измерение общей массы сжиженного углеводородного газа

7067
УДК 681.586.621.37:543.275.1
ИЗМЕРЕНИЕ ОБЩЕЙ МАССЫ
СЖИЖЕННОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО
ГАЗА В РЕЗЕРВУАРЕ
С ПРИМЕНЕНИЕМ РАДИОЧАСТОТНОГО
ДАТЧИКА
А.С. Совлуков
Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН
Россия, 117997, Москва, Профсоюзная ул., 65
E-mail: sovlas@ipu.ru
В.И. Терешин
ЗАО «Техносенсор»
Россия, 196128, Санкт-Петербург, Благодатная ул., 2
E-mail: technosensor@yandex.ru
Ключевые слова: сжиженный углеводородный газ, масса, резервуар, измерение, датчик, радиочастотный
Аннотация: Рассматриваются новые технические решения для измерений общей массы,
включающей массу жидкой и газовой фаз, сжиженного углеводородного газа в резервуарах. В отличие от традиционно используемого косвенного метода статических измерений массы этого продукта, основанного на измерениях его плотности и объема в мерах вместимости, используется прямой метод измерения общей массы продукта в резервуаре. При использовании радиочастотного датчика массы обеспечивается более точное
измерение массы жидкой и газообразной фаз продукта, чем при косвенном методе статических измерений.
1. Введение
Сжиженный углеводородный газ (СУГ) представляет собой смесь пропана и бутана, в которой в небольшом количестве присутствуют метан, этан и другие компоненты
[1, 2].
При этом, плотность жидкости зависит не только от температуры, но и от компонентного состава газа, компонентный состав пара отличается от состава жидкости и
изменяет свой состав и плотность при изменении температуры и при приеме или отпуске продукта.
При применении косвенного метода статических измерений массы продукта возникают значительные методические погрешности из-за непостоянства контролируемых
параметров.
Для высокоточных измерений технологических параметров СУГ, содержащегося в
резервуаре, разработаны радиочастотные метод и измерительные устройства [3, 4].
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
7068
2. Радиочастотный метод измерения общей массы СУГ
Рассматриваемый радиочастотный метод характеризуется упрощенным процессом
измерения массы. Устройство для реализации метода содержит радиочастотный датчик
4 – коаксиальный резонатор (цилиндрический конденсатор), заполняемый СУГ, шесть
датчиков температуры 51, 52, 53, 54, 55, 56, равномерно расположенных по длине датчика, электронный блок 6 и регистратор 7.
Рис. 1. Измерительная система.
Приращение Cs эквивалентной электрической емкости радиочастотного датчика,
вызванное наличием в резервуаре жидкой и газовой фазы СУГ:
(1)
Cs = Cl×[(εж–1)×h + (εг-1)×(l – h)].
Здесь Cl – погонная (т.е. на единицу длины) электрическая емкость датчика; h – уровень жидкой фазы СУГ, заполняющей датчик; l – длина радиочастотного датчика; εж –
диэлектрическая проницаемость жидкой фазы СУГ; εг – диэлектрическая проницаемость газовой фазы СУГ.
Диэлектрические проницаемости жидкой и газовой фаз пропана и бутана и их смесей, входящих в состав СУГ, рассчитываются, соответственно, по формулам:
(2)
εж=1+ ρж/[К×(1+Ts×t)],
(3)
εг=1+ ρг/[К×(1+Ts×t)],
где К = ρж0/(εж0-1) = 0,741 г/см3; Ts – коэффициент температурной коррекции,
Ts = 0,0006.
Отметим, что коэффициент Ts устраняет температурную погрешность, которая составляет для плотности и для массы 0,06 % на градус (температурный коэффициент изменения плотности сжиженных газов составляет 0,26 % на градус).
Для усреднения значений и повышения точности температура измеряется шестью
датчиками температуры, по значениям которых вычисляется среднее значение для всех
датчиков значение температуры. Производится допусковый контроль: если значение
температуры с какого-либо датчика отличаются более, чем на 3 градуса от значений
температуры от соседних датчиков, показания этого датчика отбрасываются (не участвуют в измерении).
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
7069
Подставим (2) и (3) в формулу (1) и найдем уровень h:
Cs = Cl×[( ρж/[К×(1+Ts×t)])×h + ( ρг/[К×(1+Ts×t)])×(l – h)]
h = [1/(ρж – ρг)]×{[Cs×K×(1+Ts×t) / Cl] – ρг×l}
Масса СУГ в резервуаре:
(6)
М = V×ρж + (V0–V)× ρг = S×h×ρж + S×(l–h)×ρг
где S – площадь поперечного сечения резервуара; V – объем жидкости; V0 – объем резервуара.
Подставив (5) в (6), получаем:
(7)
М = [1/(ρж – ρг)]×{[Cs×K×(1+Ts×t) / Cl] – ρг×l} × S ×(ρж – ρг ) + S×l×ρг
После преобразований в (7) получаем:
(8)
М = S×Cs×K×(1+Ts×t)/Cl.
Таким образом, общая масса СУГ в резервуаре при различных соотношениях массы газовой и жидкой фазы и при различном компонентном составе определяется по
формуле (8) и зависит только от приращения емкости Cs и от температуры t.
Для определенности будем рассматривать измерение общей массы СУГ в вертикальном резервуаре цилиндрической формы. Для резервуаров иной формы или (и) располагаемых иным образом, в частности, для горизонтально расположенных цилиндрических резервуаров, получаемые результаты пересчитывают с учетом геометрии и расположения резервуаров.
Датчик позволяет определять общую массу СУГ, содержащегося в емкости, с высокой точностью независимо от фазового состояния продукта и соотношения жидкой и
газовой фаз, наличия кипения.
(4)
(5)
3. Инвариантность к компонентному составу СУГ
Электрическая емкость датчика (приращение емкости) пропорциональна уровню
его заполнения СУГ и диэлектрической проницаемости жидкой фазы СУГ. Паровая фаза СУГ тоже дает приращение электрической емкости датчика, пропорциональное
плотности паровой фазы СУГ и длине части датчика, находящейся в паре. Сжиженные
углеводородные газы являются диэлектриками, их диэлектрическая проницаемость зависит от состава СУГ и от температуры. Диэлектрическая проницаемость СУГ пропорциональна его плотности, а приращение электрической емкости датчика, пропорциональное произведению уровня на плотность, – массе. На рис. 2 изображены графики
зависимости диэлектрической проницаемости пропана и бутана от температуры.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
7070
Рис. 2. Зависимости диэлектрической проницаемости пропана и бутана от температуры.
На рис. 3 отражены результаты моделирования температурной погрешности измерения общей массы СУГ в измерительной системе с радиочастотным датчиком, настроенным на измерение массы пропана: погрешности измерения массы пропана и массы
бутана без температурной коррекции; погрешности измерения массы пропана и массы
бутана с температурной коррекцией + 0,06 % на 1 ºС (коррекция по температуре для
пропана).
Рис. 3. Зависимости погрешности измерения общей массы СУГ в измерительной системе с датчиком, настроенным на измерение пропана, от температуры.
Как видно из графиков, измерительная система, настроенная на измерение массы
пропана, с погрешностью не более ± 0,2…0,3 % будет измерять массу бутана в широком диапазоне температур и, соответственно, массу смесей пропана и бутана.
Инвариантность к компонентному составу СУГ является важным преимуществом
метода.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
7071
4. Практическая реализация
Измерительные системы СУ-5Д выпускает компания «Техносенсор», г. СанктПетербург, техническая информация на сайте www.tsensor.ru. Датчик ДЖС-7М (рис. 4)
системы СУ-5Д устанавливается на резервуаре, крепление резьбовое, 2 дюйма. Любой
датчик ДЖС-7М может поставляться с каналом измерения давления. Для измерения
давления используется миниатюрный сенсор фирмы Honeywell, встраиваемый в датчик
ДЖС-7М.
Рис. 4. Радиочастотный датчик ДЖС-7М.
Система СУ-5Д обеспечивает:
выдачу на индикатор значений общей массы, объема и плотности контролируемой
среды;
 формирование и выдачу на выходах оптореле команд сигнализации и блокировки;
 выдачу информации в последовательном коде в ПЭВМ;
 регистрацию информации (уровень, объем, общая масса, плотность, температура)
на жестком диске ПЭВМ;
 вывод на дисплей ПЭВМ текущей и архивной информации по любому резервуару
за любой день в виде таблиц и в виде графиков;
 передачу информации по сети и через Интернет.
Используется расширенный алгоритм вычислений, который позволяет из общей
массы выделить отдельно массу жидкости и массу пара, по температуре и давлению
рассчитать плотность жидкости, плотность пара, уровень, объем и состав газа (рис. 5).
Общая масса СУГ в резервуаре при использовании расширенного алгоритма вычисляется по основному алгоритму, по формуле (8). Вычисленные согласно расширенному алгоритму дополнительные информационные параметры в общей формуле сокращаются.
Дополнительные параметры, вычисляемые по расширенному алгоритму:
 масса жидкости;
 масса пара (газообразная фаза);
 плотность жидкости;
 плотность пара;
 уровень сжиженного газа;
 объем сжиженного газа.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
7072
Рис. 5. Отображение информации на экране ПЭВМ.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
7073
5. Варианты исполнения устройств
для измерения технологических параметров СУГ
М – канал измерения
массы
Т – канал измерения
температуры
(6 датчиков
температуры)
М – канал массы
Т – канал температуры
Р – канал измерения
давления (Honeywell)
Точное измерение уровня
и объема обеспечивается,
если известен состав СУГ
(задается вручную)
Используется алгоритм
автоматического
определения состава СУГ
по давлению и
температуре паровой
фазы
М – канал массы
Т – канал температуры
Р – канал давления
H – канал измерения уровня
Поставки в 2015 г.
На одном коаксиальном резонаторе
можно выполнить 2 канала
измерения – радиочастотный датчик
массы и микроимпульсный
уровнемер
Рис. 6. Варианты исполнения устройств для измерения технологических параметров
СУГ.
На рис. 6 показаны варианты исполнения устройств для измерения технологических параметров СУГ. Базовая комплектация имеет канал измерения массы и каналы
измерения температуры. В расширенных комплектациях добавляются канал измерения
давления и канал измерения уровня (микроимпульсный уровнемер). Все модификации
имеют одинаковое конструктивное исполнение и схему подключения.
Введение дополнительно датчика давления позволяет, кроме выдачи информации о
давлении СУГ внутри резервуара, по температуре и давлению рассчитать плотность
жидкости, плотность пара, уровень, объем и состав газа.
Без изменения конструктивного исполнения датчика возможно добавление дополнительного канала измерения уровня – микроволнового радара. Микроволновый радар
и основной измерительный канал работают по очереди на один и тот же чувствительный элемент – коаксиальный резонатор.
Функциональная схема устройства для измерения общей массы СУГ в резервуаре
приведена на рис. 7. Расширенный алгоритм вычислений позволяет из общей массы
выделить отдельно массу жидкости и массу пара, по температуре и давлению рассчитать плотность жидкости, плотность пара, уровень, объем и состав газа.
Для поверки используется кориолисовый массомер Micro Motion F050S, смонтированный на подставке вместе с кранами и манометрами. Массомер подключается с помощью гибких шлангов к цистерне газовоза и к рабочему резервуару, на котором установлен радиочастотный датчик массы СУГ.
В процессе скачивания СУГ из резервуара газовоза через массомер в рабочий резервуар несколько раз останавливают перекачку и снимают показания массомера и датXII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
7074
чика массы СУГ на резервуаре. Показания должны отличаться не более, чем сумма
максимально допустимых погрешностей измерений массомера и датчика массы СУГ на
резервуаре.
Рис. 7. Функциональная схема устройства для измерения общей массы СУГ в резервуаре.
6. Заключение
Рассмотренный радиочастотный метод измерения общей массы сжиженных углеводородных газов позволяет обеспечить достоверный автоматизированный учет СУГ
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.
7075
по массе. Требуется установка только одного конструктивно небольшого датчика, это
дает возможность оснастить большую часть объектов без доработок резервуаров.
Датчики сертифицированы Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии как средство измерения массы. Имеется свидетельство об утверждении типа средств измерений и аттестованная методика выполнения измерений.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
Зоря Е.И., Яковлев А.Л., Ларионов С.В. Определение массы сжиженных углеводородных газов при
приеме, хранении и отпуске потребителям. М.: ООО «Издательский дом Недра». 2012. 197 с.
Рачевский Б.С. Сжиженные углеводородные газы. М.: Нефть и газ. 2009. 640 с.
Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических
процессов. М.: Наука. 1989. 208 с.
Совлуков А.С., Терешин В.И. Радиочастотный метод измерения количественных параметров сжиженных углеводородных газов в резервуарах // Измерительная техника. 2005. № 10. C. 68-71.
XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ
ВСПУ-2014
Москва 16-19 июня 2014 г.