автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.06, диссертация на тему:Акустическая диагностика остатков нефтепродуктов в накопительных резервуарах

Колыхалин Виталий Михайлович

АКУСТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ОСТАТКОВ НЕФТЕПРОДУКТОВ В НАКОПИТЕЛЬНЫХ РЕЗЕРВУАРАХ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность: 05.11.06 «Акустические приборы и системы»

Санкт-Петербург 2008

□□3451534

003451534

Работа- выполнена на кафедре акустики государственного университета кино и телевидения.

Санкт-Петербургского

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Давыдов Владимир Вениаминович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки РФ Иванов Николай Игоревич; - кандидат физико-математических наук, с.н.с. : Филлипенко Георгий Викторович

Ведущая организация - Военная академия тыла и транспорта им. генерала

армии A.B. Хрулева

Защита состоится 13 ноября 2008 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д210.021.01 в Санкт-Петербургском государственном университете кино и телевидения по адресу: 191119, Санкт-Петербург, ул. Правды, д.13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета кино и телевидения.

Автореферат разослан октября 2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К.Ф.Гласман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С увеличением в последние годы объема перевозки нефтепродуктов через морские и речные порты Российской Федерации увеличилось количество перевалочных нефтяных терминалов, ориентированных на выгрузку из. железнодорожных цистерн, хранение и погрузку на танкеры нефтепродуктов различных марок. Рост стоимости нефтепродуктов с одновременным увеличением объема экспорта в страны дальнего и ближнего зарубежья приводит к необходимости повсеместного повышения точности контроля не только качества, но их объема (массы) с различной плотностью в буферных, накопительных и передвижных резервуарах.

Важным фактором экономики отрасли в режимах расширения экспорта, но в условиях дорогостоящей технологии, является прием и очистка льяльных и нефтесодержащих вод с танкеров, а так же в случае аварийных розливов нефтепродуктов. Понятно, что обеспечить надежность, качество, экологическую безопасность перевалки невозможно без эффективной работы очистных сооружений, в том числе: диагностики накопления предельного объема шлама в буферных резервуарах, когда поверхность пароподогревателей покрывается им полностью и теплообмен (а значит и разделение по фракциям обводненного нефтепродукта) практически прекращается. При этом сложность формы шлама, переменная плотность и требования к герметичности резервуара являются основными особенностями, исключающими применение известных методов дистанционной регистрации его объема.

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 таких косвенных 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 накопительные резервуары большой емкости, как правило, обеспечиваются дистанционным мониторингом посредством радиолокационных приборов (радаров), сканирующих уровень плоских поверхностей жидких нефтепродуктов. Здесь, в целом для диагностики объема нефтепродуктов, используется комплексная информация с трех

полевых приборов: многозонного термометра, датчика давления, датчика уровня - радара с непрерывной регистрацией и коррекцией показаний во времени для абсолютных измерений по существу в стабильных условиях эксплуатации с безопасной клапанной герметизацией. Однако, например, для диагностики объемов шлама в буферных резервуарах и при значительных изменениях плотности, влажности, температуры такие системы не пригодны.

Более того, в процессе зафузки и / или разгрузки нефтепродуктов особое значение приобретает временной фактор - экспресс-регистрация (диагностика) номинальных (допустимых) уровней наполнения или слива передвижных средств (танков, цистерн) авто- и железнодорожного транспорта с открытыми смотровыми люками в темное время суток и, особенно, в осенние (весенние) зимние периоды для нефтепродуктов с высокотемпературными пределами (+20...25°С) застывания. Практическое отсутствие в нефтяной индустрии методов и средств дистанционного контроля массы остатка нефтепродуктов вызывает необходимость решения наиболее сложной задачи при выгрузке мазута из цистерн - оценке объема твердого остатка. Обычный визуальный контроль в этом случае приводит к значительным затратам времени и не обеспечивает необходимой точности.

Здесь сложность практической реализации диагностики обусловлена тем, что на точность измерений существенно влияют технологические особенности: 1) повышение температуры нефтепродукта от 0°С до +80°С; 2) внешнее изменение температуры открытых воздушных объемов от -10°С до +40°С, сопровождающееся испарением легких фракций нефтепродуктов и воды (пар); 3) соответствующие изменения плотности нефтепродукта при повышенных и пониженных температурах.

В то же время технические средства, особенно на основе относительных акустических измерений объема (массы) нефтепродуктов по «свободному» воздушному объему путем определения, например, времени реверберации, уровня звукового давления и т. п. с меньшей точностью, чем радарные (линейные), но с нивелированием влияния переменных внешних и внутренних технологических условий. Такие системы меньшей стоимости, не имеющие контактов с нефтепродуктом, либо не разработаны вообще, либо находятся в стадии первоначальных исследований.

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 условий - являются вполне актуальными, особенно с учетом развития нефтяной индустрии и строительства терминалов.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью настоящей работы является исследование, разработка и экспериментальная проверка методов технической диагностики и контроля объемов загрузки и разгрузки

акопительных, буферных и транспортных резервуаров нефтепродуктов на основе фундаментальных теорий акустики в замкнутых объемах.

В связи с этим ставятся 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 (менее 100 м').

На основании решений поставленных задач на защиту выносятся следующие основные положения работы:

1. Результаты сравнительной оценки преимуществ и недостатков известных и предлагаемых методов измерения объема и остатков нефтепродуктов в буферных, накопительных и передвижных резервуарах.

2. Методика наиболее адекватного акустического моделирования звуковых полей в резервуарах, позволяющая прогнозировать и обеспечивать достаточную точность измерения объема и остатка (даже в твердых «фазах») нефтепродуктов в сложных внешних и технологических условиях с меньшими экономическими и временными затратами.

3. Результаты практической реализации предложенных методов акустической диагностики с использованием как искусственных, так и существующих источников акустических сигналов (шума), включая гидромониторы верхнего размыва твердого остатка при пониженных температурах.

Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации.

Все основные научные результаты, представленные в диссертационной работе, получены автором единолично. В совместных публикациях автору принадлежит теоретическая проработка, организация экспериментов и обобщение полученных результатов.

Научная новизна результатов работы определяется:

1) обоснованием и разработкой метода сравнительной оценки (диагностики) объема нефтепродуктов в стационарных буферных и накопительных резервуарах путем статистического моделирования и мониторинга времени реверберации в «свободном» воздушном объеме;

2) обоснованием и разработкой дистанционного метода оценки объема и остатков нефтепродуктов в передвижных резервуарах (цистернах) путем математического и физического моделирования волнового поля

«свободного» воздушного объема и сравнительных измерений в нем спектров уровней звукового давления вынужденных колебаний полудискретных аксиальных и радиально-связанных (тангенциальных) мод в оптимальном низкочастотном интервале Afo.

Практическая значимость работы определяется:

- выявлением основных причин отсутствия дистанционной регистрации объема остатков нефтепродуктов в передвижных средствах авто- и железнодорожного транспорта и шлама в буферных резервуарах;

- разработкой системы дистанционного мониторинга объемов и шламов нефтепродуктов с применением типовой регистрирующей аппаратуры и персональных компьютеров для акустических измерений времени реверберации и уровней звукового давления;

- разработкой физической модели железнодорожной цистерны в масштабе 1:10с водяным гидромонитором;

- разработкой экспресс-регистрации объема нефтепродукта, осуществляемой в железнодорожной цистерне в процессе выгрузки впервые предложенным способом, отличающийся тем, что одновременно осуществляют подачу на1ретого в теплообменнике мазута на поверхность твердого остатка через устройство верхнего размыва.

Результаты диссертационной работы реализованы в:

- использовании экспресс-регистрации объема реагента (противоизносной присадки) в автоконтейнере (объем 25м3) ООО «Нефтехимсервис» при откачке в поток дизельного топлива, выгружаемого из резервуара хранения СП ЗАО «Петербургский нефтяной терминал» на танкер;

- регистрации объема шлама в буферных и накопительных стационарных резервуарах СП ЗАО «Петербургский нефтяной терминал»;

- конструировании и применении на эстакаде слива высоковязкого мазута СП ЗАО «Петербургский нефтяной терминал» устройства верхнего размыва и измерительной установки для оценки объема нефтепродукта.

Апробация работы. Отдельные вопросы и разделы диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: «ELPIT-2005», Тольятти, сентябрь 2005г.; «Evronoise -2006», С-Пб, июнь 2006г.; «ELPIT-2007», Тольятти, сентябрь 2007г.; XXXVI Summer School -Conference «Advanced Problems in Mechanics» St. Petersburg (Repino), July 2008, а также на семинаре Института проблем машиноведения РАН, декабрь 2007г.

Полностью содержание диссертации обсуждалось на заседании кафедры акустики СПбГУКиТ в январе 2008г.

Публикации. По основному содержанию работы опубликовано девять работ, из них доклад в электронном виде на английском языке в материалах международной конференции «Evronoise -2006», статья в сборнике научных трудов- «Самарского научного центра РАН», статья в сборнике научных трудов Тольяттинского государственного

университета, три статьи в сборниках научных трудов СПбГУиКТ (выпуски 17,18, 20), три патента на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, . списка литературы, включающего 49 наименований И 3 приложения - два акта и один протокол. Основной текст содержит 136 страниц с 71 рисунками и 8 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследований, изложена аннотация содержания.

В первом разделе представлен обзор литературных источников и нормативных документов, в котором обобщены сведения о методах измерения объема нефтепродуктов в резервуарах, их сравнительная оценка, имеющая важное значение для дашщх исследований. Кроме того, в этом разделе даны сведения об учете влияния внешних и технологических факторов на точность регистрации объема (массы) нефтепродукта в резервуарах.

Существующая практика ведения конрольно-учетных операций при наполнении, сливе и оценке остатка нефтепродуктов базируется на применении следующих измерительных систем:

1. Линейных - с использованием субъективных отсчетов по метрической поплавковой рулетке или обычной линейке и расчетов объемов жидкого нефтепродукта по калибровочным таблицам.

2. Радиолокационных, основанных на излучении и приеме отраженных электромагнитных колебаний высокой частоты и, соответственно, фиксации линейного расстояния до уровня плоской поверхности нефтепродукта.

3. Звуколокационных, - построенных также на линейных измерениях расстояний до плоских поверхностей, но с использованием ультразвуковых колебаний.

Элементы линейных систем - поплавки, мерные ленты и т. д. для косвенных измерений объема нефтепродуктов в накопительных резервуарах при агрессивном воздействии нефтепродуктов засоряются, подвергаются коррозии, обволакиванию и налипанию, что становится неизбежной причиной возникновения значительной погрешности измерений. Более надежной является обычная градуированная линейка, но с визуальным отсчетом при контроле объема нефтепродуктов в авто- и железнодорожных цистернах до начала и после их вьирузки.

Бесконтактные элементы радио- и звуколокационных систем являются лучшей альтернативой классическим уровнемерам, при работе соприкасаются только с газовой составляющей внутреннего объема резервуара, что существенно повышает надежность измерений и уровень автоматизации. Широкому их внедрению в практику препятствует сложность

и высокая стоимость из-за необходимости постоянной подстройки в процессе измерений по результатам изменений параметров воздуха и нефтепродуктов, правда, в более или менее стабильных и известных технологических условиях в замкнутых резервуарах с достаточной герметизацией и клапанным регулированием атмосферного давления.

Возможное применение звуковой эхо-локации имеет в некоторых случаях ряд преимуществ: сравнительная простота излучения и приема колебаний, компактность приемоизлучающих элементов аппаратуры, высокая устойчивость к химическому и оптическому загрязнению окружающей среды, возможность значительного удаления вторичной аппаратуры от места измерений, простота обслуживания, нечувствительность к электромагнитным помехам. Однако и здесь необходима постоянная подстройка под изменения параметров среды.

В процессе эксплуатации в буферных резервуарах формируется твердый остаток сложной формы и при полной откачке жидкой фазы с целью дальнейшей ее очистки возникает необходимость оценки объема оставшегося шлама. Поэтому при его предельном накоплении, когда установленные на днище пароподогреватели полностью покрываются шламом, теплообмен, а значит и эффективное разделение по фракциям, практически прекращается. Возможно также перекрытие выходного отверстия трубопровода для откачки осветленной воды, т.е. остановка приема нефтесодержащих вод, а значит и производственной деятельности очистных сооружений.

Приборов и методов, регистрирующих объем нефтесодержащего осадка в герметично закрытом резервуаре до настоящего времени не разработано.

Во втором разделе рассматриваются теоретическое и экспериментальное обоснования оценки объемов нефтепродуктов и их шламов в накопительных и буферных резервуарах с использованием статистической теории архитектурной акустики для фиксирования массы нефтепродуктов. В значительном воздушном объеме резервуаров создаются практически идеальные условия диффузного звукового поля, в первую очередь, за. счет чрезвычайно малых коэффициентов звукопоглощения ам поверхности мазута, например, от 8-10"3 (/¡=125Гц) в октавных полосах до 2,5-10"2 (/6=4000Гц) и некоторым средним аш~3-10"2 для стали в стандартном шестиоктавном частотном диапазоне Af=125.....4000 Гц.

Такие условия позволяют с большой точностью определять суммарное эквивалентное звукопоглощение Av-=Acm +АМ , состоящее из переменной части звукопоглощения Асш r-: аст -Scm внутренней (стальной) поверхности Scm , которая зависит от уровня мазута, и практически постоянного звукопоглощения поверхности мазута Ам= SM- ам= jiD2 а JA (где D- диаметр резервуара), вне зависимости от высоты. в одной и той же октавной полосе может быть легко найдено из известной

формулы Сэбина при измеренном времени стандартной реверберации Тр, т.е.

тр=о,]бг/(4т+4). (1)

В соответствии со стандартной методикой измерений (по схеме - рис.1) на самописце (и одновременно на ПК) фиксировался процесс затухания звука и, соответственно, Тр после выключения громкоговорителя, возбуждаемого октавными полосами «розового» шума во всем частотном диапазоне при заполнении резервуара мазутом по высоте {км) 1...5 м от | его дна. Частотные зависимости Тр от уровня мазута представлены в табл.1.

Рис. 1. Схема измерений объема шлама: У - усилитель; ПФ - полосовой фильтр; Г - генератор; Мк - микрофон; Ш - щумомер; Гр -громкоговоритель; ПК - компьютер; Тр - трубопровод для откачки осветленной воды, АС - анализатор спектра

Уровень мазута, км, м Время реверберации Тр в октавных полосах с центральными частотами /ц, Гц

125 250 500 1000 2000 4000

1,0 9,2 17,8 15,2 9,1 с 1 5,3 3,6

2,0 8,8 16,5 14,3 9,0 5,4 3,2

3,0 8,6 15,6 13,1 8,9 5,6 3'2

4,0 8,4 14 7 12,4 8.6 5.3 3,4

я 0 8 >2 13,9 11,5 8,4 5,1 3,3

Таблица 1

Как видно, наиболее определенная зависимость Тр (Им) наблюдается в области средних звуковых частот 250..,500Гц, где в меньшей степени

влияют: затухание звука в воздухе, вязкое трение на стенках и направленность громкоговорителя.

Таким образом, получив частотную (условно «калиброванную» в данный период времени измерения) зависимость времени стандартной реверберации То «чистого» воздушного объема резервуара, мы можем с достаточной точностью (±10%) дистанционно определять объемы нефтепродукта или шлама по результатам измерения времени реверберации Т| в оптимальной полосе частот в зависимости от степени наполнения резервуаров. Нормированная зависимость То/Т; показана на рис.2.

Т„.-'Т| 5 -

4

3

2

300 1GSO 1500 2000 2500 3000 "

Рис.2. Нормированная (относительная) зависимость времени реверберации от величины «свободного» воздушного объема в резервуарах

Такой же по существу измерительный процесс используется и для оценки объема шлама, где его любая конфигурация с достаточно большим эквивалентным звукопоглощением по сравнению с поглощением стальной оболочки четко фиксируется временем реверберации.

Избирательная частотная зависимость коэффициента затухания аксиальных мод в первую очередь определяется коэффициентами звукопоглощения нефтепродукта или шлама, частотные зависимости которых до настоящего времени не были известны. Поэтому для измерения коэффициента звукопоглощения твердого и жидкого мазута (нагретого в пределе до температуры выгрузки из цистерны) прибор «SWA TYPE-4002» («Набор интерференционных труб») использовался в вертикальном положении и фиксировался струбцинами к стойке в камере прослушивания ООО «СБН» в г. Санкт-Петербурге. Результаты измерений показывают, что нормальный коэффициент звукопоглощения жидкого нефтепродукта (мазута марки М-100) при t = 45°С на частоте 250 Гц принимает значение ан = 7x10-3, тогда как при температуре t = 0°С (твердая фракция) и той же частоты он достигает ан = 4,2* 10-2, т. е. примерно в шесть раз больше, чем для жидкой фракции. В целом частотная зависимость ан при t = 45°С представлена на рис.3 (кривая 2).

Здесь же показана частотная зависимость (кривая 1) диффузного коэффициента звукопоглощения этого же мазута при t = 45 °С, требуемой по технологии заполнения стационарных накопительных резервуаров. Данные

значения получены из (1)для октавных полос шума при определении частотных зависимостей времени реверберации от уровня жидкого мазута (таб.1).

1

\

\

г

О 63. 125 250 500 1000 2000 4000 0000 <Хц

Рис.3. Частотная зависимость коэффициентов звукопоглощения: диффузного -1 и нормального - 2

В отмеченной узкой полосе (две октавы) 250...500 Гц с использованием установки по рис.1 измеряют время стандартной реверберации в буферных резервуарах очистки нефтесодержащих вод. Особенностью таких измерений является большее влияние днища резервуара, где после откачивания жидкой фазы проявляется звукопоглощение шлама. Здесь значения объемов осадков определяются по графикам, приведенным на рис.4 и 5 с учетом «калиброванного» по данному резервуару времени реверберации.

покрываемого шламом резервуара

В случае если выступающий над водой шлам перекрывает более 80 % площади (сечения по горизонтали на уровне нижнего среза откачивающей трубы), требуется вывод резервуара из технологического процесса для очистки от осадка.

Таким образом, измеряя время реверберации возможно решить вторую практическую задачу: с точностью ± 10% оценить критический объем

шлама, при котором дальнейшая эксплуатация буферного резервуара очистных сооружений недопустима.

Следует отметить, что сравнительный метод измерения реверберации в практически герметичных объемах стационарных резервуаров исключает постоянную необходимость учитывать изменения температуры, влажности и других параметров воздуха и нефтепродуктов, связанных с технологией процессов наполнения и выгрузки. При этом измерения времени реверберации в одной октавной полосе занимают короткие промежутки времени, а в стандартном частотном диапазоне не превышают 3 мин.

Более того, возникающая неоднородность диффузного ноля стационарных резервуаров в виде неправильных (коротких) цилиндров (0=2Н) формируется «высотными» аксиальными (осевыми) модами средних звуковых частот в зависимости от объема нефтепродукта или шлама. В целом эта осевая неоднородность демпфируется практически однородными потоками более низкочастотных радиальных мод.

Действительно, при возбуждении звукового давления рс(Хс) в

некоторой точке в трехмерной системе координат Хе(г,р,г) от точечного

источника звука с потенциалом скорости колебаний Ч^Х и) в частично заполненном (воздух + мазут или другой нефтепродукт) объеме цилиндрического резервуара с радиусом г = а. Тогда, например, при гармоническом возбуждении, можно написать

^-¿Ьр=ЩХс-Хыу¥и{ 0, (2)

где ХщХс - координаты источника и приемника, Л - оператор Лапласа, А - некоторая постоянная.

Для цилиндра с высотой Н по координате ъ можно выделить поверхности: верхнего торца и боковых стенок стали с граничными условиями

дг >а ' &

и нижнего торца с заполнением нефтепродукта по высоте Ь с комплексным импедансом Ъ поверхности мазута

-£Чг-2и=о (3)

Ф,

дг

-Р дРс

(4)

В случае негармонической (шумовой) зависимости возбуждения источника от времени при расположении его на оси цилиндра (гист. = 0), начиная с времени I = - да и выключение - в момент времени 1 = 0, функция источника определяется следующим соотношением:

О)

шах -

Л | е г<0

О, г>0

где %(&) - спектральная функция источника; й) тм,й) т]п - нижний и

верхний пределы выбранного частотного диапазона. Тогда будем иметь

У ¿1 'I / й)г (I I I ' / / )

(б) (7)

где <у>- 1 V ХШ<» ст 1 ^ ХШ®

1 У^иг)^)^ г 2]а1архЧсо1Чт

спектральные функции падающих и отраженных звуковых волн для каждой моды.

С учетом того, что источник находится на оси г цилиндра, получим выражение для среднего коэффициента затухания аксиальных мод

®

Из выражения (8) следует, что коэффициент затухания зависит от высоты «свободного» воздуха в цилиндре и, следовательно, объема нефтепродукта или шлама, а также от их комплексных импедансов. Следовательно, средний (по торцам цилиндра) коэффициент затухания аксиальных мод оказывается меньше, чем коэффициент затухания радиальных (более низкочастотных) мод круговой оболочки цилиндра. Последнее приводит к избирательному (по частоте) излому временных зависимостей затухания из-за возникновения более медленных реверберационных «хвостов», наблюдаемых на бланках самописца уровней и мониторе компьютера.

В третьем разделе на основе сформулированных требований к внешним и технологическим особенностям выгрузки нефтепродуктов из передвижных емкостей авто- и железнодорожного транспорта анализируется импедансный подход для разработки способа фиксации объема твердого остатка и определяется частотный диапазон зоны диагностики.

Существующий в настоящее время визуальный контроль остатка мазута не дает требуемой точности и, как результат, - большие потери при грузовых операциях.

Акустический способ удобно использовать для контроля состояния слива мазута из железнодорожных цистерн, которые не имеют теплоизоляции как в стационарах, а время их стоянки регламентируется расписанием. Отсутствие последней в зимнее время приводит к застыванию мазута на стенках цистерны в виде достаточно твердого осадка сложной

формы, что вызывает необходимость применения специального технологического процесса.

Акустические колебания в железнодорожной цистерне возбуждаются нижними форсунками гидромонитора, находящимися в жидкой среде (рис.6). Расчет звуковых полей металлической оболочки и поверхности слоя нефтепродукта является сложной задачей в силу того, что при уменьшении объема остатка нефтепродукта от 30% до 1% происходит следующее (для горизонтального цилиндрического резервуара):

а) уменьшение площади погруженных в нефтепродукт стенок оболочки;

б) уменьшение площади поверхности остатка.

Рис.6. Схема выгрузки нефтепродукта и размыва остатка: УНС -устройство нижнего слива

К технологическим особенностям, оказывающим существенное влияние на надежность акустических измерений относятся:

а) повышение температуры нефтепродукта от -5°С до +80°С;

б) изменение температуры воздушного объема цистерны от -10°С (внешняя температура в зимнее время) до +40°С, сопровождающееся испарением легких фракций нефтепродуктов и воды (пар);

в) изменение плотности нефтепродукта при нагреве;

г) сложность анализа акустических колебаний, возбуждаемых стальной оболочкой цистерны, горизонтальной поверхностью нефтепродукта, демпфирующим пружинным устройством колесных пар, потоками жидкой среды. '

Здесь регистрация спектров и соответствующих уровней - в широкой или узких полосах или, точнее, разницы уровней давления ро (в практически пустой) и р1 (в заполненной цистерне), т.е. ЛЫ=20^(ро/р|) осуществляется в зависимости от степени заполнения емкости.

По существу данная задача сводится к нахождению соотношения входных импедансов слоев воздуха 2т.о и мазута Ъг в зависимости от соответствующих высот (толщин) слоев Н-Ь и Ь (рис.7) при допущении условия постоянства площади поперечного сечения 8 цистерны в горизонтальной плоскости (Н = 3,2м -диаметр (высота) цистерны).

.. Шум струй нефтепродукта, подаваемого через форсунки гидромонитора под давлением 10...15 кг/м2, в данном варианте относится к звукам гидродинамического происхождения, возникающих в результате воздействия, движущегося потока на, в принципе, неподвижную среду.

Спектр турбулентной составляющей шума струи обычно является сплошным со слабо выраженным максимумом, но, при наличии пульсаций давления, становится селективным за счет появления дискретной составляющей.

~Ы— и

0£) ^ ©О

Рис.7. Структурная схема измерительной установки: Г1 - Гг - верхний и нижний гидромониторы; Мк - микрофон; Ш - шумомер; ПК - компьютер;

При сравнимости длин волн возбуждаемого звука с толщиной слоя воздуха величина входного импеданса

-/*)], (9)

где к = б)!с- волновое число; р, с - плотность и скорость звука в воздухе, будет вести себя как периодическая функция, приводящая к заметной частотной зависимости сопротивления слоя, даже при постоянстве акустической мощности Ра1 струйного источника. Однако в области низких частот такая зависимость ослабляется, т.к. при к(Н-Ь)—> 0, функцию котангенса можно разложить в ряд и, при ограничении первым членом, получить

¡•/. — (10)

цн-h) ■

В (10) в явном виде проявилась обратно-пропорциональная зависимость Zbx.o от толщины слоя и, соответственно, V = (H-h)S - объема воздуха в свободной (от мазута) части цистерны для случая с верхним гидромонитором (П по рис.7). Понятно, что при Pal = const измеряемое звуковое давление (или его уровень) будет расти с увеличением Zbx.o и, соответственно, с увеличением объема мазута и наоборот уменьшаться с ростом воздушного объема в цистерне. В более чистом виде такая зависимость может быть получена при наперед заданной частоте или, более удобно, в узкой полосе регистрируемого низкочастотного диапазона.

Для случая, когда такой же струйный источник колебаний Ра2 (Гг по рис.7) расположен в слое остатка на днище цистерны звуковое давление в воздухе будет зависеть от входного сопротивления слоя мазута

V^P,cJg[K{H-h)], (11)

где км-0)1см - волновое число; рм, см - плотность и скорость звука в мазуте. Тогда можно получить

|Zbx«.|* pMm„{U-h). (12)

Таким образом, кроме частотной и слойной зависимости величины Zвx.o и 2/вх.м. влияют физические характеристики (рм, р, с, см) воздуха и мазута. Последние, как отмечалось, существенно зависят от технологических и внешних (открытый люк) условий. Следовательно, этот метод практически пригоден лишь в стационарных накопительных резервуарах для прогнозирования степени наполнения и слива нефтепродуктов.

Однако, сравнение теоретических и экспериментальных данных по импедансному методу выявило избирательную частотную зависимость уровней звукового давления от величины слоя воздуха и мазута. Для более точного определения этой зависимости была разработана модель железнодорожной цистерны в масштабе М1:10. Суть такого пространственного (акустического) моделирования, как известно, состоит в сохранении временных зависимостей путем увеличения в 10 раз всех спектральных составляющих вынужденных и собственных колебаний и, соответственно, перемещения частотного диапазона измерений в область более высоких частот.

С целью определения влияния расположения источника в модели использованы подвижный искусственный источник (громкоговоритель) с возбуждением гармонического («скользящий тон») и шумового сигналов, а также модель реального гидромонитора - струйного источника воды под давлением 0,5 кг/м2.

Н—&

Мк <3

///////

Рис.8. Расположение источника и микрофона в центральной части модели

При расположении громкоговорителя и микрофона в центральной части модели (под люком) записывается (ЧХ) по «скользящему» тону звукопередача (рис.9) при 10 % заполнении водой.

Рис.9. Частотная характеристика звукопередачи при 10% заполнении модели и расположении источника и микрофона по рис.8

Как видно из рис.9, в области условно «низких частот» (до 1000 Гц) преобладают дискретные аксиальные моды примерно одного уровня звукового давления. В области 5000... 10000 Гц наблюдается возникновение менее интенсивных радиальных мод, первая из которых возбуждается на частоте 5500 Гц и при уменьшении воздушного объема на 20% (рис.10) заметно повышается до 7500 Гц.

Рис.10 Частотная характеристика звукопередачи при 20% заполнении модели и расположении источника и микрофона по рис.8

Подобный эффект наблюдается в спектре вынужденных колебаний в свободном объеме с использованием струйного шума водяного гидромонитора.

Рис. П. Частотная характеристика звукопередачи при 10% заполнении модели с водяным гидромонитором

т

т

ОТ

Рис.12. Частотная характеристика звукопередачи при 20% заполнении модели водяным гидромонитором

Наблюдается смещение экстремальных значений уровней звукового давления с 5500 Гц до 7000 Гц, иллюстрирующее переход звуковой энергии при изменении объема на 10% (рис.11, рис.12), когда возбуждается первая радиальная мода. Аналогичная спектральная зависимость уровня звукового давления от воздушного объема зарегистрирована в диапазоне 500 - 800 Гц в измерениях в железнодорожных цистернах на действующем нефтяном терминале.

В области высоких частот, особенно для радиальных мод, наблюдается высокая плотность спектра, что означает слабую избирательность резервуара для высокочастотных составляющих первичного сигнала. В то же время на низких частотах преобладают аксиальные моды с достаточной энергией, но с незначительной плотностью спектра, что является основной особенностью резервуаров малых объемов и на низких частотах. Из теоретических и экспериментальных данных следует, что верхняя частота нижней части частотной характеристики. резервуара, при которой процессы рассматриваются в соответствии с статистической теорией, где ДНо = 3 (количество собственных частот), а ширина спектрального анализа АГ= 1Гц, определяется

Л.*^- 03)

Нижняя граничная частота передаточной функции резервуара можно найти, если положить ЛНо =1, а Д1" = Г;, тогда находится условие возникновения первого волнового резонанса для волн радиального типа

(14)

Тогда частотный диапазон зоны диагностики лежит в пределах

2'7-Ю2 <Аг < ЗД5-103 (

'' где Б и V - соответственно, свободный воздушный объем и площадь , ограничивающих поверхностей цилиндрической цистерны.

В четвертом, последнем, 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 аксиальных 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.

Наличие здесь автономного источника, создающего турбулентный шум струй гидромониторов (рис.13) позволяет применить более точный объективный контроль остатка, в том числе и дистанционный. Контролируется АЫ (Ум) - относительный (по давлению, например, в «пустой» цистерне) уровень звукового давления при разных объемах Ум

(массе) мазута посредством микрофона с частотно-избирательным измерительным устройством (стандартный шумомер с выходом на ПК).

1 _____. 1 ?

Л 1 |

Ч

Г--------------- 1 \ —^---- --------_ 1 ..]

и__________ 1

г ......~ ! :

?

1" . —.

............. ЛБ .

х ......е. »о :.......г ¿.и

Рис.13

Рис. 14

Поэтому наиболее приемлемым подходом к решению нашей задачи является метод нормирования относительно известного воздушного объема цистерны (рис.14).

Рассмотренные предпосылки получили хорошее соответствие результатам экспериментальных исследований. Спектры, соответствующие максимальному и минимальному значениям остатка (рис. 15а,б), резко отличаются друг от друга в диапазоне 500 - 800 Гц. По оси абсцисс откладывается частота (Гц), по оси ординат - относительный уровень звукового давления ЛИ(дБ).__

«Г

Рис.15. Спектры, соответствующие максимальному (а) и минимальному (б) объему остатка нефтепродукта

о Г—В—И

эе тЫ. оо <эо ™ гю

Рис. 16а,б. Способ оценки объема остатка нефтепродукта по эталону.

Таким образом, измеряя традиционным способом (линейкой) объем цистерны, когда поверхность остатка нефтепродукта горизонтальна (рис. 16а), строится график зависимости относительного уровня звукового давления от объема воздуха и применяется как эталонный, но в цистерне, где поверхность нефтепродукта конусообразная (рис.166). Для этого достаточно

получить спектр звуковых колебаний или измерять средний квадрат звукового давления.

Следует отметить, что рассмотренная неоднородность поля и селективная реверберация, вызванная аксиальными модами, характерна для вертикальных положений резервуаров. В случае горизонтального положения (цистерны) объем нефтепродукта и его остатка определяется по вынужденным колебаниям уже радиальных мод в частотной зоне перехода от дискретных аксиальных к более сплошным радиальным модам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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. 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 объемы шламов и/гаи нефтепродуктов, а т.ж. их остатки, даже в твердом (застывшем) состоянии определяются дистанционно с погрешностью до 10%.

4. Выявлены существенные различия измеряемых параметров звуковых полей: в стационарных (вертикальных) резервуарах с объемом (З..Л0)Т03 м3

и передвижных (горизонтальных) цистернах с меньшими на два порядка объемами.

5. Разработана методика диагностики объема нефтепродуктов и смесей в накопительных и буферных резервуарах по времени реверберации, позволяющая осуществить дистанционный мониторинг всего парка хранения по результатам измерений даже в одной октавной полосе на основе типовой аналоговой или цифровой диспетчерской связи терминалов.

6. Показано, что в стационарном резервуаре, особенно при малых объемах нефтепродукта, создается идеальное диффузное поле, которое позволило впервые получить частотную зависимость величины коэффициента звукопоглощения для мазута марки М-100 при I = 45°С. Однако, сравнение этой зависимости с коэффициентом звукопоглощения, измеренным в интерференционной трубе, показало их существенное различие не менее, чем в 2 раза для жидких фракций и примерно на порядок больше для твердых фракций (при I = 0°С).

7. Исследование метода диагностики нефтепродуктов по импедансной модели показало возможность его использования только для стационарных (вертикальных) резервуаров при сохранении постоянства внешних и технологических температурных режимов. Для передвижной цистерны такая модель не правомерна из-за заметного изменения площади поперечного сечения при малых объемах нефтепродуктов.

8. Показана необходимость исследования 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 выгрузки впервые предложенным способом, включающим размыв твердого остатка через устройство нижнего слива струями нагретого во внешнем теплообменнике мазута, подаваемого под давлением в цистерну, и его слив, отличающийся тем, что одновременно осуществляют подачу нагретого в теплообменнике мазута на поверхность твердого остатка через устройство верхнего размыва.

10. Обычный визуальный контроль остатков нефтепродуктов (по мерному штоку) в цистсрнс 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 предложенная дистанционная экпресс-регистрация осуществляется с погрешностью до 10 %.

11. Впервые для цилиндрических объемов с частичным заполнением нефтепродуктом получена аналитическая зависимость для оптимального

частотного интервала для полудискретной структуры действия радиально-связанных (тангенциальных) мод, т.е.

2,7-102 . л/ . ЗД5-103

По результатам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Колыхалин В.М. Различные способы акустической диагностики твердого остатка нефтепродуктов в железнодорожных цистернах: Известия Самар. науч. центра РАН. Спец. вып. ЕЬР1Т-2005//Самар. науч. центр РАН.-Самара, 2005.-С.97-101.

2. Колыхалин В.М. Акустическая диагностика твердого остатка в накопительных резервуарах очистных сооружений: Сб. тр. 3 межд.науч,-техн. конф.ЕЬР1Т-2007 // Тольяттинский гос. универ,- Тольятти, 2007.-С.154-159.....

3. Kolykhalin V. Methods of architectural acoustical diagnostics of solid rest of oil product ,in railway tank wagons. Proceedings of the Eighth International Symposium , Transport Noise and Vibration 4-6 June 2006 St. Petersburg. Additional proceedings on CD-ROM. Copyright East-European Acoustical Association.

4. Колыхалин В.М. Установка для выгрузки из железнодорожной цистерны высоковязкого мазута с твердым остатком. Патент на полезную модель РФ №48964,М.Федерал. служ. по интеллект, собст., петентам и товар, знакам, RU 48964 U1, Заявл.2005, опубл. 10.11.2005 Бюл. № 31.-С.28-30.

5. Давыдов В.В., Колыхалин В.М. Устройство для измерения объема нефтепродукта в накопительном резервуаре. Патент на полезную модель РФ №50656 М.Федерал. служ. по интеллект, собст., петентам и товар, знакам, RU 50656 U1, Заявл.2005, опубл. 20.01.2006 Бюл. № 02.-С.55-67.

6. Колыхалин В.М. Способ выгрузки твердого остатка высоковязкого мазута из железнодорожной цистерны/Патент на изобретение РФ №2292296, М.Федерал. служ. по интеллект, собст., петен. и товар, знакам, RU 2292296 С1, Заявл.2005, опубл. 27.01.2007 Бюл. № 3.-С.37-39.

7. Колыхалин В.М., Давыдов В.В. Применение акустической диагностики к накопительным резервуарам нефтепродуктов: Сб. науч. тр.//СПбГУКиТ.- СПб.,2004.-Вып.17.-С.71-77.

8. Колыхалин В.М., Давыдов В.В. Импедансная модель акустического дозирования нефтепродуктов: Сб. науч. тр.//СПбГУКиТ.-СПб.,2006.-Вып.19.-. С.60-65.

9. Колыхалин В.М. Диагностика накопительных резервуаров по v одномерной нормализации формулы Ф.Морза: Сб. науч. тр.//СПбГУКиТ.-СПб., 2007.-Вып.20.-С. 149-153.

Подписано в печать 03-10.08 г. Формат 60x841/16. Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ В7 .

Подразделение оперативной полиграфии ФГОУ ВПО СПбГУКиТ. 192102. Санкт-Петербург, ул. Бухарестская, 22.

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.

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

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

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.