ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ В НЕФТЕПРОВОДАХ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИИ

Проскуряков Р.М.¹, Матвийчук Н.В.² , Родионова Д.А.²

¹Профессор, д.т.н., ²Аспирант

Санкт-Петербургский Горный университет, Санкт-Петербург

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ В НЕФТЕПРОВОДАХ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИИ

Аннотация

В статье обозначены проблемы разработки измерительных устройств для нефтепроводов. Приведено описание и схема  электромагнитного модуля расхода и подготовки нефти в трубопроводе. Поставлена задача непрерывности измерения нефтяного потока в трубопроводе. Дана схема измерительной системы определения плотности и температуры нефти на трубопроводе и также ее описание. Приведена формула для определения количества  информации для кодо- импульсной модуляции.  Сделаны выводы о преимуществах автоматических измерительных системах.

Ключевые слова: автоматическая система измерения, электромагнитный модуль расхода и подготовки нефти, нефтепровод, двухмостовая схема, следящая система

Proskurjakov R.M.¹, Matvijchuk N.V.², Rodionova D.A.²

¹Professor, PhD in Engeneering, ²Postgraduate student

Saint-Petersburg Mining University, Saint-Petersburg

CONCEPTUAL PROBLEMS OF AUTOMATIC MEASUREMENT SYSTEM ON OIL PIPELINE AND THE WAYS OF ITS SOLUTION

 Abstract

In this article, the problem of measurement devices for oil pipeline are considered. Theoretical review of electromagnetic module of flow rate and pre-treatment of oil in pipeline are given. The problem of continuous measurement of fluent is presented. Schematic for density and temperature determination of oil in pipeline is described. Equation for information estimation for pulse- code modulation is presented. Conclusions about advantages of automatic measurement systems are made.

Keywords: automatic measurement system, electromagnetic module of flow rate and pre-treatment of oil, oil pipeline, two-ridges circuit, servo system.

Для обеспечения качественной и бесперебойной работы предприятий нефтяной промышленности, важное и обязательное условие для транспортировки нефти – достоверный и своевременный контроль нефтяных потоков: количество, плотность, вязкость и состав нефти. Каждый параметр отдельно или в комплексе определяет качество нефти, ее пригодность для химической промышленности, энергетики, качество как продукта коммерческих взаимоотношений.

Одной из главных проблем при проектировании автоматических измерительных систем является  высокодинамический  хаотичный характер гидродинамики нефтяного потока. Под воздействием больших давлений и скоростей  нефтяной поток подвергается постоянной реструктуризации его физико-химического состава. Описать движение  нефтяного потока максимально точно - достаточна сложная задача, следовательно, существуют трудности анализа и синтеза автоматических измерительных систем при измерении тех или иных показателей нефтепродуктов при транспортировке. Измерения в нефтепроводе должны быть с обработкой потока механической и волновой энергией, а также, непрерывные. Для того чтобы подготовить нефть, как сказано выше, предложен измерительный модуль, вставляемый на фланцах в нефтепровод и «закачивающий» в поток механическую и волновую энергию.[1]

Для преобразования потока, сделав его гидродинамику более равномерной, в определенном месте трубопровода монтируем электромагнитный модуль расхода и подготовки нефти  (рис.1), который является фланцевой вставкой нефтепровода. В эту вставку монтируется типовой  асинхронный двигатель,  у которого ротор заменяется  на  «беличью клетку», сделанный из более легкого проводящего металла. Новый ротор (2) монтируется на подшипниках, а вместо торцевых крышек на теже посадочные гнезда крепятся фланцы (7) для монтажа в рассечку нефтепровода (1). Поток, проходя через  полый ротор с вмонтированными ножами Стейна (4) и турбинными лопатками (5) получает значительную  механическую энергию, за счет чего нефтепродукт  эффективно перемешивается, т.е. поток преобразуется в квазигелевый, что значительно повышает эффективность его транспортировки, повышается представительность потока, следовательно, увеличивается точность измерений. Так же снимая показания с дифманометра (6) на входе и выходе, получаем количество транспортируемой нефти.

Рис.1 - Электромагнитный модуль расхода и подготовки нефти; 1- трубопровод; 2- ротор; 3- статор; 4- ножи Стейна; 5- лопасти; 6- датчики дифманометра; 7- фланцы.

Разрушив связи молекул парафина, помимо улучшения транспортируемых характеристик нефти, получим представительный поток нефти для учета и измерений в трубопроводе. Это, в свою очередь, улучшит и увеличит точность измерительных приборов [2]. Важно отметить, что в системах нефтепроводов  необходимо уметь оценить динамические характеристики нефтепроводов. Это обусловлено тем, что любая измерительная система должна обеспечивать представительность, точность, быстродействие, чувствительность, воспроизводимость измерений при существующем лимите энергии, предоставляемой измерительной системой  в обмен на информацию.

На сегодняшний день, большинство предприятий измеряет физико-химические показатели в лабораторных условиях, но точность, воспроизводимость, быстродействие  измерительного прибора,  ценность и эффективность  такого контроля будут невелики, т.к. проба берется в определенный момент и в определенной точке. Более эффективным является применение распределенных датчиков. Это означает, что автоматическая измерительная система имеет не один, а несколько расположенных через определенные расстояния датчиков по всей длине трубопровода, выполняющих одну и ту же функцию- измерение плотности, вязкости и температуры нефтепродуктов. Расстояние  между датчиками  определяется

(1)

где τ - время запаздывания ,получаемое из структурного анализа для данной системы 

3, 5- скорость потока нефти, км/ч

Датчик снимает информацию от потока, которая получается значительно сглаженной. Такая система представляет собой  двухмостовую схему, состоящую из измерительных мостов М1 и М2. Электромагнитный модуль расхода и подготовки нефти монтируется в трубопровод перед лопастями турбинки, которые соединены с однофазным конденсаторным двигателем  Д1, вращающимся со скоростью 78 об/мин. Лопасти, вращаясь будут преодолевать сопротивление потока, следовательно, будут совершать работу, пропорциональную плотности нефти.  Напряжение с моста М1 снимается с измерительной диагонали ab и поступает на релейный усилитель У1, который управляет обмоткой двигателя Д2 , который заставляет перемещаться соленоид S1, с помощью бегунка Б, в определенном направлении. В зависимости от того разбалансирован мост или нет, сердечник S2 смещается в определенную сторону, чтобы разность напряжений диагонали ab равнялась 0 («настройка на 0») и тем самым балансируя мост. Сигнал с двигателя поступает на преобразователь (П), а затем, на отображающее устройство (ОУ).

В основе  М2 основе заложен такой же принцип, что и для М1. В зависимости от значения температуры мост будет разбалансирован, сигнал напряжения  с диагонали cd будет поступать на усилитель и затем на обмотку двигателя Д3, который механически связан с реохордом R3, перемещая его контакт для того, чтобы уравновесить мост, т.е., чтобы разность напряжений диагонали cd стало равным 0. Показания с двигателя Д3 передаются на преобразователь (П1)  и затем на отображающее устройство (ОУ1). [3],[4].

Рис.2 - Следящая автокомпенсационная система определения плотности и температуры нефти. M1,M2- измерительные мосты; L1-L12,L-L2-индуктивности;R1,R2 сопротивления; R3-реохорд; Rt - терморезистор , C1-C9-конденсаторы; Д1-Д3-двигатели РД-09; У1-У1-усилители; П,П1-преобразователи; ОУ,ОУ1- отображающее устройство; Б- бегунок; S-S2-соленоиды; ab,cd - измерительные диагонали; 1-2-обмотки возбуждения; 3-4-обмотки управления [3],[4].

Для обеспечения еще большей точности, т.е. практически полного  исключения аддитивной погрешности необходимо использовать генератор управляющих импульсов. Разностный сигнал, поступающий с измерительных мостов преобразуется в кодо-импульсный сигнал на генераторе управляющих импульсов, управляющий обмоткой двигателя через усилитель,  тем самым уменьшая зону нечувствительности усилителя, следовательно, и аддитивную ошибку. На приведенной выше схеме генератор управляющих импульсов не указан, но может служить для большей точности прибора. Формула для определения количества информации для кодо-импульсной   модуляции

(2)

q - количество информации, бит

τ - длительность  передачи одного элемента кода, с

t - время, затрачиваемое на  общее число элементов кода, с

F(P) - интегральная функция распределения мощности(случайной величины). [5]

Таким образом, измерительная автоматическая система включает в себя электромагнитный модуль расхода и подготовки нефти, который монтируется перед следящей автокомпенсационной системой измерения плотности и температуры в трубопроводе, благодаря чему, обеспечивается  повышение точности измерений физико- химических показателей нефти.

Выводы:

На основании вышенаписанного можно сделать следующие выводы, что автоматическая измерительная система позволяет:

1. изменить стохастическую гидродинамику потока;
2. обеспечить представительность измерений;
3. обеспечить учет количества нефти;
4. обеспечить наиболее эффективный съем  информации и параметров нефтей (вязкость,плотность,температуру);
5. с наименьшими потерями (аддитивной погрешностью) преобразовать  информацию о параметрах  в электрический сигнал и соответствующим образом реализовать нужный алгоритм во вторичном приборе (мосте М1 иМ2).

Список литературы / References

1. Матвийчук Н. В. Обоснование представительных и непрерывных измерений в нефтепроводе / Н. В. Матвийчук, Р. М. Проскуряков // Естественные и технические науки. - 2016. - №4(94). - С. 152-155.
2. Позднышев Г. Н. Стабилизация и разрушение нефтяных эмульсий / Г. Н. Позднышев // М. : Недра, 1982.
3. Котченко Ф. Ф. Следящие системы автоматических компенсаторов / Ф. Ф. Котченко //Л. : Недра, 1965. - 322 с.
4. Проскуряков Р. М. Пути совершенствования измери-тельных систем на примере следящей системы определения плотности и температуры на нефтепроводе / Р. М. Проскуряков, Д. А.Родионова // Контроль и Диагостика. - 2016.- №7. - С. 49-52.
5. Новицкий П. В. Основы информационной теории измерительных устройств / П. В. Новицкий // Л. : Энергия, 1968. - 248 с.

 Список литературы на английском языке / References in English

1. Matvijchuk N. V. Obosnovanie predstavitel'nyh i nepreryvnyh izmerenij v nefteprovode [The rationale of representative and continuous measurements in pipeline] / N. V. Matvijchuk, R. M. Proskurjakov // Estestvennye i tehnicheskie nauki [Natural and technical sciences]. - 2016. - №4(94). - P. 152-155. [in Russian]
2. Pozdnyshev G. N. Stabilizacija i razrushenie neftjanyh jemul'sij [Emulsion stabilization and d emulsification] / G. N. Pozdnyshev // Moscow : Nedra, 1982. [in Russian]
3. Kotchenko F. F. Sledjashhie sistemy avtomaticheskih kompensatorov [Servosystems of automatic compensators] / F. F. Kotchenko // Leningrad : Nedra, 1965. - 335 p. [in Russian]
4. Proskurjakov R. M. Puti sovershenstvovanija izmeri-tel'nyh sistem na primere sledjashhej sistemy opredelenija plotnosti i temperatury na nefteprovode[The ways to improve the measurement systems on an example of the servo system of determining the density and temperature in the pipeline] / R. M. Proskurjakov, D. A. Rodionova // Kontrol' i Diagostika [Testing,Diagnostics]. - 2016.- №7. - P. 49-52. [in Russian]
5. Novickij P. V. Osnovy informacionnoj teorii izmeritel'nyh ustrojstv [The basis of measurement devices information theory] / P. V. Novickij // Leningrad : Energia, 1968. - 248 p. [in Russian]