Применение метода совокупно-косвенных измерений массы нефтепродуктов при мониторинге параметров резервуарных парков

клеймо Государственной метрологической службы или соответствующую отметку в паспорте.

В соответствии с межгосударственным стандартом [1] приняты следующие основные определения:

• -    учетная операция – операция, проводимая поставщиком и потребителем или сдающей и принимающей сторонами, заключающаяся в определении массы продукта для последующих расчетов, при инвентаризации и арбитраже;

• -    масса брутто товарной нефти – масса товарной нефти, показатели качества которой соответствуют требованиям ГОСТ Р 51858;

• -    масса балласта – общая масса воды, солей и механических примесей в товарной нефти;

• -    масса нетто товарной нефти – разность массы брутто товарной нефти и массы балласта.

Существуют следующие методики выполнения измерений массы нефти и нефтепродуктов:

• -    прямой метод динамических измерений;

• -    косвенный метод динамических измерений;

• -    прямой метод статических измерений;

• -    косвенный метод статических измерений;

• -    косвенный метод, основанный на гидростатическом принципе.

Прямой метод динамических измерений заключается в непосредственном измерении массы продукта с помощью массомера в трубопроводе.

Косвенный метод динамических измерений заключается в определении массы продукта по результатам следующих измерений в трубопроводе:

• а)    плотности с помощью поточных преобразователей плотности, давления и температуры;

• б)    объема продукта с помощью преобразователей расхода, давления и температуры или счетчиков жидкости [1].

Результаты измерений плотности и объема продукта приводят к стандартным условиям или результат измерений плотности продукта приводят к условиям измерений его объема.

Прямой метод статических измерений заключается в определении массы продукта по результатам взвешивания на весах.

Косвенный метод статических измерений заключается в определении массы продукта по результатам следующих измерений:

• а ) в мерах вместимости (под мерой вместимости подразумевается средство измерений объема продукта, имеющее свидетельство о поверке и утвержденную градуировочную таблицу):

• -    уровня продукта – стационарным уровнемером или какими-либо другими средствами измерений уровня жидкости;

• -    плотности продукта – переносным или стационарным средством измерений плотности или ареометром по ГОСТ 3900, ГОСТ 31072 или лабораторным плотномером в объединенной пробе, составленной из точечных проб, отобранных по ГОСТ 2517;

• -    температуры продукта – термометром в точечных пробах или с помощью переносного или стационарного преобразователя температуры;

• -    объема продукта – по калибровочной таблице меры вместимости с использованием результата измерений уровня продукта;

• б ) в мерах полной вместимости (под мерой полной вместимости подразумевается средство измерений объема продукта, имеющее свидетельство о поверке и оснащенное указателем уровня наполнения):

• -    плотности продукта – переносным средством измерений плотности или ареометром в лаборатории по ГОСТ 3900, ГОСТ 31072 или лабораторным плотномером в точечной пробе продукта, отобранной по ГОСТ 2517;

• -    температуры продукта – переносным преобразователем температуры или термометром в точечной пробе продукта, отобранной по ГОСТ 2517;

• -    объема продукта, принятого равным действительной вместимости меры, значение которой нанесено на маркировочную табличку и указано в свидетельстве о поверке, с учетом изменения уровня продукта относительно указателя уровня.

Косвенный метод, основанный на гидростатическом принципе, заключается в определении массы продукта в мерах вместимости по результатам измерений:

• -    гидростатического давления столба продукта – стационарным измерителем гидростатического давления;

• -    уровня продукта – переносным или другим средством измерений уровня.

В соответствии с требованиями ГОСТ 8.587-

2006 предел допускаемой относительной погрешности измерений массы брутто товарной нефти и массы нефтепродукта при косвенном методе статических измерений продукта массой до 120 т должен составлять 0,65%, а при и измерении продукта массой свыше 120 т – 0,5% [1].

Недостатком существующих методик выполнения измерений является присутствие погрешности, обусловленной тем, что вычисления конечного результата производятся по алгоритмам, не учитывающим в полной мере взаимосвязи плотности, температуры, вязкости, уровня подтоварной жидкости (балласта) с массой товарного продукта при изменяющихся внешних и внутренних условиях.

Авторами настоящей статьи предложен новый метод измерения массы жидкости в резервуаре. Метод заключается в определении искомой массы исходя из параметров, характеризующих физико-химические характеристики хранимой жидкости (уровень, температуру, градиент температур, плотность, вязкость, уровень подтоварной жидкости и другие специфические параметры), величины которых передаются в базовый блок соответствующего резервуара, связанный информационным каналом передачи данных с центральным устройством обработки информации. Совокупность физико-химических параметров, соответствующих определённым порциям жидкости с заведомо известными массами, измеряется в процессе калибровки, а значения этих параметров запоминаются в центральном устройстве обработки.

Зависимость массы М контролируемого товарного продукта и совокупности измеряемых влияющих параметров, таких как уровень контролируемой и подтоварной жидкостей, их плотность, вязкость, температура, градиент температур по глубине, диэлектрическая проницаемость и другие, которые можно оперативно измерить известной датчиковой аппаратурой, может быть представлена в виде выражения:

Авторами был разработан алгоритм проведения измерений, с учетом того, что любой измерительный процесс кроме сбора и обработки информации по определению также подразумевает и операцию калибровки по эталонам.

Сущность алгоритма состоит в том, что для нахождения функции преобразования при неизвестной функции F составляется калибровочная модель процесса измерения. Для этого в резервуар i раз поэтапно наливают количество жидкости известной массы Мi , измеряют соответствующую ей совокупность контролируемых физико-химических параметров qk,i, где k– номер измеряемого параметра (k=1…m), i– номер калибровочного замера (i=1…n), значения которых запоминаются в центральном устройстве обработки. Количество эталонных замеров n должно быть не меньше числа контролируемых параметров m , то есть n > m.

Пусть имеется n калибровочных наливов жидкости с известными значениями массы М ₁ , …M_i ,… M_n . При этом следует помнить, что М_i=М_{i- 1} + Д M , где Д М – фиксированное приращение массы на каждом этапе калибровки. При каждом наливе контролируются совокупность параметров мониторинга резервуара q_k,i . Отметим, что при каждом очередном наливе физико-химические параметры жидкости будут меняться, так как процесс налива при больших объемах резервуара длительный, то будет меняться температура Т , и, соответственно, плотность с и вязкость з основного и подтоварного продуктов.

При построении калибровочной модели для произвольных значений измеряемых параметров всегда можно подобрать такие нормирующие коэффициенты b_k , что будут выполняться равенства:

	q 1,1 .	.. q k ,1 .	.. qn ,1		q 1,1 .	.. M 1.	.. qn ,1
где A =	q 1, .	.. q k , ..	. q n ,	, A b k =	q 1, .	.. M .	.. q n ,
	q 1, n .	.. q k , n	... q n , n		q 1, n .	.. M n	... q n , n

Учитывая независимость получения измерительной информации и возможность варьирования сигналов датчиков всегда можно исключить равенство нулю главного определителя в заданном диапазоне измерения.

Вычисленные таким образом коэффициенты b_k запоминаются в устройстве обработки и используются в дальнейшем в процедуре измерения. В процессе определения массы контролируемой жидкости измеряются параметры мониторинга q_k,Х , а неизвестная масса нефтепродукта может быть определена по формуле (5):

m

M i = b i q_v ⁺ ... ⁺ bq ,1 ⁺ ... ⁺ b „ q „ ,1 = E bq ,1

k = 1

M = b 1 q 1, , + ... + bkqk , , + ..	• + bm q m i	m = E b k q k, k = 1
Mm = b 1 q 1, m + ... + bkq^ m + •	.. + b q mm , m	m = E b k q k , m k = 1

m

M = b.q. + ... + bq, + ... + b q = У b,q, n     11, n ... kk , n ... mm , n         kk , n .

k = 1

Система (2) имеет n уравнений для m неизвестных b_k . Так как число эталонных замеров всегда можно сделать больше числа контролируемых параметров n ? m , то из данной системы всегда можно выбрать достаточное количество уравнений, из которых можно найти коэффициенты b_k . Желательно, чтобы выбранные для совместного решения уравнения по возможности охватывали больший диапазон контролируемых параметров. Решение этой системы дает совокупность коэффициентов b_k , которые в средневзвешенной форме определяют искомый показатель качества. Система (2) имеет единственное решение, если главный определитель отличен от нуля. Решением этого уравнения является соотношение

m

М X = ^b 1 q 1, X ⁺ ••• ⁺ b k q k , X ⁺ ••• ^{+ b}m q m , X = E ^Ь Л ,X ’ (4) k = 1

возможность применения которой обусловлена системой (2). Выражение (5) составляет в общем виде математическую модель измерительного процесса определения массы товарной жидкости по калибровочной модели и является конкретной формой реализации обобщенной функции преобразования (1).

При любых значениях mink,i искомое значение находится в интервале М_min<М_x<М_max , что полностью подпадает под определение измерительного процесса, как фактора уменьшения неопределенности. Доказано, что при любом количестве калибровочных отсчетов, равных числу используемых для мониторинга резервуара параметров, искомый параметр будет находиться в интервале M_min ^ M_max. Таким образом, предложенный метод измерений не требует точного знания функции, связывающей искомую массу жидкости с измеряемыми косвенными параметрами. Он предполагает создание математической модели в процессе калибровки. Чем больше параметров мы измеряем, и чем больше число калибровочных отсчетов, тем выше точность измерений [2].

Рассмотрим вариант измерение массы товарного продукта в резервуаре при условии контроля трех изменяющихся параметров: уровня заполнения резервуара, плотности и температуры продукта. Измерение уровня может быть проведено согласно [3]. Тогда неизвестная масса продукта будет измеряться согласно формуле:

M Y = b H v + b pY + b-, TY,      (5)

X 1 X 2 X 3X где коэффициенты bk по формуле (3) с определителями

b

k

A b k

A ’

A =

H 1

H 2

H 3

P 1

^P 2

P 3

T 1

I

T

M 1

A b 1 = M 2

M 3

P ₁

P ₂

P ₃

T 1

T 2

T 3

	H 1	M 1	T 1		H 1	Р 1	M 1
л ь 2 =	H 2	M 2	T 2	л ь 3 =	H 2	Р 2	M 2
	H 3	M 3	T 3	, ,	H 3	Р з	M 3

Важно, что при проведении измерений для каждого отсчета должны выбираться максимально близкие по значению точки из памяти калибровочной модели. Только в таком случае, возможно получить высокие по точности данные. Погрешность будет расти в зависимости от того, насколько далеко от измеряемого параметра находятся отсчета калибровочной модели.

Пример. Были проведены экспериментальные исследования в рамках подтверждения разработанной теории. Были проведены измерения массы товарного продукта – дизельного топлива на танкере IMO7611212 класса река-море. Данные приведены в табл. 1.

ния калибровочной таблицы учесть этот фактор не предоставляется возможности, в силу измерения температуры окружающей среды и продукты за все время проведения процедуры калибровки.

Предлагаемый метод измерения массы товарных продуктов позволяет значительно повысить точность измерений и, следовательно, качество учётных операций, в частности может быть эффективно использован для оперативного определения массы нефтепродуктов в резервуарах по различным параметрам, косвенно связанным с искомой величиной при изменяющихся условиях внешней и внутренней среды, а также предупредить факты перелива/недолива и кражи продукта из резервуарных парков.

Исследования выполнены при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации

Таблица 1. Пример производимых измерений согласно разработанному методу

Данные калибровочной модели				Измерение
Н, м	ρ, кг/м3	Т, град С	М, кг
H 1 =0.10	ρ1=860	T 1 =25.1	M 1 =1832	H =0.14 x
H 2 =0.13	ρ2=860	T 2 =25.2	M 2 =2460	ρx=860
H 3 =0.15	ρ3=860	T 3 =25.1	M 3 =2898	T x =25.1

При измерении, характеризующемся параметрами, приведенными в столбце “Измерение”, из памяти калибровочной модели были взяты данные, приведенные в первых трех столбцах. В результате применения разработанного метода измерения массы, было получено значение Mx=2685 кг. После анализа имеющейся калибровочной таблицы было установлено, что разработанный метод дает более точный результат в определении массы, чем использование заранее подготовленной калибровочной таблицы, в силу того, что дает возможность учесть быстроменяющиеся факторы, в данном примере – температуру (по калибровочной таблице Mx=2674 кг). На практике примене-