УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАССЫ НЕФТЕПРОДУКТОВ В ТРАНШЕЙНОМ РЕЗЕРВУАРЕ

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность измерений количества нефтепродукта в траншейных резервуарах.

Траншейные резервуары - это котлованы, вырытые в грунте и закрытые перекрытием. В траншею укладывается стальная оболочка-вкладыш, которая наполняется продуктом. Все усилия оболочка-вкладыш передает на траншею.

Траншейные резервуары строят заглубленными, что значительно сокращает потери от малых дыханий за счет уменьшения амплитуды колебаний температуры в газовом пространстве. Кроме того, они безопаснее в пожарном отношении, что позволяет сократить расстояния между резервуарами и размещать их на территории нефтебазы более компактно и тем самым уменьшить площадь нефтебазы.

Резервуары траншейного типа предназначены для подземного длительного хранения нефтепродуктов при малой их оборачиваемости, в связи с чем обеспечивается значительное сокращение потерь.

Конструкции траншейных резервуаров просты в изготовлении, надежны в эксплуатации. Однако у резервуаров траншейного типа технико-экономические показатели в части учета нефтепродуктов ниже, чем у традиционных стальных цилиндрических резервуаров. Это связано с тем, что в результате климатических воздействий, действия грунтовых вод, подвижек грунта, резервуары меняют свои геометрические размеры. При этом сильно усложняется учет нефтепродуктов, хранящихся в резервуарах.

Для контроля параметров хранящихся в резервуарах нефтепродуктов весьма часто используются измерительные системы, в состав которых входят различные, в том числе и магнитострикционные датчики, измеряющие уровень, плотность, температуру и массу нефтепродуктов, например система измерительная «СТРУНА».

Магнитострикционный датчик для измерения уровня описан в патенте RU №2087874 G01F 23/28, приоритет от 24.09.1996 г. Магнитострикционные датчики для измерения плотности описаны в патентах RU №2273838 G01N 9/12, приоритет от 19.05.2005 г., и RU №2308019 G01N 9/10, приоритет от 20.04.2006 г. Известны также «Устройство для измерения уровня и плотности», описанное в патенте RU №2285908 G01N 9/10, приоритет от 14.10.2005 г., и «Устройство для измерения уровня и плотности жидкости с низкой плотностью», описанное в патенте RU №2316738 G01F 23/68, приоритет от 23.10.2006 г., в которых используется несколько подвижных элементов с магнитами (поплавки уровня и плотности).

Однако известные измерительные системы и датчики не контролируют изменение геометрических размеров резервуара.

Известно устройство для измерения массы жидкого продукта в резервуаре по патенту RU №2343426, G01F 22/00, содержащее измерительную систему, измеряющую уровень, плотность, температуру, массу продукта в резервуаре, в которую введены устройство динамического контроля погрешности измерений и устройство отображения, первый вход устройства динамического контроля погрешности измерений соединен с выходом измерительной системы, по которому поступают параметры уровня, плотности, температуры и массы продукта в резервуаре, по второму входу вводятся точностные характеристики средств измерений и градуировочные параметры резервуара, а выход соединен с устройством отображения, на котором при измерении массы продукта в резервуаре индицируются величина погрешности измерения массы, минимальный допустимый уровень при хранении продукта и минимальное изменение уровня при приеме и отпуске продукта, обеспечивающие соблюдение требований по величине погрешности измерений. Данное устройство является наиболее близким к заявляемому устройству для измерения массы нефтепродуктов в траншейных резервуарах, однако оно не позволяет контролировать изменение геометрических размеров резервуара.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для измерения массы нефтепродуктов в траншейном резервуаре, содержащее измерительную систему, измеряющую уровень с помощью магнитострикционного датчика уровня, плотность с помощью магнитострикционного датчика плотности, температуру и массу продукта в резервуаре, устройство динамического контроля погрешности измерений и устройство отображения, первый вход устройства динамического контроля погрешности измерений соединен с выходом измерительной системы, по которому поступают параметры уровня, плотности, температуры и массы продукта в резервуаре, по второму входу вводятся точностные характеристики средств измерений и градуировочные параметры резервуара, а выход соединен с устройством отображения, на котором при измерении массы продукта в резервуаре индицируются масса и величина погрешности измерения массы, минимальный допустимый уровень при хранении продукта и минимальное изменение уровня при приеме и отпуске продукта, обеспечивающие соблюдение требований по величине погрешности измерений, дополнительно введены магнитострикционные датчики контроля высоты резервуара с подвижными элементы с магнитами, подвижные элементы с магнитами прикреплены к крыше траншейного резервуара, с выхода измерительной системы на третий дополнительный вход устройства динамического контроля погрешности измерений поступают параметры высоты траншейного резервуара, которые обрабатываются с учетом градуировочной характеристики траншейного резервуара и уровня нефтепродукта в нем, при изменении высоты траншейного резервуара осуществляется коррекция измерений уровня и массы нефтепродукта, хранящегося в траншейном резервуаре, на устройство отображения выводится соответствующая информация о скорректированном значении массы нефтепродукта, величине и относительном изменении высоты траншейного резервуара, информация о превышении относительного изменения высоты траншейного резервуара выше заданной величины.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства для измерения массы нефтепродуктов в траншейных резервуарах, которое помимо измерения уровня, плотности, температуры и массы нефтепродукта в резервуаре позволяет осуществлять оперативный контроль изменения геометрических размеров траншейного резервуара, сигнализировать о превышении относительного изменения высоты траншейного резервуара выше заданной величины и при изменении геометрических размеров траншейного резервуара осуществлять коррекцию измерений уровня и массы продукта, хранящегося в траншейном резервуаре.

Предметом изобретения является устройство для измерения массы нефтепродуктов в траншейном резервуаре, содержащее измерительную систему, измеряющую уровень с помощью магнитострикционного датчика уровня, плотность с помощью магнитострикционного датчика плотности, температуру и массу продукта в резервуаре, устройство динамического контроля погрешности измерений и устройство отображения, первый вход устройства динамического контроля погрешности измерений соединен с выходом измерительной системы, по которому поступают параметры уровня, плотности, температуры и массы продукта в резервуаре, по второму входу вводятся точностные характеристики средств измерений и градуировочные параметры резервуара, а выход соединен с устройством отображения, на котором при измерении массы продукта в резервуаре индицируются масса и величина погрешности измерения массы, минимальный допустимый уровень при хранении продукта и минимальное изменение уровня при приеме и отпуске продукта, обеспечивающие соблюдение требований по величине погрешности измерений, дополнительно в измерительную систему введены магнитострикционные датчики контроля высоты резервуара с подвижными элементами с магнитами, подвижные элементы с магнитами прикреплены к крыше траншейного резервуара, с выхода измерительной системы на третий дополнительный вход устройства динамического контроля погрешности измерений поступают параметры высоты траншейного резервуара, которые обрабатываются с учетом градуировочной характеристики траншейного резервуара и уровня нефтепродукта в нем, при изменении высоты траншейного резервуара осуществляется коррекция измерений уровня и массы нефтепродукта, хранящегося в траншейном резервуаре, на устройство отображения выводится соответствующая информация о скорректированном значении массы нефтепродукта, о величине и относительном изменении высоты траншейного резервуара, информация о превышении относительного изменения высоты траншейного резервуара выше заданной величины.

Техническим результатом является получение на экране устройства отображения информации о массе нефтепродукта в траншейном резервуаре, о величине погрешности и рекомендуемым значениям минимального допустимого уровня при хранении продукта и минимального изменения уровня при приеме и отпуске продукта, обеспечивающим соблюдение требований по величине погрешности измерений, информации о величине и относительном изменении высоты траншейного резервуара, информации о превышении относительного изменения высоты траншейного резервуара выше заданной величины и осуществление коррекции измерений уровня и массы нефтепродукта, хранящегося в траншейном резервуаре при изменении геометрических размеров траншейного резервуара.

На рисунке фиг.1 представлена блок-схема устройства для измерения массы нефтепродуктов в траншейном резервуаре.

Цифрами на рисунке фиг.1 обозначены:

1 - измерительная система;

2 - устройство динамического контроля погрешности измерений;

3 - устройство отображения;

4 - файл «Точностные характеристики средств измерений»;

5 - файл «Градуировочные параметры резервуара».

На рисунке фиг.2 представлено поперечное сечение траншейного резервуара.

Цифрами на рисунке фиг. 2 обозначены:

6 - траншейный резервуар;

7 - магнитострикционный датчик контроля высоты резервуара;

8 - магнитострикционный датчик уровня;

9 - магнитострикционный датчик плотности;

10 - подвижной элемент с магнитами (прикреплен к крыше резервуара);

11 - крыша резервуара.

Устройство для измерения массы нефтепродуктов в траншейном резервуаре содержит измерительную систему 1, измеряющую уровень с помощью магнитострикционного датчика уровня 8, плотность с помощью магнитострикционного датчика плотности 9, температуру и массу продукта в траншейном резервуаре 6, устройство динамического контроля погрешности измерений 2, первый вход которого соединен с выходом измерительной системы, по которому поступают параметры уровня, плотности, температуры и массы продукта в траншейном резервуаре, по второму входу устройства динамического контроля погрешности измерений вводятся точностные характеристики средств измерений с помощью файла 4 и градуировочные параметры траншейного резервуара с помощью файла 5, на третий дополнительный вход устройства динамического контроля погрешности измерений 2 подается информация по контролю высоты траншейного резервуара, а выход соединен с устройством отображения 3, на котором при измерении массы нефтепродукта в траншейном резервуаре индицируются величина массы нефтепродукта и величина погрешности измерения массы, минимальный допустимый уровень при хранении продукта и минимальное изменение уровня при приеме и отпуске продукта, обеспечивающие соблюдение требований по величине погрешности измерений, а также информация о величине и относительном изменении высоты траншейного резервуара, информация о превышении относительного изменения высоты траншейного резервуара 6 выше заданной величины.

Внутри траншейного резервуара 6 для контроля нефтепродукта, хранящегося в резервуаре, установлены магнитострикционный датчик контроля высоты резервуара 7, магнитострикционный датчик уровня 8 и магнитострикционный датчик плотности 9, на все магнитострикционные датчики устанавливаются подвижные элементы с магнитами 10. Подвижные элементы с магнитами 10 прикреплены к крыше резервуара 11. Магнитострикционные датчики измерения уровня и плотности выполняют дополнительную функцию измерения высоты резервуара благодаря использованию дополнительных подвижных элементов с магнитами 10, прикрепленными к крыше резервуара. Для контроля температуры нефтепродукта магнитострикционные датчики контроля высоты резервуара 7, уровня 8 и плотности 9 оснащены датчиками температуры (на рисунке не показаны).

Подвижной элемент с магнитами 10 конструктивно представляет собой пластину из немагнитного материала с отверстием, сквозь которое проходит труба магнитострикционного датчика с возможностью свободного перемещения вдоль магнитострикционного датчика. Рядом с отверстием симметрично расположены магниты, как правило, три-четыре штуки.

Измерения положения подвижного элемента с магнитами 10 основаны на измерениях времени распространения ультразвуковой волны в магнитострикционном проводнике. Скорость распространения ультразвуковой волны в проводнике практически не зависит от давления и влажности. Влияние температуры автоматически компенсируется с помощью специального алгоритма обработки временных интервалов распространения ультразвука.

Генерация ультразвукового импульса происходит по принципу магнитострикции непосредственно в проводнике (волноводе) магнитострикционного датчика.

При взаимодействии переменного магнитного поля, создаваемого импульсом тока в проводнике, и поля постоянных магнитов происходит деформация кристаллической структуры волновода, что создает механическую волну, распространяющуюся с ультразвуковой скоростью.

Ультразвуковые импульсы, возникшие в местах расположения маркера и магнитов, распространяются по волноводу в обоих направлениях от места возникновения.

В верхней части волновода ультразвуковые импульсы вследствие обратного магнитострикционного эффекта преобразуются катушкой считывания в электрические импульсы и затем гасятся демпфером.

Промежуток времени между моментом генерации ультразвукового импульса и его приемом пропорционален измеряемому расстоянию, и тем самым происходит определение положения дополнительного подвижного элемента с магнитами 10 относительно трубы магнитострикционного датчика, при этом определяется высота траншейного резервуара, так как дополнительный подвижной элемент с магнитами 10 прикреплен к крыше резервуара 11, а труба датчика упирается в дно траншейного резервуара 6.

Следует отметить, что контроль высоты траншейного резервуара 6 может осуществляться как специальным магнитострикционным датчиком контроля высоты резервуара 7, так и магнитострикционными датчиками уровня 8 и плотности 9, оснащенными дополнительными подвижными элементами с магнитами 10, прикрепленными к крыше резервуара 11.

В процессе настройки в устройство динамического контроля погрешности измерений 2 вводятся значение допускаемой относительной погрешности измерений, установленное Государственными стандартами, и необходимые технологические константы (параметры).

Файлы «Точностные характеристики средств измерений» 4 и «Градуировочные параметры резервуара» 5 могут загружаться в устройство расчета массы и динамического контроля погрешности измерений 2 как из измерительной системы 1, так и непосредственно из ПЭВМ¹ при настройке устройства.

Работает устройство следующим образом.

¹ ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина (компьютер)

Сигналы от магнитострикционных датчиков контроля высоты траншейного резервуара 7, уровня 8, плотности 9 и температуры нефтепродукта поступают в измерительную систему 1, где производится расчет массы нефтепродукта, а оттуда в цифровом виде поступают в устройство динамического контроля погрешности измерений 2, где производится их обработка с учетом точностных характеристик средств измерений и градуировочных параметров траншейного резервуара. При этом производится расчет минимального уровня нефтепродукта для обеспечения пределов заданной относительной погрешности измерений массы нефтепродукта при хранении, расчет допустимого значения уровня нефтепродукта для обеспечения пределов относительной погрешности измерений массы нефтепродукта. Результаты расчетов, а также значение массы нефтепродукта выводятся на экран устройства отображения 3.

В процессе хранения нефтепродукта, если хотя бы один из дополнительных подвижных элементов с магнитами 10, прикрепленных к крыше резервуара 11, изменил свое положение, то через дополнительный вход 3 в устройство динамического контроля погрешности измерений 2 поступает соответствующая информация в цифровом виде и программа начинает вычислять относительное изменение базовой высоты траншейного резервуара и корректирующую поправку уровня, учитывающую показания датчиков высоты резервуара, их количество и расположение в резервуаре, градуировочные параметры резервуара, уровень, плотность и температуру нефтепродукта. При этом учитывается градуировочная характеристика траншейного резервуара (при нахождении зеркала нефтепродукта в более широкой части резервуара величина коррекции уровня будет меньше, а в более узкой части - больше). Коррекция уровня не производится во время налива и слива нефтепродукта.

Относительное изменение базовой высоты траншейного резервуара δН автоматически вычисляется по формуле

где Н_{б п} - базовая высота траншейного резервуара, определяемая при поверке и градуировке резервуара;

Н_{б изм} - базовая высота траншейного резервуара, определенная измерительной системой.

Если величина относительного изменения высоты траншейного резервуара превышает заданную величину, производится сигнализация о превышении допустимого значения.

Значение уровня нефтепродукта H_i корректируется следующим образом.

где H_{i изм.} - измеренное значение уровня;

H_{i корр.} - поправка к значению уровня, учитывающая показания датчиков высоты резервуара, их количество и расположение в резервуаре, градуировочные параметры резервуара, уровень, плотность и температуру нефтепродукта.

С учетом откорректированного значения уровня, а также плотности и температуры от датчиков измерительной системы, расположенных в траншейном резервуаре, в устройстве динамического контроля погрешности измерений производится коррекция объема и массы нефтепродукта в следующей последовательности:

1. Объем нефтепродукта рассчитывают по формуле

где V_20i - объем нефтепродукта в резервуаре на измеряемом (откорректированном) уровне Н_i, определяемый по градуировочной таблице резервуара, составленной при температуре 20°С, м³;

α_ст - температурный коэффициент линейного расширения материала стенки резервуара (из паспорта на резервуар), для стали α_ст=12,5×10^-61/°C;

Т_ст - температура стенки резервуара, принимаемая равной температуре нефтепродукта в резервуаре t_{cp. i}, °C.

2. Массу нефтепродукта рассчитывают по формуле

где ρ_cp.i - средняя плотность нефтепродукта, измеренная ИС;

V_i - объем нефтепродукта, определенный по формуле (3).

Скорректированное значение массы нефтепродукта выводится на экран устройства отображения 3.

Конструктивно устройство динамического контроля погрешности измерений выполняется на микропроцессоре. Устройство отображения 4 может быть как самостоятельным конструктивным элементом, так и объединяться с дисплеем измерительной системы 1 или выводиться на дисплей ПЭВМ (в случае его использования).

Как показали исследования при испытаниях устройства для измерения массы нефтепродуктов в траншейном резервуаре с использованием опытного образца системы измерительной «СТРУНА», при изменении геометрических размеров траншейного резервуара осуществляется коррекция измерений уровня и массы нефтепродукта, хранящегося в траншейном резервуаре, на устройство отображения выводится информация о скорректированном значении массы нефтепродукта, о величине и относительном изменении высоты траншейного резервуара, информация о превышении относительного изменения высоты траншейного резервуара выше заданной величины и при этом исключается ошибка при расчете массы нефтепродукта. Лучшие результаты получаются при установке дополнительного подвижного магнита, прикрепленного к крыше резервуара, на нескольких датчиках, например на датчике уровня и датчике плотности. Чем больше датчиков будет использовано для контроля высоты траншейного резервуара, тем выше будет точность измерения массы нефтепродукта. Погрешность измерения высоты резервуара с помощью магнитострикционного датчика с подвижным элементом с магнитами, прикрепленным к крыше траншейного резервуара и являющегося аналогом поплавку уровня по физической сущности магнитострикционного датчика, одинакова с погрешностью измерения уровня нефтепродукта в резервуаре.