Способ измерения плотности и уровня жидкости в емкости и устройство для его осуществления

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения плотности и уровня жидкостей путем измерения давления, и может быть использовано для измерения уровня в емкостях со сжиженным газом, газовым конденсатом и подобных продуктов с заранее точно неизвестной плотностью в газо- и нефтедобыче, перерабатывающей газо- и нефтехимической промышленности.

Известны способ и устройство для определения плотности жидкости в емкости, в которых по перепаду давления между нижней точкой емкости и ее газовым объемом, а также точно измеряемому уровню жидкости, определяют плотность жидкости (Bjorn Bellman, US 2019/0056257, 2019). Для определения давления в жидкости используется, по крайней мере, два датчика давления. Одним датчиком давления предлагается измерять давления в широком диапазоне изменения уровня жидкости. Однако, этот датчик дает большую абсолютную погрешность при малых давлениях, т.е. при небольших уровнях жидкости в емкости. Для малых давлений предлагается использовать другой датчик, рассчитанный на измерения меньшего диапазона давлений, но имеющий меньшую абсолютную погрешность. Измерения проводят обоими датчиками, определяют отклонение в их показаниях и сравнивают модуль их разности с пороговой величиной. В зависимости от соотношения этих двух величин для расчета плотности выбирают давление того или иного датчика, а также может быть внесена в результат измерения коррекция.

Недостатком предложенного способа является то, что для определения плотности приходится использовать не только измерение перепада давления в емкости, но, не зависимо от этого, измерение уровня жидкости. Для этого в способе предложено использовать высокоточный времяпролетный датчик уровня, использующий электромагнитную волну. Широкое использование в промысловых условиях такого сложного и дорогого датчика вряд ли возможно, так как такие датчики требуют высококвалифицированного обслуживания и настройки. Кроме того, указанный способ не дает возможности по измерениям давлений судить о плотности газовой среды над жидкостью.

Известен способ измерения плотности и уровня жидкости в емкости, в котором используется только измерение давления, а собственно уровень жидкости, как и ее плотность, рассчитываются по результатам измерений (Ларионов В.A., RU 2441204, 2010). Для этого в емкости устанавливается как минимум два датчика давления, расстояние по высоте между которыми известно с заданной точностью. Вычисления плотности и уровня жидкости производят по полученной фиксированной разности давлений и значениям смещения нуля датчиков.

Недостатком предложенного способа является то, что, если уровень жидкости не опускается ниже уровня нижнего датчика, то в резервуаре необходимо установить дополнительный датчик. Этот средний датчик давления размещают между верхним и нижним датчиками на фиксированном расстоянии от нижнего датчика. Далее фиксируют значение смещения нуля среднего датчика, когда уровень жидкости находится ниже его уровня. Фиксируют разность значений давления нижнего и среднего датчиков, когда уровень жидкости находится немного выше уровня среднего датчика. Определяют смещение нуля нижнего датчика по фиксированной разности давлений между нижним и верхним датчиками, фиксированной разности давлений между нижним и средним датчиками и значениям смещения нуля среднего и верхнего датчиков. Поскольку заполнение и опорожнение емкостей в производстве может проходить случайным образом, то может оказаться, что уровень жидкости не опускается ниже уровня установленного среднего датчика. Тогда согласно изобретению необходимо будет устанавливать еще один датчик, но уже несколько выше третьего и т.д. Получается, что предложенная процедура не застрахована от неопределенности. Кроме того, указанный способ не дает возможности по измерениям давлений судить о плотности газовой среды над жидкостью.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является измерение плотности и уровня жидкости в емкости, и измерение плотности газовой среды над жидкостью по замерам только давления, а также уменьшение погрешностей измерения плотности и уровня.

Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является возможность постоянного и эффективного контроля плотностей жидкой и газообразной фаз в емкости и уровня жидкости при повышенной точности измерения.

Получение технического результата изобретения осуществляют за счет того, что перепады давления замеряют в вынесенной из емкости вертикальной измерительной трубке на участке известной длины. Нижнюю точку измерения давления располагают ниже минимального допустимого для емкости уровня жидкости, а верхнюю точку измерения давления располагают выше максимально допустимого для емкости уровня жидкости, в плоскости верхнего торца измерительной трубки. Сначала измерительную трубку продувают газом из газового объема емкости, вытесняя из нее жидкость в жидкостной объем емкости, и измеряют перепад давления, когда оба датчика давления находятся в газовой среде. Затем заполняют трубку жидкостью, вытесняя из нее газ в газовый объем емкости, и после установления уровня жидкости в плоскости торца трубки за счет перелива, измеряют перепад давления, когда нижний датчик находится в жидкой среде, а верхний датчик в плоскости раздела газ-жидкость. Плотность газа и жидкости рассчитывают по формулам ρ_g=(P₁-P₂)_g/g/Н₀, ρ_L=(Р₁-Р₂)_L/g/Н₀, где (P₁-Р₂)_g перепад давления в газе; (P₁-P₂)_L - перепад давления в жидкости; g - ускорение силы тяжести; Н₀ - расстояние между точками измерения давления, а уровень жидкости Н в емкости рассчитывают по формуле Н=[(P₁-P₂)-ρ_ggH₀]/[(ρ_L-ρ_g)g], где Р₁ - давление жидкости в нижней точке; Р₂ - давление газа в верхней точке.

В нижней точке измерения давления используют два датчика, имеющие разные диапазоны измерения давления в измерительной трубке. Для расчета плотностей газа и жидкости, и уровня жидкости в емкости используют показания датчика с меньшим диапазоном измерения в том случае, когда измеряемая величина попадает в диапазон измеряемых давлений датчика, в противном случае используют показания другого датчика.

Преимуществами предлагаемого изобретения являются возможность точного определения плотностей жидкости, а также уровня жидкости без использования дорогостоящих датчиков или приборов. Кроме того, предлагаемый способ позволяет измерять плотность газа и учитывать ее влияние на рассчитанную плотность жидкости.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлена схема осуществления способа. Измерительная трубка 1, вынесенная за пределы емкости для жидкости (не показано) подключена к жидкостному объему емкости линией 2, а к газовому объему - переливной линией 3 и линией 4. Линии 3 и 4 подключены не к измерительной трубке 1, а к переливной емкости 5, в которую герметично входит трубка 1. На линии 2 имеется запорное устройство 6, а на линии 3 - запорное устройство 7. Измерения давления осуществляют нижним датчиком давления 8 и верхним датчиком давления 9. Нижний датчик 8 лежит в плоскости, расположенной ниже минимального уровня жидкости в емкости. Верхний датчик 9 лежит в плоскости торца измерительной трубки 1, которая располагается выше максимального уровня жидкости в емкости. Расстояние между датчиками 8 и 9 заранее измеряют с высокой точностью. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

На Фиг. 1а показано положение, в котором измеряют давление в трубке 1, полностью заполненной газом. Для этого по линии 4 в переливную емкость 5 принудительно подают газ из газового объема емкости. При этом запорное устройство 7 закрыто, а запорное устройство 6 на линии 2 открыто. Газ вытесняет из трубки 1 жидкость вниз, которая по линии 2 поступает в жидкостной объем емкости (не показан). После того, как жидкость из трубки 1 вытеснена, перекрывают запорное устройство 6 и измеряют давление датчиками 8 и 9. В этом случае в нижней точке используют датчик 8 с меньшим диапазоном измеряемых давлений.

На Фиг. 1б показано положение, в котором измеряют давление в трубке 1, полностью заполненной жидкостью. Для этого открывают запорные устройства 6 и 7 и принудительно подают жидкость из емкости по линии 2. После заполнения трубки 1 запорное устройство 6 перекрывают. Избыток жидкости переливается через верхний торец трубки 1 и сливается в переливную емкость 5, а из нее по линии 3 через открытое запорное устройство 7 сливается в емкость. После установления уровня жидкости измеряют давления датчиками 8 и 9. В этом случае в нижней точке используют датчик 8 с большим диапазоном измеряемых давлений.

На Фиг. 1в показано рабочее положение при измерении уровня Н жидкости в емкости. При этом запорные устройства 6 и 7 открыты. В этом случае в нижней точке используют оба датчика 8. При расчете уровня используют показания датчика с меньшим диапазоном измерения в том случае, когда измеряемая величина попадает в этот диапазон, в противном случае используют показания другого датчика. Измеренные в трех положениях величины обрабатываются вычислительной системой и определяются плотности и уровень жидкости по вышеприведенным формулам.

Пример 1.

Предположим, что при температуре 20°С в сферической емкости диаметром 20 м хранится пропан. На линии насыщения для жидкого пропана (Н.А. Стаскевич, Г.Н. Северинец, Д.Я. Вигдорчик. Справочник по газоснабжению и использованию газа. Л. Недра, 1990) плотность жидкости ρ_L=499 кг/м³, плотность газа ρ_g равна 17.74 кг/м³. При высоте измерительной трубки H₀=20 м и при уровне жидкости в емкости H=0.5 м перепад давлений составит Р₁-Р₂=ρ_LgH+ρ_gg(H₀-H)=499⋅9.81⋅0.5+17.74⋅9.81⋅(20-0.5)=2447.59+3393.57=5841.16 Па. Если не учитывать влияния газовой фазы, то этот перепад давления дал бы при расчете уровень жидкости Н=(Р₁-Р₂)/(ρ_Lg)= =5841.16/499/9.81=1.193 м, т.е. расчетное значение уровня отличалось бы от истинного более, чем в два раза. Для получения правильного результата нужно использовать перепад, равный ρ_LgH=P₁-P₂-ρ_gg(H₀-H)=5841.16-3393.57=2447.59 Па.

Известно устройство для определения уровня жидкости в емкости, в котором в емкости подвешивают на чувствительном элементе протяженный по высоте цилиндр (плунжер) и определяют его вес (W.J. Legendre, Christopher Dore, US 5614672, 1997). При пустой емкости вес плунжера принимается за начало отсчета. При наличии жидкости в емкости часть плунжера оказывается погруженным в жидкость. В результате взвешивания плунжера можно определить высоту части плунжера, которая погружена в жидкость.

Недостатком устройства является то, что для расчета высоты уровня необходимо знать плотность жидкой среды, что не всегда возможно. С другой стороны, если известна высота уровня жидкости, то это устройство позволяет рассчитать плотность жидкости.

Известно устройство для определения плотности сжиженного природного газа (CN 105782716, 2016), в котором в жидкостной объеме емкости установлены два датчика давления, расстояние между которыми Н известно, а также датчик давления в газовом объеме емкости. Фактически предложенное устройство осуществляет вышеописанный способ измерения (RU 2441204, 2010), однако нижний отбор давления размещен фактически в нижней точке емкости. В этом устройстве не возникает необходимости установки дополнительного промежуточного датчика.

Недостатком предложенного устройства является то, что для точного измерения плотности желательно иметь наибольшее расстояние Н между датчиками давления. Однако, увеличение этого расстояния приводит к тому, что уровень жидкости в условиях эксплуатации будет часто находиться ниже уровня расположения верхнего датчика, а при этом невозможно вычислить новое значение плотности жидкости в случае, если возникнет такая необходимость. Если же ограничиваться небольшим расстоянием Н, то измерение плотности может оказаться недостаточно точным. Такое устройство неприменимо к сжиженным газам, у которых плотность газовой фазы высока и оказывает значительное влияние на измерение плотности жидкости и ее уровень. Кроме того, указанное устройство не дает возможности по измерениям давлений судить о плотности газовой среды над жидкостью.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является измерение плотности и уровня жидкости в емкости, и измерение плотности газовой среды над жидкостью по замерам только давления, а также уменьшение погрешностей измерения плотности и уровня.

Техническим результатом, достигаемым в заявленном изобретении, является возможность постоянного и эффективного контроля плотностей жидкой и газообразной фаз в емкости и уровня жидкости при повышенной точности измерения по измерениям только давления. При этом измерение плотностей и уровня никак не зависит от текущего уровня жидкости в емкости в момент измерений.

Получение технического результата изобретения осуществляется за счет того, что емкость с жидкостью имеет внешнюю вертикальную измерительную трубку для определения гидростатического перепада давления с точно известным расстоянием от верхнего торца трубки, до нижнего отверстия для отбора давления, к которому подключен нижний датчик давления. Ниже этого отверстия трубкой с запорным краном измерительная трубка подключена к циркуляционному контуру жидкости. На циркуляционном контуре установлен фильтр и насос, при этом входная часть циркуляционного контура подключена к жидкостному объему емкости ниже допустимого минимального уровня жидкости в емкости, а выходная часть циркуляционного контура подключена к жидкостному объему в более высокой точке. Верхняя часть вертикальной трубки герметично входит в переливное устройство в виде отрезка трубы большего диаметра. В стенке переливного устройства в плоскости верхнего торца измерительной трубки расположено отверстие, к которому подключен верхний датчик давления. В нижней своей части переливное устройство соединено трубкой с запорным краном с газовым объемом емкости для слива жидкости, а в верхней, газовой части своего объема, другой трубкой соединено с выходом газового компрессора. Вход в компрессор соединен с газовым объемом емкости.

Преимуществами предлагаемого устройства являются возможность точного определения плотности жидкости, а также уровня жидкости по результатам измерения только давлений без использования дорогостоящих датчиков или приборов. Эти измерения не зависят от текущего уровня жидкости в емкости. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет определять плотность газа и учитывать ее влияние на рассчитанную плотность жидкости и ее уровень.

Предлагаемое устройство поясняется схемой Фиг. 2. Вертикальная измерительная трубка 1 расположена вне емкости 10 и служит для определения уровня и плотности жидкости и газа в емкости. Емкость 10 имеет минимальный уровень 11 и максимальный уровень 12 жидкости, так что измеряемый уровень жидкости всегда находится между уровнями 11 и 12. В нижней части измерительной трубки 1 имеется отверстие, к которому подключен нижний датчик давления 8. Плоскость, в которой расположено это отверстие, лежит ниже нижнего уровня 11 жидкости в емкости 10. Трубкой 2, на которой установлен запорный кран 6, измерительная трубка 1 соединена с циркуляционным контуром. Циркуляционный контур образован трубкой 5, подключенной к емкости 10 ниже ее минимального уровня 11, на которой установлен фильтр 13 и насос 14. Выходная часть циркуляционного контура в виде трубки 15 подключена к жидкостному объему емкости 10. Верхняя часть вертикальной трубки 1 герметично входит в переливное устройство 5 в виде отрезка трубы большего диаметра. В стенке переливного устройства 5 в плоскости верхнего торца измерительной трубки 1 расположено отверстие, к которому подключен верхний датчик давления 9. В нижней своей части переливное устройство 5 соединено трубкой 3, на которой установлен запорный кран 7, с газовым объемом емкости 10 для слива жидкости, а в верхней, газовой части своего объема другой трубкой 4 соединено с выходом газового компрессора 16. Вход в компрессор 16 соединен с газовым объемом емкости.

Устройство совместно с вычислительной системой (не показано) работает следующим образом. По управляющему сигналу перекрывается запорный кран 7 и запускается газовый компрессор 16. Компрессор 16 сжимает газ, поступающий в него по трубке 4 из газового объема емкости 10, и подает его в переливное устройство 5. Газ вытесняет жидкость в измерительной трубке 1 так, что жидкость по трубке 2 через открытый запорный кран 6 по трубке 15 поступает в жидкостной объем емкости 10. После того, как уровень жидкости оказывается ниже нижнего датчика давления 8, по управляющему сигналу запорный кран 6 перекрывает трубку 2. Датчик давления 8 оказывается в газовой среде. Производится считывание показателей датчиков давления 8 и 9 и вычисляется перепад давлений (Р₁-P₂)_g. При этом во время измерений используют показания датчика давления 8, имеющего меньший диапазон измеряемых давлений. В результате определяется плотность газа по формуле ρ_g=(P₁-P₂)_g/g/Н₀. После этого запускается насос 14, и жидкость из емкости 10 по трубке 5, через фильтр 13 и насос 14 циркуляционного контура поступает по трубке 15 в емкость 10. Открывается запорный кран 7, после чего открывается запорный кран 6, и часть жидкости из циркуляционного контура по трубке 2 через открытый кран 6 поступает в измерительную трубку 1. Характеристики насоса подобраны так, что его напор превосходит H₀, поэтому жидкость поступает в переливное устройство 5. После этого запорный кран 6 перекрывает трубку 2, затем насос 14 отключается. Избыток жидкости, поступивший в переливное устройство 5, сливается через открытый запорный кран 7 по трубке 3 в емкость 10. В результате уровень жидкости в измерительной трубке 1 совпадает с уровнем ее торцевого сечения (влиянием мениска можно пренебречь). Измеряются давления датчиков 8 и 9, и вычисляется перепад давлений (P₁-P₂)_L. При этом во время измерений используют показания датчика давления 8, имеющего больший диапазон измеряемых давлений. В результате определяется плотность жидкости по формуле ρ_L=(P₁-P₂)_L/g/Н₀. Рассчитанные величины плотности газа и жидкости запоминаются в памяти компьютера. Далее открывается запорный кран бис требуемой периодичностью измеряются давления P₁ и P₂ датчиками 8 и 9. По этим давлениям и определяется уровень жидкости в емкости по формуле: Н=[(Р₁-Р₂)-ρ_ggH₀]/[(ρ_L-ρ_g)g], причем для расчета используют показания датчика с меньшим диапазоном измерения в том случае, когда измеряемая величина попадает в диапазон измеряемых давлений датчика, в противном случае используют показания другого датчика.

Устройство позволяет при расчете плотностей и уровня выбирать наиболее точно измеренные величины давления. Работа предлагаемого устройства не зависит от текущего уровня жидкости в емкости.