Новые возможности контроля уровня жидкости и мониторинга технологических процессов с применением неинвазивного ультразвукового метода TechnoLamb Текст научной статьи по специальности «Физика»

ДИАГНОСТИКА

УДК 681.128:621.6

О.М. Качанов1, e-mail: kachanov@tehnoavtomat.ru; В.Г. Токарев1, e-mail: tokarev_vg@tehnoavtomat.ru; А.И. Куреньков1, e-mail: kurenkov@tehnoavtomat.ru; Д.В. Рыбко2, e-mail: RybkoDV@sar.sam.transneft.ru

1 ООО «НПП-Техноавтомат» (Энгельс, Россия).

2 АО «Транснефть - Приволга» (Самара, Россия).

Новые возможности контроля уровня жидкости и мониторинга технологических процессов с применением неинвазивного ультразвукового метода TechnoLamb

В статье представлена новая технология измерения и контроля уровня в технологических резервуарах TechnoLamb. Применение технологии позволяет проводить неинвазивный (бесконтактный) контроль в резервуарах и трубах под давлением и с наличием внутренних конструкций и механизмов. Предложено использовать разработанный неинвазивный ультразвуковой сигнализатор уровня жидкости для определения уровня нефти при освобождении и заполнении нефтепроводов, определения границ разделения сред при прохождении поршня-разделителя, а также для контроля и оценки объема газовоздушной среды при заполнении трубопроводов нефтью или ее вытеснении с помощью азотных установок, во время прохождения средств очистки и диагностики или герметизирующего устройства по трубопроводу. Описан метод измерений, примененный в разработанном приборе, основанный на использовании ультразвуковых волн Лэмба. Представлены краткий теоретический анализ и выкладки, описывающие основные зависимости параметров и энергетических характеристик волн Лэмба, распространяющихся в тонких (до 70 мм) пластинах. Обосновывается выбор наиболее информативных характеристик этих волн, обеспечивающих устойчивость и точность контроля уровня жидкости. Рассмотрены основные преимущества данного метода контроля уровня жидкости в закрытых сосудах по сравнению с другими методами. Кроме того, в статье дано краткое описание мобильного варианта неинвазивного ультразвукового сигнализатора уровня жидкости, результаты его испытаний на объектах ПАО «Транснефть» в части изменения уровня нефти и шумов в контрольной точке нефтепровода, расчетного объема газовоздушной смеси, прошедшей через сечение трубы.

Ключевые слова: измерение уровня, бесконтактный ультразвуковой метод TechnoLamb, ультразвуковые волны Лэмба, нефтепровод, регистратор, газовый пузырь.

O.M. Kachanov1, e-mail: kachanov@tehnoavtomat.ru; V.G. Tokarev1, e-mail: tokarev_vg@tehnoavtomat.ru; A.I. Kuren'kov1, e-mail: kurenkov@tehnoavtomat.ru; D.V. Rybko2, e-mail: RybkoDV@sar.sam.transneft.ru

1 Tehnoavtomat R&D LLC (Engels, Russia).

2 Transneft Volga Region JSC (Samara, Russia).

New Possibilities for the Fluid Level Control and the Process Control Monitoring using Non-Invasive Ultrasonic TechnoLamb Method

The new technology for measuring and monitoring fluid level in the process tanks is presented in the article. The technology application allows performing non-invasive (noncontact) control in the tanks and pipes under pressure and with internal structures and mechanisms. The developed non-invasive ultrasonic fluid level indicator is suggested to use for the following purposes: 1) determination the oil level during emptying and filling of oil pipelines; 2) detection of the phase separation boundaries during the passage of the piston separator; 3) control and estimation of the gas-air phase volume when filling the pipelines with oil or displacing the oil with nitrogen units, and also during passing of cleaning and diagnostic tools or sealing devices through the pipeline. The measuring method used in the developed device based on ultrasonic Lamb waves is described. The paper represents a brief theoretical analysis and calculations describing the main dependencies of Lamb wave's parameters and energy characteristics, which are spreading in thin (up to 70 mm) plates. The choice of the most informative characteristics of these waves, providing stability and accuracy of the fluid level control, is substantiated. The article also considers the advantages of the method for the fluid level control in

DIAGNOSTICS

closed tanks comparing with other methods. Besides that, the article gives a brief description of the mobile version of the non-invasive ultrasonic fluid level indicator and the results of its tests at the facilities of Transneft PJSC, especially the changes of the oil level and the noise at the control point of the pipeline and the estimated volume of the gas-air mixture passed through the cross section of the pipeline.

Keywords: level measurement, non-contact ultrasonic TechnoLamb method, ultrasonic Lamb waves, oil pipeline, recorder, gas bubble.

Измерение уровня жидкостей в технологических резервуарах является важнейшим элементом организации современных эффективных технологических процессов, которые встречаются во многих отраслях промышленности (хранение нефтепродуктов, химические процессы, перевозка сжиженных веществ, фармацевтическое производство и др.).

Уровнемеры и сигнализаторы уровня выпускают множество фирм, как зарубежных, так и отечественных. Есть множество средств контроля и измерения уровня, использующих различные физические методы: емкостной, электроконтактный, гидростатический, поплавковый, ультразвуковой, радиоволновой, изотопный. Все эти методы, применяющиеся в современных уровнемерах и сигнализаторах уровня, требуют монтажа первичных преобразователей внутри контролируемой емкости (исключение составляет изотопный метод).

Поэтому при выборе средства измерения уровня возникают следующие проблемы:

• приходится учитывать такие физические и химические свойства контролируемой среды, как температура, абразивные свойства, вязкость, электрическая проводимость, химическая агрессивность и т. д.;

• следует принимать во внимание рабочие условия в резервуаре: давление, вакуум, нагревание, охлаждение, способ заполнения или опорожнения, наличие внутренних механизмов и конструкций, огнеопасность, взрывоопасность и др.;

• невозможность, нежелательность или сложность изменения проектной кон-

струкции резервуара для некоторых специфических случаев, например для резервуаров высокого давления, резервуаров, содержащих особо опасные вещества, либо на производствах особо чистых веществ.

Кроме того, к приборам измерения уровня заполнения емкостей и сосудов предъявляются различные требования: в одних случаях требуется только сигнализировать о достижении определенного предельного значения, в других необходимо проводить непрерывное измерение уровня заполнения. Поэтому существует две группы приборов контроля - это уровнемеры и сигнализаторы уровня, которые различаются функционально и относятся к разным ценовым категориям. Создание сигнализатора с функциями уровнемера является актуальной задачей, позволяющей повысить удобство и достоверность некоммерческого контроля уровня жидкостей.

НЕИНВАЗИВНЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ СИГНАЛИЗАТОРЫ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ

Компанией ООО «НПП-Техноавтомат» разработан неинвазивный ультразвуковой сигнализатор уровня жидкости, работа которого основывается на возбуждении и приеме ультразвуковыми датчиками в стенке контролируемого резервуара (технологического аппарата) с ее наружной стороны зондирующей волны Лэмба, т. е. упругой ультразвуковой волны, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны,так и перпендикулярно плоскости стенки. Степень затухания

амплитуды волны Лэмба определяется расстоянием, пройденным волной по стенке резервуара, а также поглощением ее энергии окружающей средой, с которой контактирует эта стенка. В работе сигнализатора используется свойство разности степеней затухания волны Лэмба при контакте стенки с разными средами (газ и жидкость), которое реализуется через возбуждение зондирующей акустической волны по разным каналам, в том числе дублирующим друг друга, и комплексный анализ различных параметров возбужденной волны, результаты которого в сумме дают достоверную информацию как о граничных положениях уровня жидкости (функция сигнализатора), так и о динамике его изменения (функция уровнемера). Волновой процесс, возникающий при возбуждении ультразвуковых колебаний в тонких пластинах, которыми являются стенки сосудов, представляет собой неоднородную нелинейную конфигурацию группы нормальных волн, которые описываются следующими уравнениями:

U = U + U,

s a

W = W + W ,

s

5 Vh(qd)

2qss ch(sz) k* + sf sh(sd)

¡sh(qz)

et(<yi-0)t-|),

(1) (2)

(3)

W = -A-q

5 '5

sh(qd)

2ks2 shjsz) ~ к > + ss2'sh(sd)

ei(<yt-a.f)-f),

(4)

Ссылка для цитирования (for citation):

Качанов О.М., Токарев В.Г., Куреньков А.И., Рыбко Д.В. Новые возможности контроля уровня жидкости и мониторинга технологических процессов с применением неинвазивного ультразвукового метода TechnoLamb // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 12. С. 40-44.

Kachanov O.M., Tokarev V.G., Kuren'kov A.I., Rybko D.V. New Possibilities for the Fluid Level Control and the Process Control Monitoring using Non-Invasive Ultrasonic TechnoLamb Method (In Russ.). Territorija «NEFTEGAS» = Oil and Gas Territory, 2017, No. 12, P. 40-44.

TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 12 December 2017

41

ДИАГНОСТИКА

и_ = В-к.

\chiqd)

«Л-®

(5)

[(ЯМ

2к2 с/?(5*)\ й

(6)

(7)

(8)

вклад в коэффициент затухания волн Рэлея вносят поперечные волны. Аналитическая зависимость для коэффициента затухания выражается следующей формулой:

у = Аа + (1 - А)р,

(9)

где и, ^ - компоненты общего продольного и поперечного смещений, соответственно; и, и - компоненты

5 а

продольного смещения, относящиеся к симметричной и антисимметричной волнам, соответственно; М, М - ком-

5 а

поненты поперечного смещения, относящиеся к симметричной и антисимметричной волнам,соответственно; А, В - произвольные постоянные, определяемые начальными условиями возбуждения; z - поперечное положение точки относительно срединной плоскости пластины; d - толщина пластины; х - расстояние вдоль пластины; и - круговая частота колебаний; t - время; к, ц, 5 - волновые числа, связанные соотношениями:

где к5а - волновые числа, относящиеся к симметричной и антисимметричной волнам; к, к1 - волновые числа, относящиеся к продольной и поперечной волнам, соответственно. Анализ уравнений показывает, что большая часть энергии для антисимметричной волны сосредотачивается в поперечных колебаниях, тогда как для симметричных, наоборот, в продольных. Аналитическое решение задачи определения степени поглощения волн Лэмба разных видов для конкретных условий достаточно сложное. Однако характер этой зависимости уже просматривается на соотношениях коэффициентов затухания волн Рэлея, которые в наибольшей степени схожи с волнами Лэмба нулевых мод, вырождающихся в них при d > где - длина волны Рэлея. Наибольший

где а - коэффициент затухания продольной рэлеевской волны; |3 - коэффициент затухания поперечной волны Рэлея; А - некая величина, зависящая только от свойств материала, выражаемая через коэффициент Пуассона V. Для стали, например, приведенное выше выражение приобретает следующий вид: у = 0,11а + 0,89р. Последнее свидетельствует о том, что затухание этих волн определяется в большей степени поперечной составляющей. Описываемым прибором для контроля уровня жидкости используется симметричная волна Лэмба нулевой моды в качестве опорной и антисимметричная волна Лэмба нулевой моды в качестве основной, как наиболее информативной для данного процесса. Данный принцип зарегистрирован как технология измерения TechnoLamb.

Существенным преимуществом описываемого прибора, позволяющим решить проблемы, перечисленные во введении, является его способность работать в тяжелых промышленных условиях, осуществляя контроль различных агрессивных или особо чистых веществ, исключая при этом влияние внутренних конструкций и процессов внутри емкости. Это обеспечивается именно при неинвазивном методе контроля ультразвуковых волн, распространяющихся в стенках различных резервуаров, открытых и закрытых (с толщиной стенки до 70 мм).

Кроме того, благодаря оригинальным инженерно-конструкторским решениям достигнуты ценовая доступность, компактность, простота монтажа и удобство в эксплуатации прибора, в котором реализованы функции самодиагностики и автонастройки.

По техническим требованиям и по результатам испытаний на объектах ПАО «Транснефть» на базе неинвазив-ного ультразвукового сигнализатора уровня жидкости была разработана

новая модификация прибора, предназначенная для контроля уровня нефти в нефтепроводах и других аппаратах, таких, например, как приемные и выпускные камеры очистных снарядов. Отличительной особенностью данной модификации является то, что она позволяет не просто фиксировать некоторые предельные значения уровней, но и определяет положение уровня по всему профилю сечения трубопровода и одновременно фиксирует моменты прохождения очистных снарядов и геологоразведочных радиоволновых комплектов (ГРК) по трубопроводу. Фиксация момента прохождения очистного снаряда или ГРК осуществляется сразу по двум факторам: по возрастанию/спаду уровня акустических шумов и по резкому перепаду измеренного уровня нефти в трубопроводе. Данный прибор позволяет контролировать и производить оценку размеров газовых пробок, возникающих при наполнении трубопроводов нефтью или ее вытеснении азотными установками, во время прохождения очистных снарядов или ГРК по трубопроводу, а также определять остаточный уровень нефти в трубопроводе после его освобождения. В этой модификации прибора реализованы многоканальные измерения ультразвуковых сигналов сразу на нескольких участках по контуру сечения трубопровода [4].

Схема контроля, реализованная в данной модификации прибора, позволила путем анализа соотношений уровней сигналов на разных участках автоматизировать процесс настройки прибора и его калибровку сразу же при установке на объект. При запуске прибора оператор задает лишь параметры объекта: диаметр трубопровода и толщину его стенки, тип изоляции и вид жидкости в трубе. Остальные измерительные параметры (коэффициенты усиления измерительных каналов, затухания сигналов по измерительным участкам и начальные уставки уровней сигналов по газу и жидкости) прибор определяет сам.

Процесс измерения начинается с того, что по соотношению уровней сигналов на разных участках окружности профиля трубопровода относитель-

DIAGNOSTICS

БОС

R

АИ-ВУ АП-ВУ

h

АП-НУ АИ-НУ

ж

\ /

L ну

¿ж = К^/А

(10)

600

400 w—

0

• 60 00 00 00 01 01

Время Time

Рис. 2. График изменения уровня нефти в контрольной точке нефтепровода Fig. 2. Graph of the oil level variances at the oil pipeline control point

Рис. 1. Схема расположения датчиков и расчета уровня жидкости в трубопроводе: БОС - блок обработки сигналов; АИ-ВУ -акустический излучатель верхнего уровня; АП-ВУ - акустический приемник верхнего уровня; АИ-НУ - акустический излучатель нижнего уровня; АП-НУ - акустический приемник нижнего уровня;R - внутренний радиус трубопровода; h - расстояние от середины трубопровода до уровня жидкости; Нж - уровень жидкости; ¿ну - дуга жидкости на нижнем канале измерения Fig. 1. Scheme of sensors location and the calculation of the fluid level in the pipeline: БОС - signal processing unit; АИ-ВУ - acoustic emitter of the upper level; АП-ВУ - acoustic receiver of the upper level; АИ-НУ - acoustic emitter of the lower level; АП-НУ - acoustic receiver of the lower level; R - internal pipeline radius; h - distance from the middle of the pipeline to the fluid level; Нж - fluid level; L - fluid arc in the lower measuring channel

ну

но определенных уставок уровней по газу и жидкости, вычисленных при калибровке, определяется грубо,на каком участке находится уровень. Затем вычисляется значение длины дуги окружности участка, соприкасающегося с жидкостью. При этом используется логарифмическая аппроксимация функции затухания ультразвукового сигнала волны Лэмба.

100

£ <u ьо

3 0 z 0

©«^•[лтмот^отюотюотвт^тоончггчотюоч^тоочцчот

<г1г1г1г1г1г1г1г1г1г1г!г1г1г1г1г1г1г1

ГЧ1ГЧ1ГМ<ЧСЧ1СМСЧ1Г

• СО 00 СО оо оч

Время Time

Рис. 3. График тренда изменения уровня шумов в контрольной точке нефтепровода Fig. 3. Trend graph of noise level variance at the control point of the oil pipeline

3000 2000 1000 0

I". &E

о у

= E

ю о

(UCMNNtUMtUfllKKnin^^^^^llMllinUIIOICIOIOIONr

IV IV CO CO CO DO Ol О

Время Time

Рис. 4. График расчетного объема газовоздушной смеси, прошедшей через сечение трубы (при условной скорости поршня, принятой равной 1 км/ч)

Fig. 4. Graph of the estimated volume of the gas-air mixture passed through the cross section of the pipe (nominal piston speed is 1 km/h)

где ¿ж - длина дуги, соприкасающейся с жидкостью, для соответствующего измерительного канала; К - приведенный коэффициент затухания сигнала (определяется при калибровке, автоматически); А - текущая амплитуда сигнала; иг - уставка амплитуды по газу.

По найденной длине дуги, соприкасающейся с жидкостью, в соответствии с геометрией ее расположения на окружности сечения трубопровода вычисляется и текущее положения уровня жидкости в нем.

Для примера на рис. 1 приведены схематичное сечение трубопровода, а также схемы расположения датчиков на стенке трубопровода и расчета уровня жидкости.

Одновременно с определением положения уровня жидкости в трубопроводе или другом закрытом аппарате круглого сечения прибор осуществляет контроль акустических шумов, возникающих в стенке участка трубопровода, где

установлены датчики прибора. Такой контроль позволяет надежно отследить не только текущий уровень наполнения трубопровода жидкостью, но и момент прохождения самого очистного снаряда, а также обнаружить «свист» запорной арматуры приемно-выпускных камер в случае нарушений их герметичности и появления возможных утечек. Таким образом, фиксация повышения уровня акустических шумов и возникновение провалов измеряемого уровня позволяют значительно повысить надежность такого комбинированного контроля. Уникальность технологии, основанной на контроле волн Лэмба, позволила обеспечить многофункциональность

TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 12 December 2017

43

ДИАГНОСТИКА

в одном приборе и значительно повысить его эффективность при контроле герметичности камер приема-пуска в сравнении с уже имеющимися приборами.

В настоящее время прибор успешно прошел ряд технологических испытаний в промышленных условиях на объектах ПАО «Транснефть». Подготовлен мобильный переносной вариант прибора, который может автономно использоваться в полевых условиях как для контроля на участках магистрального нефтепровода, так и на других технологических аппаратах ПАО «Транснефть». Ведутся работы по сертификации прибора и патентованию в странах ЕС. Некоторые результаты последних испытаний на объектах представлены на рис. 2-4. По средней скорости движения ГРК по трубе вычисляется примерный объем газовоздушной смеси, прошедшей через сечение контролируемого участка трубы, по следующей формуле:

V=V0 + U-(t-t0)-{KR2-- (Я2 acos|l --(R- L)-^(2RL - L2) ,

(11)

где V - текущий объем газа, прошедший через сечение трубы; V0 - объем газа, прошедший через сечение трубы в пре-

дыдущий момент времени; и - средняя скорость поршня, ГРК; £ - текущий момент времени; £0 - предыдущий момент времени; R - внутренний радиус трубы; L - текущий уровень нефти в трубе. Зная давление на данном участке трубы, можно привести объем газа к нормальным условиям.

ВЫВОДЫ

1. Применение неинвазивной ультразвуковой технологии контроля распространения волн Лэмба в стенках резервуаров позволило обеспечить комбинированные измерения нескольких технологических параметров в одном приборе, а именно: • измерять уровень нефти в трубопроводе с точностью до 5 % от его диаметра с автоматической калибровкой;

• с высокой достоверностью определять прохождение очистного снаряда или ГРК;

• фиксировать прохождение газовых «пузырей» по трубопроводу и производить оценку их размеров;

• диагностировать утечки по шумовому спектру сигнала.

2. Применение схемы контроля, реализованной в неинвазивном ультразвуковом сигнализаторе уровня жидкости, позволяет существенно повысить качество и достоверность мониторинга техпроцесса транспортировки нефти по трубопроводам.

3. Следует отметить экономическую эффективность прибора, так как, по сути, один прибор реализует несколько функций, прост и удобен в эксплуатации.

I

Литература:

1. Токарев В.Г., Качанов О.М., Куреньков А.И. К вопросу о степени затухания волн Лэмба в пластине при контакте с жидкостью // Вестник Саратовского гос. техн. ун-та. 2009. Т. 4. № 2. С. 72-74.

2. Качанов О.М., Токарев В.Г., Романов А.В., Куреньков А.И. О некоторых аспектах практического совершенствования неинвазивного (бесконтактного) ультразвукового метода измерения уровня жидкости в закрытых резервуарах // Экспозиция Нефть Газ. 2012. № 5. С. 39-42.

3. Способ ультразвукового контроля уровня жидкости в резервуарах и устройство для ультразвукового контроля уровня жидкости в резервуарах: пат. RU № 2437066 С1 Российская Федерация: МПК G01F 23/296 / Токарев В.Г., Качанов О.М., Куреньков А.И., Романов А.В., Романов М.В.; ООО «РИА сайнс»; № 2010125514/28; заявл. 21.06.2010; опубл. 20.12.2011, Бюл. № 35. 12 с.

4. Способ контроля уровня жидкости в резервуарах по характеристикам волн Лэмба и устройство для его осуществления: пат. RU № 2608343 С1 Российская Федерация: МПК G01F 23/296 / Токарев В.Г., Качанов О.М., Куреньков А.И., Романов А.В., Аристов Д.В.; ООО «Научно-исследовательский центр Техноавтомат» (ООО «НИЦ Техноавтомат»); № 2015131984; заявл. 30.07.2015; опубл. 17.01.2017, Бюл. № 2. 2 с.

References:

1. Tokarev V.G., Kachanov O.M., Kuren'kov A.I. To the Issue of Degree of Lamb Waves Attenuation in the Plate Contacting with Liquid. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Vestnik Saratov State Technical University, 2009, Vol. 4, No. 2, P. 72-74. (In Russian)

2. Kachanov O.M., Tokarev G.V., Romanov A.V., Kuren'kov A.I. Some Aspects of the Practical Improvement of Non-Invasive (Contactless) Ultrasonic Method for Measuring the Liquid Level in Closed Tanks. Ekspozitsiya Neft' Gaz = Exposition Oil & Gas, 2012, No. 5, P. 39-42. (In Russian)

3. Tokarev V.G., Kachanov O.M., Kuren'kov A.I., Romanov A.V., Romanov M.V. Method of Ultrasonic Control of the Fluid Level in the Reservoirs and the Device for Ultrasonic Control of Liquid Level in Reservoirs: pat. RU No. 2437066 C1 Russian Federation, MPK G01F 23/296, patent holder RIA Science LLC, No. 2010125514/28, declared 21.06.2010, publ. 20.12.2011, Bui. № 35, 12 p. (In Russian)

4. Tokarev V.G., Kachanov O.M., Kuren'kov A.I., Romanov A.V., Aristov D.V. Method for Control of the Fluid Level in Reservoirs According to the Characteristics of Lamb Waves and the Device for Its Implementation: pat. RU No. 2608343 C1 Russian Federation, MPK G01F 23/296, patent holder Tehnoavtomat R&D Center LLC, No. 2015131984, declared 30.07.2015, publ. 17.01.2017, Bui. № 2, 2 p. (In Russian)

44

№ 12 декабрь 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ