CC BY
18УДК 62-791.2
И.А. Яблуновский, В.А. Перминов
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ТОПЛИВА В СУДОВЫХ ТАНКАХ
Вопрос контроля уровня топлива всегда был актуален. Топливные ресурсы не бесконечны и всегда должны подлежать строгому учету. Отклонения от необходимого уровня топлива могут вызвать сбои в работе и даже вывод устройства, предприятия из эксплуатации. Чтобы обеспечить безопасность и рентабельность технологического процесса, необходимо оснастить предприятие (корабль) измерительными приборами, способными обеспечить надежное и точное измерение уровня топлива.
Ключевые слова: средства измерения, способы измерения, техническая эксплуатация, эффективность, надежность, безопасность.
I.A. Yablunovski, V.A. Perminov
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamcharsky, 683003 e-mail: [email protected]
TECHNICAL SUPPORT FOR MEASUREMENT AND CONTROL OF FUEL LEVEL IN SHIP TANKS
The issue of fuel level control has always been relevant. Fuel resources are not infinite and must always be subject to strict accounting. Deviations from the required fuel level can cause malfunctions and even the device to be withdrawn, enterprises to be out of operation. To ensure the safety and profitability of the technological process, it is necessary to equip the enterprise (ship) with measuring instruments capable of providing reliable and precise fuel measurement.
Key words: measuring instruments, measuring methods, technical operation, efficiency, reliability, safety.
Измерение и контроль уровня топлива, как правило, используются в коммерческом учете, и любая критическая погрешность может нанести серьезный ущерб предприятию. Также контроль уровня должен осуществляться с целью безопасности, ведь наполнение открытых резервуаров сверх расчетной емкости может создать угрозу для безопасности и привести к нежелательному разливу нефти, что пагубно отразится на экологии [1-3].
Если установить правильные измерительные приборы и должным образом их обслуживать, то можно существенно повысить следующие показатели на судне, такие как эффективность производства и потребления электроэнергии, сокращение затрат на топливо и эксплуатацию судна, обеспечение безаварийной эксплуатации двигателей, повышение безопасности судна и груза, а также эффективность использования судна [4, 5].
Общие требования к методам выполнения измерений массы нефти и нефтепродуктов регламентированы ГОСТ 8.587-2019. Согласно этому нормативу, выделяют два вида способов измерения: прямые и косвенные. Каждый из этих методов подразделяется на динамический и статический [6-8].
Прямой метод подразумевает использование дорогих и сложных измерительных приборов, которые в свою очередь, как правило, используются на узкопрофилированных предприятиях, связанных с нефтепродуктами. Прямой динамический метод основан на применении показаний расходомеров, а прямой статический подразумевает использование весов для взвешивания.
Косвенно динамический способ измерения предусматривает использование счетчиков объема, а косвенный статический - замеров уровня налива в цистернах и резервуарах, с последующим определением массы расчетным путем при помощи таблиц калибровочного или градуированного типа, позволяющих по уровню налива рассчитать объем продукта.
Также теоретически можно отметить еще один метод, применяющийся при отслеживании уровней, достигших критических точек. Подобный метод называется определением уровня в системе с уставками. Если уровень жидкости достигает определенной уставки, то прибор приведет в движение механизм или включит реле для осуществления корректировки или регулировки системы.
В природе существуют два вида измерения уровня жидкости - это контактный и бесконтактный, применение которых основано на использовании уровнемеров определенной конструкции.
При контактном измерении используют гидростатический, емкостной, поплавковый, визуальный или кондуктометрический уровнемеры. Бесконтактные измерения основаны на применении ультразвуковых, излучающих или электромагнитных устройств, а также устройства бар-ботажного (пьезометрического) типа [9-11].
Гидростатический метод измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное уровню, которое преобразуется в стандартный токовый сигнал. Схема гидростатического измерения приведена на рис. 1.
Преимуществом гидростатических уровнемеров является простота монтажа, относительно низкая погрешность и невысокая стоимость, широкий интервал измерения, возможность работы с вязкими жидкостями при большом избыточном давлении.
Недостатками являются необходимость компенсации атмосферного давления, недопустимость боковых перемещений, засорение измерительной мембраны, необходимость обогрева прибора в зимнее время, изменение плотности жидкости может стать причиной ошибки измерения.
Принцип действия емкостных уровнемеров основан на зависимости электрической емкости системы электрод - измерительная среда от изменения уровня. При этом жидкости, уровень которых измеряется, могут быть как проводниками, так и диэлектриками (рис. 2).
Рис. 2. Схема емкостного уровнемера: а - без изоляционной оболочки; б - с изоляционной оболочкой
б
а
Преимуществом является повышенная чувствительность, широкий диапазон давления в емкости, простая конструкция без подвижных элементов и высокая надежность.
К недостаткам можно отнести сложность настройки для каждого отдельного вещества, необходимость в дополнительной изоляции при работе с диэлектриками, невозможность работы с веществами, образующими пленку на поверхности, а также с жидкостями, имеющими осадок, и самое важное - невозможность использования во взрывоопасной среде.
Принцип действия поплавковых уровнемеров основан на возникновении выталкивающей силы при погружении поплавка в жидкость (закон Архимеда), которая либо преобразуется в стандартный токовый сигнал, либо в пневматический для последующей передачи информации на вторичные приборы. Отличительными качествами таких уровнемеров являются простота конструкции и широкий диапазон измерений. Также стоит отметить хорошую точность и надежность. Однако в средах, образующих налипание или отложение осадка на поплавок, такие устройства применять нельзя, что является существенным недостатком. Также к недостаткам следует отнести необходимость подогрева прибора в зимнее время. Простейшая схема принципа работы данного прибора представлена на рис. 3.
На рис. 4 приведена схема визуального способа измерения уровня жидкости. Этот способ в эксплуатационном плане является самым простым. Принцип действия основан на свойствах сообщающихся сосудов. К технологическому аппарату через запорные вентили подключается стеклянная трубка, по которой и наблюдается столб жидкости.
Рис. 3. Принцип действия поплавкового Рис. 4. Принцип действия визуального
уровнемера уровнемера
Такое устройство отличается хорошей точностью и надежностью. Недостатки связаны с возможностью загрязнения трубки, вплоть до полного исчезновения видимости уровня, а также с возможностью образования воздушных пузырьков внутри стеклянной трубки, что устраняется с помощью дренажного вентиля.
Широкое распространение получили также кондуктометрические уровнемеры. Схема данного уровнемера представлена на рис. 5. Она достаточно проста и представляет собой два электрода, глубина погружения которых в жидкости и определяет текущее значение ее уровня, где выходным параметром преобразователя является его сопротивление или проводимость.
Рис. 5. Принцип действия кондуктометрического уровнемера
Достоинствами данного устройства являются отсутствие движущихся механических частей, возможность измерять при высоком давлении и температуре, а также простота в обслуживании и регулировке.
Главным недостатком такого уровнемера является недостаточная точность измерения из-за непостоянства площадей и поперечных сечений электродов, а также образования на электродах пленки, в результате чего чувствительность уровнемера резко снижается.
Еще одним видом измерительных устройств являются акустические или ультразвуковые уровнемеры. Принцип действия основан на локализации уровня звуковыми импульсами, проходящими через газовую среду, отходящую над контролируемой жидкостью, и явлении отражения этих импульсов от границы раздела сред. Принцип работы акустического (ультразвукового) уровнемера отражен на рис. 6.
Такие уровнемеры обладают высокой точностью, надежностью и возможностью эксплуатации в различных средах. У них может быть аналоговый или дискретный выход, то есть датчик может ограничивать заполнение по достижению определенной точки или отслеживать его постоянно. Отсутствие подвижных частей и низкие затраты на техническое обслуживание повышают область применения данных устройств.
Недостатком же является возможность работы только при нормальном атмосферном давлении и невозможность работы в вакууме. Также невозможно измерять уровень в пенящихся жидкостях.
В ответственных системах измерения часто используют радиоактивные уровнемеры. Действие таких уровнемеров основано на поглощении у (гамма) лучей, проходящих через слой вещества. Такие уровнемеры очень надежны и также имеют высокую точность.
Их главными недостатками являются необходимость обеспечения персонала дополнительной защитой и безопасностью при работе с приборами и невозможность измерения уровня пищевых жидкостей. Также радиоактивные уровнемеры умеют высокую стоимость. Общая схема измерения с помощью радиоактивного уровнемера представлена на рис. 7.
На рис. 8 представлена структурная схема барботажного (пьезометрического) уровнемера. Его принцип действия основан на преобразовании гидростатического давления жидкости в давление воздуха, подаваемого от постороннего источника, барботирующего через слой жидкости. Отличительной особенностью данного устройства является наличие чувствительного элемента, не находящегося в контакте с жидкостью, который воспринимает гидростатическое давление через воздух. Барботажный (пьезометрический) уровнемер может применяться в различных жидкостях.
Рис. 6. Принцип действия акустического (ультразвукового) уровнемера
Рис. 7. Принцип действия радиоактивного уровнемера
Рис. 8. Структурная схема барботажного (пьезометрического уровнемера: 1 - дроссель; 2 - ротаметр; 3 - пьезометрическая трубка; 4 - резервуар; 5 - манометр
Недостатком этого устройства является возможность некорректного измерения в связи с изменением структуры среды. Кроме того, при отрицательных температурах требуется дополнительный обогрев этой системы измерения.
Результаты проведенного анализа технических средств измерения и контроля уровня жидкости в ограниченных емкостях представлены в таблице.
Рабочие свойства основных типов уровнемеров
Тип уровнемера Надежность Точность Зависимость от окружающей среды Простота использования Стоимость
Гидростатический + - - - +
Емкостной + + + - +
Поплавковый + + - + +
Визуальный + + + - +
Кондукто метрический + - + + +
Акустический (ультразвуковой) + + + + +
Радиоактивный + + - - -
Барботажный (пьезометрический) + - - + +
Как видно из таблицы, все приведенные типы уровнемеров соответствуют требованиям надежности, что позволяет рассматривать возможность их использования в судовых условиях. Также рассмотренные технические средства в большинстве случаев обладают высокой точностью измерения, что обеспечивает качественное решение задачи измерения и контроля уровня топлива в судовых танках. Следует отметить и приемлемую стоимость данного оборудования при проектировании и установке на судне.
С точки зрения технической эксплуатации наиболее оптимальным вариантом является применение поплавковых, визуальных и акустических уровнемеров. Визуальный способ измерения и контроля уровня жидкости целесообразно использовать в качестве дополнительного, запасного варианта. Поплавковый и ультразвуковой уровнемеры целесообразно использовать в качестве рабочих датчиков при разработке автоматизированных систем измерения и контроля уровня топлива в судовых танках. Возможность автоматизации системы измерения и контроля уровня топлива в судовых танках является важным показателем для рассматриваемых средств измерения [12].
Особое внимание при этом следует обратить на рабочие характеристики ультразвуковых уровнемеров. Высокие показатели надежности, точности измерений и универсальности для измерения и контроля уровня различных видов горюче-смазочных материалов обусловливают широкие перспективы применения данных устройств на кораблях и судах.
Таким образом, задача измерения и контроля уровня топлива в судовых танках имеет достаточное техническое обеспечение. Для повышения эффективности измерительных систем в судовых условиях необходима качественная адаптация представленных устройств и их проектирование с учетом особенностей эксплуатации в море. Комплексная реализация данного подхода позволяет повысить экономичность, надежность и безопасность технической эксплуатации морского транспорта [13, 14].
Литература
1. Белов О.А., Зайцев С.А. К вопросу оценки безопасности морских судов камчатского флота // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы Десятой национальной (всерос.) науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - С. 80-83.
2. Белов О.А. Оценка безопасности эксплуатации судовых энергетических установок // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2017. - № 42. - С. 6-10.
3. Белов О.А., Белова Е.П. Инженерное образование как фактор развития техники и технологий // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Десятой национальной (всерос.) науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - С. 106-108.
4. Белов О.А. Аналитический обзор факторов эффективной эксплуатации морского транспорта // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: Материалы междунар. науч.-техн. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2019. - С. 5-9.
5. Белов О.А. Оценка технической готовности системы с учетом влияния человеческого фактора // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2014. - № 30. -С.11-16.
6. ГОСТ 8.587-2019 Государственная система обеспечения единства измерений. Масса нефти и нефтепродуктов. Методики (методы) измерений. - М.: Стандартинформ, 2019. - 46 с.
7. Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы. - М.: Высшая школа, 1989. - 456 с.
8. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара. - М.: Изд-во стандартов, 1990. - 287 с.
9. ГОСТ 24802-81 ГСИ. Приборы для измерения уровня жидкости и сыпучих веществ. Термины и определения. - М.: Изд-во стандартов, 1982. - 7 с.
10. Бобровников Г.Н., Катков А.Г. Методы измерения уровня. - М.: Машиностроение, 1977. - 165 с.
11. Винокуров Б.Б. Современная уровнеметрия жидких сред. - Томск: Томский политехнический университет, 2014. - 118 с.
12. Белов О.А., Марченко А.А., Труднев С.Ю. Анализ расчетно-аналитических методов прикладных задач технической безопасности // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. - 2015. - № 4. - С. 7-15.
13. Белов О.А., Швецов В.А. К вопросу о повышении экологической безопасности судов при долговременном стояночном режиме // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы IX Всерос. науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2018. - С. 119-121.
14. Белов О.А. Задачи оценки безопасного уровня электрохимической защиты корпуса в процессе эксплуатации морских судов // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Девятой всерос. науч.-практ. конф. - Петропавловск-Камчатский, 2018. - С. 17-20.
