Блок учета и контроля испарений нефти
OIL EVAPORATION ACCOUNTING AND CONTROL UNIT

Изобретение относится к области измерения расхода и концентрации потока паров нефти или нефтепродуктов из резервуаров через дыхательный патрубок и может быть использовано в нефтяной, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности для определения количества и концентрации выбросов нефтепродуктов из резервуаров, с целью определения потерь нефтепродуктов от «дыханий» резервуаров и утечки взрывоопасной смеси, а также оценки экологии окружающей среды.
Нефтебазы, резервуарные парки и склады горючего являются производственными объектами, которые представляют опасность для безопасности людей и окружающей среды. Основным источником загрязнения являются хранящиеся на этих объектах нефть и нефтепродукты, которые в результате эксплуатационных и аварийных потерь, а также в результате испарения попадают в атмосферный воздух, сточные воды и почву.
Основная доля потерь при транспортировке и хранении данных веществ приходится на резервуары - 64,8%, из них: от «больших дыханий» - 54,0%, от выдуваний - 4,6%, от газового сифона - 0,9%, при зачистке - 5,3%.
При этом, в результате испарения нефти и нефтепродуктов через дыхательные патрубки резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов на территории резервуарных парков возникают скопления паров тяжелых фракций углеводородов, тем самым увеличивая риск возникновения аварии на объекте.
Поэтому своевременное обнаружение утечки взрывоопасной смеси из дыхательного патрубка резервуара для хранения нефти или нефтепродуктов и определение степени загрязнения окружающей среды нефтепродуктами на нефтебазах и складах горючего является одной из важнейших задач экологического контроля, предотвращения непроизводственных потерь горючего и повышения безопасности эксплуатации производственного объекта.
Из уровня техники известен способ измерения расхода потока паров нефтепродуктов из резервуаров через дыхательный патрубок, характеризующийся тем, что объемный расход паровоздушной смеси из резервуара определяют с использованием дыхательного патрубка, для чего задают величину аэродинамического сопротивления (ζ) дыхательного патрубка, замеряют избыточное давление или вакуум (ΔP) в газовом пространстве резервуара и датчиком линейных перемещений - высоту (h) подъема тарелки патрубка, а объемный расход (Q) паровоздушной смеси определяют по следующей зависимости:
где D - диаметр посадочного гнезда тарелки патрубка, ρ - средняя плотность паровоздушной смеси. При этом максимальные значения избыточного давления или вакуума в газовом пространстве резервуара постоянно сравнивают с заданными значениями интервалов срабатывания дыхательного патрубка на избыточное давление или вакуум, и при их несоответствии делаются выводы о неработоспособности дыхательного патрубка (RU 2240512 С2, опубл. 20.11.2004, МПК G00F 22/02). Сущность изобретения заключается в том, что для определения объемного количества нефтепродуктов, выходящих в составе паро-воздушной смеси из резервуара, в качестве расходомерного устройства используется дыхательный патрубок, изменяющееся положение подвижных элементов которого (перемещение тарелки) от воздействия паро-воздушной смеси, в зависимости от настройки (массы тарелки), определяет аэродинамическое сопротивление (ζ) дыхательного патрубка и давление паровоздушной смеси внутри резервуара (перепад давления (ΔP) на патрубке). Площадь (S) проходного сечения патрубка изменяется в зависимости от высоты подъема тарелки патрубка S=πDh, где D - диаметр посадочного гнезда тарелки патрубка, h - высота подъема тарелки патрубка. Поэтому сопротивление (ζ) будет изменяться в зависимости от высоты (h) подъема тарелки патрубка, перемещение которой будет пропорционально расходу (Q) паровоздушной смеси. Содержание (концентрация) нефтепродуктов в паровоздушной смеси, выходящей из резервуара, определяется поточным газоанализатором (например, оптическим ИК-детектором), установленным в патрубке.
Недостатком известного решения является то, что стандартно используемые материалы компонентов дыхательного клапана (сталь, латунь, различные сплавы) не позволяют учитывать малые значения выбросов (малые дыхания, начало и окончание больших «дыханий»), при которых величина расхода газовоздушной смеси меньше чувствительности расходомера, что приводит к увеличению погрешности измерения массовых потерь нефтепродуктов в результате «дыханий», а также несвоевременному выявлению утечки газо-воздушная смесь (ГВС) опасной концентрации, что в последствии может привести к аварии на производственном объекте.
Из уровня техники известен расходомер, характеризующиеся тем, что содержит проточную трубу с размещенными внутри по потоку в основном канале камерой входа с крыльчаткой, управляемой приводом, струйным генератором с пневмоэлектропреобразователем, при этом камера выхода соединена с камерой входа профильным каналом реверса, снабженным электроклапаном (RU 180586 U1, опубл. 19.06.2018, МПК G01F 1/05).
К недостаткам известного решения при использовании его применительно к дыхательному парубку резервуара, можно отнести сложность конструкции и снижение безопасности, связанное с тем, что при установке данного устройства в дыхательный патрубок резервуара для хранения нефти и нефтепродуктов уменьшается сечение проходного отверстия относительно воздушного клапана, это может привести к дополнительному сопротивлению потока газо-воздушной смеси, что в свою очередь может повлечь за собой возникновение аварии из-за повышения концентрации опасных веществ в дыхательном патрубке.
К основному недостатку вышеуказанных технических решений следует отнести отсутствие возможности оперативной передачи данных в систему управления в реальном времени для отображения, анализа и принятия решений по предотвращению аварийной ситуации, а также автоматического оповещения персонала о риске возникновения аварийной ситуации - когда происходит утечка газо-воздушной смеси в том объеме и концентрации, который может привести к взрыву, в результате чего принятие мер по предотвращению аварийной ситуации полностью зависит от человеческого фактора, в связи с чем опасность может быть выявлена не своевременно и вовремя не устранена.
Окружающая среда на опасном производственном объекте, например, в резервуарном парке, - это быстроизменяющаяся динамическая система, контроль состояния которой требует большого числа замеров, проведение которых неавтоматическими методами не обеспечивает требуемого результата. В связи с чем, а также с учетом необходимости постоянной информации о состоянии опасных объектов в реальном времени, задачу экологического контроля и безопасности на нефтебазах и складах горючего способны решить только автоматизированные системы обнаружения утечек нефтепродуктов на базе перспективных методов и средств измерения, позволяющие осуществить проведение непрерывного прямого контроля с помощью поточных или дистанционных анализаторов наличия утечки нефтепродуктов, передачу данных в систему управления в режиме реального времени, по результатам которой может быть оперативно выявлена угроза безопасности и предприняты меры по ее устранению.
Задержки в выявлении такой угрозы могут привести к недопустимым загрязнениям территории и стать причиной аварии.
Главная задача в трубопроводном транспорте - это сохранить количество и качество нефти и нефтепродуктов, обеспечив при этом безопасность людей и окружающей среды.
Учитывая изложенное, технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является риск возникновения аварийных ситуаций при эксплуатации опасного производственного объекта от испарений во время «дыхания» резервуаров.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении безопасности эксплуатации резервуарного парка, за счет своевременного обнаружения утечки паров нефти или нефтепродукта через дыхательный патрубок резервуара и оперативной передачи данных для принятия мер по их предотвращению, что также позволит снизить потери нефтепродуктов при выполнении технологических операций и повысить экологическую чистоту производственного объекта.
Указанные техническая задача и технический результат достигаются тем, что блок учета и контроля испарений нефти содержит корпус, лопасти, генератор постоянного тока, соединенный с лопастями с возможностью его активации от их вращения, закрепленные на оси дыхательного патрубка в центре корпуса, аккумуляторную батарею, блок радиопередачи и управляющий модуль, расположенные на внешней поверхности корпуса, инфракрасный датчик-приемник, установленный на внутренней поверхности корпуса, блок радиопередачи, управляющий модуль и инфракрасный датчик-приемник соединены проводной связью между собой и с аккумуляторной батареей, аккумуляторная батарея соединена проводной связью с генератором постоянного тока, при этом корпус и лопасти выполнены из пластика.
Управляющий модуль блока учета и контроля испарений нефти может быть выполнен с возможностью анализа полученных с лопастей и инфракрасного датчика-приемника данных и отправки сигнала на устройства внешней системы управления.
Изобретение поясняется графически, где на фигуре 1 представлена принципиальная схема блока учета и контроля испарений нефти, на фигуре 2 - дыхательный патрубок с блоком учета и контроля испарений нефти, на фигуре 3 - общий вид огнепреградителя с блоком учета и контроля испарений нефти.
Позициями на фиг. 1-3 обозначены:
1 - генератор постоянного тока;
2 - аккумуляторная батарея;
3 - инфракрасный-датчик-приемник;
4 - лопасти;
5 - блок радиопередачи;
6 - управляющий модуль;
7 - корпус;
8 - блок учета и контроля испарений нефти;
9 - кассета огнепреградителя;
10 - крепежный фланец.
Блок учета и контроля испарений нефти предназначен для определения объема среды, вышедшей и вошедшей в резервуар для хранения нефти и нефтепродуктов, и концентрации тяжелой и легкой фракции нефти в облаке, а также непрерывной передачи полученной информации в режиме реального времени во внешнюю систему управления с целью обнаружения утечки ГВС через дыхательный патрубок резервуара в объеме и концентрации, имеющей риск возникновения аварийной ситуации на производственном объекте, и оперативного информирования о ней ответственного персонала производственного объекта.
Указанная система управления включает устройства для обработки и анализа данных, полученных с блока учета и контроля испарений нефти, а также доведения полученной информации до персонала резервуарного парка. Система управления может включать одно или одновременно несколько устройств управления, например, компьютер диспетчера станции, на который установлен программный комплекс, телефон, планшет и др.
Блок учета и контроля испарений нефти включает в себя: корпус (7), генератор постоянного тока (1) во взрывозащищенном исполнении, соединенный с лопастями из пластика, расположенные на внешней стороне корпуса (7), аккумуляторную батарею (2) с искробезопасной электрической цепью, блок радиопередачи (5) (например Wi-fi модуль) и управляющий модуль (6), на внутренней стороне корпуса (7) расположен инфракрасный датчик - приемник (3) во взрывозащищенном исполнении.
Суть изобретения заключается в том, что объем среды, вышедшей из резервуара через дыхательный патрубок определяется по количеству оборотов вращения лопастей (4) блока учета и контроля испарений нефти при испарении нефти через дыхательный патрубок, а концентрация газовоздушной смеси - посредством определения интенсивности ИК-излучения через инфракрасный датчик-приемник (3).
Лопасти (4) соединены с генератором постоянного тока (1) и расположены на оси дыхательного патрубка посредством крепительных фланцев в центре корпуса (7) блока учета и контроля испарений нефти. Лопасти (4) выполнены из сверхлегкого пластика, например, полиамида в форме лепестков и вращаются под действием среды, движущейся через дыхательный патрубок.
Использование в качестве материала лопастей - пластика способствует уменьшению их массы, за счет чего увеличивается чувствительность лопастей к прохождению газо-воздушной смеси в малых объемах при «малых дыханиях» или во время начала «больших дыханий» резервуара.
Вращение лопастей (4) активирует генератор постоянного тока (1), который преобразует механическую энергию вращения лопастей (4) в электрическую и обеспечивает электрическим током модули блока учета и контроля испарений нефти: блок радиопередачи (5), управляющий модуль (6), инфракрасный датчик-приемник (3), а также осуществляет подзарядку аккумуляторной батареи (2), для чего он связан с ними проводной связью.
При этом провода выполнены в искрозащищенном исполнении. В качестве примера могут быть использованы провода для применения в искробезопасных установках, гибкие или провода, предназначенные для применения в искробезопасных средах.
Генератор постоянного тока (1) также выполняется во взрывозащищенном исполнении с взрывонепроницаемой оболочкой, при помощи которой оборудование может выдержать внутренний взрыв газовоздушной смеси и не распространить при этом энергию, достаточную для внешнего взрыва, и с искробезопасной электрической цепью, обладающей безопасной работой при двух повреждениях. В качестве примера может быть использован реверсивный двигатель постоянного тока DM-37RS545.
Корпус (7) блока учета и контроля испарений нефти представляет собой кольцо из пластика, на котором расположены составные части блока учета и контроля испарений нефти. Кроме того, корпус (7) предназначен для закрепления блока учета и контроля испарений нефти в дыхательном патрубке резервуара посредством крепежных фланцев (10), устанавливаемых на нем.
Выполнение корпуса (7) из пластика обеспечивает требуемую взрывозащиту, исключает появление искр при монтаже и применении оборудования.
С внутренней стороны корпуса (7) блока учета и контроля испарений нефти установлен инфракрасный датчик-приемник (3), который представляет собой инфракрасный сенсор открытого тракта и определяет интенсивность ИК-излучения методом абсорбции на пути луча, по которой устанавливается концентрация паров углеводородов в среде. В основе конструкции инфракрасного датчика - приемника (3) лежат пироприемники, служащие для распознавания инфракрасного излучения, и мультилинза, состоящая из множества мелких линз. Инфракрасный датчик - приемник (3) включает датчик и приемник, расположенные на противоположных сторонах внутренней поверхности корпуса (7). При этом датчик излучает инфракрасное излучение, а приемник принимает инфракрасное излучение, прошедшее через газо-воздушную среду. Инфракрасный датчик - приемник (3) также выполняется во взрывозащищенном исполнении (с взрывонепроницаемой оболочкой).
Фиксацию количества оборотов лопастей (4) и концентрацию ГВС с инфракрасного датчика-приемника (3) осуществляет управляющий модуль (6), для чего он соединен с ними проводами, типа ВБбШв, ВБВ, или гибким кабелем КПГН. Также к функции управляющего модуля (6) относится согласование работы всех составляющих модулей блока учета и контроля испарений нефти, а именно проверка исправности электрической цепи аккумуляторной батареи (2) и других составляющих модулей блока при запросе с внешней системы управления, для чего он соединен с ними посредством проводной связи.
Управляющий модуль (6) представляет собой программируемый контроллер, который беспрерывно осуществляет сбор и передачу данных через блок радиопередачи (5) на устройства системы управления в режиме реального времени.
Кроме того, в целях своевременного определения утечки ГВС и в объеме и концентрации, способной привести к аварийной ситуации, и оперативного оповещения персонала о ней, дополнительно управляющий модуль (6) может быть также выполнен с возможностью анализа полученных лопастей (4) и инфракрасного датчика-приемника (3) данных и отправки сигнала на устройства системы управления, например, на телефон или планшет ответственного работника резервуарного парка. Для чего в память управляющего модуля (6) заносятся пороговые значения допустимого объема и концентрации выходящей ГВС, при сравнении полученных данных с которыми (в случае превышения) управляющий модуль (6) сигнализирует на устройство внешней системы управления об опасности. В другом случае - управляющий модуль в режиме реального времени (6) осуществляет передачу всех полученных данных в систему управления, которая на основании полученных данных сама осуществляет анализ и информирование персонала.
Управляющий модуль (6) осуществляет обмен информацией с внешней системой управления через блок радиопередачи (5), соединенный с ним проводной связью и расположенный рядом с ним на корпусе (7). Блок радиопередачи (5), например, Wi-fi модуль, предназначенный для беспроводной передачи данных. В качестве блока радиопередачи (5) может быть использован, например, модуль miniPCI-e Compex WLE900V5-27ESB 8АВ 3×3 802.11ac Industrial Grade Module.
Обмен информацией через блок радиопередачи (5) осуществляется следующим образом: посредством проводной связи блок радиопередачи (5) получает с управляющего модуля (6) данные по количеству оборотов лопастей (4), которые соответствуют объему испарившейся нефти, а также по концентрации углеводородов нефти в среде и отправляет их по каналам беспроводной связи на внешнюю систему управления (компьютер, телефон, планшет). В то же время блок радиопередачи (5) получает входящую информацию о прогнозе передвижения облака ГВС от внешней системы управления и передает полученную информацию посредством проводной связи на управляющий модуль (6).
Обмен данными в режиме реального времени между системой управления и управляющим модулем (6) блока учета и контроля концентрации нефти через блок радиопередачи (5) исключает риск несвоевременного обнаружения утечки ГВС из дыхательного патрубка резервуара, дает возможность осуществить оперативные мероприятия по устранения аварийной ситуации и способствует повышению безопасности эксплуатации опасного производственного объекта.
Блок радиопередачи (5) и управляющий модуль (6) закреплены с наружной стороны корпуса (7) при помощи крепежных фланцев. С противоположной стороны от них на внешней поверхности корпуса (7) блока учета и контроля испарений нефти расположена аккумуляторная батарея (2).
Аккумуляторная батарея (2) также закреплена на корпусе (7) при помощи крепежных фланцев.
За счет закрепления указанных модулей с внешней стороны блока учета и контроля испарений нефти проходное сечение дыхательного патрубка не уменьшается, за счет чего исключается скопление ГВС, которое может привести к аварийной ситуации и повышается безопасность эксплуатации производственного объекта.
Аккумуляторная батарея (2) предназначена для поддержания работоспособности блока учета и контроля испарений нефти при отключенном генераторе постоянного тока (1) (во время остановки вращения лопастей (4)), а именно для питания электрическим током составляющих блока учета и контроля испарений нефти: блока радиопередачи (5), управляющего модуля (6) и инфракрасного датчика - приемника (3), для чего она связан с ними проводной связью. При этом провода выполнены в искрозащищенном исполнении. В качестве примера, могут быть использованы провода типа ВБбШв, ВБВ, или гибкие кабели - КПГН.
Аккумуляторная батарея (2) выполнена с искробезопасной электрической цепью, т.е. электрический разряд которой не может воспламенить взрывоопасную среду, в цепи поддерживается искробезопасный ток (напряжение, мощность или энергия). В качестве примера могут быть использованы литий-полимерные аккумуляторные батареи, которые работают при сверхнизких температурах (до -40°С).
Аккумуляторная батарея (2) в совокупности с генератором постоянного тока (1) в конструкции блока учета и контроля испарений нефти обеспечивают возможность бесперебойной работы блока (как во время движения лопастей (4), так и нет), за счет чего обеспечивается непрерывная бесперебойная передача информации с блока учета и контроля нефти на дыхательном патрубке резервуара во внешнюю систему управления, минимизируется вероятность аварийной ситуации и повышается безопасность эксплуатации производственного объекта.
Блок учета и контроля испарений нефти (8) в сборе устанавливается в дыхательный патрубок резервуара для хранения нефти и нефтепродукта (фиг. 2) над кассетой огнепреградителя (9).
Блок учета и контроля испарений нефти расположен над кассетой огнепреградителя дыхательного патрубка, поскольку над кассетой менее агрессивная среда, ввиду того что на кассете конденсируются пары углеводородов.
Принцип работы блока учета и контроля испарений нефти заключается в следующем.
Блок учета и контроля испарений нефти (8) устанавливается на крепежный фланец (10) дыхательного патрубка над кассетой огнепреградителя (9). При дыхании резервуара среда, проходя через дыхательный патрубок, приводит в движение лопасти (4), заряжают генератор постоянного тока (1). При этом данные о количестве оборотов лопастей (4) поступают на управляющий модуль (6). По количеству оборотов лопастей (4) определяется объем вышедшей и вошедшей среды.
Одновременно с этим процессом происходит работа инфракрасного датчика-приемника (3). Датчик посылает ИК-излучение заданной частоты, а приемник принимает данное излучение. Данные об интенсивности ИК-излучения, по которым определяется концентрация газовоздушной смеси, поступают на управляющий модуль (6).
Управляющий модуль (6) через блок радиопередачи (5) непрерывно передает полученные данные в режиме реального времени на устройства внешней системы управления - компьютер/планшет диспетчера станции.
После чего при обработке полученных данных в случае опасности (при превышении допустимого предела) система управления подает сигнал на телефон руководителя подразделения, ответственного за безопасное проведение работ, ответственному за эксплуатацию резервуарного парка.
Дополнительно, помимо получения и отправки данных по числу оборотов и интенсивности излучения, управляющий модуль (6) может быть запрограммирован с возможностью самостоятельного проведения анализа полученных данных и уведомления ответственного руководителя через блок радиопередачи (5).
Использование изобретения минимизирует риск возникновения аварийных ситуаций при эксплуатации опасного производственного объекта от испарений во время «дыхания» резервуаров.
Блок учета и контроля испарений нефти обеспечивает непрерывный контроль испарений и передачу данных для установления объема и концентрации газо-воздушной смеси в систему управления в режиме реального времени, за счет чего повышается безопасность эксплуатации резервуарного парка, а также могут быть снижены потери нефтепродуктов при выполнении технологических операций, за счет изменения режима (скорости) заполнения/опорожнения резервуаров.