СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ ЖИДКОГО ПРОДУКТА В РЕЗЕРВУАРЕ
METHOD OF MEASURING MASS OF LIQUID PRODUCT IN RESERVOIR

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах измерения массы нефтепродуктов и других жидкостей, в том числе взрывоопасных, при их отпуске, приеме и хранении.
Все измерительные устройства и системы работают с определенными погрешностями.
В связи с этим действующими государственными стандартами оговариваются пределы допустимой погрешности измерений массы, обеспечивающие достоверность измерений и позволяющие осуществлять учет продукта при хранении, приеме и отпуске с требуемой точностью.
Известно множество устройств, использующих различные способы измерений, позволяющие измерять массу жидкого продукта в резервуаре. Хороший обзор средств измерений для нефтяной промышленности представлен в книге «Ресурсосберегающий сервис нефтепродуктообеспечения», авторы Е.И.Зоря, В.И.Зенин, Щ.В.Никитин, А.Д.Прохоров, изд. «Нефть и газ», Москва, 2004 г. Но все упоминаемые устройства не позволяют в процессе хранения, приема и отпуска продукта контролировать соблюдение требований по величине погрешности измерений.
Известен способ учета топлива на автозаправочной станции и устройство для его осуществления по патенту RU №2299405, G01F 9/00, от 24.05.2006 г. Указанный патент может быть использован для учета топлива, поставляемого на автозаправочную станцию. Описанный способ и устройство предназначено для массового расхода топлива из резервуара через раздаточные колонки и производит учет принятого и отпущенного топлива. Следует отметить, что исходные данные для правильной работы указанного способа, а именно плотность топлива, уровень и его масса в резервуаре при сравнении после ряда отпусков берется из измерительной системы резервуара, например «СТРУНА», как отмечается в описании указанного способа. Если прием или отпуск из резервуара осуществляется без учета возможных погрешностей измерений, то на этапе учета при сравнении результатов данной операции с результатами отпуска через раздаточные колонки возможно существенное расхождение, т.е. данный способ и устройство на его основе не совершенны, т.к. не учитывают величины погрешности измерений.
Методика измерений массы и погрешностей измерений хорошо изложена в книге «Автоматизированный учет нефти и нефтепродуктов при добыче, транспорте и переработке», авторы А.Ш.Фатхутдинов, М.А.Слепян, и др. Москва, Недра, 2007 г. и книге «Контроль количества и качества нефтепродуктов» под ред. профессора Новоселова, Москва, Недра, 1995 г. В этих источниках изложены методики измерений массы и определения погрешности измерений, но нет описания способов для контроля соблюдения требований по величине погрешности измерений.
Очень хорошо изложены методики по учету нефтепродуктов в книге «Коммерческий учет товарных потоков нефтепродуктов автоматизированными системами», авторы А.Г.Годнев, Е.И.Зоря, Д.А.Несговоров, Н.В.Давыдов, «МАКС Пресс», Москва, 2008 г. В этой книге дана краткая характеристика современных представлений метрологии, понятие о средствах измерений, кратко изложена теория погрешностей, приведены основные методы измерений количества нефтепродуктов при приемосдаточных операциях.
Как отмечается в данной книге (на стр.125), «Учет потребляемых энергетических ресурсов осуществляется в соответствии с установленными государственными стандартами и нормами точности измерений.
Вопрос о точности учета решен однозначно основополагающим документом (ГОСТ Р.8.595).
На практике нерешенной методической проблемой остается также отсутствие во взаимоотношениях Поставщиков и Потребителей и при проведении инвентаризации на нефтебазах единообразных правил учета погрешностей измерений».
Наиболее полно методы измерений и определение величины погрешности измерений, как отмечалось выше, изложены в Государственном стандарте ГОСТ Р 8.595-2004 «Государственная система обеспечения единства измерений. Масса нефти и нефтепродуктов. Общие требования к методикам выполнения измерений», который рассматривается в качестве прототипа на предлагаемый способ измерений.
Методы расчета, изложенные в ГОСТ Р 8.595-2004, позволяют определить величину погрешности, но этот процесс очень трудоемкий и не позволяет получить минимального уровня и массы продукта при хранении и минимальных изменений массы при приеме и отпуске продукта, которые обеспечивают соблюдение заданной погрешности измерений.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа, который позволяет в процессе работы при выполнении товарных операций хранения, приема и отпуска продукта осуществлять оперативный динамический контроль погрешности измерений массы продукта и выдавать рекомендации по величине минимального допустимого уровня и массы при хранении продукта и величины минимального изменения массы при приеме и отпуске продукта, позволяющие обеспечивать необходимую точность проведения товарной операций.
Предметом изобретения является способ измерения массы жидкого продукта в резервуаре, позволяющий производить товарные операции приема, отпуска и хранения продукта с нормированной погрешностью, заключающийся в том, что для обеспечения заданной величины погрешности измерения массы при приеме и отпуске рассчитывают рекомендуемую минимальную величину массы при приеме или отпуске продукта, а при хранении минимально допустимое значение уровня и массы продукта в резервуаре, с последующим контролем полученного результата во время и после выполнения операции, для чего с помощью датчиков уровня, плотности и температуры измерительной системы резервуара с учетом градуировочных таблиц резервуара и его физических параметров определяют массу продукта в резервуаре и погрешность измерения массы, далее производят компьютерное моделирование приема или отпуска продукта, а также его хранения, с расчетом погрешности измерений через 1 мм высоты изменения уровня продукта, при достижении значения погрешности измерения ниже заданной величины расчет прекращают и фиксируют рекомендуемое значение минимальной массы приема или отпуска, а также минимальное значение уровня и массы продукта в резервуаре в режиме хранения, уменьшение которых приведет к недопустимой величине погрешности, указанные параметры выводят на монитор оператора, далее производят товарную операцию приема или отпуска продукта не менее рекомендованной величины и с соблюдением рекомендации по последующему хранению, во время выполнения товарной операции осуществляют измерение уровня, плотности и температуры продукта в резервуаре, циклически рассчитывают его массу и погрешность измерений массы продукта, сравнивают ее с заданной величиной, а полученные результаты измерений и расчета выводят на монитор оператора, по завершении товарной операции приема или отпуска продукта осуществляют измерение уровня, плотности и температуры продукта в резервуаре, рассчитывают его массу и производят расчет реальной погрешности измерений, сравнивают ее с заданной величиной, результаты измерений и расчета выводят на монитор оператора и передают в систему коммерческого учета.
Следует отметить, что величина шага итерации при моделировании 1 мм обусловлена точностью измерения уровня используемой измерительной системы (измерительная система «СТРУНА», которая на сегодняшний день является одной из наиболее точных стационарных измерительных систем).
Техническим результатом является получение в процессе проведения товарных операций приема, отпуска, а также при хранении продукта величины погрешности измерений массы продукта, не превышающей заданную величину, рекомендуемых значений минимального допустимого уровня при хранении продукта и минимального изменения массы при приеме и отпуске продукта, при выполнении которых обеспечивается соблюдение требований по величине погрешности измерений как в процессе приема или отпуска, так по его завершении, а результаты выводятся на устройство отображения для удобства работы оператора и передаются в систему коммерческого учета.
На чертеже схематично представлен алгоритм способа для измерения массы жидкого продукта в резервуаре.
Как видно из чертежа, последовательность действий при осуществлении способа измерений массы продукта в резервуаре следующая:
- после начала работы производят считывание градуировочных таблиц резервуара, считывание из используемой измерительной системы параметров уровня, плотности и температуры продукта;
- производят компьютерное моделирование приема или отпуска продукта, а также его последующего хранения с расчетом погрешности измерений через 1 мм высоты изменения уровня продукта;
- при достижении величины погрешности измерений менее допустимой расчет останавливают, фиксируют полученный результат и выдают оператору рекомендуемое значение минимальной дозы приема или отпуска, а также минимально допустимое значение количества продукта в резервуаре в режиме хранения;
- далее выполняется товарная операция по приему или отпуску продукта в соответствии с рекомендациями, т.е. производится прием или отпуск продукта не менее рекомендованной величины;
- в процессе товарной операции приема или отпуска производят циклический расчет и вывод на визуальный интерфейс значений массы продукта и величины погрешности измерений (цикличность означает повторные измерения во времени как до операции приема/отпуска, во время процесса приема/отпуска, так и после нее, что отражено в примере реализации, периодичность повторения устанавливается оператором в зависимости от условий эксплуатации резервуара);
- по завершении товарной операции приема или отпуска производится измерение массы принятого или отпущенного продукта и величины реальной погрешности, передача информации на монитор оператора и в систему коммерческого учета. Это позволит системе коммерческого учета внести соответствующие поправки в систему отчетности, если по каким-либо причинам товарную операцию выполнить с заданной погрешностью не удалось (например, недостаточное количество продукта при приеме или отпуске).
В процессе расчета используют настроечные параметры, включающие в себя значение допускаемой относительной погрешности измерений массы, заданное оператором, но не превышающее установленное государственными стандартами, необходимые технологические константы (параметры) продукта, резервуара и измерительной системы, а также погрешности градуировки резервуара и измерительных каналов системы.
Соблюдение рекомендуемых значений позволяет избежать ошибок при хранении, приеме и отпуске продукта в части превышения допустимых значений погрешности измерений.
Наличие контроля в процессе проведения товарной операции позволяет оператору в случае необходимости изменить количество принимаемого или отпускаемого продукта с учетом погрешности измерений массы как для обеспечения необходимой погрешности измерений, так и при возникновении нештатных ситуаций.
Следует отметить, что в систему коммерческого учета поступают реальные данные, которые могут отличаться от значений, смоделированных компьютером. Это связано с тем, что вновь поступающий продукт может отличаться по плотности от ранее находящегося в резервуаре и по другим причинам. На эти предполагаемые отклонения вводятся поправки, и рекомендуемые минимальные значения массы продукта при приеме/отпуске даются с некоторым запасом для гарантирования конечного результата.
Способ для измерения массы жидкого продукта в резервуаре может быть реализован с использованием измерительного устройства или системы, измеряющей уровень, плотность и температуру продукта в резервуаре, устройства динамического контроля погрешности измерений, выполненного на микропроцессоре, и устройства отображения, которое может быть как самостоятельным конструктивным элементом, так и объединяться с дисплеем измерительной системы или выводиться на дисплей ПЭВМ (ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина (компьютер)) (в случае его использования).
Пример реализации способа для измерения массы жидкого продукта в резервуаре представлен в виде расчета и сравнения полученных результатов с величиной заданной погрешности для нефтепродуктов (НП) в стальном резервуаре при использовании системы измерительной «СТРУНА» (СИ) с подключенным к ней устройством динамического контроля погрешности измерений, изготовленного на базе предлагаемого способа измерений массы жидкого продукта в резервуаре. В основу расчета приняты методики ГОСТ 8.595-2004, адаптированные для указанной выше СИ.
Параметры уровня, плотности и температуры от датчиков СИ, расположенных в резервуаре, поступают из измерительной системы в устройство расчета массы и динамического контроля погрешности измерений, где производят их обработку.
1. Объем НП рассчитывают по формуле:
20i
i
3
где V - объем НП в резервуаре на измеряемом уровне Н, определяемый по градуировочной таблице резервуара, составленной при температуре 20°С, м;
ст
ст
-6
α - температурный коэффициент линейного расширения материала стенки резервуара (из паспорта на резервуар), для стали α=12,5·10 1/°С;
ст
ср.i
Т - температура стенки резервуара, принимаемая равной температуре НП в резервуаре t, °С.
2. Массу НП в режиме хранения рассчитывают по формуле:
ср.i
где ρ - средняя плотность НП, измеренная ИС;
i
V - объем НП, определенный по формуле (1).
срi
пр.i
пр.i
ср.i
Примечание: при снижении уровня НП ниже точки расположения нижнего плотномера ρ определяется путем пересчета по МИ 2632-2001 (МИ 2632-2001 Государственная система обеспечения единства измерений. Плотность нефти и нефтепродуктов и коэффициенты объемного расширения и сжимаемости. Методы и программа расчета) введенных значений плотности и температуры пробы ρ и t к температуре t.
3. Массу отпущенных (или принятых) НП рассчитывают по формуле:
i
где m - масса НП в начале операции приема (отпуска) НП, кг;
i+1
m - масса НП в конце операции приема (отпуска) НП, кг.
4. Погрешность измерений массы вычисляют по формулам:
а) для режима хранения НП
б) для режима приема/отпуска НП
где
где δК - относительная погрешность составления градуировочной таблицы для резервуара, %;
р
ΔТ - абсолютная погрешность измерений температуры НП при измерении плотности ареометром или переносным автоматическим плотномером, °С;
δN - относительная погрешность вычислений, %;
β - коэффициент объемного расширения продукта (определяется по МИ 2632-2001), 1/°С;
δρ - относительная погрешность измерений плотности НП, %,
вычисляется по формуле:
где Δρ - абсолютная погрешность измерений плотности НП:
ср
3
ρ - средняя плотность НП в резервуаре, кг/м;
δH - относительная погрешность измерений уровня НП в резервуаре, %
где Н- уровень НП в резервуаре, мм;
ΔН - погрешность измерений уровня НП в резервуаре, мм,
вычисляется по формуле:
ИС
где ΔН - абсолютная погрешность ИС при измерении уровня, мм;
0
ΔL - абсолютная погрешность рулетки или метроштока при введении поправки, мм;
M
ΔL - абсолютная погрешность метода измерений уровня принимается равной 1,5 мм.
G - коэффициент, вычисляется по формуле:
где β - коэффициент объемного расширения НП (определяется по МИ 2632 -2001), 1/°С;
v
Cpi
T - температура НП в резервуаре равна t, °C;
Р
Т - температура НП при измерениях плотности, °С.
ф
К - коэффициент, учитывающий геометрическую форму меры вместимости, вычисляют по формуле:
20
3
где ΔV - объем НП, приходящийся на 1 мм высоты наполнения резервуара на измеряемом уровне наполнения Н, м/мм;
20
V - объем НП в резервуаре на измеряемом уровне Н.
При расчете погрешности измерений массы НП принимают следующие значения:
3
Δρ=1,0 (1,5) кг/м - плотности ИС (из паспорта);
3
Δρ=0,5 кг/м - для ареометра;
3
Δρ=0,5 (1,0) кг/м - для автоматического переносного плотномера (из паспорта);
δK - из градуировочной таблицы резервуара;
δN=±0,01%;
Р
ΔТ=±0,5 (1,0)°С - для канала измерений температуры ИС (из паспорта).
min
i
mi
i
i
5. Расчет минимального уровня НП для обеспечения пределов заданной относительной погрешности измерений массы НП при хранении (H) производят следующим образом. В формулу (4) последовательно подставляют значения уровня Н (с шагом 1 мм и вычисляют значение δ для каждого значения уровня H. Как только δm станет меньше заданной величины погрешности измерений, расчет заканчивают.
i+1
i
i+1
0
0
6. Расчет допустимого значения уровня НП для обеспечения пределов относительной погрешности измерений массы НП после завершения товарной операции отпуска (приема) НП (H) осуществляется следующим образом. Значение H увеличивается (при приеме) или уменьшается (при отпуске) с шагом 1 мм и рассчитывается m по формуле (2), m по формуле (3) и по формуле (5). Как только δm станет меньше значения заданной погрешности, расчет заканчивают.
Полученные результаты вычислений в виде массы продукта, величины погрешности измерений массы и рекомендуемых значений минимального допустимого уровня и массы при хранении продукта и минимального изменения уровня и массы при приеме и отпуске продукта, обеспечивающие соблюдение требований по величине погрешности измерений, выводят на устройство отображения.
На предприятии-заявителе был изготовлен макет, который подключался к системе измерительной «СТРУНА». В качестве устройства отображения использовался дисплей ПЭВМ. Результаты испытаний полностью подтвердили правильность предлагаемого решения. В процессе испытаний отмечено удобство работы оператора при хранении, приеме и отпуске продукта.