Контроль температурного режиму транспортування нафти в магістральних трубопроводах з метою підвищення точності комерційного обліку

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 у такому:

на основі аналізу і систематизації основних проблем УЗ обліку нафти встановлено, що для підвищення його точності необхідно здійснювати поточний контроль змінних як в часі, так і в перетині трубопроводу параметрів руху нафти;

розроблено методику та схемну реалізацію УЗ контролювання просторового розподілу температурозалежних параметрів нафти в магістральних трубопроводах для підвищення точності її обліку;

враховуючи особливості об'єкту дослідження сформульовані критерії та рекомендації щодо конструювання первинних перетворювачів для забезпечення функціонування приладів без розгерметизації трубопроводу та комплекс рекомендацій для інженерної реалізації приладів з прогнозованими метрологічними характеристиками;

вдосконалено алгоритми опрацювання результатів вимірювань часових інтервалів з декількох УЗ каналів, які забезпечують врахування просторових змін температури і швидкості руху нафти, підвищити точність її обліку;

проаналізовано джерела похибок реконструкції температурного поля та розрахунку витрат нафти і встановлено, що домінуючими складовими є методична похибка від апроксимування та інструментальна похибка вимірювання часових інтервалів, а при апріорній невизначеності локального розподілу температури найменші методичні похибки забезпечуються при застосуванні поліномів Чебишева;

запропоновано методику і розроблено принципи побудови устави для метрологічного дослідження УЗ витратомірів.

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-99" (м.Делфт, Голандія, 1999 р.), міжнародному семінарі "Metody i technika przetwarzania sygnaіуw w pomiarach fizycznych" (Жешів, 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:

– економічні збитки внаслідок неточного обліку (додатково треба враховувати підвищену вартість нафти згаданого вище типу);

– можливість створення аварійної ситуації через закупорювання трубопроводу.

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:

– потенційно ширший вибір матеріалів для сенсорів, перелік яких охоплює, окрім металів і металевих стопів, кераміку, композиційні матеріали, рідини, гази тощо;

– відсутність електричних ланок у вибухонебезпечній зоні контролювання температур;

– можливість створення на базі декількох сенсорів вимірювача 3…5-кратною кількістю каналів, що забезпечуватиме визначення розподілу температур;

– можливість заміни при потребі матеріалу сенсора в процесі експлуатації;

– можливість вимірювання температури в об'єкті без розгерметизації;

– можливість реконструювання профілю температурного поля та швидкості руху нафти за результатами сканування середовища акустичними сигналами.

Критичний аналіз існуючих методів вимірювання дозволяє обґрунтовано стверджувати про доцільність застосування і подальшого розвитку імпульсного методу, який ґрунтується 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 1352-1390 м/с при 20^°С. Температурний коефіцієнт швидкості коливається в межах від -2,9 до -4,1 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 D_T - діаметр трубопроводу; і - середня за площиною перерізу трубопроводу та середня лінійна вздовж УЗ каналу швидкість руху нафти в трубопроводі відповідно; t₁, t₂ - 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 20єС до 70°С при діаметрі трубопроводу D_T=720 мм і витратах в межах від 200 до 2000 м³/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_є=1455,0418 1455 м/с і крутизною S= -3.2551143 3.255 м/(с^°С) (середньоквадратична похибка апроксимації становила 0.2792447), а саме:

V()=V₀+S=1455-3.255.

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 20^єС до 70^°С покази УЗ витратоміра зменшуються від 1987 до 1947 м³/год (рис.5). В той же час фактична об'ємна витрата зростала від 1988 м³/год до 1991 м³/год. Таким чином температурозалежна зміна показів УЗ витратоміра є систематичною і сягає значення мінус 44 м³/год або -2,2% при об'ємній витраті Q_Н=2000 м³/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 -0,7%.

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 t_S поширення акустичних коливань між передавачем і приймачем, що розміщені на відстані l_S. 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 20^є60^°С, для якого _с=40^єС, зміна _Vmax=20^°C. Тоді для нафти із залежністю виду V=1455 - 3,255 відношення зміни швидкості менше від 0,05 (5%).

Для таких значень обернена швидкість може бути апроксимована лінійною залежністю:

(2)

Зведена до значення W_c похибка такої лінійної апроксимації (л.а.) не перевищує _W,л.а. -(SW_V)²100%, тобто у вказаному діапазоні температур _W,л.а. - 0,25 %.

В цьому випадку температура складає:

.

Підставивши вираз (2) у співвідношення (1), отримуємо:

де - середнє значення зміни температури середовища на ділянці довжиною l_S.

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 С_і - 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 И(x,y,z) вимірюємо певну кількість таких інтервалів в різних напрямках поширення УЗ l_Sj (рис.8). Кожному результату вимірювання t_Sj відповідатиме своє рівняння, яке буде відрізнятися від інших напрямком інтегрування l_Sj.

В результаті маємо:

,

де (x_pj , y_pj , z_pj) i (x_kj , y_kj , z_kj) - відомі координати початкової і кінцевої точок напряму інтегрування l_Sj , а Р_і - первісна функції _і(x,y(x),z(x)), a_j, b_j, c_j, d_j - 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 С_і, які визначають, по суті, внесок кожної з функцій _і в функцію розподілу.

В останньому рівнянні невідомими є лише коефіцієнти С_і. Це рівняння щодо коефіцієнтів С_і є лінійним, а їх кількість дорівнює N. Для визначення цих коефіцієнтів здійснюється вимірювання певної кількості інтервалів тривалості поширення акустичних коливань в заданих напрямках l_S. 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 ₀(x,y) та поля швидкостей руху нафти V_Н(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 t₀ і t_т ("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

Виконано критичний аналіз шляхів побудови приладів для комерційного обліку нафти в магістральному трубопроводі Долина - Дрогобич на основі УЗ методів температурного коригування, структурних схем імпульсних УЗ приладів для вимірювання температури, оцінювання її просторового розподілу, а також обліку витрат з підвищеною точністю, на підставі якого встановлено, що найкращі характеристики вимірювання витрати нафти можна отримати, застосовуючи УЗ метод вимірювання.

Проведено модельні експерименти для дослідження придатності різних конструкцій первинних перетворювачів, здійснено якісний та кількісний аналіз взаємозв'язків між впливними факторами та зміною вихідних параметрів, що дало можливість сформулювати критерії та рекомендації щодо конструювання первинних перетворювачів

Досліджено можливість побудови оптимальних структур витратомірів та алгоритмів опрацювання вимірювальних сигналів з оцінюванням очікуваних похибок, вибором оптимальної елементної бази, розроблено принципи побудови та схемної реалізації температурної корекції УЗ витратомірів.

На підставі узагальнення отриманих результатів розроблено рекомендації для практичного створення УЗ приладів з прецизійною температурною корекцією для комерційного обліку обсягів транспортованої нафти в магістральних трубопроводах.

Розроблено алгоритми реконструювання просторового розподілу величини, оберненої до фазової швидкості поширення акустичних коливань в нафті кратними поліномами за результатами вимірювання тривалості поширення акустичних імпульсів.

Проаналізовано джерела похибок реконструювання температурного поля та оцінювання витрат нафти. Встановлено, що домінуючими складовими є методична похибка від апроксимування та інструментальна похибка вимірювання тривалості поширення УЗ. Показано, що при апріорній невизначеності локального розподілу температури найменші методичні похибки забезпечуються при застосуванні поліномів Чебишева. Для отримання стійкого образу розподілу інструментальна відносна похибка вимірювання тривалості поширення УЗ не повинна перевищувати 0.5%.

Створено експериментальну уставу для комплексного дослідження УЗ витратомірів, за допомогою якої досліджені різні складові похибок вимірювача та підтверджено ефективність запропонованих рішень.

Теоретично встановлено та експериментально підтверджено, що врахування градієнту температури та неоднорідності складу нафти дозволяє зменшити похибку вимірювання витрат до значень не більших за 0.5%.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Луцик Я.Т., Буняк Л.К., Стадник Б.І. Застосування ультразвукових сенсорів.- Львів.: СП "БаК".-1998.-232 с.

Ліхновський І.С., Буняк Л.К., Луцик Я.Т. Моделювання сигналів у первинному перетворювачі імпульсного термометра // Вісник ДУ "Львівська політехніка" "Автоматика, вимірювання та керування" - 1998. - №324. - С.31-35.

Буняк Л.К. Перспективи ультразвукового контролю і обліку в нафтопроводах// Вимірювальна техніка та метрологія. - 1998. - №53. - С.106-111.

Буняк Л.К. Ультразвукові сенсори - вибір матеріалів та деякі проблеми застосування в нафтогазовій промисловості// Вимірювальна техніка та метрологія. - 1998. - №54. - С. 70-76.

Буняк Л. Відновлення розподілу параметрів середовища за інтервалами часу поширення акустичних коливань// Вимірювальна техніка та метрологія. - 1999. - №55. -С. 118-122.

Буняк Л., Дорожовець М., Кузій А., Ліхновський І., Луцик Я., Озгович А., Стадник Б. Корекція похибок вимірювання витрат нафтопродуктів шляхом їх ультразвукової томографії в трубопроводі// Вимірювальна техніка та метрологія. - 2000. - №56.

Буняк Л.К., Луцик Я.Т. Вимірювання і контроль параметрів трубопроводів при підземній та наземній прокладці. - Праці науково-практичної конференції "СТРЕС-97", Партенід, 12-16 жовтня 1997 р.

Луцик Я.Т., Буняк Л.К., Стадник Б.І. Застосування ультразвукових сенсорів.- Праці ІІІ-ї міжнар. наук. конф. "Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини" СИЭТ-98, Книга 2, Кам'янець-Подільський, 2-6 червня 1998 р., К.:1998. - С.95-97.

Буняк Л.К., Луцик Я.Т., Стадник Б.І. Перспективи застосування ультразвукових сенсорів в нафтохімічній промисловості. - Праці ІV-ї міжнар.наук.конф. "Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини" СИЭТ4-98, Севастополь, 7-11 вересня 1998 р., К.:1998.-С.

Луцик Я.Т., Стаднык Б.І., Буняк Л.К. Ультразвуковые импульсные и резонансные термометры для высокотемпературных измерений. - Тезисы докладов V международной конф. "Ядерная энергетика в космосе", Подольск Моск.обл. - 1999 г. - С.120.

L.Buniak, Ya.Lutsyk, B.Stadnyk, A.Kowalczyk. Metrological characteristics of ultrasonic pulse thermometers. - The 7th International Symposium on Temperature and Thermal Measurements in Industry and Science TEMPMEKO-99. -Delft. -The Netherlands. -Vol.2. -P.385-387.

Буняк Л.К., Луцик Я.Т., Стаднык Б.И., Лыса О.В. Восстановление распределения параметров вязкой среды по интервалам времени распространения акустических колебаний // Materiaіy Miкdzynarodowego Seminarium Metrologуw "Metody i Technika przetwarzania sygnaіуw w pomiarach fizycznych", Rzeszуw-Lwiw, 1999. - S.62-67

АНОТАЦІЯ

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.

АННОТАЦИЯ

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.