Измерване на ниво в резервоари за нефт

• Прецизното измерване и мониторинг на нивото при флуиди изисква правилен подбор на методология и съответните технически средства според типа на контейнера и неговото съдържание
  
  
• Измерването на ниво в резервоари за нефт е сред ключовите приложения в отрасъла, които налагат замяната на традиционните ръчни методи с високоточни и автоматизирани системи
  
  
• Надеждните и прецизни съвременни нивоизмервателни решения могат безпроблемно да се интегрират и в цялостни платформи за надзорен контрол и събиране на данни

Прецизните измервания в съвременната нефтена и газова индустрия са с особено висок приоритет поради сериозния икономически натиск върху предприятията за постигане на максимална ефективност и рентабилност при добива, съхранението и транспорта на петролни продукти. Измерването на ниво в резервоари за нефт е сред ключовите приложения в отрасъла, които налагат замяната на традиционните ръчни методи с високоточни и автоматизирани системи. Надеждното централизирано (отдалечено) събиране на прецизни данни за технологичните процеси се е превърнало в основен фокус за разработчиците на модерни измервателни решения за петролната индустрия.

Технологични специфики и възможности

Прецизното измерване и мониторинг на нивото при флуиди изисква правилен подбор на методология и съответните технически средства спрямо спецификите на конкретния съд и неговото съдържимо. Всяка от популярните технологии – поплавкови нивомери за непрекъснато измерване, манометри за диференциално налягане, динамометрични датчици, радарни нивопредаватели, капацитивни радиочестотни нивомери, ултразвукови трансмитери за ниво и др. – се отличава със своите предимства и недостатъци в различни приложни сценарии.

Сензорите (трансмитери, предаватели) за определяне на нивото на течности могат да работят както в резервоари от затворен (херметически запечатани), така и от отворен тип. Най-често в практиката се използват хидростатични, ултразвукови, магнитостриктивни и радарни датчици, както и такива за диференциално налягане, подходящи за измерване на ниво и регистриране на течове в съдове за съхранение на вода, нефт, различни горива, дизел, бензин, втечнен газ, течен амоняк и др.

В добива, съхранението и транспорта на нефт и производните му продукти (в съоръжения от петрохимическата индустрия, рафинерии, разпределителни и транспортни терминали, горивни бази и др.), се експлоатират различни по размери и обем резервоари, най-често цилиндрични. Традиционните методи за измерване на ниво в такива приложения най-общо се подразделят на две категории – ръчни и индиректни. При ръчното измерване се използват калибрирана потопяема измерителна лента с лот и индикатор за ниво (индикаторна паста), както и специална калибровъчна таблица за съответния резервоар. Отчита се или дълбочината на течността (височината на налив), или незапълнен обем (празното пространство над течността). За да се улесни процедурата, в горната част на резервоара е предвиден специален отвор/люк за следене на нивото. Ръчното измерване е просто и лесно за осъществяване, но е трудоемко и отнема доста време, тъй като обикновено се правят поне по три измервания, а често се допускат и грешки при снемане на данните.

Индиректното измерване е базирано на релевантна информация за температурата, налягането и други ключови параметри на съдържимия в резервоара нефт (маса, обем, плътност и др.), събрана с помощта на съответните сензори. Необходимите за целта технически средства обикновено са калибрирани потопяеми електронни термометри, денсиметри с възможност за отчитане на температура, стъклено-живачни термометри, манометри, аерометри и т. н.

Измерванията на ниво в петролните контейнери се извършват с множество цели – предотвратяване на преливане и инциденти от различен характер във връзка с нивото и количеството на суровината/продукта, контрол на загубите и течовете, управление на наличностите, масов баланс, изравняване на обема, информационно обезпечаване на технологичните операции по преработка и транспортиране, стандартизирано измерване при прехвърляне на собствеността на физическото вещество от един оператор на друг в търговията с нефт и нефтопродукти и др.

Съвременни решения

В миналото измерването на ниво посредством специализирана апаратура се е считало за сравнително скъпо за прилагане, тъй като са се използвали по-сложни за калибриране и поддръжка уреди. Навлизането на автоматизираните измервателни системи в бранша през последните години и трайното нарастване в капацитета за съхранение на петролните бази налагат все по-ефективни и прецизни измервания с оглед оптимизиране на технологичния мениджмънт и подобряване на икономическата рентабилност на тази дейност. Модерните цифрови измервателни средства за съхранявани в резервоари течности цялостно дигитализират процеса, като автоматично изпращат локално събраните данни за нивото, температурата, масата, плътността и обема им към централизиран център за управление, където стават достъпни за всички заинтересовани страни. Не на последно място, автоматизираните решения допринасят и за необходимата стандартизация в управлението на добива, съхранението и транспорта на нефт и нефтопродукти за целите на международната търговия.

С навлизането на високопрецизните дигитални трансмитери за налягане в бранша измерването на ниво чрез определяне на хидростатичното налягане се превръща във все по-популярна и интелигентна технология. Тъй като сензорът осигурява автоматично събиране на данни и елиминира необходимостта от ръчно отчитане, отпада нуждата от ръчен дата логер, а също и рискът от човешка грешка при интерпретирането на данните. Сред основните предимства на тази техника е именно високата й точност. Тя се дължи на факта, че ключовите характеристики на нефта се измерват директно чрез монтирани на дъното сензори за налягане, които са независими от изменения на параметри като плътност и температура. Данните от измерването на налягането са проследими, което прави метода достатъчно надежден за определяне на ниво в резервоари за нефт.

Към групата методи, базирани на измерване на ниво чрез статично налягане, можем да добавим и т. нар. смесена техника, която представлява комбинация от традиционната технология, описана по-горе, и конвенционалния метод за измерване на ниво на базата на температура. Той се отличава с висока прецизност, като на негова база може да бъде изградена ефективна система за автоматизиран мониторинг и управление на съхранението, преработката и транспорта на петролни суровини и продукти.

Предпочитани в практиката са три основни типа автоматични измервателни решения. ATG (Automatic Tank Gauging) системите използват сонда, която се състои от дълъг прът с поплавъци или сензори. Електронното устройство проследява количеството на флуида в резервоара за определен период от време и може да регистрира наличието на течове. HTG (Hydrostatic Tank Gauging) системите осигуряват сравнително евтин метод за непрекъснато измерване на хидростатично налягане чрез отчитане на налягането на два сензора, които са на известно разстояние един от друг в резервоара. HTMS (Hybrid Tank Management System) системите са базирано на смесения метод за измерване хибридно решение – комбинация от конвенционален нивомер и един или два манометъра, които извършват непрекъснато измерване на действителната наблюдавана плътност в резервоара за съхранение. За целите на измерването често се отчита и площта на напречното сечение на цилиндричния контейнер. На практика методът съчетава измерване на ниво и хидростатично налягане и осигурява висока прецизност при отчитането на ниво, маса, плътност и обем на флуида.

Надеждните и точни съвременни нивоизмервателни решения могат безпроблемно да се интегрират и в цялостни платформи за надзорен контрол и събиране на данни (SCADA) в нефтено-газовата промишленост, които да проследяват всички резервоари за нефт на територията на съоръжението непрекъснато и в реално време (дори и в прогнозен план), като събират и докладват необходимата информация до всички ангажирани звена.

Основни изисквания към модерните технически средства за измерване на ниво в нефтено-газовия отрасъл, предвид спецификата на добиваните, складирани, преработвани и транспортирани суровини и продукти, е те да бъдат: безопасни, точни и с безкомпромисна повторяемост при отчитанията, надеждни, лесни и достъпни за използване и поддръжка. Препоръчително е да са автономни, съвместими с всички провеждани в съоръжението технологични операции, стандартизирани с цел безпроблемно прехвърляне на собствеността при транспорт и търговия, да позволяват надграждане и мащабиране на системата, както и удобна интеграция с компютърни хостове и децентрализирани системи за управление, да осигуряват възможности за онлайн диагностика и отдалечен мониторинг, а също и добро съотношение между цена и ефективност.

Популярните методи в практиката

Във времеви аспект измерванията на ниво в резервоари за нефт могат да бъдат непрекъснати или във фиксиран момент. Според работния си принцип те биват директни, чрез поплавкови уреди, базирани на статично/диференциално налягане, електрически, акустични, ядрено-радиационни и др. Директните измервания определят нивото на течност на базата на принципа за свързаност на флуидите (fluid connectivity). Следващият тип залага на измерване на нивото съгласно принципа, че височината на поплавъка се променя с височината на течността или плаваемостта на течността спрямо поплавъка, потопен в нея, се изменя спрямо височината на течността. В първия случай говорим за постоянна плаваемост, а във втория – за променлива.

Измервателните решения от третия вид измерват нивото според принципа на изменението на статичното (диференциалното) налягане, генерирано в определен момент от промяната във височината на колоната на течността. Електрическите средства са базирани на преобразуване на промените в нивото в различни изменения в параметрите на електричеството. Ядрено-радиационните методи залагат на принципа, че когато ядреното лъчение на изотопните лъчи проникне в материала, неговият интензитет се променя с дебелината на материалния слой. Акустичните системи измерват нивото на флуида според промените в акустичния импеданс и разстоянието на отражение на звуковите вълни, причинени от промените в нивото.

Поплавковите нивомери, както подсказва и наименованието им, са снабдени с кухи чувствителни елементи от здрав материал, които са балансирани така, че да плават по повърхността на нефта. При промяна на нивото на течността поплавъкът се движи нагоре или надолу в зависимост от това дали количеството й се увеличава или намалява. Чрез измерване изместването на поплавъка може количествено да се определи промяната в нивото на флуида. На пазара се предлагат различни модели нивоизмервателни колонки, които се отличават помежду си по формата на поплавъка, както и по механизма на балансиране – с лост, ремък и т. н.

Магнитните нивомери или нивопоказателни колонки се отличават със здрава конструкция, надеждна работа и удобна за отчитане скала. Подобни са на поплавковите нивомери, но тук поплавъкът съдържа силен магнит и е поставен в колона, която се монтира от външната страна на съда. Подходящи са за измерване на високи температури и високи налягания на непрозрачни вискозни течности като суров нефт, утайки и др. в херметически затворени контейнери благодарение на намагнетизирани индикатори. Магнитостриктивните сензори за ниво, базирани на принципа на магнитоелектрическо преобразуване, са сравнително нов продукт, който придоби популярност през последните години, но приложенията му в петролната промишленост непрекъснато се увеличават.

Хидростатичните нивомери реално измерват статичното налягане, генерирано от тежестта на нефта в резервоара върху долната му повърхност. То е пропорционално на височината на течността в контейнера.

Друго популярно средство за измерване на ниво в нефтената индустрия са ултразвуковите уреди. Те използват характеристиките на разпространение на вълните в средата. За целта се инсталират ултразвуков предавател и приемник в долната или горната част на резервоара. Излъчените ултразвукови вълни се отразяват във фазовата граница (повърхността) и се получават от приемника, като се измерва времевата разлика между предаването и приемането им.

В зависимост от работния си принцип електрическите нивоизмервателни методи се делят на резистивни, индуктивни и капацитивни. Те са подходящи за дистанционно отчитане, осигуряват надеждно измерване, а изходният сигнал може да се преобразува в унифициран електрически сигнал. Чрез тях може безпроблемно да се осъществяват автоматично регистриране и управление на нивото на нефта в резервоарите за съхранение.

Радарните трансмитери за ниво извършват непрекъснати безконтактни измервания, като отчетените данни тук отново се преобразуват в електрически сигнал, който може да бъде изпратен към съответната апаратура за мониторинг и контрол на технологични процеси. Пазарът предлага богат избор от модели, базирани на импулсна радарна технология и сензори с честотно модулирани непрекъснати вълни (FMCW).

Независимо от избраната технология, водеща цел е осигуряването на надежден, точен и рентабилен метод за измерване на ниво в резервоарите за нефт. В идеалния случай това би било модерно автоматизирано решение, което комуникира отдалечено със системата за управление, гарантира непрекъснат мониторинг и диагностика както на суровината и крайните продукти, така и на самите съоръжения за тяхното съхранение и транспорт.