Технические науки / 5.Энергетика

Солнцева А.В., Борминский С.А.

Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П.Королева (национальный исследовательский университет)

Динамическое моделирование процедуры налива жидких энергоносителей в резервуары для задач мониторинга расходных операций

Одной из главных задач мониторинга параметров жидких нефтепродуктов в резервуарных парках является контроль расходных операций. При определении точности проведения операций слива - налива необходимо учитывать погрешности измерительной аппаратуры: расходомера и датчика уровня, а также инерционность работы элементов систем управления. Для решения этих задач в пакете прикладных программ MATLAB+Simulink создана динамическая компьютерная модель процедуры налива продукта в резервуар (рисунок 1). Динамическая модель строится на базе стандартных блоков, принципы действия и передаточные характеристики которых определяются законами теории автоматического управления и описаны в [1].

Блок, реализованный на звеньях W₁, W₂ и сумматорах, осуществляет общее управление, запускает и останавливает процесс перекачки продукта, пропуская сигнал Z₀ о требуемом объеме продукта. Управление насосными агрегатами реализовано на звеньях W₃ и W₄, формируя воздействие, задающее производительность насосов таким образом, чтобы при малой разности Z₀ и Z₁ (Z₂ при сливе) производительность была максимальной и плавно уменьшилась в конце процесса перекачки. Насосный агрегат реализован звеном с передаточной характеристикой W₅=k₅/(T₅p+1). Звенья W₆ и W₇ – расходомер, W₆=k₆/(T₆p+1), W₇=k₇/p. Звенья W₁ – W₇ представляют собой контур контроля процедуры налива по расходомеру. Интегрирующее звено W₈=k₈/p и сумматор моделируют резервуар, на его выходе - объем текущего заполнения. Звено W₉ осуществляет пересчет текущего объема G_Р в уровень заполнения резервуара. Передаточная характеристика звена задается тарировочной таблицей. Акустический датчик W₁₀=k₁₀ выполняет преобразование физического значения уровня заполнения резервуара в электрический сигнал. В модели предусмотрены два контура контроля: по расходомеру и акустическому датчику. Использование двух контуров позволяет исключить перелив и фальсификацию данных о технологических процедурах перелива жидких энергоносителей.

G_ост,G_Р,G₁ - объемы продукта в резервуаре перед началом операции, текущий, налитого продукта, Z₀,Z₁- сигналы о требуемом к перекачке объеме продукта, перекаченном при наливе, объеме, ΔZ₁ - сигнал о разнице Z₀ и Z₁, α₁ - сигнал блока управления насосным агрегатом, U₁- сигнал управления насосным агрегатом, Q₁ - расход при наливе, x₁ - сигналы расходомера, Н - текущий уровень заполнения резервуара, у - сигнал о текущем уровне наполнения резервуара, y_max - сигнал о максимальном уровне заполнения резервуара, Δy - сигнал о разнице между y и y_max, u₁ - управляющий сигнал начала/окончания процедуры

Рисунок 1 – Функциональная схема динамической модели процедуры налива продукта в резервуар

Исследование влияния постоянной времени насосного агрегата T_НА и расходомера T_рас на точность определения объема перекаченного продукта

Исходные данные: , . На рисунке 2 представлены кривые изменения объема перекачиваемого продукта во времени при проведении операции налива с различными комбинациями постоянных времени насосного агрегата и расходомера. Из графика на рисунке 2 видно, что при параметрах Т_НА=0,5 сек, Т_рас=0,5 сек значение объема перекаченного продукта приближается в 500 м³ и достигает его при t » 2600 сек. Увеличение значений постоянных времени насосного агрегата и расходомера приводит к неточностям определения количества отпущенного продукта.

Рисунок 2 – График зависимости объема перекаченного продукта от времени при операции налива для разных комбинаций постоянных времени насосного агрегата и расходомера

Исследование влияния нестабильности коэффициента преобразования насосного агрегата на точность определения объема перекаченного продукта

Нестабильность коэффициента преобразования k₅ насосного агрегата при проведении расходных операций приводит к изменению времени технологического процесса налива продукции (рисунок 3). При оптимальном режиме работы системы технологический процесс налива продукции объемом 500 м³ производится за 2600 сек. При увеличении коэффициента k₅ время налива уменьшается, но поскольку данный коэффициент определяется максимальной производительностью насоса, то его значение может быть ограничено в силу конструкционных особенностей оборудования, а также его стоимости.

Рисунок 3 - График зависимости объема перекаченного продукта от времени при операции налива при различных значениях коэффициента k₅

Исследование влияния нестабильности коэффициента преобразования датчика уровня на режим ограничения налива

При проведении процедуры налива важной задачей является точное определение факта достижения продуктом критического уровня заполнения резервуара. В таблице 1 приведены данные о значениях коэффициента преобразования k₁₀ датчика уровня на значение перекаченного объема продукции G₁. Исходные данные для исследования: , , _. Как видно из таблицы 1, измерение коэффициента k₁₀ в сторону уменьшения не влияет на время перекачки и объем продукта, измерение в сторону увеличения на 0,1% влечет недолив в резервуар на 0,99 м³, что переводя в объемы даже небольшой нефтебазы, может повлечь значительные убытки.

Таблица 1 - Зависимость абсолютной погрешности отпуска продукта при различных значениях коэффициента преобразования датчика уровня

Параметр	Значение
k10, В/м	0,997	0,998	0,999	1,000	1,001	1,002	1,003	1,004	1,005
G1, м^3	1000	1000	1000	1000	999,01	998,02	997,03	996,06	995,08
tпер, сек	5500	5500	5500	5500	5066	5032	5013	5000	4990
ΔG, м^3	0	0	0	0	0,99	1,98	2,97	3,94	4,92

Исследование влияния нестабильности коэффициента преобразования расходомера на режим ограничения налива

На точность определения перекаченного объема и критического уровня заполнения резервуара во избежание перелива, также оказывает влияние нестабильность коэффициентов преобразования расходомера: k₆ и k₇. В таблицах 2 и 3 приведены данные по изменению значения перекаченного объема продукта G₁ в зависимости от значения коэффициентов преобразования звеньев W₆ и W₇. На рисунке 4 представлены кривые изменения объема перекаченного продукта от времени для четырех вариантов нестабильности коэффициентов преобразования расходомера: если коэффициенты стабильны, значения коэффициентов нестабильны на 0,5%, 1% и 2%.

Рисунок 4 - График зависимости объема перекаченного продукта от времени при операции налива для различных значений коэффициентов преобразования расходомера k₆ и k₇

Таблица 2 - Зависимость абсолютной погрешности отпуска продукта при различных значениях коэффициента преобразования расходомера k₆

Параметр	Значение
k6, В×сек/м^3	3331	3331,5	3332	3332,5	3333	3333,5	3334	3334,5	3335	3343	3353
G1, м^3	1000,01	1000,01	1000,01	1000,01	1000	999,85	999,7	999,55	999,4	997	994
tпер, сек	5095	5110	5125	5150	5500	5500	5500	5500	5500	5300	5450
ΔG, м^3	0,01	0,01	0,01	0,01	0	0,15	0,30	0,45	0,6	3,0	6,0

Таблица 3 - Зависимость абсолютной погрешности отпуска продукта при различных значениях коэффициента преобразования расходомера k₇

Параметр	Значение
k7, ×10^-4	1,7	1,8	1,9	2	2,01	2,02	2,03	2,04	2,05	2,1	2,2	2,3
G1, м^3	1000,1	1000,1	1000,1	1000	995,03	990,1	985,2	980,4	975,6	952,4	909,1	869,6
tпер, сек	5004	5004	5004	5500	5400	5400	5300	5300	5200	5200	5000	4700
ΔG, м^3	0,1	0,1	0,1	0	4,97	9,9	14,8	19,6	24,4	17,6	90,9	130,4

Из графика видно, что нестабильность коэффициентов k₆ и k₇ даже на 0,5% приводит к неточности определения количества отпущенного продукта на 10 м³. Для соблюдения условий, предусматривающих погрешность процедуры налива, рассчитаны рекомендуемые предельные значения коэффициентов k₆ и k₇, данные представлены в таблицах 4 и 5.

Таблица 4 - Предельные значения коэффициента k₆ для различных значений допустимой погрешности отпуска продукта

Параметр	Значение
Δ, %	0,0001	0,0005	0,001	0,005	0,01	0,05	0,1	0,2	0,5	1
ΔG, м^3	0,001	0,005	0,01	0,05	0,1	0,5	1	2	5	10
k6, В×сек/м^3	3333,005	3333,02	3333,045	3333,17	3333,3	3334,67	3336,35	3339,8	3349,5	3366,6

Таблица 5 - Предельные значения коэффициента k₆ для различных значений допустимой погрешности отпуска продукта

Параметр	Значение
Δ, %	0,0001	0,0005	0,001	0,005	0,01	0,05	0,1	0,2	0,5	1
ΔG, м^3	0,001	0,005	0,01	0,05	0,1	0,5	1	2	5	10
k7, ×10^-4	2,000002	2,00001	2,00002	2,0001	2,0002	2,001	2,002	2,004	2,01	2,02

Исследование влияния нестабильности коэффициента преобразования датчика уровня на режим ограничения налива при контроле только по датчику уровня

Если рассмотреть возможность отключения расходомера из данной системы и проведения контроля только с использование датчика уровня, отключив контур контроля по расходомеру. В таблице 6 приведены данные о влиянии нестабильности коэффициента преобразования k₁₀ датчика уровня на режим ограничения налива при контроле только по датчику уровня согласно функциональной схеме на рисунке 1. Согласно таблице 6, нестабильность коэффициента k₁₀ оказывает значительное влияние на величину перекачиваемого продукта: при увеличении коэффициента k₁₀ – в сторону недолива, а при его уменьшении – в сторону перелива.

Таблица 6 - Зависимость абсолютной погрешности отпуска продукта при различных значениях коэффициента преобразования расходомера k₁₀ при условии контроля перекачки только по датчику уровня

Параметр	Значение
k10, В/м	0,997	0,998	0,999	1,000	1,001	1,002	1,003	1,004	1,005
G1, м^3	1003,01	1002	1001	1000	999	998,02	997,03	996,02	995,03
tпер, сек	5450	5450	5500	5500	5400	5500	5550	5450	5500
ΔG, м^3	3,01	2,0	1,0	0	1,0	1,98	2,97	3,98	4,97

Использование разработанной динамической модели при проектировании систем мониторинга параметров жидких сред в емкостях резервуарного парка позволит оценить влияние инерционности и нестабильности используемого комплектующего оборудования на точность отпуска, разработать требования к техническим характеристикам предполагаемого оборудования, скомпенсировать неточности проведения технологических операций.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Зайцев Г.Ф. Теория автоматического управления и регулирования. – 2-е изд., перераб. и доп. – К.: Высшая школа, 1989. – 431 с.