СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМА ОСТАТКА ТВЕРДОГО НЕФТЕПРОДУКТА В ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ВАГОНЕ-ЦИСТЕРНЕ Российский патент 2009 года по МПК G01F17/00 

Заявляемое изобретение относится к разгрузочной технике и может быть использовано для дистанционной диагностики (оценки) объема (массы) остатка нефтепродукта (в том числе мазута) в торцевых частях и на внутренних стенках железнодорожных цистерн при их выгрузке в зимнее время.

Отсутствие теплоизоляции приводит к застыванию нефтепродукта (t фактическая = -5°С, t застывания = +25°С), что вызывает необходимость применения специального технологического процесса.

В настоящее время процедура выгрузки мазута из цистерны сопровождается циркуляционным разогревом посредством нагретого до 90°С нефтепродукта, подаваемого из стационарного накопителя (на первом этапе, в дальнейшем - замкнутый контур) под большим давлением через форсунки гидромониторов, встроенных в сливное отверстие. Несмотря на внешний подогрев, нефтепродукт остывает на стенках цистерны в виде достаточно твердого осадка сложной формы (примерно на штрих-линии фиг.1).

Известен «Способ определения массы нефтепродукта в резервуаре» (патент РФ №2057300, МПК G01G 17/04, опубл. 27.03.1996 г.), заключающийся в определении фактического объема нефтепродукта на основании полученных данных: уровня нефтепродукта в резервуаре, температуры нефтепродукта и окружающей среды. Уровень нефтепродукта в резервуаре измеряется с помощью ультразвуковых уровнемеров с поплавками, частично погруженными в жидкую среду. Данный метод неприемлем для измерений твердого мазута.

Применяется акустический уровнемер (авторское свидетельство СССР №678316 G01F 23/28, опубл. 08.05.1979 г.), содержащий излучатель акустических колебаний, подключенный к выходу усилителя мощности, преобразователь частота-напряжение, вторичный прибор и приемники акустических колебаний. Способ измерения применим только для случая с горизонтальной (относительно земли) поверхностью нефтепродукта.

Из-за сложной формы остатка мазута в цистерне использование методов измерений с иными типами уровнемеров: радиолокационным, радарным, ультразвуковым, поплавковым и т.д. не представляется возможным, т.к. не учитывается кривизна поверхности остатка.

Установка радарного дальномера с электроприводом или группы радарных дальномеров на верхней горловине цистерны для определения расстояния до различных точек поверхности остатка и восстановления по этим данным его формы (объема) не представляется возможным из-за высокой цены приборов и повышенных требований правил взрывопожаробезопасности при выгрузке нефтепродуктов.

Существующий в настоящее время визуальный контроль остатка мазута не дает требуемой точности, и как результат - большие потери при грузовых операциях. Неучтенный при выгрузке остаток возвращается на нефтеперерабатывающие заводы, что приводит к различным штрафным санкциям в адрес перевалочных баз.

Наиболее близким техническим решением является «Способ измерения объема сосуда» (авторское свидетельство СССР №1673851, опубл. 30.08.1991 г.), заключающийся в том, что для измерения объема сосуда в нем через воздушный канал возбуждают звуковые колебания посредством находящегося снаружи сосуда громкоговорителя, изменяя длину или площадь сечения канала добиваются акустического резонанса в воздушном объеме, что фиксируют с помощью микрофона и измерительного прибора. Вычисляют объем сосуда по частоте подаваемого сигнала и значениям длины и площади сечения канала в момент резонанса.

При использовании данного способа необходимо перед каждым замером изменять длину или площадь сечения канала, добиваясь акустического резонанса в сосуде, что приведет к большим временным потерям, а в случае автоматизации - к высокой стоимости системы; одновременная дистанционная диагностика, например, 36 цистерн (сливная эстакады нефтяного терминала) возможна только в условиях полной автоматизации системы измерений; необходимо постоянное присутствие квалифицированного обслуживающего персонала для настройки воздушного канала к измерениям в случае постоянно изменяющегося объема мазута (выгрузка из цистерны). При расположении источника возбуждения колебаний вне резервуара увеличивается погрешность измерений из-за появления непредвиденных и кратковременных помех - посторонние источники звука, ветер и т.д.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности определения объема остатка нефтепродукта.

Для получения указанного технического результата в способе определения объема остатка твердого нефтепродукта в железнодорожном вагоне-цистерне первоначально возбуждают в цистерне звуковые колебания с помощью форсунок гидромониторов, расположенных в вагоне-цистерне, измеряют в узкополосном диапазоне среднеквадратическое значение звукового давления p_i в цистерне, содержащей остаток мазута, и далее определяют воздушный объем V_i по формуле:

где П_i(ω), ω_i, β_i соответственно пространственные функции, характеризующие распределение звукового давления с учетом положения источника и приемника, собственные частоты и коэффициенты затухания для «i» собственных колебаний в объеме;

А - некоторая постоянная.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:

на фиг.1 - схема установки, реализующей заявляемый способ;

на фиг.2 - спектры, соответствующие максимальному (а) и минимальному (б) объему остатка;

на фиг.3 - усредненные спектры уровня звукового давления, где

1 - объем мазута V_м=23 м³; 2 - объем мазута V_м=16 м³; 3 - объем мазута V_м=11 м³; 4 - объем мазута V_м=8 м³; 5 - объем мазута V_м=4 м³; 6 - пустая цистерна;

на фиг.4 - зависимость относительного звукового давления от остатка нефтепродукта.

Установка, реализующая заявляемый способ (фиг.1) состоит из микрофона 1, установленного через верхний смотровой люк вовнутрь цистерны, подключенного через частотно-избирательное измерительное устройство 2, например стандартный шумомер, к ЭВМ 3.

При включении форсунок гидромониторов 4 возникает турбулентный шум струй, который позволяет применить более точный объективный контроль осадка 5, в том числе и дистанционный. Контролируется ΔN (Vм) - относительный (по давлению, например, в «пустой» цистерне) уровень звукового давления при разных объемах Vм (массе) осадков мазута посредством микрофона 1 с частотно-избирательным измерительным устройством 2 с выходом на ЭВМ 3.

В результате многократного отражения звуковых волн от границ цистерны возникает замкнутое трехмерное волновое поле, при этом линейные размеры объема значительно больше длины звуковых волн. Замкнутый объем цистерны представляет собой колебательную систему со спектром собственных частот, когда каждой собственной частоте соответствует свой декремент затухания. Если источник звука создает звуковые сигналы с меняющимся спектральным и амплитудным распределением, то эти сигналы возбудят колебания воздуха в цистерне с частотами, близкими к резонансным, и по мере изменения спектра будут возникать все новые и новые моды собственных колебаний замкнутого объема, которые, накладываясь на ранее возникающие и имеющие уровни выше порога слышимости, в большей или меньшей степени исказят начальный сигнал.

Рассмотрим воздух в объеме цистерны как совокупность резонаторов в форме стоячих волн, которые могут быть возбуждены источником и будут затухать экспоненциально, если действие источника прекращается. Если источник только начинает действовать, то можно формально считать, что в цистерне возникает сложный колебательный процесс, состоящий из суммы стационарных колебаний, имеющих частоту источника, затухающих переходных колебаний, имеющих частоты тех нормальных мод, которые окажутся возбужденными.

Стационарное (установившееся) колебание можно рассматривать как сумму большого числа стоячих волн, у которых амплитуды зависят от частоты источника, от «импеданса» для данной стоячей волны и от положения источника в цистерне. Затухание этих стоячих волн будет происходить с различной скоростью. Косые волны будут затухать наиболее быстро, затем будут следовать тангенциальные волны (если только стены не вогнутые); аксиальные волны, идущие параллельно наиболее сильно поглощающим стенам, будут затухать примерно вдвое медленнее, чем косые волны. Таким образом, распределение звука в цистерне будет изменяться по мере затухания; вначале оно будет достаточно равномерным (диффузным), а в дальнейшем все более и более будут преобладать волны, направленные параллельно наиболее сильно поглощающим стенам.

Рассмотрим возбуждение звукового давления р_с() в некоторой точке в трехмерной системе координат от точечного источника с потенциалом скорости колебаний ψ_u() в частично заполненном (воздух + мазут или другой нефтепродукт) объеме цистерны с радиусом r=а. Тогда, например, при гармоническом возбуждении можно написать

где - координаты источника и приемника; Δ - оператор Лапласа.

Для цилиндра с высотой Н по координате z можно выделить поверхности: верхней части боковых торцов и верхней части боковых стенок стали

и нижней части цистерны с заполнением нефтепродукта по высоте h с комплексным импедансом Z поверхности мазута

Решение уравнения (1) может быть представлено в следующем виде

где - функция Грина, представляющая собой функцию потенциала скорости поля точечного источника и поля, отраженного от поверхности нефтепродукта.

По аналогии с (1) реакция данной системы может быть найдена:

где - функция источника колебаний; А - некоторая постоянная.

С учетом поглощения на поверхности нефтепродукта за счет активной составляющей комплексного импеданса решение уравнения (4) может быть представлено как

где П_i(ω), ω_i, β_i, соответственно пространственные функции, характеризующие распределение звукового давления с учетом положения источника и приемника, собственные частоты и коэффициенты затухания для «i» собственных колебаний в объеме.

Для цилиндрического резервуара пространственные функции имеют вид:

где πα_i - корни уравнения функции Бесселя; r, ϕ - полярная и угловая координаты точек цилиндрического объема; m, n - числа натурального ряда, которые определяют номер (частоту) мод собственных колебаний.

Получим выражение, которое характеризует спектральные функции падающих и отраженных звуковых волн для каждой моды

где

Рассмотрев первый член ряда в формуле (7), получаем, что среднее значение звукового давления p_i можно определить как

тогда:

Подставив в формулу (8) данные для пустой цистерны, находим аналитическое выражение для определения среднеквадратического значения звукового давления в пустой цистерне (р₀ ²) и в итоге можно получить зависимость отношения p₀/p_i от воздушного объема в цистерне

где L, Н - соответственно длина и радиус цистерны, h - расстояние от поверхности остатка мазута до центральной оси цистерны, α_ст - коэффициент звукопоглощения стали, α_м - коэффициент звукопоглощения мазута.

Рассчитанное по формуле (10) отношение p₀/p_i удобно анализировать при практических измерениях в виде относительного уравнения звукового давления ΔNi=20 lg (р₀/р_i).

Зависимость относительного уровня звукового давления от воздушного объема достаточно заметно проявляется при измерениях спектров уровней звуковых давлений при разных объемах мазута. Так, например, спектры, соответствующие максимальному и минимальному значениям остатка (фиг.2) резко отличаются друг от друга, особенно в области средних (250-500 Гц) частот. По оси абсцисс отложена частота (Гц), по оси ординат - относительный уровень звукового давления (дБ).

Для каждого измерения были получены спектры колебаний в широкополосном диапазоне. Усредненные огибающие к спектрам по данным измерений в 7 цистернах показаны на рис.3. Очевидна определенная зависимость изменения звукового давления от частоты, при этом уровень мазута в цистерне (оставшийся объем) контролировался по откалиброванной линейке.

Эксперимент показывает неустойчивый характер в области низких частот, связанный, очевидно, с низкочастотными шумами через верхний смотровой люк цистерны. В то же время в области средних частот прослеживается определенная закономерность.

В узкополосном диапазоне 500 Гц для каждой кривой на фиг.3 найдем соответствующий уровень звукового давления ΔN (дБ) и построим зависимость p₀/p_i от объема остатка нефтепродукта. Результаты представлены на фиг.4. Откуда видно, что рассчитанное по формуле (10) отношение p₀/p_i (или относительный уровень звукового давления ΔNi=20 lg(p₀/p_i)) в зависимость от V_i или V_м полностью совпадает с экспериментальными данными - соответствие изменения воздушного объема в зависимости от перемещения максимального значения огибающей к спектрам вдоль оси частот.

Способ относится к разгрузочной технике и может быть использован для дистанционной диагностики (оценки) объема (массы) остатка нефтепродукта (в том числе мазута) в торцевых частях и на внутренних стенках железнодорожных цистерн при их выгрузке в зимнее время, повышения точности определения объема остатка нефтепродукта. Сущность: первоначально возбуждают в цистерне звуковые колебания с помощью форсунок гидромониторов, расположенных в вагоне-цистерне, измеряют в узкополосном диапазоне среднеквадратическое значение звукового давления p_i в цистерне, содержащей остаток мазута, и далее определяют воздушный объем V_i по формуле:

где П_i(ω), ω_i, β_i соответственно пространственные функции, характеризующие распределение звукового давления с учетом положения источника и приемника, собственные частоты и коэффициенты затухания для «i» собственных колебаний в объеме; А - некоторая постоянная. 4 ил.

Способ определения остатка твердого нефтепродукта в железнодорожном вагоне-цистерне, заключающийся в возбуждении в цистерне звуковых колебаний, отличающийся тем, что звуковые колебания возбуждаются форсунками гидромониторов, расположенных в вагоне-цистерне, при этом объем остатка твердого нефтепродукта в цистерне определяется путем измерения в узкополосном диапазоне среднеквадратического значения звукового давления p_i и далее вычисления воздушного объема (свободного от мазута) в цистерне V_i по формуле

где П_i(ω), ω_i, β_i - соответственно, пространственные функции, характеризующие распределение звукового давления с учетом положения источника и приемника, собственные частоты и коэффициенты затухания для «i» собственных колебаний в объеме;

А - некоторая постоянная.