Акустическая диагностика остатков нефтепродуктов в накопительных резервуарах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.06, кандидат технических наук Колыхалин, Виталий Михайлович

• Колыхалин, Виталий Михайлович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колыхалин, Виталий Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1. Структура и организация работ нефтяных терминалов

Северо-Запада РФ.

1.1. Общая структура СП ЗАО «Петербургский нефтяной терминал».

1.2. Существующие методы оценки массы нефтепродуктов в накопительных и передвижных емкостях.

1.3. Влияние внешних и технологических условий на оценку объема нефтепродуктов.

1.4. Особенности выгрузки остатка нефтепродуктов из железнодорожных цистерн.

Выводы.

РАЗДЕЛ 2. Исследование статистического модели акустической диагностики при оценке объема нефтепродуктов в стационарных резервуарах.

2.1. Обоснование статистической модели измерений объема нефтепродуктов в резервуарах.

2.2. Особенности измерений объема нефтепродуктов с использованием статистической модели.

2.3. О возможности акустической диагностики по одномерной нормализации формулы Ф.Морза.

2.4. Разработка системы дистанционной мониторизации объема нефтепродуктов и шлама в стационарных резервуарах.

Выводы.

РАЗДЕЛ 3. Импедансная модель анализа остатка нефтепродуктов.

3.1. Возможности использования импедансной модели на границе раздела воздуха и нефтепродукта в замкнутых объемах.

3.2. Прогнозирование объема нефтепродуктов на основе импедансной модели.

L ViVlllV^pCH^ ртшл П D\w/J~/^/JfJLJfJL Г1СА J^WOJ' JlDiUiDl ,£Д,Г±С4.1 nUl/ L зание звукового поля на собственных частотах модели

Золновая оценка объема нефтепродукта в резервуарах вукового поля методом акустического моделирования в облас частот.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 резервуарах; ограничение времени выгрузи, регламентируемого расписанием, независимо от марки нефтепродукта и массы его твердого остатка в железнодорожных цистернах; сокращение количества штрафных санкций со стороны нефтеперегонных заводов и управлений железной дороги за неполную выгрузку нефтепродукта из железнодорожных цистерн; уменьшение 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 резервуаров -железнодорожных 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) авто- и 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°С 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 авто- и 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

Заключение диссертации по теме «Акустические приборы и системы», Колыхалин, Виталий Михайлович

Основные результаты работы состоят в следующем: 1. В диссертации исследованы существующие и предлагаемые методы контроля объема нефтепродуктов накопительных, буферных стационарных резервуарах и передвижных средств авто- и 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 авто- и 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°С. 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 диапазоне; предложен 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 <Af 3,15-Ю3 где S и V - соответственно, свободный воздушный объем и площадь ограничивающих поверхностей цилиндрической цистерны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колыхалин, Виталий Михайлович, 2008 год

1. Топчаев В.П., Гавриш А.В.и Кондратьев П.Н. Способ контроля уровня жидких и сыпучих сред. Ав. Св-во СССР №799346, Кл-GOl F 23/28 от 30. 06. 92. Бюл.№24.

2. Бендицкий А.А., МаевР.Г. Устройство для измерения расстояния до различных точек поверхности объекта. Патент № 2139497, Kn.G01S15 от 01.10.99г. Бюл.№42.

3. Тихоступ М.Т. Способ определения свободного объема в емкости и устройство для его реализации. Патент №2131590, Кл. G01F23/28 от 10.06.1999. Бюл.№47.

4. Бреховский Л.М. Пределы применимости некоторых приближенных методов, употребляемых в акустике. -М.: УНФ, 1947, т. 32, №4.

5. Никифоров А.С. Акустическое проектирование судовых конструкций. Справочник. — Л.: Судостроение, 1990.

6. Мунин А.Г., Квитка В.Б. Авиационная акустика. М.: Машиностроение, 1973.

7. Клюкин И.И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах. Л.: Судостроение, 1991.

8. Кречмер С.И. Исследование микропульсаций температурного поля в атмосфере.-М.: ДАН СССР,84.1,1952.

9. Повх И.JI. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. M.-JL: Машгиз, 1959.

10. Справочник по технической акустике: Пер. с нем./Под ред. М. Хекла и X. Мюллера. JL: Судостроение, 1980.

11. Снижение шума в зданиях и жилых районах / Г. JI. Осипов и др.; Под ред. Г. JI. Осипова, Е.Я. Юдина. М.: Стройиздат, 1987.

12. Ингерслев Ф. Акустика в современной строительной практике / Пер. англ., под ред. И. Г. Дрейзена. — М.: Гос. изд-во лит-ры по строительству и архитектуре, 1957.

13. Павлов Б.В. Акустическая диагностика механизмов. М.: Машиностроение, 1971.

14. Кудашов Н.В., Сахаров Ю.И. Электроакустическая аппаратура систем автоматического контроля и измерений.-М.: Энергия, 1972.

15. Лепендин Л.Ф. Акустика. -.М.: Высшая школа, 1978.

16. Морз Ф. Колебания и звук. М.-Л.: Гос. изд. тех.- теор. лит-ры, 1949.

17. Скучик Е. Основы акустики. Т2. М.: Мир, 1976г.

18. Романов В.Н., Иванов B.C. Излучение звука элементами судовых конструкций. СПб.: Судостроение, 1993.

19. Иванов Н.И. Инженерная экология и экологический менеджмент. М.: Логос, 2003.

20. Белоусов А.А., Вахитов Я.Ш. Виброшумовая активность и акустическая диагностика механизмов и аппаратов. СПб.: изд-во СПИКиТ, 1998.

21. Блохинцев Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды. М.: «Наука», 1981.

22. Bruel P.V. Local Thermal Discomfort. Technical Review, Denmark, 1985. №1.

23. ГОСТ3900-85С.25 Нефтепродукты. Методы анализа. M.: Стандартин-форм, 2006.

24. РомановВ.Н., Иванов B.C. Излучение звука элементами судовых конструкций. С.-Пб.: Судостроение, 1993.

25. Кане А.Б. Борьба с шумом всасывания дизелей. — JL: Машиностроение, 1969.

26. Давыдов В.В. Акустика помещений. СПб.: изд-во СПбУКиТ, 1998.

27. Харкевич А.А. Избранные труды. Т.З (Теория информации). М.: Наука, 1973.

28. Фурдуев В.В. Электроакустика. M.-JL: Гос. изд.тех.-теор.лит-ры, 1948.

29. Вахитов Я.Ш. Теоретические основы электроакустики и электроакустическая аппаратура. -М.: Искусство, 1982.

30. Беранек Л.Л. Акустические измерения. М.: Иностр. Лит-ра, 1952.

31. Щевьев Ю.П. Физические основы архитектурно-строительной акустики.- СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 2001.

32. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика, 4 т. М.: Наука, 1988.

33. Bruel P.V. Reverberation at Low Frequencies. Technical Review, Denmark, 1978, №4.

34. Галицейский Б.М., Рыжов Ю.А. и др. Тепловые и гидродинамические процессы в колеблющихся потоках. М.: Машиностроение, 1977.

35. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1988.

36. Некрасов Б.Б. Гидравлика и ее применение на летательных аппаратах. -М.: машиностроение, 1967.

37. Анерт В., Стеффен Ф. Техника звукоусиления. М.: Изд-во "Леруша", 2003.

38. Кравчун П.Н. Генерация и методы снижения шума и звуковой вибрации.- М.: Изд -.во МГУ,. 1991.

39. Анерт В., Райхардт В. Основы техники звукоусиления / Пер. с нем. -М.: Радио и связь, 1984.

40. Сапожков М.А. Электроакустика. Учебник для вузов. — М.: Связь, 1978.

41. Исаакович М.А. Общая акустика. — М.: Наука, 1973.

42. Горбатов А.А., Рудашевский Г.Е. Акустические методы измерения расстояний и управления. М.: Энергия, 1981.

43. Контюри JI. Акустика в строительстве / Пер. с франц., Под ред. В. В. Фурдуева. М.: Гос. изд-во лит-ры по строительству и архитектуре и строительным материалам, 1960.т20 февраля 2007 г. г. Санкт Петербург1. АКТ Ni

44. Технологические параметры работающих механизмов устанавливалисьодинаковыми для одновременной выгрузки 18 цистерн при температуре окружающей среды Т= 12 °С.

45. Время выгрузки 9 цистерн при использовании УНС составило 9 часов 20 минут. Время выгрузки 9 цистерн при дополнительном использовании верхнего размыва, т.е. при совместной работе УВС и УНС, составило 6 часов 30 минут.

46. ООО «Нефтехимсервис» г. Санкт-Петербург

47. Механик ООО «Нефтехимсервис» г. Санк

48. Начальник смены СП ЗАО «Петербургский нефтянойг^р^щшд^1. Неганов С.Ю.енькин Д.А.1. Колыхалин В.М.1. J^21 декабря 2007г.г. Санкт-Петербург1. АКТ №2

49. Годовой экономический эффект от внедрения по данному предприятию:а) ожидаемый результаты разработки ;б) фактический впервые внедряется подобный способ диагностики для передвижных емкостей автотранспорта.1. Управляющий филиалом '

50. ООО «Нефтехимсервис» г. Санкт-Петербург ^^^^^^л^^Неганов С.Ю.§ (^ефтехим- )I ill \\ ервшг /<? *//1. Механик

51. ООО «Нефтехимсервис» г. Санкт-Петербург Сенькин Д.А.