Уровнемеры для нефтегазовой отрасли: обзор рынка
Сложно переоценить важность достоверныой информации в добывающей промышленности. Малейшее отклонение от заданных значений может привести к печальным последствиям. Конкретный пример ― измерение уровня нефти и нефтепродуктов. Сегодня существует множество приборов для решения этой задачи с различным принципом действия. Каковы их преимущества и ограничения? И что нужно учесть при выборе?
«Точность ― вежливость королей»
На современных предприятиях уровнемеры решают множество задач. Как пишет в своей статье «О некоторых вопросах коммерческого учёта нефти в резервуарах» коллектив авторов из РГГУ нефти и газа им И. М. Губкина, системы учёта должны предоставлять информацию об уровне жидкости, наличии свободного пространства, скорости, с которой идёт слив или наполнение ёмкости.
А также сигнализировать о загрузке резервуара до критического уровня или времени, через которое он опустеет при данном уровне откачки. Ошибки в определении уровня могут привести к разливу, взрыву и воспламенению продукта.
«Согласно статистике, пожары, возникающие в результате перелива на объектах хранения нефти в США, с 1998 по 2018 гг. принесли убытки на сумму более $1 млрд», ― отметили авторы статьи.
Неудивительно, что к уровнемерам в нефтегазовой отрасли предъявляют самые строгие требования.
«В резервуарный парк регулярно поступает и отпускается значительный объём продукции. А значит, здесь требуется точный учёт нефтепродуктов с погрешностью, не превышающей 3 мм. При этом нужно учитывать значительную высоту ёмкостей и удалённость кабельных линий. Помимо высокой требуемой точности, сложность для резервуаров типа РВСП (резервуар вертикальный стальной с понтоном) представляет необходимость измерения в направляющих (успокоительных) трубах», ― объяснил руководитель направления «уровень» АО «ЭМИС» Максим Дудкин.
От стальной рулетки до буйковых уровнемеров
Изначально измерения проводили вручную с помощью стальной рулетки. Первые автоматические уровнемеры появились в 30‑е гг. ХХ века. В основе их конструкции лежал большой поплавок, соединённый с металлической лентой. К сожалению, на их показания не всегда можно было с уверенностью положиться.
«На точность измерения здесь воздействуют многочисленные факторы, такие как разница в плавучести, диапазон нечувствительности, мёртвый ход и гистерезис механизмов. Если с поплавком, лентой или линией передачи происходят неполадки, необходимо проводить мероприятия по техобслуживанию внутри резервуара, и до их устранения измерения с помощью поплавкового уровнемера производить нельзя», ― пишут авторы статьи «О некоторых вопросах коммерческого учёта нефти в резервуарах».
Также данный вид приборов, несмотря на кажущуюся простоту, требует регулярного техобслуживания и ремонта в течение всего срока эксплуатации из-за наличия большого количества подвижных частей.
Так как уровнемер напрямую контактирует с измеряемой средой, высок риск налипаний. В качестве примера можно привести дренажные ёмкости. В них собираются различные стоки, а значит, параметры среды могут значительно варьироваться по плотности и вязкости.
Следующим шагом в эволюции подобных приборов стал сервоуровнемер, где поплавок был заменён небольшим буйком. Благодаря этому надёжность измерений существенно выросла.
«К преимуществам буйкового метода измерений относится его простота, здесь не нужны сложные настройки. При этом такой уровнемер способен обеспечить надёжные измерения во многих технологических процессах.
Ещё одним достоинством таких приборов является возможность высокотемпературного исполнения ― свыше 400 °C. Именно поэтому уровнемер буйкового типа зарекомендовал себя как простое и надёжное средство измерения в различных технологических процессах», ― рассказал Максим Дудкин.
В то же время эти приборы не лишены недостатков. Из-за наличия подвижных частей здесь также нужны частое обслуживание и калибровка. Кроме этого, на точность измерения могут влиять плотность среды, появление осадка и налипаний на буйках. Всё это заставило инженеров задуматься о создании приборов бесконтактного типа.
Без контакта с измеряемой средой: радарные уровнемеры
В 70–80‑х гг. прошлого века стало ясно, что буйковые и поплавковые уровнемеры достигли своего предела в развитии, пишут специалисты АО «Лимако» в статье «Радарные уровнемеры: история создания и перспективы развития систем контроля уровня» в журнале «ИСУП» («Информатизация и системы управления в промышленности»).
С этого момента технический прогресс пошёл в сторону приборов без контакта с измеряемой средой. Речь идёт прежде всего о радарных уровнемерах. Изначально их применяли на танкерах, а в 1980‑х гг. доработали для использования в морских резервуарах.
Принцип действия радарных уровнемеров основан на измерении времени распространения радиоволны от антенны прибора до поверхности продукта и обратно. Высокой точности удаётся добиться за счёт использования метода непрерывного излучения с частотной модуляцией (FMCW). Как отмечают учёные РГГУ нефти и газа, это позволяет производить измерения с погрешностью менее миллиметра при измерении уровня в диапазоне от 50 м и выше. Помимо этого, у радарного уровнемера нет подвижных частей, а значит, ему не требуется регулярное техобслуживание. Всё это даёт срок службы в 30 и более лет.
Так как эти приборы не вступают в контакт с жидкостью, их можно использовать для измерения уровня самых разнообразных веществ: от сильно нагретого асфальта до криогенных сжиженных газов, например СПГ. Нельзя не отметить и удобство использования. С момента своего появления в 1970‑х годах радарные уровнемеры постоянно развивались в сторону миниатюризации, добавили авторы статьи «О некоторых вопросах коммерческого учёта нефти в резервуарах».
Если говорить об ограничениях радарных уровнемеров, то специалисты АО «ЭМИС» выделяют следующие. Во-первых, у них слишком низкий предел измерений (до 400 мм). Также эти приборы нельзя использовать в реакторах высокого давления, во время технологических процессов температурой свыше 400 °C и при некоторых других условиях.
«В то же время нужно учесть, что приведённые ограничения являются специфическими и встречаются не на всех НПЗ. Так что можно утверждать, что в большинстве случаев приборы радарного принципа справятся со стоящей перед ними целью», ― отметил Максим Дудкин.
Уровнемеры для разных задач
Неудивительно, что приборы этого типа являются самыми распространёнными в промышленности на данный момент. По оценкам Максима Дудкина, они могут решать до 80% всех задач по измерению уровня.
В качестве примера можно привести ректификационные колонны. Речь идёт о кипящих углеводородных средах с изменяющейся плотностью и неспокойной поверхностью в широком температурном диапазоне.
«Радарный принцип позволяет измерять уровень турбулентной поверхности, усредняя возмущение от колебаний поверхности в месте физического касания измерительного зонда. Кроме этого, здесь нет зависимости от плотности среды, а следовательно, от объёмного расширения продукта. Всё это и отсутствие движущихся частей позволяют обеспечить точные результаты во всём диапазоне температуры и давления, что качественно отличает волноводно-радарный метод измерения от буйкового или гидростатического», ― объяснил Максим Дудкин.
Ещё одна сложная задача ― измерение уровня в сепараторах нефти (нефтегазоотделителях).
«В аппаратах данного типа на НПЗ из сырой нефти отделяются пластовая вода и попутный газ, после чего она поступает на ЭЛОУ (электрообессоливающую установку). От качества первичной очистки сырой нефти зависит эффективность последующих процессов, поэтому важно точно определять уровень раздела фаз между нефтью и водой. Уровнемеры волноводно-радарного типа позволяют контролировать одновременно значения уровня нефти и воды.
Похожие задачи стоят на факельных сепараторах. Нужно отделить жидкость от газа перед сжиганием, чтобы предотвратить или уменьшить выделение вредных газов в атмосферу. В дренажную ёмкость сливаются стоки грязной воды и остатки нефтепродуктов.
Процесс заполнения может быть достаточно быстрым, поэтому требуется надёжное измерение с быстрым откликом. Ввиду налипаний и изменения плотности поплавковые средства измерения не могут корректно измерять уровень отделяемой жидкости. Оптимальным решением опять‑таки является уровнемер волноводно-радарного типа с одностержневым измерительным зондом с центрирующими звёздочками в верхней части», ― рассказал Максим Дудкин.
Адаптация нужна и в случае со сжиженным углеводородным газом.
«СУГ имеет нестабильное агрегатное состояние, и при определённых условиях происходит его вскипание. Поэтому для его хранения часто применяются горизонтальные или сферические резервуары с избыточным давлением „специальной подушки” из инертного газа. Встречаются также криогенные ёмкости хранения.
Ввиду наличия избыточного давления и низкой плотности СУГ измерение продукта гидростатическим методом или с помощью поплавковых приборов затрудненно. Для решения этой задачи подходит уровнемер волноводно-радарного типа с коаксиальным измерительным зондом, позволяющий контролировать уровень продукта с очень низкой диэлектрической проницаемостью», ― отметил представитель АО «ЭМИС».
В качестве ещё одного примера использования радарных уровнемеров можно привести дегидраторы (электрообессоливатели) на НПЗ.
«Поступающая в аппарат сырая нефть может разделяться на три фазы: нефть, воду и слой эмульсии. Соли, содержащиеся в сырой нефти, должны быть удалены перед подачей нефти на стадии переработки. Для этого применяются химические реагенты, вода и решётка, создающая электростатическое поле высокого напряжения. Уровнемеры ёмкостного и кондуктометрического принципов измерения сталкиваются с проблемой налипаний на стержнях, приводящих к ошибкам измерения, вследствие которых возможно попадание нефти на очистные сооружения», ― объяснил Максим Дудкин.
Итак, как мы видим, даже в нефтегазовой отрасли со всей её спецификой сложно найти задачи, которые были бы не под силу современным уровнемерам. При этом технический прогресс не останавливается. Так что мы можем рассчитывать на ещё более точные измерения. А это важно не только для коммерческого учёта, но и для безопасности людей на производстве.
Максим Дудкин, руководитель направления «Уровень» АО «ЭМИС»
«Практически все приборы для измерения уровня в той или иной степени требуют периодического технического обслуживания. Но в зависимости от условий технологического процесса, в частности возможных налипаний, наличия твёрдых включений или осадка, вязкости, воздействия высокой или низкой температуры, конденсации и т. п., периодичность и трудозатраты на проведение работ могут значительно отличаться.
Так, буйковые, поплавковые, магнитострикционные и сервоуровнемеры требуют более частого технического обслуживания ввиду необходимости очистки подвижных компонентов и опорных осей с последующей калибровкой. Удобнее в обслуживании приборы, постоянно контактирующие с измерительной средой.
Это датчики перепада давления, использующие гидростатический принцип измерения уровня. Они нуждаются лишь в периодической очистке и установке „нуля”. Наименьших трудозатрат требуют радарные уровнемеры, поскольку не имеют подвижных частей в своей конструкции и не зависят от изменения плотности измеряемой среды, а, следовательно, не требуют периодической калибровки».
Текст: Андрей Халбашкеев.
Фото предоставлены АО «ЭМИС».
