Акустическая диагностика остатков нефтепродуктов в накопительных резервуарах

С возросшим в последние годы объемом перевозки нефтепродуктов через морские и речные порты РФ возросло количество специализированных нефтяных терминалов, ориентированных на выгрузку различных марок нефтепродуктов (в том числе мазута) из железнодорожных цистерн и погрузку на танкеры. Хранение нефтепродуктов осуществляется в стационарных резервуарах, а для их отгрузки терминалы располагают универсальными причалами для приема нефтеналивных судов. Подтоварные и льяльные нефтесодержащие воды принимаются в буферные резервуары очистных сооружений и проходят тщательную очистку — реагентную напорную флотацию, промежуточную фильтрацию, адсорбцию на активных углях и сбрасывается в акваторию. При накопления предельного объема шлама в буферных резервуарах очистных сооружений, когда поверхность пароподогревателей покрывается им полностью, теплообмен (а значит и разделение по фракциям) практически прекращается. Возможно также перекрытие выходного отверстия трубопровода осветленной воды, т. е. остановка приема нефтесодержащих вод, а значит и производственной деятельности очистных сооружений терминала. При этом сложность формы шлама, переменная плотность, требования к герметичности резервуара являются основными особенностями, исключающими применение известных методов оценки его объема. i.

При существующей тенденции увеличения экспорта нефтепродуктов с одновременным ростом стоимости важной проблемой является необходимость гарантировать грузополучателям и грузоотправителям стабильность приема и отгрузки нефтепродуктов независимо от погодных условий. Комплексное решение следующих задач существенно повысило бы экономический потенциал нефтеперевалочных объектов: повсеместное повышения точности технического контроля (точнее — диагностики) объема массы) нефтепродуктов с различной плотностью и шлама в накопительных и.

I. I и буферных резервуарахограничение времени выгрузи, регламентируемого расписанием, независимо от марки нефтепродукта и массы его твердого остатка в железнодорожных цистернахсокращение количества штрафных санкций со стороны нефтеперегонных заводов и управлений железной дороги за неполную выгрузку нефтепродукта из железнодорожных цистернуменьшение собственных потерь при выгрузке.

Существующая практика контроля объема товарных нефтепродуктов, смеси с водой и другими реагентами в буферных и накопительных резервуарах терминалов базируется на визуальных показаниях ленточно-роликовых уровнемеров с плавающими на поверхности или погруженными в жидкую среду датчиками. Такой, по существу, абсолютный метод линейных измерений уровня в объемах резервуаров правомерен лишь для локальных «столбов» жидкой среды нефтепродуктов с малой агрессией. Здесь, несмотря на многообразие существующих типов, качество измерений объема нефтепродуктов в стационарных резервуарах хранения, грузовых танках морских и речных нефтеналивных судов значительно ухудшается вследствие засорения и коррозии приборов, обволакивания и налипания продукта на измерительные элементы. Подобный же визуальный контроль объема нефтепродуктов (с помощью переносной трехметровой линейки и калибровочных таблиц) применяется и для передвижных резервуаровжелезнодорожных цистерн.

Стационарные резервуары, содержащие нефтепродукты и их смеси должны сообщаться с атмосферным воздухом только через предусмотренные для этого дыхательные клапаны, выравнивающие внутреннее давление при изменении воздушного объема. Все технологические люки должны быть герметично закрыты с целью предотвращения выбросов легко воспламеняющихся газов в соответствии с требованиями правил взрыво-пожаробезопасности. Накопительные резервуары большой емкости, как правило, обеспечиваются дистанционным мониторингом посредством радиолокационных радаров, сканирующих уровень плоских поверхностей жидких нефтепродуктов. Здесь, в целом для диагностики объема нефтепродуктов (с точностью ± 0,5% от массового расхода), используется комплексная информация с трех полевых приборов: многозонного термометра, датчика давления, датчика уровня — радара. Однако для буферных резервуаров и при изменении плотности, влажности, температуры такие системы не пригодны. Приборов и методов достоверно фиксирующих объем нефтесодержащего остатка в герметично закрытом резервуаре до настоящего времени не разработано [1. .3].

В то же время технические средства для технологического учета с меньшей точностью, чем радар, но на порядок дешевле и не имеющих контакта с нефтепродуктом либо не разработаны вообще, либо находятся в стадии первоначального исследования.

В процессе загрузки и / или разгрузки нефтепродуктов особое значение приобретает временной фактор — экспресс-регистрация номинальных (допустимых) уровней наполнения или слива передвижных средств (танков, цистерн) автои железнодорожного транспорта в темное время суток и, особенно, в осеннее (весеннее) зимние периоды для нефтепродуктов с высокотемпературными пределами (+20.25°С) застывания.

Так, существует целый ряд сюрвеерских организаций (например, «SGS», «Saybalt» — одни из самых крупных на мировом рынке и на Северо-Западе России), основным видом деятельностью которых является контроль качества и количества перевозимого танкерами нефтепродуктов. При этом измерения объема мазута в железнодорожных цистернах до начала и после окончания выгрузки (в том числе и твердого остатка на стенках и в торцах цистерны) осуществляются инспекторами с помощью трехметровой линейки и калибровочной таблицы (как и много лет назад).

Практическое отсутствие в нефтяной индустрии доступных методов и средств контроля массы твердого осадка нефтепродуктов привело к рассмотрению наиболее сложной задачи при выгрузке нефтепродуктов из железнодорожной цистерны — оценке объема твердого остатка. Обычный визуальный контроль в этом случае приводит к значительным затратам времени и не обеспечивает необходимой точности.

Сложность практической реализации диагностики обусловлена тем, что на точность измерений существенно влияют технологические особенности: 1) повышение температуры нефтепродукта от 0 °C до +8СГС- 2) изменение температуры воздушного объема от -10°С до +4СГС, сопровождающееся испарением легких фракций нефтепродуктов и воды (пар) — 3) изменение плотности нефтепродукта при нагреве.

С изложенных позиций общей проблемы перевалки и контроля нефтеналивных грузов — минимизации временных, энергетических и грузовых потерь исследование и разработка новых технических методов (средств) диагностики объема нефтепродуктов, их смесей при изменяющихся в широких пределах внешних и технологических условиях являются вполне актуальными, особенно с учетом развития нефтяной индустрии и строительства терминалов.

Поэтому целью настоящей работы является исследование, разработка и экспериментальная проверка методов технической диагностики и контроля объемов загрузки и разгрузки накопительных, буферных и транспортных резервуаров нефтепродуктов на основе фундаментальных теорий акустики в ' замкнутых объемах. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— обоснование преимуществ методов акустической диагностики объема и остатков нефтепродуктов в резервуарах в широких пределах изменения внешних (атмосферных) и технологических условий по сравнению с существующими линейными измерениями уровня только жидких фракций;

— исследование и аппаратурная реализация системы акустического мониторинга объема нефтепродуктов на основе статистической модели диффузного звукового поля в буферных и накопительных резервуарах большого объема (2. .20 тыс. м3).

— исследование и аппаратурная реализация системы акустического мониторинга объема и остатков нефтепродуктов на основе волновой модели звукового поля в передвижных резервуарах (цистернах) малого объема.

Решения данных вопросов и составляет содержание настоящей диссертации, которая состоит из четырех разделов.

В первом разделе приводится обзор технической и патентной литературы методов и средств бесконтактного контроля объема (массы) нефтепродуктов на терминалах РФ, странах ближнего и дальнего зарубежья. Анализируются особенности перевалки, связанные с влиянием внешних и технологических факторов, конструктивными особенностями стационарных резервуаров хранения и передвижных средств автои железнодорожного транспорта. Из сравнительного анализа таких данных, а также существующих методов выгрузки и хранения нефтепродуктов намечается главный принцип построения акустической диагностики — разработка метода «от противного», т. е. фиксация «свободного» (от нефтепродуктов) объема воздуха в резервуарах с использованием акустических, но звуковых колебаний.

Во втором разделе исследуются методика, структура измерений объема нефтепродуктов с использованием статистической модели для стационарных резервуаров и основные требования, предъявляемые к ним. Изучаются следующие вопросы: затухание звуковой энергии с учетом поглощения поверхностями нефтепродукта и шлама, влияние формы и объема резервуара, а также расположение источника и приемника на характеристики звукового поля. Разрабатывается система дистанционной мониторизации объема нефтепродуктов в резервуарах хранения.

В третьем разделе рассматривается возможность использования импедансной модели к оценке остатка нефтепродуктов в замкнутых объемах. Здесь также анализируется влияние температурных инверсий на точность измерений в резервуарах. Проводится оценка объема остатка нефтепродукта из соотношения входных импедансных слоев воздуха и мазута при допущении условия постоянства площади поперечного сечения. Приводятся результаты исследования модели (М 1:10) железнодорожной цистерны с водяным гидромонитором. Из анализа условий возникновения первого волнового резонанса для волн радиального типа обосновывается возможность точного определения верхней и нижней границ частотного диапазона зоны диагностики.

В четвертом, последнем, предложена волновая оценка объема нефтепродуктов в железнодорожных цистернах. Показывается, что для экспресс — регистрации объема нефтепродукта в железнодорожной цистерне наиболее эффективен метод сравнения уровней звуковых давлений в пустой цистерне и заполненной. Проводится обобщенный спектральный анализ, позволяющий впервые исследовать спектры собственных колебаний в воздушном объеме железнодорожной цистерны при изменении объема нефтепродуктов. Рассматривается экспериментально полученная зависимость относительного уровня звукового давления от объема твердого остатка нефтепродуктов в резервуарах. Приводятся результаты измерений уровней звукового давления в воздушном объеме при расположении источников колебаний в жидкой среде нефтепродукта и воздушной.

В заключении приводится сводка общих выводов по результатам диссертационной работы. to.

Основные результаты работы состоят в следующем: 1. В диссертации исследованы существующие и предлагаемые методы контроля объема нефтепродуктов накопительных, буферных стационарных резервуарах и передвижных средств автои железнодорожного транспорта. Существующая тенденция увеличения экспорта нефтепродуктов Российской Федерации в страны дальнего и ближнего зарубежья с текущим ростом стоимости приводит к необходимости совершенствования технических (общедоступных) средств контроля объема нефтепродуктов различного качества в смесях с добавочными фракциями в буферных и накопительных резервуарах, а также экспресс-регистрация состояния наполнения и слива передвижных средств автои железнодорожного транспорта, особенно в зимний период и темное время суток.

2. Показано, что существующая практика определения состояния наполнения, слива и остатков нефтепродуктов базируется на абсолютных методах линейных измерений плоских уровней при типовом агрегатном жидком) состоянии для вертикального и/или горизонтального положениях резервуаров цилиндрической формы нефтяных терминалов. При этом стандартные погружаемые измерительные системы ленточного типа подвергаются активной коррозии и обволакиванию, а на показания прецизионных ультразвуковых радаров дистанционного контроля существенно влияют динамические изменения плотности, температуры и других параметров контактных сред.

3. Впервые предложен с теоретическим и экспериментальным обоснованием метод сравнительной оценки (диагностики) объема нефтепродуктов в стационарных буферных и накопительных резервуарах путем статистического моделирования и нормированного измерения времени реверберации, не требующего сложного оборудования и коррекции технологических и полевых (внешних) условий. Важные для диагностики объема шламов и/или нефтепродуктов их остатки даже в твердом (застывшем) состоянии определяются дистанционно с погрешностью до 10%.

4. Выявлены существенные различия в измеряемых параметрах звуковых полей: стационарных (вертикальных) резервуаров с объемом (3.10)-103 мЗ и передвижных (горизонтальных) цистернах с меньшими на два порядка объемами. В первых из них аналитически доказана правомерность статистического анализа, а размещение искусственных источников звука и микрофонов на оси и верхней части цилиндров уменьшает погрешность диагностики за счет ослабления низкочастотных мод четного порядка. При этом более высокочастотные моды не меняют своих значений, как по частоте, так и добротности, и в совокупности по временным параметрам фиксируют изменение объема нефтепродуктов и их смесей.

5. Разработана методика регистрации в октавных полосах объема нефтепродуктов в стационарных резервуарах, позволяющая использовать мониторинг диспетчерской связи для всего парка хранения.

6. Показано, что в стационарном резервуаре, особенно при малых уровнях нефтепродукта, создается идеальное диффузное поле, которое позволило впервые получить частотную зависимость величины коэффициента звукопоглощения для мазута марки М-100 при t = 45 °C. Однако, сравнение этой зависимости с коэффициентом звукопоглощения, измеренным в интерференционной трубе, показало различие более, чем в 2 раза и в 6 раз больше для твердого (при t = 0°С).

7. Как показали исследования импедансной модели, оценка объема остатка нефтепродукта возможна из соотношения входных импедансных слоев воздуха и мазута при допущении условия постоянства площади поперечного сечения, что справедливо для стационарных резервуаров.

8. В отличие стационаров показана необходимость волнового подхода для измерения объема нефтепродуктов в передвижных цистернах. Действительно, горизонтальное положение цистерны и, соответственно, уровня жидкого нефтепродукта практически исключает влияние на результат диагностики низкочастотных осевых мод. Однако, более высокочастотные радиальные моды с достаточной точностью (по добротности) реагируют как на величину свободного воздушного объема, так и, относительно, на объем нефтепродукта и/или твердого остатка.

9. Разработана экспресс-регистрация объема нефтепродукта, осуществляемая в железнодорожной цистерне в процессе его выгрузки применяемым на практике способом, — комбинированным использованием верхнего и нижнего устройств размыва остатка по экстремальным значениям относительного уровня звукового давления в узкополосном частотном диапазонепредложен акустический уровнемер для технологического учета объема нефтепродуктов в накопительном и буферном стационарных резервуарах.

10. Обычный визуальный контроль (по мерному штоку) при пониженных (менее +5°С) наружных температурах приводит к значительным временным затратам и большим погрешностям в оценке выгруженных объемов (массы), достигающих в пределе 30%, тогда как их дистанционная экпресс-регистрация осуществляется с погрешностью до 10%.

11. Впервые для цилиндрических объемов с заполнением аналитически найден оптимальный частотный интервал для четкой регистрации действий радиальных связанных мод, т. е.

2,7−102.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.