Автоматизированные системы контроля параметров жидкости в наблюдательных скважинах и резервуарах

Актуальность темы

Современная быстро развивающаяся измерительная техника все более широко внедряется в оперативные процессы контроля и технологического регулирования. При этом постоянно совершенствуются методы измерения, повышается точность измерительных приборов, на основе которых создаются различные системы контроля, учета и управления технологическими процессами. Во многих отраслях промышленности это связано с измерением уровня жидкости. Данная область измерений постоянно развивается, разрабатываются новые методы измерения [1−4]. Создание автоматизированных систем особенно на основе высокоточных уровнемеров с непрерывным процессом измерения позволяет более точно оценить затраты производства, оптимизировать управление производственным процессом, предотвратить убытки, качественно повысить информационное обеспечение I технологического процесса. Таким образом, в промышленности постоянно увеличивается спрос на высокоточные недорогие измерители уровня жидкости, объединенные в систему технологического контроля.

Одной из актуальных задач геодинамического мониторинга Земли является задача оценки геодинамической обстановки и прогноза сейсмической активности в различных районах РФ. Для ее решения используются измерения гидрологических параметров в наблюдательных скважинах. Основными параметрами являются: уровень подземных вод, температура и удельная электрическая проводимость подземных вод.

Методика основана на оценке пространственно-временного распределения значений параметров состояния подземных вод. Для ее реализации необходимо сформировать разветвленную сеть пунктов измерения параметров подземных вод и обеспечить автоматический сбор, накопление и обработку измерений [5,6].

Хронологическая привязка измерений к единой временной шкале позволяет с высокой точностью оценивать корреляцию и динамику развития различных геодинамических процессов. При реализации поставленной задачи необходимо, чтобы измеряемые параметры не зависели от внешних факторов (температуры окружающего воздуха, атмосферного давления, температуры подземных вод). Основным параметром, описывающим геодинамические процессы, является уровень подземных вод в наблюдательных скважинах.

С целью изучения данного вопроса, начиная с 1986 г, в сейсмоопасных зонах Закавказья, Краснодарского края и Дальнего Востока по инициативе Всероссийского научно-исследовательского института гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО), стали создавать сети наблюдательных скважин. В результате длительных наблюдений было установлено, что в литосфере Земли формируются множество короткоживущих структур деформации, время которых определяется сутками-месяцами, а площади составляют сотни, а порой и тысячи квадратных километров. Совокупность таких структур принято называть гидрогеодеформационным полем Земли (ГГД) [7]. В общей с ложности в Российской Федерации было создано около 170 специализированных наблюдательных скважин. Предполагается развитие системы ГГД мониторинга, увеличив число наблюдательных скважин до 253. Научно-методическое руководство ГГД поля Земли осуществляется головной организацией — ВСЕГИНГЕО, который разрабатывает основы методики сбора и обработки информации, а также тактико-технические требования к измерительной аппаратуре [7]. Реакция уровня воды в скважине на деформационные процессы в земной коре незначительна, менее 0,5 м, что накладывает высокие метрологические требования на измерители данного класса. При этом результаты измерения не должны зависеть от атмосферного давления и температуры воздуха, уровня насыщения воды солями, температуры жидкости. Кроме того, необходимо обеспечить высокую надежность работы устс ройств в полевых условиях. Приборы должны работать в автономном режиме не менее одного года и обеспечивать бесперебойную передачу.

Цель работы: создание измерительного комплекса сбора гидрологической информации в наблюдательных скважинах и основных элементов автоматизированной системы гидрогеодинамического мониторинга сейсмоактивных зон. Разработка алгоритмов работы высокоточного ультразвукового уровнемера и создание на его основе стационарной системы автоматического контроля параметров жидкости в резервуарах.

Для достижения цели решались следующие задачи:

1. разработка и исследование автономного измерительного комплекса сбора гидрологической информации;

2. Разработка пользовательских и интерфейсных программ дистанционного управления, разработка программного обеспечения автономного измерительного комплекса;

3. Разработка программного обеспечения приема и передачи данных средствами сотовой и спутниковой связи, разработка нового способа высокоточного измерения уровня, разработка специализированного метрологического стенда.

Методы исследования: в работе использовались методы и теория измерений, теория случайных процессов, акустические методы, вероятностное моделирование процессов измерения и обработки данных, методы экспериментального исследования в лабораторных и полевых условиях. Разработка программ и расчеты осуществлялись с использованием пакетов Borland С++ Builder, Maple, методы компьютерного проектирования электронных устройств.

Научную новизну работы составляют следующие положения:

1. Разработаны алгоритмы работы и управления скважинным измерительным комплексом для автоматизированной системы сбора гидрологической информации;

2. Предложен ультразвуковой поплавковый способ измерения уровня жидкости с автоматической калибровкой, заключающийся в непрерывной нормировке акустического волновода;

3. Предложен и теоретически обоснован способ измерения времени прихода акустического импульса на основе регистрации времени перехода первой полуволны нулевого уровня;

4. Определена величина систематической ошибки измерения уровня фазовым способом при высоком уровне шумов, предложен алгоритм ее ком-пенсдции;

5. Предложен метод селекции акустических импульсов по времени превышения первой полуволной заданного порога обнаружения.

Практическую ценность работы составляют:

1. Разработанные скважинные измерительные комплексы, образующие автоматизированную систему сбора, визуализации и накопления гидрологической информации;

2. Разработанная, на основе высокоточного уровнемера, система для технологического и коммерческого учета жидких нефтепродуктов в резервуарах высотой до 15 м;

3. Алгоритм компенсации систематической составляющей при измерении момента прихода акустического импульса фазовым способом при высоком уровне шумов.

Достоверность результатов работы подтверждается:

1. корректной постановкой и решением поставленных в работе задач с использованием статистической радиотехники, математического аппарата анализа случайных процессов и вероятностного моделирования;

2. Результатами экспериментальных исследований, проведенными в лабораторных и в полевых условиях;

3. Положительными результатами внедрения на десятках предприятий Дальнего Востока и ближнего зарубежья. Выпуском ООО НПФ «Полином» малой партии комплексов сбора гидрологический данных «Кедр-А2», «Кедр-ДМ», «Кедр-ДС» — всего более 120 изделий.

Качество разработки подтверждается сертификатом соответствия Госстандарта Росси № 8 387 532 от 11.12.2008.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Структура и алгоритмы работы автономного измерительного комплекса, организация и управление распределенной в пространстве автоматизированной системы сбора гидрологической информации;

2. Способ измерения уровня жидкости со встроенной автоматической калибровкой, позволяющий создавать высокоточные уровнемеры для стационарных и автономных систем измерения уровня жидкости;

3. Способ измерения времени прихода акустического импульса на основе регистрации времени перехода первой полуволны нулевого уровня, обеспечивающий высокую точность измерения уровня жидкости;

4. Алгоритм расчета и компенсации систематической ошибки измерения времени прихода акустического импульса фазовым способом при высоком уровне шумов;

5. Метод селекции по длительности времени превышения первой полуволной акустического импульса порога его обнаружения, обеспечивающий расширение диапазона измерения уровня жидкости.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы использованы в проектно-конструкторской деятельности ООО НПФ «Полином» (г. Хабаровск), в исследовательской деятельности: Камчатского филиала геофизической службы РАН (г. Петропавловск-Камчатский), Института водных и экологических проблем ДВО РАН г. Хабаровск, а также для проведения гидрогеомониторинга предприятиями ФГУП «Гидроспецгеология» (г. Москва) и предприятиями СНГРазработанные измерительные комплексы «Кедр ДМ (ДС)» применяются в действующем макете автоматизированной системы сбора и анализа ГГД информации для оперативной оценки геодинамической обстановки сейсмоактивных регионов.

Личный вклад автора.

Личный вклад автора в публикациях, опубликованных в соавторстве, заключался в разработке способов измерения уровня жидкости, проведении метрологических исследований и математических расчетов. Автор принимал непосредственное участие в разработке алгоритмов моделирования, разработке принципиальных схем, настройке и практической реализации аппаратных средств систем и устройств измерения уровня жидкости в стационарных системах технологического контроля и автономных системах измерения уровня поземных вод в гидрогеологии. Автор выражает благодарность соавторам, за помощь в оформлении и подготовке работ. Особую благодарность за участие в обсуждении структуры, содержания, и технических аспектов диссертационной работы автор выражает: д.т.н. В. И. Римлянду (ТОГУ), д.т.н. А. И. Кондратьеву, ведущему инженеру ООО НПФ «Полином» A.B. Лысакову

Апробация работы.

Отдельные результаты работы обсуждались на: краевой научной конференции «Физика, фундаментальные исследования, образование» — Хабаровск, 1998;

XI сессии Российского акустического общества. —Москва, 2001;

II региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование». — Хабаровск, 2001;

III региональной научной конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование" — Благовещенск, 2002;

VIII научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» Всероссийского центра мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера МЧС России, г. Санкт-Петербург, 2008; межрегиональной научной конференции «III Дружининские чтения «Комплексные исследования природной среды в бассейне реки Амур», Хабаровск, — 2009.

Система сбора гидрологической информации «Кедр-Д» на выставке «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции — 2005» отмечена серебряной медалью.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 4 статьи, 2 доклада на конференциях, 2 патента на способ ультразвукового измерения уровня жидкости и одна монография. В изданиях, рекомендованных по тематике диссертационного совета ВАК, опубликовано 3 работы.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 109 наименований и 7 приложений. Основная часть работы изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков и 3 таблицы.

Выводы по главе 5.

1. Для исследования метрологических характеристик уровнемера был разработан специальный стенд. Разработана и апробирована методика калибровки уровнемера. Предложена процедура определения коэффициентов уравнения, описывающего зависимость уровня жидкости от числа импульсов опорной частоты и обеспечивающая измерения с погрешностью меньше чем погрешность калибровочной линейки.

2. Рассмотрены вопросы влияния плотности жидкости на погрешность измерения уровня, определены способы коррекции результатов измерения.

3. Произведена оценка влияния геометрической неоднородности на результаты измерений, сформированы требования к качеству изготовления волновода.

4. Определена степень влияния температуры жидкости и внешней среды на точность измерения уровня в широких пределах для двух способов измерения уровня. Выведено выражение для расчета уровня жидкости для уровнемеров с линейно изменяющейся температурой акустического волновода. Определены технические требования для температурных датчиков.

— 136 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках диссертационной работы выполнены теоретические и практические исследования в области измерения параметров жидкости в наблюдательных скважинах и резервуарах хранения нефтепродуктов. В частности был разработан высокоточный ультразвуковой способ измерения уровня жидкости. Проведен анализ метрологических характеристик разработанного оборудования. Получены результаты, позволяющие на их основе создавать различные автоматизированные системы измерения и контроля параметров жидкости. При непосредственном участии и руководстве автора были разработаны две системы: первая — распределенная в пространстве система мониторинга состояния подземных вод в наблюдательных скважинах для целей анализа предвестников землетрясений, вторая — автоматизированная система контроля параметров мазута в резервуарах. Измерение уровня жидкости является основной задачей в рассматриваемых приложениях, поэтому главное направление исследований заключалось в разработке и исследовании свойств поплавкового ультразвукового уровнемера. Кроме того, в работе учтены вопросы измерения дополнительных параметров жидкости, которые расширяют возможности технологического контроля, а также улучшают метрологические параметры.

Проведенный анализ и полученные научные и научно-практические результаты работы можно сформулировать следующим образом: 1. На основании анализа прототипов систем измерения параметров жидкости (в наблюдательных скважинах и резервуарах) был сделан вывод, что поплавковые ультразвуковые уровнемеры, являются наиболее распространенными и имеют наилучшие показатели цена-качество. В силу этого ультразвуковые магнитострикционные поплавковые уровнемеры наиболее широко представлены на рынке. Однако они достаточно сложны в изготовлении и требуют применения специальных материалов. Датчики уровня, выполненные на основе измерения давления, требуют обязательной компенсации атмосферного 'давления. Компенсация атмосферного давления обеспечивается устройством в соединительном кабеле полой трубки. Тяжелые условия эксплуатации — перепады температуры окружающей среды от -40 до +40°С, высокая концентрация паров воды приводит к «закупориванию» трубки, что влечет за собой к искажению результатов измерений. На сегодняшний день автоматизированные системы сбора гидрологической информации с применением сотовой и спутниковой связи практически отсутствуют.

2. В соответствии с задачами мониторинга ГГД — поля Земли и контроля уровня нефтепродуктов в резервуарах был разработан ультразвуковой поплавковый способ измерения уровня жидкости. Новый способ измерения практически не зависит от колебаний атмосферного давления, изменения плотности и температуры воды. При этом были решены следующие задачи:

— разработана система бесконтактного индукционного питания и синхронизации схемы акустического поплавкового излучателя;

— разработаны принципиальные схемы поплавкового излучателя, приема, усиления и измерения момента прихода акустического импульса с измерением отношения сигнал/шум;

— разработана программа для контроллера, которая рассчитывает уровень жидкости на основе измеренной задержки, рассчитывает и вносит поправки, учитывающие внешнюю температуру, проводимость воды и соотношение сигнал/шум.

3. На основе ультразвукового способа измерения уровня жидкости был разработан новый способ измерения уровня с встроенной калибровкой, который в меньшей степени зависит от изменения температуры среды, имеет более высокие метрологические характеристики и обеспечивает возможность измерения уровня подтоварной воды.

4. Проведены теоретические расчеты влияния дисперсионных свойств волновода на изменение формы акустического сигнала, которые позволили определить эффективный способ регистрации времени прихода акустического импульса. Проведена оценка изменения временного положения различных характерных точек первой полуволны: первого превышения порога на уровне ОДмаксимума первой полуволны и «пересечения через ноль». Теоретически выявлено и экспериментально подтверждено, что наилучшей точкой отсчета является «пересечение через ноль».

5. Проведен комплексный анализ влияния шумов на процесс измерения. Во-первых, выявлена систематическая ошибка, возникающая при фазовом измерении времени прихода акустического импульса, определен алгоритм ее расчета и компенсации. Во-вторых, определены оптимальные значения порога амплитудного обнаружителя, величина длительности селекции импульсов и минимально допустимое значение сигнала относительно уровня шума при заданных значениях вероятности грубых ошибок. Показана эффективность применения селектора по длительности превышения заданного порога.

6. Разработан, опробован и изготовлен эффективный и надежный способ измерения проводимости. Длительные испытания (более двух лет) показали, что параметры разработанного датчика со временем практически не изменяются.

7. На основе разработанного способа измерения уровня жидкости была создана автоматизированная система измерения параметров жидкости в резервуарах. Данный метод измерения работоспособен в жестких внешних условия при высоких температурах (до + 90 °С) и агрессивных средах, которые присущи технологическим резервуарам хранения мазута на ТЭЦ. Разработанное программное обеспечение совместно с измерительными датчиками уровня и температуры обеспечивают технологический контроль над процессом поставки и расхода мазута для ТЭЦ, для двух резервуаров.

8. Для исследования метрологических характеристик уровнемера был разработан специальный стенд, опробована методика калибровки. В результате, используя, мерную линейку с точностью 1 мм, можно рассчитывать коэффициенты, которые обеспечат расчет уровня жидкости с существенно меньшей погрешностью. Рассмотрены вопросы влияния плотности жидкости на погрешность измерения уровня, определены способы коррекции результатов измерения. Произведена оценка допустимых геометрических неоднородностей, сформированы требования к качеству изготовления волновода. Рассмотрены вопросы влияния температуры жидкости и внешней среды на точность измерения уровня в широких пределах для двух способов измерения уровня. Выведено выражение для расчета уровня жидкости для уровнемеров с линейно изменяющейся температурой акустического волновода. Определены технические требования для температурных датчиков.

На основе разработанного регистратора была создана распределенная в пространстве автоматизированная измерительной система мониторинга ГГД-поля.

Выполненные в диссертационной работе исследования применимы не только при разработке высокоточного уровнемера, но и в иных областях измерительной техники. Так выявленная систематическая ошибка при фазовом приеме в условиях шумов может использоваться в различных измерительных приборах и системах. Результаты моделирования работы амплитудного обнаружителя в условиях шумов с применением селектора по длительности также применимы в различных измерительных приборах.

В диссертации показано, что на основе разработанного высокоточного уровнемера могут быть построены различные информационно-измерительные системы контроля параметров жидкости.

Большая практическая значимость диссертационной работы подтверждается успешными внедрением в промышленности и выпуском небольшой серии приборов типа «Кедр» для формирования автоматизированной системы контроля ГГД-поля и геомониторинга!

— 140