Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Державний університет "Львівська політехніка"
На правах рукопису
УДК 536.5:534-8
Буняк Любомир Костянтинович
Контроль температурного режиму транспортування нафти в магістральних трубопроводах з метою підвищення точності комерційного обліку
Спеціальність 05.11.04- прилади та методи вимірювання
теплових величин
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
ЛЬВІВ -- 2000
Дисертацією є рукопис
Робота виконана у Державному університеті "Львівська політехніка" і в Державному акціонерному товаристві "Магістральні нафтопроводи "Дружба"
Науковий керівник - доктор технічних наук, професор, Заслужений винахідник України, завідувач кафедри "Інформаційно-вимірювальна техніка" Державного університету "Львівська політехніка"
Стадник Богдан Іванович
Офіційні опоненти :
Провідна організація –Державний науково-дослідний інститут “Система” (м. Львів), науково-дослідний відділ розроблення науково-методичних, технічних та організаційних засад метрологічної атестації ВІС та АСКТП
Захист відбудеться 26 травня 2000 р. о 14 год. в ауд.226 головного корпусу на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.052.08 у Державному університеті "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул.С.Бандери, 12).
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Державного університету "Львівська політехніка" (79013, Львів-13, вул.Професорська,1).
Автореферат розісланий 26 квітня 2000 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, д.т.н., с.н.с. Луцик Я.Т.
Загальна характеристика роботи
Актуальність проблеми. Важливість та необхідність температурних вимірювань для розвитку таких галузей народного господарства, як енергетика, металургія, нафтова, газова та нафтохімічна промисловість, підтверджується зміщенням акцентів на науково-дослідні та дослідницько-конструкторські роботи, що спрямовані на покращення параметрів відомих та створення нових засобів вимірювання. Точність та надійність вимірювань температури визначає якісні параметри технологічних процесів та забезпечує гарантовану інтерпретацію остаточних результатів.
Незважаючи на широку номенклатуру приладів, які випускаються серійно, не завжди вдається в повній мірі задовільнити всі вимоги, які висуває сучасна промисловість, зокрема, нафтогазовий комплекс. Це пов'язано з ускладненням умов експлуатації, необхідністю покращення температурного контролю технологічних процесів, підвищенням вимог до питань безпеки та ін. Що стосується магістральних трубопроводів, як з’єднувальної ланки районів видобутку нафти з районами їх переробки та споживання, то вони відносяться до категорії винятково відповідальних інженерних споруд, від нормальної роботи яких залежить діяльність багатьох галузей народного господарства в Україні, а якщо питання стосується транзитних поставок, то і багатьох країн. Матеріальні втрати при аварії трубопроводу можуть бути дуже великі. Одночасно із втратою великої кількості нафти, нафтопродуктів та газу створюється реальна небезпека довкіллю. Тому питання контролювання стану трубопроводу і обліку нафти при її транспортуванні є актуальне, оскільки визначає стан техногенної і економічної безпеки держави. Треба зазначити, що при створенні інформаційно-вимірювальних систем контролю параметрів трубопроводів гостро стоїть питання вірогідності отриманої інформації, тому що її перевірка в більшості випадків ускладнена необхідністю прямого доступу до трубопроводу, а це тягне за собою певні матеріальні витрати.
Окрім того, треба зважати на певні фізичні особливості нафти, яка видобувається в Карпатському регіоні. Наприклад, транспортування нафти Долинського родовища виконується з попереднім підігріванням в зв’язку з тим, що вона містить значну частку густих фракцій і застигає при температурах нижчих від 16С. Порушення температурного режиму транспортування цієї нафти може зумовити повне блокування нафтопроводу і, як наслідок, значні економічні збитки.
Один з напрямків розвязання проблеми неперервного контролювання параметрів нафтопроводів –це застосування ультразвукових (УЗ) методів вимірювання, які грунтуються на використанні температурної залежності параметрів поширення акустичного сигналу в нафті.
Стосовно таких обєктів, як магістральні трубопроводи, можна зазначити такі переваги УЗ засобів вимірювання температури, як:
До загальних переваг УЗ приладів можна віднести високу швидкодію, малу потужність споживання, високі стабільність характеристик, роздільну здатність і точність. До недоліків можна віднести те, що результат окремого вимірювання є інтегральною характеристикою вздовж шляху поширення сигналу, необхідність в багатьох випадках знань про акустичні характеристики компонентів тракту поширення сигналу, зростання загасання сигналу із зростанням частоти. В той же час зазначимо, що перший недолік можна усунути застосуванням томографічних методів, а температурна залежність швидкості поширення УЗ в більшості нафт і нафтопродуктів є близька до лінійної, що полегшує прогнозування характеристик при наявному постійному контролюванні температури. Розкид значень швидкості поширення УЗ для нафт може складати за даними різних досліджень 1352......1390 м/с при 20 С. Температурний коефіцієнт швидкості коливається в межах від мінус 2,9 до мінус 4,1 м/(сК). Нафта та нафтопродукти чітко відрізняються за швидкістю поширення УЗ, зокрема, мінімальними значеннями характеризуються нафти малої в'язкості та зимові види дизельного палива, максимальними - нафтомастила.
Загальна проблематичність питання створення сучасних конкурентноспроможних УЗ приладів для контролювання температури і витрат в магістральних трубопроводах полягає у відсутності достатнього наукового доробку теоретичних, технологічних та метрологічних основ проектування і структурної побудови таких приладів. Незважаючи на певні успіхи в окремих напрямках, наприклад, в імпульсній акустичній витратометрії і термометрії, платформа для створення універсальних приладів з прогнозованими характеристиками є на даний момент недостатньою. Якщо деякі питання конструювання первинних термоперетворювачів для різних умов експлуатації і можна вважати опрацьованими, то такі проблеми, як вимірювання температури та її розподілу без розгерметизації нафтопроводу, температурна корекція похибки вимірювання витрат з врахуванням нерівномірності температури за перерізом досліджені недостатньо.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційне дослідження безпосередньо пов’язане із планами впровадження нової техніки та передової технології на об’єктах ДАТ "Магістральні нафтопроводи "Дружба" по темі "Використання ультразвукових лічильників для оперативного контролю витрат нафти під час аварійно-відновлювальних робіт" (п.2.9) та у відповідності до "Плану організаційно-технічних заходів по підвищенню надійності та ефективності експлуатації об’єктів ДАТ "Магістральні нафтопроводи "Дружба" на 2000 р." по облаштуванню вузлів обліку нафти нафтоперекачувальних станцій "Броди" та "Карпати" ультразвуковими витратомірами" (п.2.13).
Мета і задачі дослідження. Створення теоретичних, технологічних і метрологічних засад прецизійної температурної корекції для підвищення точності комерційного обліку витрат ультразвуковими приладами при транспортуванні нафти в магістральних трубопроводах.
У відповідності до поставленої мети завданнями досліджень були:
- критичний аналіз існуючих та синтез нових структурних схем імпульсних УЗ приладів для вимірювання температури, її розподілу, а також обліку витрат з підвищеною точністю;
- аналіз шляхів побудови УЗ приладів для неперервного температурного контролювання процесу транспортування нафти в магістральних трубопроводах на основі УЗ томографічних методів і формулювання методології створення таких приладів;
- проведення теоретичних та експериментальних досліджень ряду можливих конструкцій первинних перетворювачів, оптимізування їх характеристик, якісний та кількісний аналіз взаємозв'язків між впливаючими факторами та зміною вихідних параметрів;
- теоретичний аналіз та експериментальна перевірка метрологічних параметрів модифікацій запропонованих приладів і визначення шляхів їх вдосконалення;
- узагальнення отриманих результатів та формулювання рекомендацій щодо виготовлення УЗ приладів для неперервного температурного контролювання процесу транспортування нафти в магістральних трубопроводах на основі УЗ методів.
Наукова новизна одержаних результатів. Основні наукові результати, подані до захисту, полягають в тому, що:
Вірогідність результатів. Вірогідність отриманих результатів обумовлена коректністю виконаних експериментів та розрахунків і підтверджується достатньо доброю збіжністю між результатами теоретичного аналізу та експериментальних досліджень.
Практичне значення одержаних результатів. Результати теоретичних та експериментальних досліджень дозволили вирішити проблему створення приладів для поточного температурного контролю процесу транспортування нафти в магістральних трубопроводах з високими і прогнозованими метрологічними характеристиками, а також забезпечити підвищення точності обліку нафти і нафтопродуктів, зокрема, у Карпатському регіоні.
На основі отриманих теоретичних та експериментальних результатів були створені експериментальні зразки приладів для неперервного температурного контролювання процесу транспортування нафти в магістральних трубопроводах, які пройшли заплановану програму випробувань. За безпосередньої участі автора були сконструйовані та апробовані в лабораторній практиці та промислових умовах новостворені експериментальні зразки приладів.
Теоретичні результати роботи використовуються у навчальному процесі в ДУ"Львівська політехніка" при підготовці студентів за спеціальністю "Метрологія та вимірювальна техніка" в курсах "Первинні вимірювальні перетворювачі", "Основи термометрії", "Неруйнівний контроль".
Особистий внесок здобувача полягає в здійсненні аналізу проблеми температурної компенсації при обліку нафти, плануванні завдань, складанні методик досліджень, авторстві основних ідей досліджеь та прийманні принципових рішень і організації експериментів. Автором теоретично обгрунтовані підходи до процедури температурної компенсації з підвищеною точністю, зокрема із застосуванням методів реконструктивної томографії, виконане математичне моделювання процесів електроакустичного перетворення, проведено низку експериментальних досліджень температурної залежності швидкості поширення УЗ сигналів в нафті карпатських родовищ, запропоновані основні ідеї щодо практичної реалізації запропонованих методів компенсування, розроблено алгоритмічне та програмне забезпечення, за участю автора створені експериментальні зразки приладів з покращеними метрологічними характеристиками.
Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати роботи доповідались і отримали схвалення на 6-ти конференціях, семінарах і симпозіумах, зокрема на науково-практичної конференції “СТРЕС-97” (Партенід, 1997 р.), на ІІІ-й та IV-й міжнародних наукових конференціях "Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини" (Кам'янець-Подільський, 1998 р., Севастополь, 1998 р.), V-й міжнародній конференції "Ядерная энергетика в космосе" (Подольск Моск.обл., 1999 р.), міжнародному симпозіумі "The 7th International Symposium on Temperature and Thermal Measurements in Industry and Science TEMPMEKO ‘" (м.Делфт, Голандія, 1999 р.), міжнародному семінарі "Metody i technika przetwarzania sygnałów w pomiarach fizycznych" (Ćешів, Польща, 1999 р.).
Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 12 робіт, із них одна монографія (у співавторстві), 5 статей у фахових наукових журналах.
Структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків та списку цитованої літератури з 74 найменувань. Обсяг дисертації складає 131 машинописну сторінку (загальний обсяг 142 сторінки). Дисертація містить 57 рисунків та 11 таблиць.
Зміст дисертації
У першому розділі виконано аналіз сучасного стану комерційного обліку нафти і нафтопродуктів. Про важливість цієї проблеми свідчить той факт, що обсяг продажу на світовому ринку приладів для вимірювання витрат складає 41%. Для порівняння зазначимо, що обсяг продажу приладів для вимірювання рівня і тиску складає відповідно 30 і 16%. За прогнозами фірм, зайнятих вивченням попиту споживачів, у найближчі роки темпи річного приросту випуску витратомірів будуть найвищими із зазначених вище груп приладів. У звязку із значним коливанням цін на енергоносії за останній час підвищився попит на витратоміри для діелектричних рідин, зокрема для нафтопродуктів: бензину, гасу, дизельного палива. Для правильного вибору або проектування витратоміра користувачу необхідно враховувати низку таких факторів, як вид вимірюваного середовища, його властивості, метрологічні характеристики приладу, спосіб монтажу, а також економічні аспекти (вартість, надійність). Суттєвим компонентом зменшення похибки обліку витрат нафти є вивчення температурного фактора, важливість якого не можна недооцінювати.
Серед різноманітних методів вимірювання витрат рідин, розподілу її локальних температур, визначення густини, концентрації компонентів та інших параметрів одним із найперспективніших напрямів вважається акустичний метод вимірювання. Зазначимо, що цей метод дозволяє монтування та демонтування первинних перетворювачів із зовнішньої сторони стінки трубопроводу без зупинки технологічного процесу і тому не порушує надійність технологічного устаткування.
На даний час накопичено багато інформації, присвяченої акустичним методам вимірювання температури та витрат, і розроблено гаму УЗ витратомірів різного призначення. В той же час більшість із цих витратомірів мають низку недоліків, які звужують галузі їх застосування. Зокрема, рекомендовано проводити вимірювання в однофазних, акустично прозорих рідинах, що все ж дає похибку більше від 2%. Лише недавно в Англії розроблено витратоміри серії DDF, які визначають витрату рідини з похибкою 2%, та серії DCT - з похибкою 0.5%.
Оскільки температура суттєво впливає на густину, а отже і на об’єм транспортованої нафти, то всі пристрої обліку витрат повинні передбачати в своїй структурі ланку, яка має контролювати температурний режим в зоні вимірювання і забезпечує коригування отриманих результатів щодо обліку витрат в залежності від значення температури (середньої за перерізом або локальних значень). Зауважимо, що через високу в’язкість нафти для точного обліку має значення не тільки середня температура в зоні вимірювання, але й її розподіл за перерізом зони вимірювання. Фактично в цьому випадку може діяти ланцюжок локальних факторів: "зниження температури збільшення в’язкості зменшення швидкості руху". Втім температурній корекції до сьогоднішнього дня не приділялося належної уваги, тому складові похибки через зміни температури є відносно великими. Якщо йде мова про великі обсяги транспортування нафти, то навіть невеликі зміни температури в зоні вимірювань і необлікування цих змін можуть привести до економічних збитків через суттєві розбіжності між реальною кількістю нафти, що була транспортована трубопроводом, та кількістю нафти, яка була зафіксована витратомірами тої чи іншої конструкції. Ще гостріше ця проблема стосується нафти Карпатського регіону, яку для транспортування необхідно попередньо підігрівати, щоб зменшити в’язкість. Неточний температурний контроль в даному випадку може викликати ймовірні негативні наслідки, а саме:
Проведена нами оцінка сучасного стану проблеми показала, що одним з перспективних шляхів розв’язання проблеми є використання широких функціональних можливостей УЗ методів [1]. Оскільки УЗ методи успішно застосовують для вимірювання швидкості руху рідин в трубопроводах, то їх можна застосувати і для температурних вимірювань в тих же трубопроводах.
УЗ вимірювальні прилади мають ряд переваг перед традиційними засобами вимірювання температури, що застосовують термоелектричні та терморезистивні термометри чи пірометри, зокрема забезпечують:
Критичний аналіз існуючих методів вимірювання дозволяє обгрунтовано стверджувати про доцільність застосування і подальшого розвитку імпульсного методу, який грунтується на вимірюванні часового інтервалу, протягом якого УЗ сигнал проходить відому відстань і інтегрально залежить від властивості досліджуваної величини вздовж цього шляху. Важливою перевагою імпульсного методу є можливість практичного застосування томографічного методу побудови полів фізичних величин. Тобто результат безпосереднього вимірювання є певною інтегральною просторовою характеристикою температури нафти. Перехід від такої інтегральної характеристики до розподілу локальних значень можливий тільки при виконанні певних умов. Перш за все –можливість розв'язання "прямої задачі". Тобто за відомим розподілом температури можливе обчислення її інтегральних характеристик, придатних для вимірювання. Наступна умова –можливість розв'язку зворотньої задачі, а саме: наявність алгоритму реконструювання. Вимірювальна інформація про просторовий розподіл величини в технічній системі повинна використовуватися для керування об’єктом, тобто результати реконструкції образу мають отримуватися в режимі близькому до “реального” масштабу часу. І нарешті, достатня для стійкої роботи алгоритму кількість результатів вимірювань часових інтервалів. Просторовий розподіл вимірюваної величини промислового об’єкта переважно невизначений.
Метою наших досліджень було створення системи реконструювання розподілу локальних значень швидкостей УЗ, як основного носія інформації про параметри нафти в трубопроводі. Знаючи такий розподіл, за допомогою функціональних перетворень визначаються шукані параметри та створюються алгоритми визначення розподілу локальних температур та витрат нафти різних сортів з врахуванням градієнта температур.
За залежностями швидкостей УЗ в нафті і нафтопродуктах можна вибрати найраціональніші методи та схеми вимірювань. Оскільки температурна залежність швидкості поширення УЗ для всіх досліджених нафт є лінійною, то це полегшує прогнозування характеристик за умови постійного контролювання температури. Розкид значень швидкості для нафт може становити 1352–м/с при 20°С. Температурний коефіцієнт швидкості коливається в межах від –,9 до –,1 м/(сК).
В другому розділі здійснено моделювання сигналів у компонентах вимірювального акустичного каналу для різних типів електроакустичних перетворювачів, проаналізовано особливості конструювання сенсорів з різних матеріалів та з врахуванням особливостей їх застосування в нафтовій промисловості. За результатами моделювання проаналізовано складові похибки вимірювання, спричинені зміною температури в нафтопроводі.
При застосуванні п‘єзоелектричного перетворювача для дослідження параметрів імпульсів передавача та приймача використовувалась еквівалентна схема заміщення, показана на рис.1. За результатами моделювання для різних умов проходження акустичного сигналу через стінки нафтопроводу були створені математичні моделі сигналів при різних температурах і для різних кутів проходження, які в подальшому порівнювались з формою реальних сигналів (рис.2).
Графічно характер зменшення амплітуди основного сигналу та зростання амплітуди сигналу завади і відповідних спотворень в залежності від умов проходження наведені на рис.3.
Результати досліджень дозволили сформулювати наступні висновки: за результатами аналізу форми прийнятого сигналу можна з достатньою вірогідністю оцінювати якість з’єднання п’єзоперетворювачів із стінкою трубопроводу; для успішного здійснення процедури вимірювання витрат та температури нафти в нафтопроводі значення коефіцієнтів відбивання після встановлення електроакустичних перетворювачів на об’єкті не повинні перевищувати значення 0,1; зміна кута нахилу впливає на амплітуду прийнятого сигналу, а саме: збільшення кута веде до зменшення чутливості приладу, тому значення кута доцільно вибирати в межах 45 … 60.
При номінальній функції перетворення витратоміра фактична функція перетворення УЗ витратоміра описується виразом:
де DT-діаметр трубопроводу; і - середня за площиною перерізу трубопроводу та середня лінійна вздовж УЗ каналу швидкість руху нафти в трубопроводі відповідно; t, t –вимірювані інтервали часу; - кут нахилу УЗ каналу; L- довжина УЗ каналу.
Виходячи з номінальної та фактичної функцій перетворення, ми можемо записати вираз для похибки витрати у вигляді:
де -методична похибка, що зумовлена нерівністю середніх значень за площею та вздовж УЗ каналу швидкостей при зміні профілю швидкості руху нафти; , - складові, що зумовлені похибками вимірювання часових інтервалів ; -складова, що зумовлена похибкою вимірювання і зміною діаметра трубопровода; - складова, що зумовлена похибкою встановлення кута УЗ каналу. При /4 остання складова є нехтуючи малою.
Всі перелічені складові похибки є температурозалежними. Так, нафти відносяться до групи так званих неньютонівських рідин, які характеризуються температурозалежними міжшаровими напруженнями зсуву. Особливо відчутно це проявляється при зменшенні температури в сторону їх застигання. При цьому профіль швидкості їх руху деформується і стає також температурозалежним. Температурозалежними є зміна діаметра трубопроводу, а також швидкість УЗ в нафті.
З метою встановлення кількісного впливу зміни температури на покази УЗ витратоміра були проведені експериментальні дослідження та імітаційне моделювання його роботи. Розглядався діапазон зміни температури нафти від 20С до 70С при діаметрі трубопроводу DT=720 мм і витратах в межах від 200 до 2000 м/год. Кожна складова похибки оцінювалася окремо.
Насамперед була експериментально досліджена температурна залежність швидкості поширення УЗ в нафті (рис.4). Виявилось, що ця залежність добре апроксимується лінійною функцією з початковим значенням V=1455,0418 1455 м/с і крутизною S= –.2551143 3.255 м/(сС) (середньоквадратична похибка апроксимації становила 0.2792447), а саме:
V()=V+S=1455–.255.
Ця залежність використовувалась нами при подальших дослідженнях. За відомими характеристиками сталі, з якої виготовлено трубопровід, оцінювалася складова похибки від температурної зміни діаметра труби. Зазначимо, що оскільки із зростанням температури діаметр трубопроводу зростає і збільшується довжина акустичного каналу, а одночасно швидкість УЗ в нафті зменшується, то ці похибки частково взаємно компенсуються.
Комплексні експериментальні дослідження (вплив зміни геометрії трубопроводу, швидкості УЗ в нафті, вплив зміни її в’язкості) показали, що при зміні температури від 20С до 70С покази УЗ витратоміра зменшуються від 1987 до 1947 м/год (рис.5). В той же час фактична об’ємна витрата зростала від 1988 м/год до 1991 м/год. Таким чином температурозалежна зміна показів УЗ витратоміра є систематичною і сягає значення мінус 44 м/год або –,2% при об’ємній витраті QН=2000 м/год.
Усунення або зменшення впливу температури та її змін на покази витратоміра протягом його експлуатації можна здійснити через виключення температурнозалежних параметрів з функції перетворення, або врахування їх зміни при відомій зміні температури. Якщо реалізація першого є до певної міри проблематичною, то другий шлях цілком досяжний, враховуючи те, що температурна похибка є систематичною. І справді, якщо температура нафти є відомою, то знаючи температурні залежності параметрів витратоміра, які формують його передавальну функцію, можна було б ввести їх разом з температурою до цієї функції і коригувати її одночасно із зміною температури.
Результати моделювання вказують на ефективність використання температурної корекції похибки (рис.6). Видно, що значення цієї складової похибки вдалося зменшити втричі, тобто, до значення –,7%.
Результати досліджень температурної похибки в залежності від значень витрати ілюструє рис.7. Як бачимо, загальний характер похибок від температури до і після корекції при різних витратах залишається практично без змін, лише пропорційно зменшується значення похибки.
Для того, щоб успішно застосовувати описаний вище метод корекції додаткової температурної складової похибки, необхідно оперувати значенням температури нафти. Нами запропонований такий підхід до розв’язання задачі, який дозволяє обійтись без застосування додаткових засобів вимірювання цієї температури, оскільки остання може бути обчислена за результатами вимірювань значень швидкостей поширення УЗ в акустичному каналі на підставі виразу: (тут l –коефіцієнт лінійного розширення матеріалу труби). Встановлено, що вплив похибки УЗ вимірювання температури на похибку обліку нафти в трубопроводі має мультиплікативний характер і не перевищує 0,08%. Обмеження ефективності коригування температурної похибки зумовлене тим, що не враховується просторовий розподіл швидкості нафти в трубопроводі.
Третій розділ присвячений підвищенню точності температурної корекції при допомозі томографічних методів. При транспортуванні нафти трубопроводами великого діаметру та наявному в ньому значному градієнті температур, для додаткового підвищення точності обліку можна скористатися функціональними можливостями УЗ методів і організувати процедуру реконструкції температурного поля в перерізі трубопроводу, збільшивши кількість електроакустичних перетворювачів та забезпечивши акустичне сканування перерізу.
Безпосереднє вимірювання миттєвих значень швидкостей у кожній точці простору є проблематичним. Поряд з тим просто реалізуються вимірювання інтегральної, щодо швидкості, величини –інтервалу часу tS поширення акустичних коливань між передавачем і приймачем, що розміщені на відстані lS. Вимірявши інтервал часу поширення акустичного імпульса в каналі, ми отримуємо інформацію про середнє значення величини W, оберненої до розподілу швидкості (W=1/V) в напрямі поширення коливання:
(1)
де –середня обернена швидкість в напрямку поширення акустичного сигналу.
Для реконструкції температурного поля чи швидкості руху потоку (для розрахунку витрат рідини) здійснюється зворотнє функціональне перетворення величини W(x,y,z):
.
Середня температура нафти с в трубопроводі змінюється в діапазоні від деякої нижньої температури сн до верхньої св. При цьому максимальна нерівномірність температури V(x,y,z)середовища становить певну частку від середньої температури: Vmax= с .Зміна ж швидкості поширення УЗ в нафтопродукті відносно середнього значення навіть при найбільшій нерівномірності температури (=0,5) є набагато меншою за 1. Дійсно, при 2060С, для якого с=40С, зміна Vmax=20C. Тоді для нафти із залежністю виду V=1455 –,255 відношення зміни швидкості менше від 0,05 (5%).
Для таких значень обернена швидкість може бути апроксимована лінійною залежністю:
(2)
Зведена до значення Wc похибка такої лінійної апроксимації (л.а.) не перевищує W,л.а. –(SWV)100%, тобто у вказаному діапазоні температур W,л.а. –,25 %.
В цьому випадку температура складає:
.
Підставивши вираз (2) у співвідношення (1), отримуємо:
де –середнє значення зміни температури середовища на ділянці довжиною lS.
Тобто результати вимірювання інтервалів часу пропорційні до середніх значень зміни температури на відповідних траєкторіях поширення УЗ імпульсів.
Розглядаючи реальний просторовий розподіл температури як тривимірну просторову функцію, з фізичних міркувань можна стверджувати, що ця функція є диференційованою і не має точок розриву 1-го і 2-го роду. Це означає, що обернену швидкість можна апроксимувати у вигляді кратного поліному. Фактично маємо розглядати реконструкцію функції
,
де Сі –невідомі коефіцієнти, а функції i(x,y,z) можуть складатися з поліномів Чебишева, степеневих, тригонометричних чи інших поліномів. Вибір типу поліномів залежить тільки від апріорної інформації про характер температурного розподілу.
Тривалість поширення згаданого сигналу від випромінювача до приймача становитиме:
Для відтворення розподілу температури Θ(x,y,z) вимірюємо певну кількість таких інтервалів в різних напрямках поширення УЗ lSj (рис.8). Кожному результату вимірювання tSj відповідатиме своє рівняння, яке буде відрізнятися від інших напрямком інтегрування lSj. В результаті маємо:
де (xpj , ypj , zpj) i (xkj , ykj , zkj) - відомі координати початкової і кінцевої точок напряму інтегрування lSj, а Рі - первісна функції і(x,y(x),z(x)), aj, bj, cj, dj - легко обчислюються за координатами початку та кінця напряму поширення УЗ.
Для обраних функцій i(x,y,z), тобто для моделі, за якою відновлюється просторовий розподіл W(x,y,z), знайти невідому просторову функцію розподілу означає обчислити вагові коефіцієнти Сі, які визначають, по суті, внесок кожної з функцій і в функцію розподілу.
В останньому рівнянні невідомими є лише коефіцієнти Сі. Це рівняння щодо коефіцієнтів Сі є лінійним, а їх кількість дорівнює N. Для визначення цих коефіцієнтів здійснюється вимірювання певної кількості інтервалів тривалості поширення акустичних коливань в заданих напрямках lS. Значення методичної похибки реконструювання поля за вибраною моделлю визначається кількістю випромінювачів і приймачів та їх взаємним розташуванням. Вимірювання відбувається почергово для кожного випромінювача, сигнал якого реєструється декількома протилежно розташованими приймачами.
Прирівнюючи аналітичні вирази, отримані шляхом інтегрування, до виміряних в тих самих напрямках значень інтервалів часу, отримуємо систему лінійних рівнянь. Розв'язок цієї системи, яким є масив коефіцієнтів поліному, визначає поле миттєвих обернених швидкостей, описаних вибраним поліномом.
В розділі порівнюються апроксимації поля поліномами Чебишева, алгебраїчними і тригонометричними поліномами.
Проаналізовано також можливість відтворення просторового розподілу швидкості потоку рухомого середовища. При цьому інформативним параметром виступає різниця інтервалів тривалості поширення УЗ імпульсів в протилежних напрямках.
Дослідження ефективності реконструювання здійснювалось двома способами: імітаційним моделюванням роботи системи за допомогою спеціально розроблених автором програм та експериментальним дослідженням виготовленого макету.
Імітаційне моделювання забезпечувало не лише перевірку функціонування алгоритмів реконструкції, але й їх стійкість до низки дестабілізуючих факторів, дослідження впливу методичних та експериментальних похибок вимірювальної системи на результат реконструювання.
При натурному експериментальному дослідженні системи тривалості поширення УЗ вимірювались багатоканальним таймером і зберігались в пам`яті периферійної станції. Кожна серія результатів вимірювань через інтерфейс переписувалася в пам`ять комп`ютера.
Реконструювання температурного поля (x,y) та поля швидкостей руху нафти VН(x,y) в обох випадках розв'язувалась за допомогою створених автором алгоритмів та програм.
Аналіз похибок реконструкції розподілу температури та витрати нафти (рис.9) показав, що похибку математичної моделі можна зменшити до потрібного рівня вибором відповідної довжини апроксимаційного ряду. Однак, збільшення кількості членів ряду вимагає збільшення кількості каналів системи, тобто веде до ускладнення системи. Зростає також вплив похибок вимірювання тривалостей поширення та похибки обчислень. Тому потрібно оптимізувати кількість напрямів вимірювань, необхідну для реконструкції певного розподілу. Залежність кількості напрямів від порядку поліномів подано в описах алгоритмів реконструкції .
Експериментальні дослідження підтвердили можливість реконcтруювання розподілу температур за розробленими алгоритмами у нафтах з граничною похибкою до (2…5) К при градієнті температур до 100 К/м.
Для нафти із Карпатських родовищ, яка є в`язкою і акустично непрозорою рідиною, відносна похибка визначення витрат є найбільшою серед всіх досліджуваних нафт. Оскільки ця похибка значною мірою залежить від розподілу температур нафти в трубопроводі, то завдяки застосуванню реконструкції температурного поля за площиною перерізу трубопроводу з похибкою гр=2% й врахуванню залежності значень теплофізичних характеристик нафти від температури було досягнуто прийнятну для нас на даному етапі точність (похибка до 0.5%) визначення витрат нафти. Для отримання стійкого образу розподілу інструментальна відносна похибка вимірювання тривалостей поширення УЗ не повинна перевищувати 0,5%.
Порівняльний аналіз методичних похибок за результатами моделювання процесів реконструкції показав, що якщо досліджуване температурне поле плавне, без стрімких перепадів та виплесків, то при однаковій кількості перетворювачів алгебраїчні поліноми дають кращий результат, ніж тригонометричні.
У четвертому розділі описане експериментальне обладнання, яке застосовувалося у дисертаційних дослідженнях, описані розроблені прилади з температурною компенсацією для прецизійного обліку нафти та розглянуті перспективи створення автоматизованих систем комерційного обліку нафти на нафтопроводах Карпатського регіону. Експериментальні дослідження впливу температурного режиму на результати обліку витрат проводилися на експериментальній базі ДАТ "Магістральні нафтопроводи "Дружба" (м.Львів) і на нафтопомпувальній станції у м.Дрогобич із використанням компонентів реально діючих систем помпування нафти. Зокрема, проводилося дослідження кореляції між середнім значенням температури в трубопроводі та похибкою вимірювання витрат. Нагрівання нафти в трубопроводі забезпечувалося паровим теплообмінником. Контролювання температури в трубопроводі здійснювався за допомогою занурених в нафту термометрів термоелектричних. На зовнішній стінці трубопроводу закріплювалися групи електроакустичних перетворювачів.
Структурна схема одного каналу приладу, який було створено за результатами досліджень, показана на рис.10. Для забезпечення необхідної точності вимірювання тривалості поширення УЗ схема формування вимірювальних інтервалів здійснює перетворення вимірюваного інтервалу часу t у два часових інтервали tі tт (“час грубо” і “час точно”). На основі розробленої структурної схеми приладу була розроблена та розрахована принципова схема, виготовлено дослідний зразок приладу (рис.11). За результатами наших досліджень запропонована ефективніша схема керування процесом транспортування нафти із застосуванням розробленого приладу для вимірювання витрат і температури (рис.12).
При цьому неперервність процесу транспортування нафти не порушується, забезпечується вища точність обліку та уникнення закупорювань. Володіючи оперативною інформацією про температуру нафти на виході трубопроводу можна оптимізувати режим нагрівання нафти на початковій ділянці трубопроводу. Такі заходи зменшують енерговитрати та запобігають аваріям на трубопроводі через закупорювання від застигання нафти.
Висновки
Список опублікованих праць за темою дисертації:
Буняк Л.К. - Контроль температурного режиму транспортування нафти в магістральних трубопроводах з метою підвищення точності комерційного обліку. Рукопис.
Дисертація у вигляді рукопису на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за специальністю 05.11.04- прилади та методи вимірювання теплових величин, Державний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2000.
Дисертація присвячена створенню теоретичних, технологічних і метрологічних засад прецизійної температурної корекції для підвищення точності комерційного обліку витрат ультразвуковими приладами при транспортуванні нафти в магістральних трубопроводах. Представлені результати комплексу теоретичних та експериментальних досліджень з математичного моделювання, розрахунках характеристик та вибору матеріалів перетворювачів. Розроблена методика та схемна реалізація ультразвукового контролювання просторового розподілу температурозалежних параметрів нафти в магістральних трубопроводах для підвищення точності її обліку. Вдосконалено алгоритми опрацювання результатів вимірювань часових інтервалів з декількох ультразвукових каналів, які забезпечують врахування просторових змін температури і швидкості руху нафти, підвищити точність її обліку. Викладені принципи метрологічної атестації розроблених приладів. Створені експериментальні зразки приладів для вимірювань температури та витрат импульсним методом з підвищеною точністю.
Ключові слова: температура, вимірювання, термометр, нафтопровід, витрати, витратомір, ультразвук, акустичний
Буняк Л.К. - Контроль температурного режима транспортирования нефти в магистральных трубопроводах з целью повышения точности коммерческого учета. Рукопись.
Диссертация в виде рукописи на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.04-приборы и методы измерения тепловых величин, Государственный университет “Львівська політехніка”, Львов, 2000.
Диссертация посвящена созданию теоретических, технологических и метрологических принципов прецизионной температурной коррекции для повышения точности коммерческого учёта расхода ультразвуковыми приборами при транспортировке нефти в магистральных трубопроводах.
Выполнен критический анализ путей построения приборов для коммерческого учёта транспортировки нефти в магистральных трубопроводах на основе ультразвуковых методов температурной коррекции, анализ структурных схем импульсных ультразвуковых приборов для паралельного измерения температуры, оценки её пространственного распределения, на основании чего установлено, что наилучшие характеристики по параметрам расхода можна обеспечить с использованием ультразвуковых методов измерения.
Представлены результаты комплекса теоретических и експериментальных исследований по математическому моделированию, расчету характеристик и выбору материалов преобразователей. Проведены модельные эксперименты по исследованию различных конструкций первичных преобразователей, осуществлён качественный и количественный анализ взаимосвязи между факторами влияния и изменениями выходных параметров.
Исследованы вопросы построения оптимальных структур расходомеров и алгоритмов обработки измерительных сигналов с оценкой ожидаемых погрешностей, выбором элементной базы, разработаны принципы построения и схемной реализации температурной коррекции расходомеров.
Разработана методика и схемная реализация ультразвукового контроля пространственного распределения температурозависимых параметров нефти в магистральных трубопроводах для повышения точности её учёта. Разработаны алгоритмы реконструкции пространственного распределения величины, обратной фазовой скорости акустических колебаний в нефти кратными полиномами по результатам измерений времени распространения акустических импульсов. Проанализированы источники погрешностей реконструкции температурного поля и расчёта расхода нефти.
Установлено, что доминирующими составляющими являются методическая погрешность аппроксимации и инструментальная погрешность измерения временных интервалов. Усовершенствованы алгоритмы обработки результатов измерений временных интервалов в нескольких УЗ каналах, которые обеспечивают учёт пространственных изменений температуры и скорости течения нефти, повысить точность её учёта.
Показано, что при априорной неопределенности локального распределения температуры наименьшие методические погрешности обеспечиваются при использовании полиномов Чебышева. Для получения стойкого образа распределения инструментальная относительная погрешность измерения временных интервалов не должна превышать 0,5%. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что учёт градиента температуры и неоднородности сотава нефти позволяет уменьшить погрешность измерения расхода до уровня не более 0,5%.
Изложены принципы метрологической аттестации приборов. Сконструирована экспериментальная установка для комплексных исследований ультразвуковых расходомеров, которая позволяет оценить составляющие погрешности измерений. Созданы экспериментальные образцы приборов для измерения температуры и расхода импульсным методом с повышенной точностью.
Предложена новая, более современная структура транспортировки нефти из Карпатских залежей, которая обеспечивает более эффективный температурный контроль процесса траспортировки и экономию энергоресурсов.
Ключевые слова: температура, измерения, термометр, нефтепровод, расход, расходомер, ультразвук, акустический
Buniak L.K. - Monitoring of the temperature mode of transportation of petroleum in turnpike pipelines by the purpose of increase of an exactitude of the commercial account (record-keeping). The manuscript.
Thesis as the manuscript on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.11.04-gears and methods of a measurement of thermal magnitudes, State university “Lviv politechnic”, Lviv, 2000.
The thesis is devoted to creation theoretical, technological and metrological principles of the precision temperature correction for the exactitude increase to the transportation in turnpike pipelines petroleum expenditure records commercial keeping by the ultrasonic devices. The complex theoretical and mathematical simulation experimental researches, the main characteristics calculation and the transducers materials choice are represented. The temperature depending space distribution petroleum parameters ultrasonic monitoring methodology and ingeneering circuts realization in turnpike pipelines are proposed due to the record keeping accuracy increasing.
The combine several ultrasonic channels time interval measurement results processing algorithms which allow to take into account the space temperature and petroleum flow rate for the petroleum expediture exactitude fluctuations increasing are represented.
The ultrasonic device metrology certification principles are stated. Experimental impulse method ultrasonic temperature and expediture measuring devices with the increased precision are created.
Key word: temperature, measurements, thermometer, oil pipeline, cost, flowmeter, ultrasound, acoustic