Устройство для поддержания уровня границы раздела жидкостей

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для регулирования уровня нефтепродукта в резервуарах подготовки нефти. Цель изобретения - повышение точности поддержания уровня путем устранения срыва регулирования в условиях инверсии фазы контраста нефть - газ (нефть - вода). Достижение цели обеспечивается установкой термочувствительных элементов 2 и 3 теплового уровнемера на внешней поверхности одной из сторон 8 резервуара 9, а также введением аналогичного дополнительного уровнемера, установленного на противоположной внешней стороне 10 резервуара 9. Кроме того, устройство содержит блок управления в виде компаратора 12, инвертора 13 и двух ключей 14 и 15. Выходы Ј

сОюз сОВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) ((!) (я)5 G 01 F 23/22

ГОСУДАРСТВЕН(ЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР ) т

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4498335/10 (22) 26.10.88 (46) 30.04.91, Бюл. М 16 (71) Научно-исследовательский институт интроскопии при Томском политехническом институте (72) Б.Н.Епифанцев, Ю.Г.Казаков и А.И.Чепрасов (53) 681.128 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 124588, кл. G 01 F 23/22, 1986.

Беляков В.Л. Автоматизация промысловой подготовки нефти и воды.М„1988, с.170, рис.70. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ

УРОВНЯ ГРАНИЦЫ РАЗДЕЛА ЖИДКОСТЕЙ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для регулирования уровня нефтепродукта в резервуарах подготовки нефти. Цель изобретения — повышение точности поддержания уровня путем устранения срыва регулирования в условиях инверсии фазы контраста нефть — газ (нефть— вода). Достижение цели обеспечивается установкой термочувствительных элементов 2 и 3 теплового уровнемера на внешней поверхности одной иэ сторон 8 резервуара 9, а также введением аналогичного дополнительного уровнемера, установленного на противоположной внешней стороне 10 резервуара 9. Кроме того, устройство содержит блок управления в виде компаратора 12, инвертора 13 и двух ключей 14 и 15, Выходы

ЮО

1645841 уровнемеров соединяются с входами соответственно первого и второго ключей 14 и

15 и с входами компэратора 12. выход которого связывается с управляющим входом первого ключа 14 и через инвертор 13 — с управляющим входом второго ключа 15, а выходы ключей 14 и 15 подсоединены к пороговому регулятору 16. При этом рабочие . поверхности термочувствительных элементов 2 — 5 соединяются с поверхностью резервуара 9 через слой 18, состоящий иэ смеси алюминиевой пудры и масла. На вход порогового регулятора в каждый момент времени выдается максимально разностный сигнал с термочувствитепьных элементов 2 — 5, подключенных к блокам 6 и 7 выделения разностного сигнала соответственно. Это позволяет в силу неодинаковоИзобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для регулирования уровня нефтепродукта при автоматизации резервуарных парков подготовки нефти.

Цель изобретения — повышение точности поддержания уровня нефтепродукта.

На фиг.1 показана структурная схема устройства; на фиг.2 — временные диаграммы работы устройства, Устройство содержит анализатор 1 состава жидкости 1, состоящий иэ двух пар термочуостоительных элементов 2, 3 и 4, 5 и двух схем 6 и 7 выделения раэностного сигнала. Пара термочувствительных элементов

2 и 3 установлена нэ внешней поверхности

8 резервуара 9 подготовки нефти по его высоте, Нэ аналогичных уровнях по высоте, противоположной внешней поверхности 10 резервуара 9, установлена пара термочувствительных элементов 4 и 5. Выходы термочувствительных элементов 2 и 3 связаны с входами первой схемы 6 для выделения разностного сигнала, а оыходы термочувствительных элементов 4 и 5 связаны с входами второй схемы 7 для выделения рэзностного сигнала. Один из термочувствительных элементов каждой пэры 2 и 4 установлен на заданном уровне 11 нефтепродукта (на верхнем уровне нефтепродукта по высоте резервуара "нефтепродукт — газ", или на нижнем уровне "нефтепродукт — вода" в зависимости от того, для поддержания какого уровня в заданном положении используется

ЗО сти условий теплообмена противоположных сторон 8 и 10 резервуара 9 с окружающей средой и возникновения в связи с этим инверсий фаэ контраста нефть — газ (нефть — вода) на них в различные моменты времени обеспечить выделение отличного от нуля сигнала о смещении уровня относительно заданного положения в любое время. Связь термочувствительных элементов 2 — 5 с внешней поверхностью резервуара 9 через слой 18 алюминиевой пудры и масла обеспечивает устранение срыва регулирования при малых величинах контраста. Возникающий при этом надежный тепловой контакт позволяет повысить достоверность выделения сигнала о положении уровня. 1 з.п. ф-лы, 2 ил, устройство). Устройство содержит также компаратор 12, инвертор 13, ключи 14 и 15, пороговый регулятор 16, исполнительный механизм 17, Выходы схем 6 и 7 дпя выделения разностных сигналов анализатора 1 состава жидкости соединены соответствен«о с входами Х ключей 14 и 15 и входами компаратора 12, выход которого связан с управляющим входом V ключа 14 и через инвертор 13 с управляющим входом V ключа

15, а выходы ключей 14 и 15 подсоединены к пороговому регулятору 16, связанному с исполнительным механизмом 17. Рабочие поверхности термочувствительных элементов 2 — 5 соединены с внешними поверхностями 8 и 10 стенок резервуара 9 подготовки нефти через слой 18 алюминиевой пудры и масла, Устройство работает следующим образом.

Термочувствительные элементы 2 и 3 анализатора 1 состава жидкости, например полупроводниковые. проволочные термосопротивления или другие элементы дпя преобраэовония температуры в электрический сигнал, регистрируют температуру в двух заданных точках по высоте одной иэ внешних сторон 8 резервуара 9 и соответственно термоэлементы 4 и 5 анализатора 1 регистрируют температуру в двух, расположенных в тех же заданных по высоте точках противоположной внешней стороны 10 резервуара 9.

1645841

Связь рабочих поверхностей термо :, вствительных элементов 2 — 5 анализатора 1 состава с внешней поверхчостыо резервураа 9 через слой 18 алюминиевой пуд ы и масла (алюминиевая пудра 80 — 90%, масло

10 — 20%), который имеет наряду с высокой теплопроводностью неплохие вязкостные качества, гарантирует надежный тепловой контакт, исключает неравномерности в области соприкосновения, обусловленные неровностями стЕнки резервуара. Эксперименты показали, что именно при таком процентном соот«сшении веществ наблюдается оптимальное соотношение пластических и теплопроводных свойств слоя.

Тепловое состояние резервуара 9, в котором предварительно подогретая (Т = 40" С) еодонефтяная смесь расслаивается по плотности и образует слои снизу вверх по высоте резервуара воды, нефтепродукта, газа, определяется процессами теплообмена пристенных слоев сред через металлическую стенку резервуара 9 с окружающей средой.

В силу разности теплофизиче ких характе- ристик нефтепродукта и воды (газа) и непрерывности обновления поступающей в резервуар смеси, под воздействием с одной стороны метеофакторов (температуры воздуха, солнечной радиации, ветра и т.д}, э с другой — теплообмена, обусловленного свободной и вынужденной конвекцией в средах на границах их раздела, имеет место температурный перепад, величина которого яаляется функцией условий теплообмена.

При нахождении границы раздела «ефтепродукт — вода (газ) нэ заданном уровне

11 сигналы на выходах схем 6 и 7 для выделения разностного сигнала, каждая из которы выполнена. например, на основе дифференциального усилителя, близки к нулю, так как термочувствительные элементы пар 2, 3 и соответственно 4, 5 находятся в примерно одинаковых тепловых условиях (например, в области внешних поверхностей 8 и 10 резервуара 9, граничащих со слоем нижней из сред по высоте резервуара: нефтепродукта в случае использования устройства для поддержания уровня нефтепродукт — гэз, воды — в случае поддержания уровня нефтепродукт — вода). Компаратор

12 находится в любом из возмож«ых copTQяний "0" или "1", (состояние "0" нэ фиг,2). В зависимости от этого открыт один из ключей

14 или 15, с выхода которого информация выдается на вход порогового регулятора 16. представляющего из себя, например, тригер Шмидта. В рассматриваемый момент времени, когда сигнал на входе порогового регулятора близок к нулю (меньше порога

10 t5

3С

-рэбэ.ыва, ия регулятора ьэ <ри.,2) nipei;i.l сие «э исполниаельчый механизм об спечивэет о ток жидкости (неф и — в с g÷àå поддержания границы "«ефтепг сдукт — гээ" или воды -. в случае поддержа«ия границы

"нефтепродукт — вода") из резервуара. Исполнительный механизм представляет из себя, например, переменное ги,равлическос сопротивление, помэщеч«ое в трубогроеод, перемещение которого в соответствии с командным синэлом вызывэBl изменение расхода потока жидкости, В результате снижение уровня раздела относи"ельно заданного положения (показано штриховой линией на фиг 1) приводит к ому, что термочувствительные элементы 2 и 4 анализатора 1 состава оказываются в контакте с внешней поверхностью резервуаое, граничащей с верхним слоем по высоте резервуара (газом или нефтью).

Тепловое состоя«ие термочувс1 еитель« .; элементов 2 и 4 изменяется относительно теплового состояния термочусствительных элементов 3 и 5, которые по-прежнему контакт1руют со стенкой резервуара, гран., -пщей с нижним слоем по высоте резервуара (соотвстственно с нефтью или годоМ Слой воды. имея болье гую теплопрог 1д юсть, плотность, теплоемкость и на порядок меньше вязкость по сравнению с нефтью, характеризуется большей интенсивностью протекающего в нем конвективного теплообмена.

Тепло, отдаваемое ооолочкой резервуара. грани эщей со слоем воды, компенсир ется подводимым изнутри резервуара 9 тегловым потоком интенсивнее, по сравнению с оболочкой резервуара в области слоя нефти.

Еще меньшая теплопроеодность газа приводит к еще меньшей комов«сации тепловых потерь, чем на уровне нефти, т.е. температура оболочки резервуара 9 на уровне газа приближается к температуре окружающей среды. В результате внешняя поверхность резервуара 9 в области расположения слоя воды охлаждается медленнее соответствующей поверхнос v в области слоя нефти, а последняя медве«нее поверхности в области слоя газа при любой совокупности одинаково воздействующих на них охлаждающих факторов (температуры воздуха, ветра, солнечной радиации и т.д.).

Интенсивность теплообмсна на противоположно ориентированных поверхностях 8 и

10 резервуара 9, определяющая величину теплового контраста на каждой иэ них в области раздела сред, в любой момент времени различна, так кэк возмущающие факторы (ветер; солнечная радиация), имея вполне определенное направление воздействия, действуют на них одновременно с

1645841

3С

Щ

I неодинаковой силой. Сигналы с выходов схем 6 и 7 для выделения разностного сигнала анализатора 1, несущие информацию о величинах тепловых контрастов на противоположных поверхностях резервуара в области раздела сред, выдаются на входы Х ключей 15, 14 и одновременно на входы компаратора 12, который осуществляет сравнение абсолютных значених указанных сигналов. Если сигнал на выходе схемы 6 анализатора 1 состава жидкости больше по абсолютной величине сигнала на выходе схемы 7, то на выходе компаратора 12 и соответственно на входе инвертора 13 устанавливается уровень логической "1". При этом ключ 15, на управляющий вход которого с выхода инвертора 13 подается логический "0", закрыт, а ключ 14 открыт и выход схемы 6 подключен к входу регулятора 16.

Если, наоборот, сигнал на выходе схемы 7 анализатора 1 больше сигнала на выходе схемы 6, то логический "0", возникающий на выходе компаратора 12, обеспечивает подключение через открытый ключ 15 на вход регулятора 16 сигнала со схемы 7 àíà",èçàтора 1. Ключ 14 при этом закрыт. Таким образогл. ксмпаратор, воздействуя на управляющие входы V ключей 14 и 1 . I:.ñ" осредственно, и соответственно, через инвертор 13, открывает в каждый момент времени тот иэ них, на информационном входе Х которого сигнал, выдаваемый со схем 6 или 7, максимален, Таким образогл, осуществляется оыда:га на сход порогов.го регулятора 16 сигнала, соответствующего максимальному тепловому контрасту нефтепродукт — иода (газ) иэ наблюдающихся на противоположных сторонах резервуара в любой момент времени. При смещении уровня раздела относительно заданного положения сигнал превышает порог срабатывания порогового регулятора 16, который, воздействуя на исполнительный орган 17, уменьшает отток жидкости иэ резервуара.

3а счет притока водонефтяной смеси о резервуар подготовки нефти (не показан), со скважин эксплуатируемых месторождений обеспечивается возвращение уровня раздела в заданном положении 11. При этом сигнал на выходах схем 6 и 7 для выделения разностного сигнала вновь становится близким к нулю (гленьше порога срабатывания регулятора), Воздействие на исполнительный механизм 17 вызывает увеличение оттока жидкости, процесс поддержания уровня продолжается. Когда охлаждение одной иэ сторон резервуара 9 сменяется ее нагревом различия теплофиэических характеристик сред (теплопрсводности, плотности. теплоемкости, вязкости) приво ;ят к тому, что поверхность, граничащая с нефтью и охлажденная сильнее, чем соответствующая поверхность на уровне воды, начинает нагреваться быстрее ее. Поверхность на уровне газа, охлажденная еще сильнее, чем поверхность на уровне нефти, — быстрее последней. В результате температуры поверхности на уровне нефти и воды (газа) выравниваются, контраст исчезает (температура на уровне газа "догоняет" температуру на уровне нефти, а последняя— температуру на уровне воды). Таким образом, когда охлаждение поверхности резервуара сменяется на ревом (или наоборот) сигнал при смещении уровня относительно заданного положения на выходе одной иэ схем 6 или 7 равен О. Регулирование при этом ведется по сигналу, регистрируемому на противоположной стороне резервуара и вырабатыоаемоглу схемой соответственно 7 или 6, Здесь сигнал отличен от нуля в силу различной интенсивности воздействующих на тепловое состояние противоположных псьерхностей резервуара факторов (ветра, солне гной радиации) B каждый момент времени, Формула изобретения

1, Устройсrrro для поддержания уровня границы раздела жидкостей, содержащее два преобразователя уровня, пороговый регулятор, выход K010pGr о связан с исполнительным механизмом клапана сброса жидкости, и блок управле и», о т ri и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения то ности поддержания уровня, r, нем каждый пресбсаэооатель уровня выполнен о виде двух смещенных flо высоте -ермсчуостоительных элементов и блока выделения разностного сигнала, входы которого подключены к термочувствительным элементам, расположенным попарно симметрично термочуоствительным элементам другого преобразователя, а блок управления выполнен о оиде компаратора, двух ключей и иноертора, при этом выходы блоков выделения раэностного сигнала подключены соотоетственно к сигнальным входам ключей и входам ксмпаратсра, выход которого подключен к управляющему входу одного ключа и через I,iiioeplop — к управляющему входу другого кл,о«а, а выходы ключей сбьединены и подклгочены к входу порогового элемента.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что о нем рабочие поверхности термочуоствительньгх элементов покрыты защитным слоем, состоящим иэ смеси алюминиевой пудры и масла при следующем соотношении ингредиентов, мас. ь:

Ал смзмиеоая пудра 0,8 — 0,9 ! Ласо > 0,1 — 0,2

1645841

Составитель М. Жуков

Техред М. Моргентал Корректор С. Шекмар

Редактор С. Лисина

Заказ 1345 Тираж 430 Подписное тиям и и ГКНТ СССР

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Уж ор д, у . р

М . У г о, л.Гага ина, 101