УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЕЙ НЕФТЕПРОДУКТОВ И ВОДЫ В РЕЗЕРВУАРАХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

Предполагаемая полезная модель относится к измерительной технике, в частности к средствам, которые используются для определения границы раздела фаз жидких сред и может быть применена в нефтяной промышленности для определения уровня подтоварной воды в вертикальных резервуарах со светлыми нефтепродуктами.
С целью эффективного определения границы раздела жидких фаз используется ряд уровнемеров: механические, поплавковые, гидростатические, электрические, емкостные, кондуктометрические, акустические, микроволновые.
Известно устройство для определения уровня подтоварной воды в резервуаре [Еланский И.А., Матвеев Ю.А. и др. Патент на полезную модель №46352 от 27.06.2005 года].
Устройство содержит лот с нанесенной водочувствительной пастой, установленный в полости внутреннего цилиндра с выполненным основанием и продольной прорезью. Внутренний цилиндр размещен в полости внешнего цилиндра, имеющего возможность перемещения относительно оси внутреннего цилиндра. Герметичность цилиндров обеспечивается за счет применения уплотнительных прокладок и соединений типа «шип-паз». Перемещение устройства в резервуаре обеспечивается при помощи первого троса, а перемещение внешнего цилиндра относительно внутреннего - при помощи второго троса. Внешний цилиндр имеет фиксатор, установленный внутри прорези.
Полезная модель работает следующим образом: устройство при помощи первого троса опускается на дно резервуара, при этом герметичность внутренней полости обеспечивается за счет уплотнительных прокладок. При достижении устройством дна внешний цилиндр плавно поднимается по соединению типа «шип-паз» внутри прорези при помощи троса, обеспечивая поступление жидкости (воды или нефтепродукта) через продольную прорезь клоту с нанесенной водочувствительной пастой. Предотвращение разобщения внутреннего и внешнего цилиндров достигается за счет фиксатора, установленного в прорези. Затем внешний цилиндр опускается, и устройство поднимается при помощи троса, после чего лот вынимается за ручку из внутреннего цилиндра, а уровень подтоварной воды определяется по цвету водо-чувствительной пасты.
Недостатками устройства для определения уровня подтоварной воды в резервуаре являются:
1. Сложность определения воды в резервуарах.
2. Отсутствие возможности определения уровня нефти в резервуаре.
3
Также известно универсальное устройство для определения уровня воды и нефтепродукта в резервуарах вместимостью до 100 м [Еланский И.А., Матвеев Ю.А. Патент на полезную модель №48058 от 10.09.2005 года].
Устройство содержит основной метршток с металлической опорой. В опоре имеется прорезь, выполненная по окружности для вставки дополнительного метрштока. Метршток большего диаметра с помощью ручки имеет возможность перемещения относительно оси основного метрштока. Герметичность метрштоков обеспечивается за счет применения уплотнительных колец. Крепление метрштоков друг с другом происходит за счет фиксатора. Фиксатор вставляется сначала в отверстие дополнительного метрштока, а затем в отверстие основного метрштока.
Универсальное устройство работает следующим образом. Устройство при помощи ручки опускается на дно резервуара, при этом герметичность основного и дополнительного метрштоков обеспечивается за счет уплотнительных колец и прорези. При достижении опорой дна из устройства вынимается фиксатор. После этого дополнительный метршток плавно поднимается по оси основного метрштока, обеспечивая поступление воды к водочувствительной пасте, нанесенной на внутренний метршток. Затем метршток большего диаметра опускается в прорезь опоры, вставляется фиксатор и устройство поднимается из резервуара. После чего дополнительный метршток вновь поднимается, а уровень подтоварной воды определяется по цвету водочувствительной пасты.
Недостатками универсального устройства для определения уровня воды и нефтепродукта в резервуарах вместимостью до 100 м являются:
1. Сложность конструкции, связанная с наличием металлической опоры.
2. Возможность стирания (механического воздействия) водочувствительной пасты дополнительным метрштоком, что приводит к большим погрешностям при измерении уровня воды.
3. Сложность подъема дополнительного метрштока, связанная с отсутствием держателя на основном метрштоке.
Также известно универсальное устройство для определения уровней различных жидкостей в резервуарах [Еланский И.А., Матвеев Ю.А. и др. Патент на полезную модель №55971 от 27.08.2006 года].
В данном техническом устройстве вместо лота к измерительной ленте рулетки с помощью кронштейна прикрепляется пустотелый цилиндр. Внутри цилиндра к основанию жестко прикреплен груз. Груз служит для поддержания цилиндра в вертикальном положении на границе фаз исследуемых жидкостей. В нефтяной промышленности наибольший интерес вызывает определение воды в резервуаре с нефтью. Поэтому вес цилиндра и вес груза подбираются с учетом плотности нефти и плотности воды. При этом необходимо учитывать, что плотности нефти и воды имеют различные значения.
Подбор цилиндра и груза осуществляется с учетом условий нулевого погружения.
,
β
где Q - выталкивающая сила, действующая на цилиндр, Н;
1
P - вес цилиндра, Н;
2
Р - вес груза, Н;
q - ускорение свободного падения, Н/кг;
B
3
Y - объем цилиндра, находящийся в воде, м;
H
3
Y - объем цилиндра, находящийся в нефти, м;
B
H
3
ρ, ρ - плотности воды и нефти соответственно, кг/м.
При этом вес груза определяется из выражения
Устройство содержит рулетку с ручкой и замерной лентой. На замерную рулетку с помощью кронштейна крепится цилиндр. Внутри цилиндра к основанию жестко крепится груз.
1
0
1
2
Определение уровня воды происходит после достижения цилиндром границы фаз нефть-вода. Цилиндр за счет подобранной массы проникает через слой нефти и с помощью груза принимает вертикальное положение в верхнем слое подтоварной воды. При этом начало цифровых значений рулетки соответствует границе раздела фаз нефть-вода. Определение уровня воды (нефти) производится по показанию замерной рулетки. Данное значение рулетки будет показывать расстояние от верхнего края резервуара до уровня воды H. С целью определения количества воды, необходимо от значения базовой высоты резервуара Н отнять полученное ранее значение H. Уровень нефтяной жидкости рассчитывается по значению на замерной рулетке, оставленному верхним слоем нефти Н.
Недостатками универсального устройства для определения уровней различных жидкостей в резервуарах являются:
1. Сложность конструкции и расчетов.
2. Высокая погрешность при измерении уровня воды и нефти.
3. Необходимость перерасчета массы цилиндра при использовании устройства при замерах нефтепродуктов.
Также известно устройство для определения границы раздела фаз жидких сред нефтепродукт - вода [Комина Е.Н., Макаров В.М. Патент на полезную модель №105434 от 10.06.2011 года].
Устройство содержит электронный блок, индикаторную лампу, эластичный герметичный соединительный кабель, герметичный погружной щуп, состоящий из медного стержня, установленного внутри медной гильзы вдоль ее оси. Между стержнем и гильзой залит компаунд, при этом на гильзе нанесена измерительная шкала.
По функциональному признаку устройство можно разделить на 2 узла:
Первый узел - герметичный погружной щуп, состоящий из медного стержня, медной гильзы с нанесенной на ее поверхность измерительной шкалой, с залитым между медным стержнем и медной гильзой компаундом.
Эластичный герметичный соединительный кабель соединяет герметичный погружной щуп со вторым функциональным узлом, состоящим из электронного блока с находящейся на нем индикаторной лампой.
Метод определения границы различных сред основан на различии их удельного объемного электрического сопротивления. Для определения положения границы производится плавное опускание герметичного погружного щупа в резервуар с одновременным контролем индикаторной лампы на электронном блоке. Загорание индикаторной лампы свидетельствует о достижении наконечником щупа верхнего слоя воды. После загорания индикаторной лампы щуп извлекается из резервуара и по нанесенной на нем измерительной шкале производится определение толщины слоя нефтепродукта.
Недостатками устройства для определения границы раздела фаз жидких сред нефтепродукт - вода являются:
1. Большая погрешность измерения, связанная с загоранием лампы, настроенной на определенное сопротивление жидкости.
2. Возможность использования только в горизонтальных резервуарах, имеющих небольшую высоту.
3. Сложность конструкции устройства и отсутствие подсветки на электронном блоке.
Наиболее близким к указанной проблеме является устройство для определения уровня нефти, воды и льда в вертикальных наземных резервуарах [Богданов А.Ю., Матвеев Ю.А. Патент на полезную модель №201521 от 21.12.2020 года].
Вертикальный наземный резервуар имеет приемный и раздаточный патрубки, трубопровод для приема и выдачи нефти, задвижку, световой и замерной люки, вентиляционный патрубок, дыхательный клапан, люк-лаз.
Устройство содержит электронный (измерительный) блок, с лампой подсветки, эластичный соединительный кабель, герметичный погружной лот, состоящий из медного стержня, установленного внутри медной гильзы вдоль ее оси, между ними залит компаунд. На гильзе нанесена мерная шкала. Лот с помощью измерительной ленты соединяется с замерной рулеткой, которая имеет катушку с ручкой. Также лот с помощью кабеля связан с электронным блоком. Провода кабеля герметично вставляются в две клеммы.
Причем первая клемма находится в гильзе, а вторая - в медном стержне. Необходимо отметить, что лот выполнен в форме круглого цилиндра, длинной от 30 до 50 см. Мерная шкала измерительной ленты рулетки является продолжением мерной шкалы лота.
Устройство работает следующим образом. Нефть из скважин поступает в резервуар. За счет большей плотности вода отделяется от нефти и опускается на дно резервуара. Оператор опускает лот, соединенный с замерной рулеткой и электронным блоком, в резервуар. При этом оператор опускает лот медленно и следит за показаниями сопротивления жидкости на электронном блоке. Удельное электрическое сопротивление нефти имеет значительно большее значение, чем сопротивление воды. По мере опускания лота и достижения воды значения сопротивления жидкостей резко изменяются. Началом уровня воды является значительный скачок (уменьшение) значения сопротивления. В вечернее время для проведения замеров включается лампа подсветки электронного блока.
Оператор с помощью замерной рулетки определяет уровень нефти. Для определения уровня воды необходимо от базовой высоты резервуара отнять высоту уровня нефти плюс высоту уровня парового пространства (расстояние от уровня воды до базовой высоты). При температуре окружающей среды ниже нуля градусов Цельсия возможно образование слоя льда на дне резервуара. Для определения уровня льда оператор с помощью лота и замерной рулетки определяет высоту от дна до базовой высоты резервуара из паспортных данных. Затем происходит сравнение определенной высоты с базовой высотой резервуара.
Устройство выполнено с возможностью вставки и снятия проводов кабеля в клеммы лота. Снятие кабеля и электронного блока применяется для замеров с помощью лота и замерной рулетки уровня нефти и нефтепродуктов при отсутствии воды в резервуарах.
Недостатками устройства для определения уровня нефти, воды и льда в вертикальных наземных резервуарах являются:
1. Высокая погрешность измерения.
2. Сложность конструкции и ремонта устройства, а также замены элементов.
Работа предлагаемого устройства основана на определение уровня воды при достижении лотом границы раздела жидких сред нефтепродукт-вода, при этом значительно изменяются значения коэффициентов преломления на электронном блоке.
Данные признаки являются существенными для решения задачи полезной модели, так как повышается эффективность определения уровня подтоварной воды в резервуаре, уменьшается погрешность при измерении, а также упрощается конструкция и ремонт устройства.
Решение указанной задачи достигается тем, что устройство оборудовано погружным лотом, состоящим из оптического датчика и медной гильзы, при этом оптический датчик вкручивается в гильзу за счет резьбового соединения с возможностью выкручивания и снятия для проведения замеров нефтепродуктов при отсутствии воды в резервуарах, а также тем, что линза оптического датчика находится выше нижней части гильзы лота.
На фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 изображены: разрез резервуара с лотом, оборудованным измерительной лентой с кабелем и электронным блоком, разрез лота с видом спереди измерительной ленты и кабеля, а также вид спереди замерной рулетки.
Вертикальный наземный резервуар 1 имеет приемный и раздаточный патрубки 2, трубопровод для приема и выдачи нефтепродуктов 3, задвижку 4, световой и замерной люки 5, 6, вентиляционный патрубок 7, дыхательный клапан 8, люк-лаз 9.
Предлагаемое устройство содержит электронный (измерительный) блок 10, с лампой подсветки 11, эластичный соединительный кабель 12, герметичный погружной лот 13, состоящий из оптического датчика 14, установленного внутри медной гильзы 15 вдоль ее оси.
Оптический датчик закручивается в гильзу за счет резьбового соединения 16. На гильзе нанесена мерная шкала 17. Лот с помощью измерительной ленты 18 соединяется с замерной рулеткой 19, которая имеет катушку с ручкой 20. Также лот с помощью кабеля 12 связан с электронным блоком 10.
Принцип работы оптических датчиков основан на различном преломлении света при прохождении через линзу (призму) в разных жидкостях или средах. Оптический датчик включает линзу (призму) 21, излучатель (инфракрасный светодиод) 22 и приемник (фотоприемник) 23. Излучатель и приемник с помощью линий связи 24 (проводов) соединены с кабелем 12.
Необходимо отметить, что лот выполнен в форме круглого цилиндра, длинной от 30 до 50 см. Мерная шкала измерительной ленты рулетки является продолжением мерной шкалы лота. При этом линза 21 оптического датчика 14 находится выше на 2 мм нижней части лота. Это связано с тем, чтобы при касании лотом днища резервуара не было повреждения линзы.
Полезная модель работает следующим образом. Нефтепродукт 25 поступает в резервуар 1. За счет большей плотности вода 26 опускается на дно резервуара. Оператор опускает лот, соединенный с замерной рулеткой 19 и электронным блоком 10 в резервуар 1. При этом оператор опускает лот медленно и следит за показаниями коэффициента преломления жидкости на электронном блоке 10. Коэффициент преломления нефтепродуктов имеет значительно большее значение, чем коэффициент преломления воды.
Необходимо отметить, что коэффициент преломления воды равняется 1,33, а коэффициенты преломления светлых нефтепродуктов (бензин, керосин, дизельное топливо) находятся в интервалах от 1,38 до 1,46.
По мере опускания лота и достижения воды показатели коэффициента преломления значительно уменьшается. Началом уровня воды является значительный скачок (уменьшение) коэффициента преломления. В вечернее время для проведения замеров включается лампа подсветки 11 электронного блока.
Оператор с помощью замерной рулетки определяет уровень нефтепродукта. Для определения уровня воды необходимо от базовой высоты резервуара отнять высоту уровня нефтепродукта плюс высоту уровня парового пространства (расстояние от уровня воды до базовой высоты).
Устройство выполнено с возможностью закручивания (выкручивания) оптического датчика в гильзу лота. Выкручивание и снятие оптического датчика с кабелем и электронным блоком применяется для замеров с помощью лота и замерной рулетки уровня нефтепродуктов при отсутствии воды в резервуарах.
Предлагаемое устройство позволяет с высокой точностью измерять слой нефтепродукта над поверхностью воды, что дает возможность определения общих объемов нефтепродукта и воды в вертикальных наземных резервуарах.
Полезная модель отличается простотой конструкции и ремонта. Для замены оптического датчика необходимо его просто выкрутить из гильзы, а затем закрутить новый датчик. При этом будет затрачиваться минимальное количество времени. Для использования устройства не требуется высокая квалификация персонала. Устройство переносное, что позволяет его использовать во всех вертикальных и горизонтальных резервуарах нефтебазы или склада горючего.