Нормаль А - 80, Регуляр - 92, Премиум - 95 и т.д.).
4. Использование устройства при определенных температурах.
Предполагаемая полезная модель решает задачу повышения эффективности определения уровней нефти и нефтепродуктов в резервуарах. Данные признаки являются существенными для решения задачи полезной модели, так как повышается точность определения уровней нефти и нефтепродуктов в резервуарах, а также уменьшается погрешность измерения.
Давления парового пространства в резервуарах для различных нефтепродуктов имеют разные значения. Наибольшие значения у автомобильных бензинов и авиационных керосинов, а наименьшие у моторных масел и мазутов. С увеличением температуры давление парового пространства в резервуаре возрастает. То есть давление парового пространства у различных нефтепродуктов с учетом температуры является величиной переменной. Температура и давление парового пространства влияют на плотность парового пространства. Соответственно температура, давление и плотность парового пространства влияют на амплитуды и частоты отраженных волн и время реверберации.
Сущность полезной модели пояснена чертежом (фиг. 1), на котором изображен резервуар в разрезе, и схема подсоединения устройства для определения уровня нефтепродукта.
Решение указанной задачи достигается тем, что акустический уровнемер выполнен с возможностью уменьшения влияния давления и температуры парового пространства на измеренные значения уровня нефтепродуктов, при этом крыша резервуара оборудуется микрофоном, который связан линиями связи со звуковой картой персонального компьютера, а также тем, что персональный компьютер имеет возможность частотного анализа отраженных звуковых волн и оценки уровня горючего в резервуаре с учетом температурного интервала и давления в паровом пространстве для каждого конкретного нефтепродукта.
На предлагаемый резервуар 1, имеющий приемный и раздаточный патрубки 2, трубопровод для приема и выдачи нефти и нефтепродуктов 3, задвижку 4, световой и замерный люки 5, 6, вентиляционный люк 7, дыхательный клапан 8, люк-лаз 9, дополнительно на крышу оборудуются излучатель звука 10 и микрофон 11. Микрофон линией связи 12 соединяется со звуковой картой 13, и персональным компьютером 14, а излучатель звука линией связи 12 связан с усилителем 15.
Полезная модель работает следующим образом. Через приемный трубопровод 3 нефтепродукт поступает в резервуар 1. При этом уровень горючего 16 начинает увеличиваться, а соответственно объем парового пространства 17 уменьшаться.
После заполнения резервуара объемы горючего и парового пространства стабилизируются.
С целью определения уровня нефти или нефтепродукта источник звука 10, который линией связи 12 соединен с усилителем 15, испускает звуковые волны постоянной частоты, которые проходят через паровое пространство 17 и достигают границы раздела фаз (пар-жидкость). Звуковые волны отражаются от поверхности нефтепродукта и воспринимаются приемником звуковых волн микрофоном 11.
Микрофон соединяется со звуковой картой 13, и персональным компьютером 14.
Волны, создающиеся в резервуаре с помощью источника звука 10, распространяются в газовой среде (пар) доходят до жидкой среды (горючее) и отражаются. Частоты отраженных звуковых волн будут зависеть от уровня нефтепродукта и высоты парового пространства. Микрофоном фиксируются частоты отраженных волн, которые затем по линии связи передаются звуковой карте 13 персонального компьютера 14. В компьютере производится частотный анализ отраженных звуковых волн.
Частотный анализ будет зависеть от объема парового пространства резервуара, температуры и давления в паровом пространстве. Объем парового пространства будет равен произведению площади круга резервуара на высоту парового пространства. Изменение объема парового пространства возможно только за счет увеличения или уменьшения уровня нефтепродукта в резервуаре, так как площадь круга не изменяется.
Необходимо отметить, что в память ЭВМ компьютера введена база данных на давление парового пространства для каждого нефтепродукта с учетом температурных интервалов (например, от 0 до 5, от 5 до 10, от 10 до 15, от 15 до 20 градусов Цельсия и т.д.)
Давление парового пространства при одинаковой температуре, например 20°С, для автомобильных бензинов, авиационных керосинов и дизельных топлив будет иметь различные величины. Наибольшее давление будет у бензинов, а наименьшее у дизельных топлив. Даже среди автомобильных бензинов различных марок при одинаковой температуре давление парового пространства будет незначительно отличаться. Поэтому в базу данных вводится давление парового пространства для конкретных марок нефтепродуктов (например, бензин А-76, бензин Регуляр - 92 или дизельное топливо летнее) в определенном температурном интервале.
При замерах горючего оператор выбирает в базе данных конкретную марку нефтепродукта и указанный температурный интервал, соответствующий температуре горючего в резервуаре. Измерение уровня горючего в резервуаре с учетом давления парового пространства конкретного нефтепродукта и указанного температурного интервала проводиться в компьютере с использованием рассчитанных поправочных коэффициентов.
При этом каждому спектру частоты отраженной волны соответствует определенный уровень нефти или нефтепродукта.
Оценка частотного анализа отраженных звуковых волн с учетом давления и температуры парового пространства конкретного нефтепродукта с помощью персонального компьютера позволяет с меньшей погрешностью определить уровень нефти и нефтепродукта, что позволит использовать предложенное устройство при коммерческом учете.