Повышение точности измерения объема жидких продуктов в наклонных горизонтальных цилиндрических резервуарах

АННОТАЦИЯ

Работа посвящена повышению точности системы измерения и контроля уровня жидких материалов в наклонных горизонтальных цилиндрических резервуарах. Поставлена задача обеспечение непрерывного точного контроля уровня и объема жидких продуктов, учитывающего различную форму днищ резервуаров путем определения расстояния h₁ и h₂ от верхней части до поверхности жидкого материала при расчете определения объемов жидкого материала в резервуарах. Разработанный способ обеспечивает высокую точность, низкую мощность энергопотребления и низкую себестоимость.

ABSTRACT

The work is devoted to improving the accuracy of the system for measuring and controlling the level of liquid materials in inclined horizontal cylindrical tanks. The task is to ensure continuous accurate control of the level and volume of liquid products, taking into account the different shape of the bottoms of the tanks by determining the distance h1 and h2 from the top to the surface of the liquid material when calculating the determination of the volumes of liquid material in the tanks. The developed method provides high accuracy, low power consumption and low cost.

Ключевые слова: указатель уровня, бак, датчик, днища, угол наклона, объем, бесконтактное измерение, точность.

Keywords: level gauge, tank, sensor, bottoms, tilt angle, volume, non-contact measurement, accuracy.

ВВЕДЕНИЕ

Измерение уровня жидкости в больших резервуарных системах, используемых в нефтегазовой промышленности, необходимо для точного определения объема продукта при хранении. Системы измерения резервуаров должны обеспечивать точное измерение уровня наполнения, температуры, давления и расхода в рамках управления запасами. Чтобы получить точные результаты, при измерении массового расхода необходимо контролировать больше переменных. [1-3]

Сегодня можно следить во многих технологических процессах измерения уровня жидких продуктов заключается в том, что в замера объема нефтепродукта в резервуаре, выполненном в виде цилиндра, измерение высоты нефтепродукта в резервуаре производится мерной рулеткой, имеющей форму цилиндра круглого горизонтально расположенного, и при известных величинах радиуса и длины резервуара объем нефтепродукта определяют по безразмерной диаграмме, единой для всех горизонтально расположенных резервуаров [4, 5]. Но, недостатком такого способа измерения уровня жидкого продуктов является недостаточной точностью, что приводит к большим погрешностям и применяется только для резервуаров имеющему форму цилиндра круглого горизонтально расположенного образца.

Однако в технологических процессах обработки нефтепродуктов и других жидкостей, в том числе взрывоопасных, при их отпуске, приеме и хранении существуют резервуары, установленные в наклонном положении [6].

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

В зависимости от технических требований емкости могут комплектоваться различными типами днищ: эллиптическими, сферическими и торосферическими (Рис. 1). В таких формах резервуаров при расчете объема жидкости на точность измерения высоты налива влияют два сегмента шара равных объема с обеих стороной, которые необходимо учитывать.

Рисунок 1. Горизонтальный цилиндрический резервуар полусферическими днищами.

В таких случаях измерение уровня жидкого продукта усложняется. При измерении уровня жидкого продукта в установленных в наклонном положении резервуарах с различными типами днищ на точность измерения высоты налива влияют неровность поверхности жидкого продукта за счет угла наклона резервуара, что приводит к большим погрешностям измерительной системы [7].

ПОСТАВЛЕННАЯ ЗАДАЧА: обеспечение непрерывного точного контроля уровня, объема нефтепродуктов, учитывая форму днищ и угол наклона резервуара, путем определения расстояния от верхней части резервуара до поверхности жидкого продукта, определяемые лазерами-дальномерами.

Для решения поставленной задачей разработан новый способ для решения вышеупомянутой проблемы, предоставляющий собой своего рода интеллектуальную измерительную систему для хранения и учета нефтепродуктов, основанную на измерении реальных данных, причем измерения уровня выполняются с помощью оптических устройств, что позволяет получать данные более точного непрерывного измерения высоты налива жидкого продукта для негоризонтально расположенного цилиндра с любым видом днищ и рассчитывать объем жидкого продукта. Рассмотрим реализацию предложенного способа.

Для этого примем следующие обозначения на рисунке 1 и во всех рисунках: 1 – резервуар диаметром D; L_ц – длина цилиндрической части резервуара; 2 – жидкий продукт, 3,4 – лазеры-дальномеры; 5 – опорная ножка резервуара, h₁, h₂ – расстояния от верхней части резервуара до поверхности жидкого продукта, определяемые лазерами-дальномерами; H₁, H₂ – высоты жидкого продукта в резервуаре; R – радиус резервуара; r_в – радиус скругления бокового днища резервуара; α – угол наклона резервуара.

Резервуар 1, обычно заполняется жидким продуктом 2, если в левой верхней цилиндрический части разместить перпендикулярно к основе резервуара лазер-дальномер 3, то при помощи лазера дальномера можно определить расстояние h₁ от верхней части до поверхности жидкого материала. По нему можно определить высоту наливного жидкого материала: H₁=D–h₁. В правой верхней цилиндрический части устанавливается перпендикулярно к основе резервуара лазер-дальномер 4, при помощи которого можно определить расстояние h₂ от верхней части до поверхности жидкого материала: H₂=D-h_2. Угол наклона резервуара можно найти по формуле  .

Процесс измерения уровня жидкого материала в наклонном горизонтальном цилиндрическом резервуаре со сферической, эллиптической или торосферической формами днищ представляет собой комбинацию из трех геометрических фигур: горизонтального цилиндра в центральной части резервуара (объем V_ц) и двух сегментов шара объемом V₁ и V₂. Определение V_общ – общего объема жидкости в резервуаре можно свести к решению трех задач: нахождению объема жидкости в цилиндрической части V_ц, и двух разных сегментах шара объемом V₁, V₂ и их сложению V_ц=V_ц+V₁+ V₂.

Рассмотрим, как можно рассчитать объем V_ц жидкого продукта цилиндрической части резервуара. Исходя из угла наклона резервуара получаются разные высоты налива, что видно из поперечного сечения цилиндра A-A (Рис. 2. а.) и B-B (Рис. 2. б.) [8].

а)                                    б)

Рисунок 2. Вид поперечного сечения цилиндрической части резервуара:

а) сечения А-А,  б) сечения В-В.

С помощью лазера-дальномера 3, определяется расстояние h₁ от верхней части до поверхности жидкого материала – уровень жидкости больше половины объема цилиндра. Для этого положения при определении площади наливного жидкого материала из площади сектора AOBD отнимается площадь треугольника AOB и получается площадь сегмента ABD, где h₁-R – высота треугольника. Далее из общей площади круга отнимается полученная площадь сегмента ABD и вычисляется объем жидкого продукта V₁:

        (1)

При помощи лазера-дальномера 4 определяется расстояние h₂ от верхней части до поверхности жидкого материала - уровень жидкости меньше части объема цилиндра. Для этого положения при определении площади наливного жидкого материала из площади сектора AOBС отнимается площадь треугольника AOB и получается площадь сегмента ABС, где R-H₂ – высота треугольника. Объем жидкого продукта V₂ можно найти путем перемножения длины резервуара L_ц на площадь сегмента S_сег: V= L_ц S_сег, т.е.

               (2)

В процессе измерения уровня с помощью лазеров-дальномеров при наполнении резервуара жидким продуктом наблюдаются следующие три варианта расчета уровня.

Вариант 1. Если, h₁≠0, h₂≠0, h₁<h₂, то объем наполненного жидкого материала V_общ рассчитывается как сумма трех объемов: объема цилиндрической части V_ц, и двух разных объемов боковых днищ (Рис. 3), т.е.:

Рисунок 3. Наклонный горизонтальный цилиндрический резервуар полусферическими днищами

Для точного определения наливного объема V_ENLF его условно разделим на два объема:  V_ENLF= V″_MNLF +(V′_EKLF – V″_MNLF)/2, где V″_MNLF – объём жидкого продукта меньшего сечения (сечение А-А.); V′_{EKLF -} объём жидкого продукта большего сечения (сечение B-B.). Тогда, исходя из вышестоящих расчетов, получаем

             (3)

        (4)

(5)

Определим объем жидкого материала в левом боковом днище V₁ :

                                   (6)

Определим объем жидкого материала в правом боковом днище V₂:

                         (7)

где, C – по стандарту ASME равен 1; H₁, H₂ – разные высоты жидкого материала в резервуаре.

Тогда общий объем жидкости в наклонном резервуаре определяется по формуле: V_общ= V_ENLF + V₁+ V₂

+

             (8)

Вариант 2. Если, 0<h₁<D, h₂=D, объем наполненного жидкого материала V_общ, рассчитывается как сумма двух объемов: объем левого окового днища V₁, и частично заполненного цилиндра (Рис. 4) V_ц:

V_общ= V₁+V_ц

.

Рисунок 4. Частично заполненной горизонтальный цилиндрический резервуар

                                      (9)

Объем частично заполненного цилиндра V_ц равен произведению частично заполненной длины цилиндра ∆L_ц на площадь поперечного сечения площади сегмента S_ABC. Зная, что,   получаем . 

                                 (10)

     (11)

Вариант 3. Если, h₁=0, h₂≠0 то, объем наполненного жидкого материала V_общ рассчитывается как сумма трех объемов: полный объем левого бокового днища V₁, объема цилиндрической части V_ц, и объем частично заполненного правого бокового днища V₂ (Рис. 5), т.е.:

Рисунок 5. Горизонтальный цилиндрический резервуар наполненного жидкого материала

,        ;

;

                             (12)

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ:

На лаборатории кафедры «Автоматизации производственных процессов» Ташкентского государственного технического университета был изготовлен макет, состоящий из наклонного горизонтального цилиндрического резервуара с полусферическими днищами с измерительной системой и блоком управления на базе платформы Arduino. В качества устройства отображения использован дисплей компьютера.

Для резервуара со следующими параметрами, выполнено измерение уровня жидкого продукта с помощью предложенного в работе метода:

Диаметр резервуара, м: D= 0,5

Длина цилиндрической части резервуара, м:  L_ц =0,7

Радиус резервуара, м: R = 0,25

Угол наклона резервуара: α = 10⁰

Результаты измерительно-вычислительного процесса представлены в таблице 1.

Табица 1.

Результаты проведенных исследований

Результаты испытаний полностью подтверждают целесообразность использования предлагаемого решения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предлагаемый способ измерения объема жидкости в горизонтальных цилиндрических резервуарах имеет ряд преимуществ перед известными уровнями техники, заключающиеся в том, что реализация осуществляется довольно таки просто и экономично и не имеет механически движущихся частей, в связи с этим измерительное оборудование защищено от сбоев и имеет долгий срок службы. Более того, способ учитывает влияние угла наклона цилиндрических резервуаров и различные формы днищ.

Список литературы:

1. N.R. Yusupbekov, A.A. Yusupov. “Review and Comparative Analysis of Modern Devices For Level Gauging In Checking System And Industrial Processing Control”,  International Journal of Advanced Science and Technology Vol. 29, No. 9s, (2020), pp. 5370-5380.
2. Н.Р. Юсупбеков. A. Юсупов. “Способ измерения объема жидкого продукта в наклонных горизонтальных цилиндрических резервуарах”. Заявка на изобретение (UZ) IAP 20200588, 30.12.2020.
3. N. R. Yusupbekov, Sh. M. Gulyamov, M. Yu. Doshchanova. “Neuro-fuzzy modeling for predictive control systems with complex technological processes and production”. Chemical technology. Control and management. Vol.1/2020.
4. Jintao W., Ziyong L., “Automatic Measurement System for Vertical tank Volume by Electro-Optical Distance-Ranging Method”. Applied Mechanics and Materials, Vol. 26-28 pp 416-421, 2010.
5. N.R. Yusupbekov, A. A. Yusupov “A wireless intelligent system construction for measuring and control of liquid product level in reservoir parks”. Turkish Journal of Computer and Mathematics Education Vol.12 No. 4 (2021), 43-52.
6. H.Z. Igamberdiyev, A.N. Yusupbekov, O.O. Zaripov, J.U. Sevinov “Algorithms of adaptive identification of uncertain operated objects in dynamic models”. Procedure Computer Science. 120, 854-861 (2017). DOI: 10.1016/j.procs.2017.11.318.
7. R. A. Akopyan, S. G. Kyuregyan, and A. R. Akopyan. “Limit of error of measurements of a mass of oil and oil products”. Measurement Techniques, Vol. 41, No. 5, 1998.
8. А. V. Barderas. How to calculate the volumes of partially full tanks. Intenational Journal of Engineering and Technology. March 2015.