СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПЛАВАЮЩЕЙ КРЫШИ РЕЗЕРВУАРА
METHOD OF MONITORING FLOATING ROOF TANK

Область техники
Настоящее изобретение относится к контрольной системе, предназначенной для управления плавающей крышей резервуара, содержащего плавающую крышу, а также к способу контроля плавающей крыши резервуара, содержащего плавающую крышу. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу возобновления энергоснабжения контрольной системы, предназначенной для управления плавающей крышей резервуара, содержащего плавающую крышу.
Уровень техники
В крупногабаритных резервуарах для жидкости, в частности топливных и нефтяных резервуарах, используемых на нефтеперерабатывающих и других подобных предприятиях и предназначенных для хранения крупных объемов нефтепродуктов, часто предусмотрена плавающая крыша, которая плавает на поверхности находящейся в резервуаре жидкости и, соответственно, способна перемещаться в вертикальном направлении. Таким образом, плавающая крыша может занимать положение в соответствии с уровнем жидкости (нефтепродукта) по мере налива или слива жидкости из резервуара. Плавающие крыши такого типа используют для предотвращения утечки паров и газов из резервуара в атмосферу, а также попадания в жидкость, например, дождевой воды из окружающей среды. Как правило, предотвращению утечки изнутри и протекания извне способствуют уплотнительные средства, устанавливаемые по периметру плавающей крыши для обеспечения уплотнения и скользящего контакта с внутренней стенкой резервуара. Кроме того, использование крыши, плавающей на поверхности жидкости, позволяет свести к минимуму пространство между жидкостью и крышей и тем самым минимизировать количество газов и жидкости в парообразном состоянии в указанном пространстве. В случае топливных и нефтяных резервуаров среда, присутствующая сверху плавающей крыши, является опасной или потенциально опасной.
Плавающие крыши, применяемые в указанных целях, как правило, изготавливают в виде крупногабаритных стальных конструкций, оснащенных поплавковыми средствами (понтонами) и имеющих массу порядка сотен тон и диаметр порядка десятков метров. С учетом размеров плавающей крыши и ее воздействия на окружающую среду необходимо контролировать ее нормальную работу и беспрепятственное плавание так, чтобы обеспечить выявление нарушений режима работы на ранних стадиях. Таким образом, важно ограничить любые прерывания в процессе контроля плавающей крыши.
Известны различные случаи нарушения нормального режима работы и плавания плавающей крыши.
При наполнении резервуара жидкостью часть плавающей крыши может застрять, зацепившись о внутреннюю стенку резервуара. По мере заполнения резервуара плавающая крыша будет частично залита жидкостью, что может привести к возникновению опасной ситуации в случае, если образующиеся при этом газы или пары являются взрывоопасными или вредными. Стопорение крыши может вызвать еще более тяжелые последствия.
При сливе жидкости из резервуара часть плавающей крыши может также застрять, зацепившись о внутреннюю стенку резервуара. По мере опорожнения резервуара значительное количество воздуха может попасть в пространство между жидкостью и плавающей крышей. Если вследствие этого происходит обрушение крыши, над нефтью и обрушившейся крышей может образоваться взрывоопасная атмосфера.
Для того чтобы свести к минимуму испарение жидкости из резервуаров с плавающей крышей, технические условия постоянно ужесточаются. Это приводит к появлению различных конструкций плавающих крыш, обеспечивающих более высокое трение в уплотнительных средствах по периметру плавающей крыши и внутренней стенки резервуара. Такое повышение трения может увеличить вероятность застревания крыши.
Отклонения в работе и плавании крыши также могут возникать при наличии на крыше или при неравномерном распределении по крыше большого количества дождевой воды или снега. Это может привести к потоплению или наклону и обрушению крыши. Кроме того, протечки жидкости внутрь поплавковых средств (понтонов) плавающей крыши могут вызвать частичное потопление крыши и ее заливание жидкостью.
В течение многих лет проблемы, подобные тем, что были описаны выше, привлекали внимание специалистов нефтяной промышленности. По-видимому, существует все возрастающая потребность в системах, направленных на решение таких проблем.
Существующие способы контроля плавающих крыш основаны на измерении относительных положений или углов наклона нескольких точек плавающей крыши в рабочем состоянии. Также известны способы контроля, при которых такие измерения используют в сочетании с, например, видеонаблюдением или обнаружением наличия газа над плавающей крышей.
Кроме того, были предложены контрольные системы, в которых предусмотрено измерение относительных вертикальных положений нескольких точек плавающей крыши и передача результатов таких измерений. Такие вертикальные положения измеряют относительно точки отсчета резервуара или уровня жидкости в соответствующей точке.
Кроме того, для контроля плавающей крыши было предложено использовать контрольную систему с питанием от аккумуляторных батарей и солнечных панелей, причем согласно данному техническому решению на крыше устанавливают датчики наклона и уровня жидкости, обеспечивающие передачу информации о состоянии таких датчиков по беспроводной связи.
Известные или описанные ранее контрольные системы, предназначенные для управления плавающими крышами, считаются чрезмерно сложными или недостаточно удобными в применении в опасных или потенциально опасных внешних условиях, характерных для резервуаров, содержащих плавающие крыши. В результате такие системы не находят широкого применения.
Раскрытие изобретения
По мнению авторов настоящего изобретения при осуществлении контроля плавающей крыши в опасной или потенциально опасной среде крайне важно не только обеспечить эффективную установку контрольной системы и безопасный и достоверный контроль, но и максимально увеличить срок службы контрольной системы, минимизировать ее потребность в техническом обслуживании и ремонте, а также максимально сократить время ее простоя. Также следует избегать неоправданного усложнения контрольной системы.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в том, чтобы предложить беспроводную контрольную систему в том смысле, что в ней предусмотрена беспроводная связь с элементами, расположенными вне плавающей крыши, а также имеется локальный источник питания, расположенный на плавающей крыше в виде накопителя энергии, например батареи, с длительным сроком службы. В соответствии с настоящим изобретением такой накопитель энергии следует выполнить с возможностью замены в рабочих условиях топливного или нефтяного резервуара, то есть в опасной или потенциально опасной среде. Одна из причин такого требования состоит в том, что срок службы других частей контрольной системы может быть значительно более длительным, чем срок службы известных в настоящее время накопителей энергии. В результате необходимо, чтобы накопители энергии можно было легко заменить. Другая причина состоит в том, что возобновление энергоснабжения беспроводных элементов системы предположительно считается наиболее частой операцией по техническому обслуживанию, требующей физического доступа к элементам контрольной системы, установленным на крыше. Еще одна причина состоит в том, что замена накопителя энергии в рабочих условиях должна быть связана с минимальным временем простоя системы.
Таким образом, в настоящем изобретении предложены системы и способы, предназначенные для контроля плавающей крыши резервуара с плавающей крышей и обеспечивающие техническую возможность замены накопителя или накопителей энергии, а также способ возобновления энергоснабжения беспроводных средств.
В частности, в настоящем изобретении предложена контрольная система, предназначенная для управления плавающей крышей резервуара с плавающей крышей, вмещающего в себя жидкость и содержащего дно, цилиндрическую стенку и плавающую крышу, плавающую на поверхности указанной жидкости, причем указанная система выполнена с возможностью определения локального состояния указанной плавающей крыши в по меньшей мере трех разнесенных точках расположения чувствительных элементов указанной плавающей крыши.
Контрольная система дополнительно содержит установленную на крыше подсистему, содержащую по меньшей мере три чувствительных элемента, причем каждый из указанных чувствительных элементов закреплен в каждой из указанных разнесенных точек расположения чувствительных элементов на указанной плавающей крыше, по меньшей мере одну искробезопасную измерительную схему, причем каждый из указанных чувствительных элементов соединен с по меньшей мере одной из указанной по меньшей мере одной измерительной схемы для определения в указанной по меньшей мере одной измерительной схеме указанного локального состояния в каждой из указанных точек расположения чувствительных элементов на указанной плавающей крыше, по меньшей мере одну установленную на крыше искробезопасную схему радиосвязи, соединенную с по меньшей мере одной из указанной по меньшей мере одной измерительной схемы и содержащую антенну связи для передачи за пределы указанной установленной на крыше подсистемы показания о по меньшей мере одном из указанных локальных состояний, по меньшей мере одну искробезопасную схему подачи питания, предназначенную для подачи питания на указанную по меньшей мере одну измерительную схему и указанную по меньшей мере одну схему радиосвязи и содержащую искробезопасный соединительный интерфейс схемы подачи питания, и по меньшей мере один искробезопасный заменяемый накопитель энергии, содержащий искробезопасный соединительный интерфейс накопителя энергии, соединенный с указанным соединительным интерфейсом схемы подачи питания.
Контрольная система дополнительно содержит контрольную схему для приема указанных показаний об указанном локальном состоянии от каждого из указанных чувствительных элементов и определения общего контролируемого состояния указанной плавающей крыши на основании по меньшей мере одного из указанных показаний об указанном локальном состоянии.
Контрольная система дополнительно содержит установленную вне крыши подсистему, содержащую установленную вне крыши схему радиосвязи, выполненную с возможностью осуществления беспроводной связи с по меньшей мере одним из указанных чувствительных элементов и передачи за пределы указанной установленной на крыше подсистемы по меньшей мере одного из указанных показаний об указанном локальном состоянии или об указанном общем контролируемом состоянии указанной плавающей крыши.
Для реализации на практике взаимозаменяемости накопителей энергии согласно настоящему изобретению для указанного соединительного интерфейса схемы подачи питания и указанного соединительного интерфейса накопителя энергии заданы электрические параметры. Указанные параметры выбирают так, чтобы гарантировать их совместимость с точки зрения искробезопасности и позволить тем самым подсоединять и отсоединять указанный накопитель от указанной схемы подачи питания в опасной или потенциально опасной среде, присутствующей сверху плавающей крыши, с обеспечением искробезопасности.
Для оптимизации взаимозаменяемости накопителей энергии согласно настоящему изобретению указанный соединительный интерфейс схемы подачи питания содержит электромеханические зажимы схемы подачи питания, а указанный соединительный интерфейс накопителя энергии содержит электромеханические зажимы накопителя энергии. В рабочем положении такие соответствующие зажимы удерживаются в электропроводящем контакте друг с другом через соединительные интерфейсы, соответственно схемы подачи питания и накопителей энергии. Для этого используют разъемные прижимные средства, такие как резьбовые крышки, крепежные винты, запорные механизмы и прочие элементы, облегчающие взаимозаменяемость указанного накопителя энергии.
Важным преимуществом при контроле плавающей крыши резервуара считают возможность получения информации о высоте расположения крыши в точках измерений, а на практике - в соответствующих точках отсчета относительно локальной высоты жидкости. Измерения указанного относительного уровня дают непосредственную информацию, отражающую характер плавания плавающей крыши в жидкости в каждой точке расположения чувствительных элементов, и позволяют выработать более раннее предупреждение об отклонении плавания от нормального режима, чем, например, при контроле затопления верхней части крыши.
Измерительная функция базового уровня, обеспечивающая в качестве информации о локальном состоянии значение уровня, может предусматривать указание на то, что локальный уровень находится в верхнем или нижнем диапазоне уровня. Это позволяет сделать вывод об аномально низком положении плавающей крыши (и возможном наличии течи в поплавковом средстве крыши) или ее аномально высоком положении (и возможном застревании края крыши относительно стенки резервуара в процессе слива жидкости) соответственно. В оптимальном варианте в дополнение к двум вышеупомянутым категориям может быть использован промежуточный диапазон уровня. Сигнал о принадлежности измеренного локального уровня к такому диапазону указывает в таком случае на нормальное состояние плавания в точке расположения данного чувствительного элемента.
Более детальное определение уровня обеспечивает возможность еще более достоверного определения общего состояния плавающей крыши. Непрерывное измерение уровня жидкости в качестве локального состояния плавающей крыши в точке расположения данного чувствительного элемента повысит качество связи. Известно несколько измерительных технологий, способных обеспечить точность измерений в диапазоне от 0,0001 до 0,1 метра. Точность измерений предпочтительно составляет от 1 миллиметра до 5 сантиметров. В случае получения от контрольной системы результатов непрерывных измерений уровня можно сделать выводы относительно наклона или локального наклона крыши. Данная информация может быть соотнесена с данными о силе ветра и других атмосферных условиях для определения того, вызвано ли нарушение в плавании неисправностью самой крыши или другими причинами.
Если система выполнена с возможностью передачи информации о нормальных и аномальных диапазонах уровня, как описано выше, передачи соответствующей информации об общем состоянии или обработки сигналов об аварийных ситуациях и других отклонениях, то целесообразно обеспечить задание пороговых значений уровня жидкости с помощью механических средств или, в особенности при осуществлении непрерывных измерений уровня жидкости, с помощью электронных средств. Такие пороговые значения уровня, задаваемые электронными средствами, могут быть установлены в программном обеспечении расположенной на крыше подсистемы или в других элементах системы.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения в каждой точке расположения чувствительных элементов на плавающей крыше предусмотрен измерительный модуль. Каждый из указанных измерительных модулей предпочтительно содержит чувствительный элемент и измерительную схему, а также схему подачи питания. Каждый из указанных измерительных модулей может содержать одну установленную на крыше схему радиосвязи и один накопитель энергии или указанные измерительные модули могут совместно использовать такие средства. Каждый из измерительных модулей может содержать собственную контрольную схему. Установленная на крыше подсистема может содержать электрическую проводку для соединения измерительных модулей, установленных в разных точках расположения чувствительных элементов, в частности для обеспечения возможности совместного использования ими таких ресурсов, как, например, схемы подачи питания, одного или нескольких накопителей энергии и установленной на крыше схемы радиосвязи.
Предлагаемая контрольная система предназначена для обеспечения полностью беспроводного характера функций связи и функции подачи питания, включая накопление энергии, указанной установленной на крыше подсистемы относительно любой установленной вне крыши электрической схемы. Это означает, что в рабочем режиме резервуара с плавающей крышей, при котором возможно перемещение плавающей крыши вверх или вниз, электрическая проводка к установленной на крыше подсистеме будет отсутствовать.
Контрольная система предпочтительно способна обрабатывать аварийные сигналы, причем передачу первого аварийного сигнала выполняют в случае, когда локальный уровень указанной жидкости превышает предварительно заданное верхнее пороговое значение, а передачу второго аварийного сигнала выполняют, когда локальный уровень указанной жидкости находится ниже предварительно заданного нижнего порогового значения.
С точки зрения устойчивости и надежности настоятельно рекомендуют использовать в контрольной системе сеть радиосвязи ячеистого типа или часть такой сети. При этом установленная вне крыши схема радиосвязи содержит по меньшей мере одну схему радиорелейного ретранслятора, предпочтительно расположенную в верхней части указанной стенки резервуара. Установленная вне крыши подсистема предпочтительно дополнительно содержит схему системы радиосвязи, обычно в виде шлюза радиосвязи, для соединения контрольной системы с управляющей системой более высокого уровня, расположенной на удалении от резервуара с плавающей крышей. При этом установленная на крыше схема радиосвязи выполнена с возможностью установления связи с управляющей системой более высокого уровня через установленную вне крыши схему радиосвязи и схему системы радиосвязи.
Контрольная система может дополнительно содержать локальное устройство аварийной сигнализации, выполненное с возможностью выдачи аварийного сигнала в окрестности резервуара с плавающей крышей в зависимости от по меньшей мере одного из показаний об указанном локальном состоянии или указанном общем контролируемом состоянии указанной плавающей крыши. При этом установленная вне крыши схема радиосвязи выполнена с возможностью передачи в указанное устройство аварийной сигнализации по меньшей мере одного из указанных показаний об указанном локальном состоянии или указанном общем контролируемом состоянии указанной плавающей крыши. Аналогичным образом предлагаемая контрольная система может содержать локальное устройство аварийного останова, выполненное с возможностью управления по меньшей мере насосом или вентилем, сопряженным с функционированием указанного резервуара с плавающей крышей, в зависимости от по меньшей мере одного из указанных показаний об указанном локальном состоянии или указанном общем контролируемом состоянии указанной плавающей крыши. При этом установленная вне крыши схема радиосвязи выполнена с возможностью передачи в указанное устройство аварийного останова по меньшей мере одного из указанных показаний об указанном локальном состоянии или указанном общем контролируемом состоянии указанной плавающей крыши.
Чувствительные элементы, используемые в предлагаемой контрольной системе, способны функционировать в соответствии с по меньшей мере одной технологией из группы, включающей в себя: непрерывное бесконтактное радарное измерение уровня, коммутационное бесконтактное радарное измерение уровня, непрерывное волноводное радарное измерение уровня, коммутационное волноводное радарное измерение уровня, ультразвуковое измерение уровня, коммутационное вибрационное измерение уровня, измерение давления, емкостное измерение уровня, лазерное измерение уровня, измерение угла наклона, обнаружение присутствия газов, измерение скорости и направления ветра и измерение атмосферного давления. В настоящее время наиболее предпочтительной технологией является непрерывное волноводное радарное измерение уровня, так как данная технология обладает преимуществами, связанными с непрерывным измерением уровня и длительным сроком службы накопителей энергии, в связи с возможностью обеспечения очень низкого энергопотребления.
В настоящем изобретении также предложен способ контроля плавающей крыши резервуара с плавающей крышей, вмещающего жидкость и содержащего дно, боковую стенку и плавающую крышу, плавающую на поверхности указанной жидкости. Данный способ применим в условиях и с функциями, соответствующими тем, что были описаны выше в отношении контрольной системы. Предлагаемый способ включает в себя следующие этапы: определяют локальное состояние указанной плавающей крыши по меньшей мере в трех разнесенных точках расположения чувствительных элементов на указанной плавающей крыше, причем указанный способ включает в себя этап, на котором на указанную плавающую крышу устанавливают: по меньшей мере три чувствительных элемента, причем в каждой из указанных разнесенных точек расположения чувствительных элементов на указанной плавающей крыше размещают по одному из указанных чувствительных элементов, по меньшей мере одну искробезопасную измерительную схему, причем каждый из указанных чувствительных элементов соединен с указанной по меньшей мере одной измерительной схемой для определения в указанной по меньшей мере одной измерительной схеме указанного локального состояния в каждой из указанных точек расположения чувствительных элементов на указанной плавающей крыше, по меньшей мере одну установленную на крыше искробезопасную схему радиосвязи, соединенную с по меньшей мере одной из указанной по меньшей мере одной измерительной схемы и содержащую антенну связи для передачи за пределы указанной установленной на крыше подсистемы показаний о по меньшей мере одном из указанных локальных состояний, по меньшей мере одну искробезопасную схему подачи питания, предназначенную для подачи питания на указанную по меньшей мере одну измерительную схему и указанную по меньшей мере одну схему радиосвязи и содержащую искробезопасный соединительный интерфейс схемы подачи питания, по меньшей мере один искробезопасный заменяемый накопитель энергии, содержащий искробезопасный соединительный интерфейс накопителя энергии и соединенный указанным искробезопасным соединительным интерфейсом накопителя энергии с указанным соединительным интерфейсом схемы подачи питания, причем указанный способ дополнительно включает в себя установку контрольной схемы, прием посредством указанной контрольной схемы указанных показаний об указанном локальном состоянии от каждого из указанных чувствительных элементов для определения общего контролируемого состояния указанной плавающей крыши на основании по меньшей мере одного из указанных показаний об указанном локальном состоянии, причем указанный способ дополнительно включает в себя этап, на котором вне указанной плавающей крыши устанавливают схему радиосвязи, обеспечивают посредством указанной установленной вне крыши схемы радиосвязи беспроводную связь с по меньшей мере одним из указанных чувствительных элементов и передают за пределы указанной установленной на крыше подсистемы по меньшей мере одно из указанных показаний об указанном локальном состоянии или указанном общем контролируемом состоянии указанной плавающей крыши.
В настоящем изобретении также предложен способ возобновления энергоснабжения предлагаемой контрольной системы. В частности, данный способ направлен на возобновление энергоснабжения установленной на крыше подсистемы. Указанный способ возобновления энергоснабжения применим в условиях и с функциями, соответствующими тем, что были описаны выше в отношении предлагаемой контрольной системы и предлагаемого способа контроля. Данный способ представляет собой способ возобновления энергоснабжения контрольной системы, предназначенной для управления плавающей крышей резервуара с плавающей крышей, вмещающего в себя жидкость и содержащего дно, боковую стенку и плавающую крышу, плавающую на поверхности указанной жидкости, причем указанная система выполнена с возможностью определения локального состояния указанной плавающей крыши в по меньшей мере трех разнесенных точках расположения чувствительных элементов указанной плавающей крыши, причем указанная система содержит установленную на крыше подсистему, содержащую: по меньшей мере три чувствительных элемента, причем каждый из указанных чувствительных элементов закреплен в одной из указанных разнесенных точек расположения чувствительных элементов на указанной плавающей крыше, по меньшей мере одну искробезопасную измерительную схему, причем каждый из указанных чувствительных элементов соединен с указанной по меньшей мере одной измерительной схемой для определения в указанной по меньшей мере одной измерительной схеме указанного локального состояния в каждой из указанных точек расположения чувствительных элементов на указанной плавающей крыше, по меньшей мере одну установленную на крыше искробезопасную схему радиосвязи, соединенную с по меньшей мере одной из указанной по меньшей мере одной измерительной схемы и содержащую антенну связи для передачи за пределы указанной установленной на крыше подсистемы показания о по меньшей мере одном из указанных локальных состояний, по меньшей мере одну искробезопасную схему подачи питания, предназначенную для подачи питания на указанную по меньшей мере одну измерительную схему и указанную по меньшей мере одну схему радиосвязи и содержащую искробезопасный соединительный интерфейс схемы подачи питания, по меньшей мере один исходный искробезопасный заменяемый накопитель энергии, содержащий искробезопасный соединительный интерфейс накопителя энергии, соединенный с указанным соединительным интерфейсом схемы подачи питания, причем указанная контрольная система дополнительно содержит: контрольную схему для приема указанных показаний об указанном локальном состоянии от каждого из указанных чувствительных элементов и определения общего контролируемого состояния указанной плавающей крыши на основании по меньшей мере одного из указанных показаний об указанном локальном состоянии, причем указанная контрольная система дополнительно содержит установленную вне крыши подсистему, содержащую: установленную вне крыши схему радиосвязи, выполненную с возможностью осуществления беспроводной связи с по меньшей мере одним из указанных чувствительных элементов и передачи за пределы указанной установленной на крыше подсистемы по меньшей мере одного из указанных показаний об указанном локальном состоянии или указанном общем контролируемом состоянии указанной плавающей крыши, причем указанный способ включает в себя следующие этапы: получают от указанной контрольной системы сигнал о необходимости возобновления энергоснабжения указанной контрольной системы, вводят в опасную или потенциально опасную среду, присутствующую сверху указанной плавающей крыши, сменный искробезопасный заменяемый накопитель энергии, содержащий искробезопасный соединительный интерфейс сменного накопителя энергии, отсоединяют в указанной опасной или потенциально опасной среде, присутствующей сверху указанной плавающей крыши, по меньшей мере один исходный заменяемый накопитель энергии путем отделения соответствующего соединительного интерфейса исходного накопителя энергии от соответствующего соединительного интерфейса схемы подачи питания, подсоединяют в указанной опасной или потенциально опасной среде, присутствующей сверху указанной плавающей крыши, указанный сменный искробезопасный заменяемый накопитель энергии путем соединения соединительного интерфейса указанного сменного искробезопасного накопителя энергии с соответствующим соединительным интерфейсом схемы подачи питания, причем соответствующий соединительный интерфейс схемы подачи питания и соответствующий соединительный интерфейс исходного накопителя энергии имеют совместимые параметры интерфейса, причем соответствующий соединительный интерфейс схемы подачи питания и соответствующий соединительный интерфейс сменного накопителя энергии имеют совместимые параметры интерфейса. Такое возобновление энергоснабжения может быть выражено как использование предлагаемой контрольной системы.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения более полно описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее. На фиг. 1 показан резервуар с плавающей крышей и контрольная система согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения применительно к указанному резервуару с плавающей крышей. На фиг. 2 показан радарный уровнемер, установленный в отверстии для опорной стойки плавающей крыши согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. На фиг.3 показан измерительный модуль, содержащий заменяемый накопитель энергии, используемый в месте расположения чувствительного элемента согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На фиг. 1-3 показаны предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения применительно к крупногабаритному резервуару 1 с плавающей крышей, содержащему дно 2 и боковую стенку 3. Указанный резервуар 1 изготовлен из стали и имеет диаметр, составляющий несколько десятков метров. В указанном резервуаре находится жидкая нефть 4 или нефтепродукт, на поверхности которого плавает плавающая крыша 5, поддерживаемая поплавковыми средствами (не показаны), встроенными в плавающую крышу 5. По периметру плавающей крыши 5 установлено уплотнение (не показано), ограничивающее прохождение жидкости и газа между плавающей крышей 5 и внутренней поверхностью боковой стенки 3. Для специалиста в данной области техники очевидно, что указанный резервуар 1 с плавающей крышей и сопряженное с ним оборудование могут дополнительно содержать трубную фурнитуру, трубы, вентили, исполнительные механизмы для налива и слива нефти, а также различные измерительные и управляющие приборы и прочее. В частности, резервуар 1 оснащен указателем 6 уровня нефти, который измеряет уровень налива нефти 4 относительно точки отсчета резервуара 1, в качестве которой часто используют базовую плиту резервуара 1. Такой указатель 6 уровня нефти обычно устанавливают на вершине успокоительной трубы 7, выполненной в виде трубки, проходящей вертикально от верхней части боковой стенки 3 через отверстие в плавающей крыше 5 и сквозь нефть 4 до дна 2.
Плавающая крыша 5 при нормальных условиях плавает по существу горизонтально на поверхности нефти 4 и при заполнении и опорожнении резервуара занимает положение в соответствии с уровнем нефти. Однако такое нормальное плавание в различных ситуациях и по различным причинам, описанным в настоящем документе, может быть нарушено.
Выявление нарушений в плавании крыши на ранних стадиях является крайне важным, так как позволяет принять соответствующие меры для предотвращения опрокидывания, потопления, разрушения крыши или иной неисправности в работе крыши. К таким мерам относится прекращение налива или слива нефти, повторный налив или повторный слив заданного объема нефти, аварийное опорожнение резервуара до уровня, при котором плавающая крыша механически опирается на дно резервуара, а также предупреждение персонала, работающего вблизи резервуара.
Известен особенно быстрый и точный метод определения того, произошло ли нарушение в плавании плавающей крыши 5, причем указанный метод предусматривает установку радарных уровнемеров 8 в нескольких разнесенных точках 9 измерения на плавающей крыше 5. Такие уровнемеры 8 определяют локальное состояние в соответствующих точках 9 измерения, выраженное в виде уровня нефти 4 относительно точки отсчета отклонения положения плавающей крыши по вертикали в соответствующих точках 9 измерения. Такое измерение уровня можно осуществлять непрерывно в пределах соответствующего интервала или можно предусмотреть параметр-переключатель по меньшей мере для аномально высокого и аномально низкого уровня. Хотя применение только параметра-переключателя для аномально высокого уровня позволит получить полезную информацию, в настоящее время считают, что измерение по меньшей мере двух уровней является наиболее предпочтительным вариантом.
Таким образом, резервуар 1 оснащен контрольной системой 10, предназначенной для управления плавающей крышей 5. Указанная контрольная система 10 выполнена с возможностью определения локального состояния, выраженного в виде локального уровня нефти относительно указанной плавающей крыши 5 в каждой точке 9 измерения. Затем указанная контрольная система 10 на основании указанных локальных уровней нефти определяет общее состояние плавающей крыши 5. Такое общее состояние может включать в себя состояния нормального или аномального плавания, причем состояние аномального плавания включает в себя сочетание уровней, выходящих за пределы допустимого диапазона, и соответствующих им точек измерения. Дальнейшая обработка такой информации позволяет выявить возникновение одного или нескольких предварительно заданных нарушений нормального плавания плавающей крыши 5. Измерения уровня нефти осуществляют в по меньшей мере трех разнесенных точках 9 расположения чувствительных элементов на указанной плавающей крыше 5. Предпочтительная конфигурация точек 9 расположения чувствительных элементов может быть разной в зависимости от конкретной механической конструкции плавающей крыши 5 и резервуара 1. В настоящее время считают наиболее предпочтительной конфигурацию, при которой точки расположения чувствительных элементов удалены от центра плавающей крыши и распределены как можно равномернее и ближе к периметру крыши. Однако при установке контрольной системы на резервуар 1, уже находящийся в эксплуатации, наиболее целесообразно использовать в качестве точек расположения чувствительных элементов отверстия 10, уже имеющиеся в плавающей крыше 5. К таким уже имеющимся отверстиям 10 относятся, например, отверстия для опорных стоек 11 крыши или другие отверстия, в частности различные смотровые отверстия, обычно оборудованные крышками, которые плотно прилегают к соответствующим отверстиям, когда резервуар с плавающей крышей находится в эксплуатации. Опорные стойки 11 крыши, как правило, предназначены для поддержания плавающей крыши 5 на наименьшей высоте, при которой резервуар полностью пуст и не содержит нефть 4.
Указанная контрольная система имеет подсистему, установленную на крыше. Такая подсистема содержит радарные уровнемеры 8. Каждый из указанных уровнемеров расположен в одной из точек 9 расположения чувствительных элементов. Число точек 9 расположения чувствительных элементов и число уровнемеров 8 заданы особенностями конструкции резервуара 1 с плавающей крышей и плавающей крыши 5. Для крыши большего размера может потребоваться большее число точек 9 расположения чувствительных элементов и уровнемеров 8, чем для меньшей крыши. Однако полагают, что минимальным числом как для указанных точек, так и для указанных уровнемеров является число три, при этом такое число во многих случаях может быть совершенно достаточным, в особенности, если указанные компоненты распределены по существу равномерно по периметру плавающей крыши 5. Поскольку выбор точек для расположения чувствительных элементов может быть ограничен точками, в которых в плавающей крыше 5 уже существуют отверстия 10, проходящие от верхней стороны плавающей крыши до ее нижней стороны, то, если конфигурация таких точек расположения чувствительных элементов недостаточно оптимальна с точки зрения контроля, можно использовать большее число точек расположения чувствительных элементов и уровнемеров.
В наиболее предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения уровнемеры представляют собой радарные уровнемеры 8, в которых в качестве чувствительного элемента использован зонд 12 с одиночным или двойным проводником. Зонд 12 действует в качестве волновода, при этом он, как правило, частично погружен в нефть 4, содержащуюся в резервуаре 1. Термин «радарный» в данном контексте следует понимать в том смысле, что уровнемер действует путем передачи и приема электромагнитных сигналов, распространяющихся вдоль зонда. При любом заметном изменении импеданса сигналов, распространяющихся вдоль зонда 12, например при пересечении им поверхности нефти 4, происходит отражение переданных электромагнитных сигналов. По времени прохождения сигнала до поверхности и обратно (с известной скоростью) радарный уровнемер может определить расстояние до поверхности. Известно несколько различных методик формирования и обработки сигналов при радарном измерении уровня, которые могут быть использованы в предлагаемой в настоящем изобретении системе. Кроме того, возможно использование методики бесконтактного радарного измерения уровня, в соответствии с которой передачу и прием электромагнитных сигналов осуществляют посредством измерительной антенны. Однако важным условием при выборе технологии, используемой для измерения уровня, является ее низкое энергопотребление для обеспечения длительной работоспособности системы до необходимости возобновления энергоснабжения.
Каждый из уровнемеров 8 содержит искробезопасную измерительную схему, соединенную с указанным зондом 12 и генерирующую электромагнитные сигналы. Радарный уровнемер дополнительно содержит искробезопасную схему радиосвязи, соединенную с указанной измерительной схемой радарного уровнемера и содержащую антенну 13 связи для передачи вовне найденного значения уровня нефти 4 относительно плавающей крыши 5 в виде информации о локальном состоянии в точке 9 расположения чувствительного элемента и радарного уровнемера 8. В качестве информации о локальном состоянии могут быть переданы и другие величины, например, показания высокого или низкого уровня нефти. Радарный уровнемер дополнительно содержит искробезопасную схему подачи питания, которая получает питание через искробезопасный соединительный интерфейс подачи питания для обеспечения энергоснабжения датчика. Кроме того, радарный уровнемер выполнен с возможностью установки в нем искробезопасного заменяемого накопителя 14 энергии, содержащего искробезопасный соединительный интерфейс накопителя энергии, соединенный с указанным соединительным интерфейсом схемы подачи питания.
Система также содержит контрольную схему для приема указанных показаний локального состояния от каждого из радарных уровнемеров 8. В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения такая контрольная схема может по меньшей мере частично входить в состав каждого из радарных уровнемеров 8. Более того, предпочтительно, чтобы каждый из радарных уровнемеров 8 был выполнен с возможностью независимого определения и передачи информации в случае, если локальное состояние в рассматриваемой точке 9 расположения чувствительного элемента находится за пределами нормы. Часть указанной контрольной системы предпочтительно расположена вне радарных уровнемеров 8 или выполнена в виде подсистемы, распределенной по всем радарным уровнемерам 8. Такая часть контрольной системы выполнена с возможностью определения общего контролируемого состояния указанной плавающей крыши на основании значений уровня или другой информации о локальном состоянии, определенной каждым из радарных уровнемеров.
Для обеспечения возможности передачи системой значений локального уровня, другой информации о локальном состоянии или информации об общем состоянии плавающей крыши предлагаемая система дополнительно содержит установленную вне крыши схему 15 радиосвязи, входящую в состав установленной вне крыши подсистемы и предназначенную для обеспечения беспроводной связи с по меньшей мере одним из радарных уровнемеров 8, а также передачи указанных значений уровня и/или информации о состоянии в управляющую систему 16 более высокого уровня, расположенную на расстоянии от резервуара с плавающей крышей, обычно в безопасной среде и доступную, как правило, через шлюз 17 радиосвязи.
Как было указано выше со ссылками на фиг. 3, один из наиболее важных признаков предлагаемой системы состоит во взаимозаменяемости накопителей 14 энергии. Для обеспечения такой возможности взаимной замены согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения соединительный интерфейс 18 схемы подачи питания радарного уровнемера 8 и соединительный интерфейс 19 накопителя 14 энергии предпочтительно имеют совместимые искробезопасные электрические параметры, что позволяет отсоединить указанный накопитель 14 энергии от указанной схемы подачи питания с обеспечением искробезопасности в опасной или потенциально опасной среде, присутствующей сверху плавающей крыши 5. Обеспечению такой взаимозаменяемости значительно способствует наличие в указанном соединительном интерфейсе схемы подачи питания электромеханических зажимов схемы подачи питания, а в указанном соединительном интерфейсе накопителя энергии - электромеханических зажимов накопителя энергии, удерживаемых в электропроводящем контакте с соответствующими электромеханическими зажимами схемы подачи питания с помощью разъемных прижимных средств. Такие прижимные средства могут представлять собой сочетание штифта или пластины и пазовой муфты. К другим возможным прижимным средствам относятся сочетания пластинчатой пружины, спиральной пружины или подпружиненного стрежня и контактной площадки. Защиту и фиксацию накопителя 14 энергии в заданном месте обеспечивает крышка 20 радарного уровнемера 8, имеющая резьбу. Зажимы интерфейсов 18, 19 могут быть выполнены и размещены так, чтобы при навинчивании крышки 20 на радарный уровнемер 8 между ними возникал прижимной электропроводящий контакт.
Радарный уровнемер 8, предпочтительный для данной системы, имеет точность измерения, приблизительно составляющую от ±5 см до ±1 мм. Такая точность ориентировочно является достаточной для точного выявления любых аномальных значений высоты плавания плавающей крыши 5 и не допускает повышения энергопотребления. Передача значений уровня в управляющую систему 16 с надлежащей частотой обновления, например один раз в минуту, позволяет управляющей системе 16 выявить случай возникновения нарушения в плавании крыши всякий раз, когда значение уровня, измеренное одним из радарных уровнемеров, выходит за пределы предварительно заданного допустимого диапазона. Выход значения уровня в одной из точек расположения чувствительных элементов за нижнюю границу такого диапазона позволяет управляющей системе сделать вывод о том, что крыша плавает слишком высоко и, например, что произошло застревание плавающей крыши, или что другая часть крыши плавает слишком высоко, что вызывает чрезмерное снижение уровня в указанной точке расположения чувствительного элемента. Выход значения уровня за верхнюю границу такого диапазона позволяет управляющей системе 16 сделать вывод о том, что крыша плавает слишком низко и, например, что происходит потопление плавающей крыши или что произошло застревание другой части крыши, что вызывает чрезмерное снижение уровня в указанной точке расположения чувствительного элемента. Любой из вышеописанных случаев нарушения в плавании крыши резервуара может быть классифицирован как аварийная ситуация управляющей системой более высокого уровня, которая может инициировать принятие соответствующих мер для устранения аварийной ситуации.
Система может содержать локальное устройство аварийной сигнализации, расположенное вблизи указанного резервуара с плавающей крышей, или даже локальное устройство аварийного останова, выполненное с возможностью управления насосами и вентилями, сопряженными с функционированием резервуара с плавающей крышей, в случае обнаружения нарушений в плавании крыши резервуара. Сообщение о любом таком нарушении в плавании крыши резервуара передают по ячеистой сети радиосвязи в устройство аварийного останова для выполнения аварийного отключения резервуара с плавающей крышей.
Радиосвязь в системе предпочтительно происходит через сеть радиосвязи ячеистого типа, при этом на верхнем краю стенки резервуара с плавающей крышей предусмотрена схема радиорелейного ретранслятора.
Аспекты предлагаемого в настоящем изобретении способа охватывают все аспекты предлагаемой системы, раскрытые в описании и изложенные в пунктах формулы настоящего изобретения. Дополнительным аспектом настоящего изобретения является способ возобновления энергоснабжения установленной на крыше подсистемы описанной контрольной системы. Такое возобновление энергоснабжения в опасной или потенциально опасной среде, присутствующей сверху плавающей крыши, предусматривает: получение от контрольной системы сигнала о необходимости возобновления энергоснабжения контрольной системы; запуск и выполнение функции останова любого процесса налива или слива жидкости с обеспечением того, что общее контролируемое состояние плавающей крыши при этом находится в пределах предварительно заданного нормального диапазона; ввод в опасную или потенциально опасную среду, присутствующую сверху плавающей крыши, сменного искробезопасного заменяемого накопителя энергии, оснащенного искробезопасным соединительным интерфейсом сменного накопителя энергии; отсоединение одного из указанного по меньшей мере одного исходного заменяемого накопителя энергии путем отделения соответствующего соединительного интерфейса исходного накопителя энергии от соответствующего соединительного интерфейса схемы подачи питания в опасной или потенциально опасной среде, присутствующей сверху плавающей крыши, подсоединение сменного искробезопасного заменяемого накопителя энергии к соответствующему соединительному интерфейсу схемы подачи питания в опасной или потенциально опасной среде, присутствующей сверху плавающей крыши; завершение указанной функции останова процесса налива или слива жидкости; причем соответствующий соединительный интерфейс схемы подачи питания и соответствующий соединительный интерфейс исходного накопителя энергии имеют совместимые параметры интерфейса; причем соответствующий соединительный интерфейс схемы подачи питания и соответствующий соединительный интерфейс сменного накопителя энергии также имеют совместимые параметры интерфейса.
Раскрытая выше технология радарного измерения уровня жидкости предпочтительно может быть использована в сочетании с другими типами измерительных приборов для обеспечения еще более полного контроля состояния плавающей крыши. К таким измерительным приборам относятся, например, манометры для определения высоты крыши относительно стенки резервуара или переменного давления на крышу под воздействием ветра, инклинометры для определения углов локального наклона крыши, а также газодетекторы для выявления присутствия на крыше любых нежелательных газов.