Об одном подходе к использованию ультразвукового метода для измерения плотности продуктов первичной переработки нефти Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 532.14:534.614

H.B. ШАВЕРИН, А.И. ЧЕПРАСОВ

ОБ ОДНОМ ПОДХОДЕ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ УЛЬТРАЗВУКОВОГО МЕТОДА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПРОДУКТОВ ПЕРВИЧНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ

НЕФТИ

В статье приведены результаты экспериментальных исследований применения ультразвукового метода для контроля плотности продуктов первичной переработки нефти, основанного на эмпирическом определении расчетных зависимостей скорости распространения акустической волны в нефтепродукте от его плотности.

Контроль качества технологического процесса первичной переработки нефти сопровождается постоянным измерением ряда физических параметров, в частности плотности, промежуточных нефтепродуктов (НП) на различных его этапах. Вследствие этого актуальной является задача точного и надежного измерения плотности без отбора проб непосредственно в магистрали с НП.

Для решения этой задачи перспективным представляется ультразвуковой (УЗ) метод измерения, базирующийся на определении скорости распространения УЗ колебаний в жидкости. Как известно из [1], зависимость скорости распространения УЗ колебаний в жидкости от ее плотности, в основном, устанавливается эмпирически. Однако характер этой зависимости может различаться от жидкости к жидкости и определяться особенностями каждого класса жидкостей со схожими физико-химическими свойствами [2]. В [3] показано, что связь плотности жидкостей из класса НП р и скорости распространения в них УЗ колебаний V можно представить следующим образом:

р = a-V + b, (1)

где а и b - постоянные коэффициенты пересчета скорости распространения УЗ колебаний в плотность.

В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований, направленных на изучение возможности применения описанного в [3] УЗ метода для определения плотности продуктов первичной переработки нефти.

Как известно из [4], на современных нефтеперерабатывающих заводах первичная переработка нефти осуществляется на атмосферно-вакуумных трубчатых (АВТ) установках и заключается в обессоливании нефти, а также ее первичной и вторичной перегонке. Процесс обессоливания предназначен для удаления воды и солей из нефти, первичная перегонка - для разделения нефти на фракции для последующей переработки или использования в качестве товарной продукции, вторичная перегонка - для разделения фракций, полученных при первичной перегонке, на более узкие погоны. Основой всех процессов является постепенный нагрев исходного сырья (нефти), сопровождающийся выпариванием соответствующих нефтяных фракций и их последующей конденсацией в специальных холодильных колоннах.

Именно температурная разгонка нефти с отсутствием всевозможных изменений в химической структуре входящих в ее состав углеводородов являлась главной предпосылкой применения предложенного в [3] УЗ метода для контроля плотности НП на различных этапах технологического процесса.

Экспериментальные исследования проводились в климотермокамере КТК-800, производства фирмы NEMA (Германия) с применением опытного образца УЗ прибора, измеряющего скорость распространения УЗ волн в НП и его температуру, описанного в [5]. Объектом изучения были НП первичной переработки, выработанные на установке АВТ-10 Омского нефтеперерабатывающего завода. Температурный диапазон испытаний каждого НП определялся его летучестью и соответствовал требованиям ГОСТ Р

139

51069 - 97. НП поочередно наливали в экспериментальную установку, представляющую собой фрагмент магистрального трубопровода диаметром 50 мм с установленным в нем УЗ прибором, и дискретно нагревали (летучие НП охлаждали) до максимально (минимально) возможной температуры. В нескольких точках температуру стабилизировали и снимали показания прибора и погруженного в НП ареометра для нефти типа АН из стандартного набора.

По окончании процесса измерения были построены зависимости скорости распространения УЗ волны в НП от температуры, плотности НП от температуры и скорости распространения УЗ волны в НП от плотности, аналогично [3]. Результаты представлены на рис. 1-3 (зависимость скорости распространения УЗ волны от плотности НП представлена в удобном для вычисления плотности виде, температура выражена в °К).

-----НК-62

V, м/с 1600

1500

1400

1300

1200

100

1000

- Бензин Е-6

240

290

340

-х-- Фр. 62-85 -----Продукт К-3

- - - Бензин К-6 --*--Диз. топливо ... — Продукт К-9

- - - - 2-й погон -••х--- 3-й погон

----4-й погон

--5-й погон

- -х- - Мазут

-Гудрон

-Нефть

Т,К

Рис. 1. Зависимости скорости распространения УЗ волны в НП от температуры

Как видно из рис. 1-3, температурные зависимости скорости распространения УЗ волны в НП и плотности НП линейны; взаимосвязь скорости и плотности также имеет линейный характер. Сравнение данных на рис. 1 и рис. 2 выявляет следующую закономерность: порядок следования температурных зависимостей скорости распространения УЗ волны в НП аналогичен порядку следования температурных зависимостей плотности соответствующих НП. Эта закономерность позволяет идентифицировать НП в семействе предварительно установленных зависимостей измерением скорости распространения в нем УЗ волны и его текущей температуры, и вычислять текущую плотность НП по известному из [3] алгоритму.

На основании измеренной скорости распространения ультразвука Уюм и температуры контролируемого НП Тиш выбираются две близлежащие зависимости скорости распространения ультразвука от температуры из семейства предварительно установленных калибровочных зависимостей. Выбор близлежащих зависимостей производится подстановкой измеренной температуры Тиш в каждую из предварительно установленных калибровочных зависимостей скорости распространения ультразвука от температуры У(Т) для всего класса продуктов первичной переработки нефти, вычислением рас-

четного значения скорости распространения ультразвука К, для каждой зависимости по выражению (1) и определением абсолютных отклонений АР) = /Уюм - V, /. Минимальные значения АУ, и ДК,+/ определяют близлежащие к точке измерения зависимости 7X У2(Т) и соответствующие им р, (V), р2(У), по которым производится расчет плотности р согласно выражению:

Р = Р\(УЮМ)-

А К,

А К, + Д У2

+ Р2(УиэЛ,)-

А У

ЛУ, +АУ2

(2)

р, кг/куб.м 1000

950

900

850

800

750

700

650

600

-____

____________

• "Х- *-х - — -

240

290

340

----НК-62

- - Бензин Е-6

- -х- - Фр. 62-85 ----Продукт К-3

- - Бензин К-6

- х- ■ Диз. топливо .....Продукт К-9

- - - 2-й погон

- - х- - 3-й погон --- 4-й погон

- — 5-й погон

- х - Мазут -Гудрон

Т, К

■ Нефть

Рис. 2. Зависимости плотности НП от температуры

р, кг/куб.м

1000

950 900 850 800 750 700 650

600

.-X

----НК-62

— " Бензин Е-6

— -X - Фр. 62-85

— • — - Продукт К-3

— - Бензин К-6

— -Х- ■ Диз. топливо ......Продукт К-9

— - - 2-й погон ■ - Х- - - 3-й погон ---4-й погон

— — 5-й погон

— -X — Мазут -Гудрон

"1 Нефть

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600у,м/с

Рис. 3. Зависимости скорости распространения УЗ волны от плотности НП

Исключение из выявленной закономерности составляют мазут, гудрон и обессоленная нефть. Как видно из рис. 1, температурная зависимость скорости распространения УЗ в мазуте практически совпадает с зависимостью 5-го нефтяного погона, а аналогичная зависимость нефти находится между линиями бензина К-6 и дизельного топлива. Однако (рис. 2) температурная зависимость плотности мазута лежит между 5-м погоном и гудроном, а нефти - совпадает с продуктом К-9. Аналогичные температурные зависимости гудрона также не пропорционально удалены от близлежащих к ним линий мазута. Это обстоятельство, обусловленное в случае мазута и гудрона наличием в них взвешенных твердых частиц, а в случае нефти - суперпозицией температурных характеристик всех вырабатываемых из нее НП, не позволяет идентифицировать вышеупомянутые НП в общем семействе продуктов первичной переработки. Поэтому для определения плотности мазута и гудрона исследуемым УЗ методом необходимо выделить их в отдельную группу (так называемые "черные НП"). Также необходимо выделить в отдельное обособленное семейство нефть из-за нестабильности ее физических характеристик и провести дополнительное исследование нефтей с разных месторождений.

Численная интерпретация полученных экспериментальных данных, проведенная методом наименьших квадратов [6] с применением персонального компьютера, представлена в табл. 1. Анализ аппроксимирующих выражений показывает, что увеличение плотности НП уменьшает температурные зависимости как скорости распространения УЗ волны в НП, так и плотности НП. Это обстоятельство обуславливает минимальную разницу коэффициентов наклона прямых р(V), отличающихся лишь постоянными коэффициентами, что подтверждается рис. 3. Полученные аппроксимирующие выражения У(Т) используются для идентификации НП и расчета абсолютных отклонений ДК„ а численные зависимости р(V) - для вычисления плотности НП по описанному выше алгоритму.

Таблица 1

Аппроксимация экспериментальных данных _

№ Нефтепродукт Р20 У(Т) Р(Т) Р(У)

1 НК-62 652 У=-4,95Т+2514,2 р=-0,91Т+919,1 р=0,1841 У+456,1

2 Бензин Е-6 702 у=-4,77Т+2536,6 р=-0,87Т+959,0 р=0,1836У+493,1

3 Фракция 62-85 707 У=-4,75Т+2545,2 р=-0,86Т+961,0 р=0,1824У+496,6

4 Продукт К-3 741 У=-4,58Т+2549,4 р=-0,81Т+978,9 р=0,1772У+527,2

5 Бензин К-6 764 У=-4,ЗЗТ+2518,2 р=-0,75Т+982,8 р=0,1723У+549,1

6 Диз. топливо 841 У=-3,92Т+2540,6 р=-0,67Т+1037,7 р=0,1718У+601,2

7 Продукт К-9 844 У=-3,67Т+2471,8 р=-0,63Т+1029,5 р=0,1726У+602,9

8 2-й погон 881 У=-3,68Т+2526,1 р=-0,66Т+1074,2 р=0,1794У+621,0

9 3-й погон 894 У=-3,51Т+2503,0 р=-0,64Т+1080,3 р=0,1807У+627,9

10 4-й погон 908 У=-3,29Т+2453,7 р=-0,62Т+1089,3 р=0,1878У+628,4

11 5-й погон 924 У=-3,25Т+2461,8 р=-0,59Т+1098,5 р=0,1846У+643,9

12 Мазут 938 У=-3,29Т+2476,8 р=-0,60Т+1113,6 р=0,1828У+660,8

13 Гудрон 989 У=-3,43Т+2586,1 р=-0,60Т+1166,3 р=0,1766У+709,5

14 Нефть 845 У=-3,95Т+2523,9 р=-0,69Т+1050,5 р=0,1770У+603,8

Проведенные экспериментальные исследования подтверждают возможность применения УЗ метода, основанного на измерении скорости распространения УЗ волн в НП, для определения плотности продуктов первичной переработки нефти. Анализ экспериментальных данных выявляет необходимость разделения семейства НП первичной переработки на подгруппы для более точной идентификации отдельного НП описанным в [3] способом. Полученные в результате исследований численные зависимости позволяют автоматизировать процесс измерения плотности средствами вычислительной техники.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бражников Н.И. Ультразвуковые методы измерения плотности. - Приборы и системы управления, 1976. №10. С. 17-21.

2. Бергман JI. Ультразвук и его применение в науке и технике. Пер. с нем. М. Издательство иностранной литературы, 1957. - 728 с.

3. Чахлов B.JI., Чепрасов А.И., Шаверин Н.В. Измерение плотности нефтепродуктов и их смесей ультразвуковым методом. - Дефектоскопия, 2002. №6. С. 90-95.

4. Справочник нефтехимика. В двух томах. Т. 1. Под ред. О гор од н и к о в а С.К. -Ленинград: Химия, 1978.-496 с.

5. Шаверин Н.В. Исследование ультразвукового метода и разработка прибора для автоматизированного контроля плотности нефтепродуктов. - Труды VIII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии". Сборник докладов, том 1. -Томск: Изд-во ТПУ, 2002. - С. 112-114.

6. Гришин В.К., Живописцев Ф.А., Иванов В.А. Математическая обработка и интерпретация физического эксперимента. - Москва. Изд-во Моск. ун-та, 1988. - 318 с.

УДК 622.692.4

Л.А.ШНАЙДЕР, В.К. КУЛЕШОВ

ВОЗМОЖНОСТЬ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО МОНИТОРИНГА ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ УЗЛОВ И УЧАСТКОВ ЛИНЕЙНОЙ ЧАСТИ МАГИСТРАЛЬНЫХ НЕФТЕПРОВОДОВ

В статье рассматриваются необходимость и возможность акустико-эмиссионного (АЭ) мониторинга линейной части магистрального нефтепровода (МНП). АЭ-мониторинг всей линейной части МНП трудно реализуем и экономически не выгоден в связи с большой протяжённостью и использования большого количества АЭ-датчиков. Поэтому необходимо выделить потенциально опасные узлы и участки МНП, не требующие оснащения большим количеством АЭ-датчиков. Наличие мешающих факторов, характерных для рассматриваемых объектов (снег, дождь, град и другие атмосферные явления) не позволяет использовать имеющиеся АЭ-системы мониторинга. Необходима разработка алгоритма отстройки от мешающих факторов.

В настоящее время на территории России эксплуатируется около 65 тыс. км магистральных нефтепроводов (МНП). В последние несколько лет аварийность на нефтепроводах зафиксирована на уровне 0,06 на 1000 км. Срок эксплуатации около половины МНП достиг нормативного срока службы: свыше 33 лет - 30%, от 20 до 30 лет -37%. К 2005 году доля нефтепроводов с возрастом свыше 33 лет составит 40%. В связи с этим вероятность возникновения аварий с разливами нефти на МНП будет возрастать [1]. Аварийные ситуации связанны с экологическим ущербом окружающей природной среде и огромными экономическими издержками на восстановление работоспособности МНП.