СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ РЕЗЕРВУАРА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВМЕСТИМОСТИ, СООТВЕТСТВУЮЩЕЙ ВЫСОТЕ ЕГО НАПОЛНЕНИЯ
METHOD FOR TANK INDEXING FOR CAPACITY ASSESSMENT BASED ON FILLING DEPTH

Область техники
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения вместимости, соответствующей высоте наполнения и градуировки шаровых (сферических) (далее - сферический резервуар), а также горизонтальных цилиндрических резервуаров (далее - горизонтальный резервуар), без ограничений по их типам, размерам, номинальной вместимости и конструктивным особенностям, особенно при поверке или калибровке указанных резервуаров, предназначенных для приема, хранения и отпуска нефти, газа и продуктов их переработки, в том числе сжиженных углеводородных и прочих газов и жидкостей, подлежащих учету при осуществлении торговых, внутрипроизводственных, технологических и учетных операций.
Уровень техники
Ограниченность энергетических ресурсов и необходимость их достоверного учета в целях энергосбережения, проведения налоговых, таможенных, торговых и прочих учетных операций при обороте жидких углеводородов и газов является межгосударственной проблемой, регулирующей основы международной экономической деятельности, одной из приоритетных задач метрологического сообщества.
Многолетняя практика проведения измерений с последующей обработкой их результатов, связанных с поверкой, калибровкой, (градуировкой) резервуаров, используемых в обороте жидких углеводородов (далее - резервуар), позволяет сделать вывод о существенных недостатках, применяемых в настоящее время методик проверки геометрическим методом, в части используемых основных и вспомогательных средств поверки, методов выполнения измерений, а также в части ведения протоколов, обработки результатов измерений, методики расчета градуировочных таблиц.
К основным недостаткам действующих в настоящее время методик измерений резервуаров следует отнести следующее:
- невысокая точность применяемых средств поверки, калибровки (градуировки);
- метод, предусматривающий определение основных параметров резервуаров путем вычислений, через измеренные величины косвенных параметров, например: диаметр - через длину окружности, за которую ошибочно принимают периметр деформированного пояса резервуара;
- заложенный в методике принцип, основанный на приведении фигуры резервуара к правильной - шару или цилиндру, с последующим введением косвенных поправок, в полной мере не учитывающих влияние глобальных (эллипсность, бочкообразность и пр.) и локальных (выпучины, вмятины и др.) деформаций, а также температуры и внутреннего избыточного давления на изменение объема сосуда резервуара и значения его вместимости;
- применяемый метод расчета, упрощающий фигуру сосуда, отрицательно влияет на точность градуировочной таблицы.
Все вышеизложенное не позволяет установить достоверную градуировочную характеристику резервуара и является причиной снижения точности учета и неоправданных потерь в коммерческом обороте жидких углеводородов и газов.
Известен способ определения вместимости цилиндрических резервуаров, в котором в центре резервуара устанавливают лазерный теодолит и на базовом расстоянии от него второй теодолит, формируют на внутренней стенке резервуара световую марку от лазерного теодолита, наводят на нее оптическую ось зрительной трубы второго теодолита, последовательно перемещают световую марку вдоль образующей резервуара, определяют для каждого положения световой марки радиус резервуара и оценивают его вместимость (авторское свидетельство SU 1415059, G01В 11/00, публ. 07.08.1988).
Недостатком данного способа является его высокая трудоемкость, малая производительность, а также обязательное требование того, что при проведении измерений необходимо освобождать резервуар от имеющейся в нем жидкости для установления теодолита в его центре, а также большая погрешность в определении вместимости резервуара.
Известен также способ определения вместимости больших резервуаров, согласно которому внутри резервуара устанавливаются лазерные теодолиты, с помощью которых определяют координаты вершин построенного в сечении резервуара треугольника, с последующим расчетом площади сечения описанной вокруг треугольника окружности по методу наименьших квадратов и интерполяции последней с искомой величиной-вместимостью (патент JP 58-061412, G01B 11/00, публ. 12.04.1983).
Однако данный способ также предполагает обязательное предварительное освобождение резервуара от находящегося в нем нефтепродукта, зачистку резервуара, что неизбежно приводит к простою резервуара и потере коммерческой прибыли. К тому же погрешность определения вместимости резервуара велика за счет того, что используются приближенные вычисления и не учитываются глобальные (эллипсность, бочкообразность и пр.) и локальные (выпучины, вмятины и др.) деформации резервуара.
Наиболее близким к заявленному изобретению является способ градуировки резервуара для определения вместимости, соответствующей высоте его наполнения, включающий определение пространственных координат опорных точек на периметрах горизонтальных сечений резервуара, построение по указанным данным трехмерной математической модели резервуара, определение на основе указанной модели с использованием математических методов интерполяции площади сечения поверяемого резервуара, расчет вместимости резервуара и составление градуировочной таблицы (патент RU 2286549 C1, G01F 17/00 (01.2006), публ. 27.10.2006).
Однако принципы геодезических построений, предварительная разбивка подлежащих координированию точек, порядок их координирования, измерение прочих параметров резервуара, а также порядок регистрации и обработки результатов измерений, на которых построен данный способ, могут быть реализованы исключительно для измерений резервуаров, имеющих форму вертикального цилиндра. А способ в целом не может быть применен и распространен на резервуары других геометрических форм.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа градуировки сферических и горизонтальных резервуаров для определения их вместимости, в котором учтены указанные выше недостатки аналогов, а именно: не требовалось при определенных условиях предварительное освобождение резервуаров от нефтепродуктов, повышалась точность за счет использования принципиально иных средств поверки и математических методов расчета, которые учитывали влияние на вместимость резервуара глобальных и локальных деформаций и температуры его стенки, а также фактора избыточного внутреннего давления.
Технический результат, на реализацию которого направлено заявленное изобретение, заключается в повышении точности градуировки резервуаров для определения их вместимости, а также исключение влияния на достоверность результатов измерений внешних конструктивных особенностей резервуаров, возможность градуировки резервуаров подземных, частично заглубленных, теплоизолированных и прочих.
Указанная задача и технический результат достигаются тем, что способ градуировки резервуара для определения вместимости, соответствующей высоте его наполнения, включает определение пространственных координат опорных точек на периметрах горизонтальных сечений резервуара, построение по указанным данным трехмерной математической модели резервуара, определение на основе указанной модели с использованием математических методов интерполяции площади сечения поверяемого резервуара, расчет вместимости резервуара и составление градуировочной таблицы, при этом исходное горизонтальное сечение резервуара определяют по уровню залитой в резервуар до уровня заполнения в диапазоне 150-300 мм воды, определяют местоположение станций геодезического полигона, выполняют горизонтальную и вертикальную разбивку опорных точек на стенке резервуара с использованием лазерного построителя вертикальных и горизонтальных плоскостей, а пространственные координаты опорных точек на периметрах исходного и вышележащих горизонтальных сечений резервуара определяют путем измерения электронным тахеометром со станций полигона наклонных расстояний, горизонтальных и вертикальных углов.
Верхняя свободная поверхность залитой в резервуар воды определяет уровень исходного сечения, который методами технического или тригонометрического нивелирования отмечают реперными точками на стенке или элементах конструкции резервуара.
Для определения местоположения станций геодезического полигона и для разбивки вертикальных плоскостей, по которым проводят измерения, а также для разбивки горизонтальных сечений применяют лазерный построитель горизонтальных и вертикальных плоскостей, работающий в зеленом спектре излучения.
Применяют электронный тахеометр, имеющий функции измерения расстояний в режимах многократном точном и безотражательном, а также функцию непрерывных измерений (слежения) и электронной регистрации данных, с использованием которого осуществляют построение замкнутого полигона вокруг резервуара при измерениях снаружи или базовой линии при измерениях изнутри.
Пространственные координаты опорных точек на периметрах сечений определяют с учетом поправок на температуру, избыточное внутреннее давление, толщину стенки и внутренние детали.
При построении трехмерной математической модели резервуара для углеводородных газов учитывают объем паровой фазы сжиженных углеводородных газов и формируют результаты поверки (калибровки) резервуара.
Определение толщины стенки резервуара, объема внутренних деталей, значения атмосферного барометрического и внутреннего избыточного давления осуществляют предварительно известными инструментальными методами.
Способ градуировки для определения вместимости соответствующей высоте наполнения резервуаров, включающий определение площадей их горизонтальных сечений (далее - сечение) и посредством расчетных методов определение вместимости резервуара, включает следующие этапы:
- для определения уровня исходного сечения в нижней части резервуара до уровня наполнения 150-300 мм проводят определение вместимости объемным методом, путем дозированного наполнения водой, с последовательными измерениями уровня после налива каждой дозы, в результате проведенной операции образуется «водяная подушка», верхняя свободная поверхность которой является уровнем исходного сечения, который методами технического или тригонометрического нивелирования при помощи чертилки отмечают на стенке или элементах конструкции резервуара реперными точками;
- для определения местоположения станций геодезического полигона, с которых проводят измерения, для сферических резервуаров, при помощи лазерного построителя вертикальных плоскостей (здесь и далее подразумевается лазерный построитель, работающий в зеленом спектре излучения, что позволяет выполнять работы в условиях яркого солнечного освещения), проводят горизонтальную разбивку для горизонтальных резервуаров, а предварительную разбивку для станций полигона не проводят;
- для определения местоположения опорных точек исходного сечения на стенке шарового (сферического) резервуара проводят разбивку:
а) по высоте - путем высотной засечки на реперную точку и наведением визирной оси тахеометра в режимах слежения и отображения превышений на значение превышения реперной точки;
б) по направлению - после ориентирования тахеометра на заднюю станцию полигона, визирную ось тахеометра наводят на проекцию вертикальной оси шарового (сферического) резервуара, после чего проводят измерения на исходную и вышележащие опорные точки на периметрах сечений в вертикальной плоскости, проходящей через станцию полигона и вертикальную ось резервуара;
- для определения местоположения опорных точек исходного сечения горизонтального резервуара горизонтальную разбивку выполняют в проекции вертикальных плоскостей, по которым проводят координирование опорных точек на периметре исходного сечения, с закреплением точек разбивки взаимно перпендикулярными штрихами, и последовательной нумерацией, начало которой выбирают произвольно;
- с использованием тахеометра, имеющего функцию измерения расстояний в безотражательном режиме и функцию электронной регистрации данных, осуществляют построение замкнутого полигона вокруг резервуара при измерениях снаружи или базовой линии при измерениях изнутри, с последующим измерением со станций полигона наклонных расстояний, горизонтальных и вертикальных углов на точки координирования, лежащие на периметрах исходного и вышележащих сечений;
- с учетом полученных данных определяют пространственные координаты опорных точек на периметрах сечений;
- на основе вычисленных координат опорных точек с использованием математических методов интерполяции определяют площади сечений поверяемого резервуара, по полученным данным строят трехмерную математическую модель резервуара, рассчитывают вместимость резервуара, соответствующую высоте его наполнения, составляют градуировочные таблицы и формируют результаты поверки (калибровки) резервуара.
Предпочтительно и целесообразно проводить измерения следующим образом:
- измерение линейных размеров параметров резервуара; внутреннего диаметра; длины цилиндрической части; величины выноса днищ для горизонтальных резервуаров проводят лазерным дальномером;
- измерение наклонных расстояний, горизонтальных и вертикальных углов при построении геодезического полигона проводят в режиме точных измерений;
- измерение наклонных расстояний, горизонтальных и вертикальных углов на опорные точки сечений тахеометром осуществляют снаружи или изнутри резервуара в безотражательном режиме;
- площади горизонтальных сечений поверяемого (калибруемого) резервуара определяют с учетом толщины стенки резервуара (при измерениях изнутри толщина стенки не учитывается), схемы сборки швов, поправок на объем внутренних деталей, температуру стенки, избыточное внутреннее давление хранимого продукта;
- определение толщины стенки резервуара, объема внутренних деталей, плотности хранимого продукта для определения поправки на избыточное внутреннее давление хранимого продукта осуществляют предварительно известными инструментальными методами.
Осуществление изобретения
Инструментальная основа способа по настоящему изобретению заключается в том, что используется промышленный высокоточный электронный тахеометр, по точности измерений и функциональным возможностям позволяющий измерять горизонтальные, вертикальные углы с точностью ±1 угловая секунда и наклонные расстояния в безотражательном режиме с точностью ±1 миллиметр, а в режиме точных измерений - ±0,6 миллиметра, при координировании точек.
Необходимо, чтобы тахеометр предоставлял возможность оперативного выбора одного из трех основных режимов измерения расстояний (безотражательный, по призме и по отражающим пленкам), что повышает удобство работы оператора и обеспечивает гибкий подход при решении сложных, нестандартных задач измерений.
Для обеспечения высокой точности измерений при построении геодезической подосновы (полигона) используются специальные отражатели RS50N в сочетании с призменными адаптерами стандарта WILD. Их назначением является точное позиционирование на определяемых станциях полигона, а основным преимуществом -ничтожно малое искажение отраженного лазерного луча, независимо от угла падения до 60°, что обеспечивает точность измерения расстояний в полигоне в пределах ±0,6 миллиметров.
Для построения геодезических сетей используется пять штативов с трегерами стандарта WILD (при измерениях изнутри резервуара - необходимое количество штативов), что позволяет проводить измерения без закрепления опорных точек на местности и исключает ошибки позиционирования при перестановках тахеометра и наблюдаемых отражателей.
Измерение прочих параметров резервуара и условий проведения измерений проводят:
- объема и уровня жидкости, находящейся в резервуаре при его поверке, в пределах «водяной подушки» - по ГОСТ 8.346-2000;
- толщины стенки - толщиномером ультразвуковым;
- толщины слоя покраски - штангенциркулем;
- базовой высоты резервуара - рулеткой измерительной с грузом;
- объема внутренних деталей - по ГОСТ 8.346-2000;
- температуры стенки резервуара термометром контактным;
- атмосферного барометрического и внутреннего избыточного давления известными инструментальными методами.
Методика предполагает, что геодезические измерения проводят тахеометром снаружи или изнутри резервуара. Перед началом измерений необходимо провести поверку и юстировки тахеометра, предусмотренные изготовителем, выполняют программу определения коллимационной поправки, а значения коллимационной поправки и параметры условий проведения измерений (температура, давление и пр.) вносят в память прибора. Поворотные отражатели тщательно ориентируют по линии визирования.
Число станций полигона для сферических резервуаров - 16, для горизонтальных резервуаров определяют, исходя из возможности свободного, без помех наблюдения опорных точек на периметрах сечений. При проведении измерений изнутри резервуара станции полигона строятся с расчетом возможности наблюдения всех координируемых точек. Станции нумеруют произвольно и отражают двухзначным числом.
0
0
0
За исходный пункт с условными координатами X=0.000, Y=0.000 принимают одну из станций. Все станции привязывают по высоте к реперной точке обратной засечкой с Н=0.000 м.
Измерения в полигоне выполняют против часовой стрелки. Штативы с трегерами устанавливают на первых пяти станциях полигона. На штативы задней станции и передней станции устанавливают адаптеры с отражателями, на штатив станции наблюдения устанавливают тахеометр, приборы приводят к горизонту с использованием уровней. Поворотные отражатели ориентируют по линии визирования. Проводят измерения наклонных расстояний, горизонтальных и вертикальных углов в полигоне.
Последующие измерения в полигоне выполняют последовательно. Отражатели и тахеометр перемещают на соседние штативы, последовательность измерений в полигоне повторяют. Измерения в полигоне завершают замыканием полигона на начальные штативы.
Измерения наклонных расстояний, горизонтальных и вертикальных углов в полигоне и координирование опорных точек на периметрах сечений выполняют тахеометром одновременно.
За исходное сечение принимают плоскость, ограниченную стенкой резервуара и верхней свободной поверхностью «водяной подушки».
Координирование опорных точек исходного и вышележащих горизонтальных сечений выполняют со станции полигона после измерения горизонтальных и вертикальных углов и наклонных расстояний в полигоне.
Измерения на опорные точки сечений проводят в безотражательном режиме, в режиме отображения превышений.
На периметре каждого отдельного сечения резервуара координируют опорные точки, расположенные на пересечении вертикальной плоскости визирования и горизонтальных сечений. Высоту сечений, расположенных выше исходного до уровня ¼ высоты наполнения, считая от начала градуировочной характеристики, определяют тахеометром в режимах непрерывных измерений (далее - режим слежения) и отображения превышений с шагом по высоте 50 мм. С тем же шагом по высоте определяют высоту сечений выше ¾ уровня базовой высоты и до предельной высоты наполнения резервуара. На уровне выше ¼, но ниже ¾ базовой высоты шаг определения высот изменяют на 100 мм. При необходимости вертикальную плоскость визирования обозначают лазерным построителем вертикальных плоскостей.
Визирную ось тахеометра наводят на точку разбивки исходного сечения. В режиме электронной регистрации номеров точек измерений четырехзначным числом задают номер точки координирования исходного сечения, где первые два знака соответствуют номеру вертикальной плоскости разбивки (опорной точке разбивки исходного сечения, номеру станции, последующие - 00. Пример 0100, 0200, …, 1600. Проводят измерение горизонтального и вертикального углов и наклонного расстояния. Данные измерений регистрируют во внутренней памяти тахеометра. При зафиксированном горизонтальном круге тахеометра проводят измерения на опорные точки вышележащих сечений. При последовательном координировании вышерасположенных точек снизу вверх номера точек увеличиваются на один автоматически, по нарастанию. Точки координирования сечений имеют номера, выраженные четырехзначным числом. Например: 0100; 0101; 0102; 0103; …; 0134, где первые два знака являются номером вертикальной плоскости разбивки (номером станции), последующие - номером горизонтального сечения. Данные всех измерений регистрируются в файле работ внутренней памяти тахеометра, в режиме «запись», автоматически.
По завершению координирования опорных точек сечений резервуара на станции выполняют контрольное наблюдение на станцию ориентирования в полигоне.
Обработку результатов измерений осуществляют следующим образом. Импорт файла работ из внутренней памяти тахеометра выполняется программой MAPSUITE+, поставляемой производителем тахеометра или другим аналогичным программным обеспечением.
Значения измеренных наклонных расстояний, вертикальных и горизонтальных углов, полученные при координировании точек, используют для определения пространственных координат опорных точек на периметрах сечений резервуара. Координаты станций полигона и опорных точек на периметрах сечений рассчитывают программными средствами CREDO_DAT (Роскартография. Сертификат соответствия №POCC.RU.KP03.C00264 от 02.06.2008) или аналогичными геодезическими программами, предназначенными для вычисления координат с заданной точностью. Уравнивание геодезических построений выполняется по методу наименьших квадратов.
Площади горизонтальных сечений резервуара рассчитывают программными средствами LaserCalibration (ФГУП «ВНИИМС». Свидетельство об аттестации программного обеспечения средств измерений №208/866-06 от 25.09.2006) или аналогичными программами, предназначенными для вычисления площадей и расчета градуировочной таблицы резервуара с заданной точностью. При определении площадей сечений посредством программного продукта LaserCalibration используются методы интерполяции дугами окружностей (далее - ИДО) или обобщенной параболической интерполяции (далее - ОПИ).
Параболическая интерполяция, разработанная Оверхаузером, используется для решения многих прикладных задач, причем не требует больших расчетов. Параболическая интерполяция состоит в линейной интерполяции пересекающихся частей двух парабол. Параболы заданы четырьмя последовательными точками: первая - тремя первыми точками, вторая - тремя последними. Пересечение лежит между второй и третьей точками.
Метод интерполяции дугами окружности разработан автором данного изобретения. Принцип интерполяции следующий:
- находятся координаты центра окружности, проходящей через 3 соседние опорные точки сечения 1-2-3;
- с заданным шагом интерполяции рассчитываются координаты интерполируемых точек на участке 2-3;
- находятся координаты центра окружности через 3 следующие соседние точки 2-3-4;
- с тем же шагом интерполяции рассчитываются вторые координаты интерполируемых точек на участке 2-3;
- из двух определений находятся средние координаты, используемые затем для расчета площади сечения.
По полученным данным строят в среде трехмерную математическую модель резервуара. Построение указанной модели осуществляется посредством любого известного программного обеспечения или с использованием программы, разработанной автором настоящего изобретения.
На основе построенной модели определяют площади горизонтальных сечений поверяемого резервуара. При определении площадей сечений посредством программного продукта TANKAGE 1.0 используются методы интерполяции дугами окружностей (ИДО) или обобщенной параболической интерполяции (ОПИ).
Оба указанных интерполяционных метода существенно выигрывают перед существующими на настоящий момент методами расчета градуировочной таблицы. Это происходит по двум причинам. Во-первых, в обработке интерполяционными методами используются непосредственно определенные с высокой точностью координаты опорных точек сечений резервуара в отличие от более низкой точности измерения длины окружности (а фактически длины периметра неправильной фигуры). Во-вторых, в интерполяционных методах учитываются все отклонения периметра сечений от правильной окружности.
По полученным данным площадей горизонтальных сечений, с учетом толщины стенки резервуара, схемы сборки швов, поправок на объем внутренних деталей, температуру и избыточное внутреннее давление в среде LaserCalibration производится расчет вместимости резервуара.
По вычисленным значениям вместимости резервуара составляют градуировочные таблицы и формируют результаты поверки (калибровки).
Существенное преимущество предусмотренного настоящим изобретением способа заключается в построении жесткой трехмерной модели резервуара, что позволяет исключить влияние на достоверность градуировочной характеристики приближенных вычислений, связанных с привидением фигуры резервуара к правильной.