Aktuální vydání

celé číslo

07

2019

Řízení dopravy a budov

celé číslo

Přesnost při bilančním měření obsahu nádrží

Bilanční měření obsahu skladovacích nádrží, samostatných i jejich soustav na úložištích kapalných produktů, v současné době představuje speciální obor měřicí techniky. Jde o statické měření sloužící jednak ke sledování stavu a správě zásob skladovaných kapalin, tj. k určení množství produktu v nádrži, jednak k obchodním účelům, tj. k prodeji a nákupu produktu a odvodu příslušných daní.
Z povahy a účelu bilačních měření plyne jeden zcela zásadní požadavek – musí být v nejvyšší možné míře spolehlivá a přesná. Klíčem k uspokojivým výsledkům bilančního měření je použití dostatečně přesného měřicího řetězce. Dosažená nejistota konečného výsledku závisí na použitých měřicích přístrojích, na celkové instalaci včetně nádrže a na způsobu jejich použití. Článek pojednává o kombinacích přístrojů a systémů pro měření polohy hladiny, teploty a tlaku od společnosti Endress+Hauser, umožňujících dosáhnout přesného bilančního měření obsahu skladovacích nádrží.
 

Jak důležitá je přesnost?

Co znamená změna hladiny v nádrži o pouhé 2 mm? Záleží na průměru nádrže, např. je to objem:
  • 1 414 l při průměru nádrže 30 m,
  • 5 656 l při průměru nádrže 60 m,
  • 35 350 l při průměru nádrže 150 m.
Přesností se rozumí, mluví-li se o měření, míra, do jaké výsledek měření odpovídá skutečnosti, tj. informace o tom, nakolik je naměřená hodnota blízká skutečné hodnotě měřené veličiny. Je-li měření složitější, a takové bilanční měření obsahu nádrží skutečně je, bude konečný výsledek záviset na mnoha vnějších vlivech. V průmyslu existují standardizované procedury ke zjišťování nejistoty měření, které umožňují kvantitativně ocenit kvalitu měřicí metody a výsledku měření. Lze říci, že nejistota měření je nejlepším odhadem, nebo predikcí, přesnosti – skutečnou přesnost (ve smyslu anglického termínu accuracy pozn. red.) lze určit jen při znalosti skutečné (pravé) hodnoty měřené veličiny.
Standardizační orgány, jako např. ISO a OIML atd., uvádějí příklady způsobu výpočtu nejistoty měření ve svých příslušných normách. Ve většině zemí po celém světě jsou používány standardy pro oblast přesnosti měření podle organizace API. Jedním z doporučení API je např. používat převodníky tlaku s chybou přístroje do 0,05 % (viz dále).
 

Nejistota způsobená „nepřesností“ nádrže

Nejvýznamnějším z běžných přispěvatelů k nejistotě měření je samotná nádrž. Při bilančním měření je vždy nutné převádět naměřenou výšku hladiny kapaliny v nádrži na objem. To se dělá při použití tabulek určujících objem nádrže v závislosti na výšce (Tank Capacity Table – TCT). Jakákoliv nejistota přítomná v TCT se tudíž zmnohonásobí, a to bez ohledu na kvalitu instalovaného měřicího zařízení.
Stanovit nejistotu TCT je obtížné, protože závisí na geometrii nádrže i na způsobu, jakým je určována, na stavu (stáří) nádrže, její konstrukci atd. Typicky se hodnoty nejistoty nádrže tvaru svislého válce nacházejí v rozmezí od 0,05 do 0,20 % v její válcové části a okolo 0,3 % u dna, jehož konstrukce je složitější.
 

Nejistota způsobená měřicím zařízením

Konkrétní měřicí přístroje se volí podle typu instalovaného systému pro měření zásob v nádrži (nádržích). Jejich příspěvek k celkové nejistotě měření je podrobněji probírán v odstavcích pojednávajících o jednotlivých veličinách.
 

Obchodní měření versus sledování zásob

V odvětví těžby a zpracování ropy a plynu se obvykle rozlišuje mezi měřeními prováděnými pro obchodní účely a pro správu zásob. Cílem tzv. obchodního (popř. fiskálního) měření je zajistit bezproblémové obchodování s produktem mezi zúčastněnými obchodními partnery a vyměření příslušných poplatků (cel, daní). Správa zásob je oproti tomu obecným označením pro měření stavu zásob prováděné z provozních důvodů. Při obchodním měření je kladen důraz zejména na přesnost, zatímco při správě zásob je nejdůležitější trvalá dostupnost dat.
U většiny obchodních měření budou odpovědné metrologické úřady usilovat o to, aby naměřené nebo předané objemové nebo hmotnostní množství produktu bylo určeno s celkovou nejistotou nepřekračující 0,5 %. Na základě tohoto požadavku lze vypočítat tzv. maximální přípustnou nejistotu (Maximum Permissible Error – MPE) měření odpovídajících veličin. Protože relativní chyba výsledku měření roste nepřímo úměrně k velikosti dávky, existuje zde dosti často omezení v podobě minimálního předávaného množství. Při práci s malými předávanými množstvími anebo zásobami jsou zpravidla požadovány nejméně dva hladinoměry.
 

Hladina

Nejistota měření polohy hladiny závisí na tzv. chybě přístroje a na podmínkách, v nichž přístroj pracuje. Chybou přístroje se rozumí neurčitost jeho údaje stanovená při určitých standardních podmínkách. U snímačů polohy hladiny určených k obchodním měřením je metrologickými dohlížecími orgány typicky požadována chyba přístroje 1 až 2 mm. Při správě zásob se za přijatelnou pokládá chyba přístroje v rozmezí od 3 do 5 mm. Celková nejistota údaje instalovaného přístroje dále zahrnuje chybu zavedenou do měřicího řetězce při jeho spouštění (manuálním nastavením referenční polohy hladiny) i veškerá jeho ovlivnění skutečnými provozními podmínkami.
Nejvýznamnějšími „instalačními“ vlivy jsou vyboulení stěny nádrže a následné pohyby její střechy (obr. 1). Bránit se jim nelze jinak než použitím uklidňovacích trubek. Důrazně se proto doporučuje používat uklidňovací trubky vždy, kdy je k tomu i jen sebemenší důvod – rozhodně všude, kde je požadována velká přesnost. Z výrobků společnosti Endress+Hauser se k velmi přesnému měření polohy hladiny ve skladových nádržích používá radarový hladinoměr Micropilot, který lze použít i pro obchodní měření. Za standardních podmínek měří polohu hladiny kapalin s přesností ±0,5 mm (při pokrytí 2σ, tj. pravděpodobnosti 0,95) a je organizacemi NMi (Nizozemsko), PTB (Německo) a ČMI (Česká republika) uznán na národní úrovni jako stanovené měřidlo určené k měření v obchodním styku. K použití na uklidňovacích trubkách je určen přístroj Micropilot S FMR 532 s planární anténou (obr. 2).
Pro velmi přesné měření polohy hladiny kapalin ve skladových nádržích i provozních nádobách je určen i servomechanický hladinoměr Endress+Hauser Proservo NMS (obr. 3). Jeho chyba za standardních podmínek je ±0,7 mm.
 

Teplota

Měření teploty se často opomíjí a jeho možný přínos celkové nejistotě měření polohy hladiny se dostatečně nedoceňuje. Typické kapalné uhlovodíky mají, v porovnání s většinou ostatních kapalných látek, poměrně velkou hodnotu součinitele teplotní roztažnosti. Potřebný opravný součinitel má hodnotu blízkou 0,1 %/K. Výsledkem je, že chyba ve stanovení teploty rovnající se 0,25 °C znamená u nádrže o průměru 36 m naplněné do výše 15 m změnu polohy hladiny větší než 3 mm. Na nejistotě údaje teploty se podílí jak nepřesnost měřicího řetězce, tak i způsob instalace čidla teploty, které nemusí vždy snímat skutečně reprezentativní teplotu produktu.
Nejlepším řešením je použít teploměr s větším počtem čidel a vyhodnocovat z nich průměrnou teplotu. Moderní teploměry tohoto typu mají až šestnáct čidel, lze je instalovat ze střechy nádrže a jejich chyba je 0,1 °C.
Vhodným inteligentním převodníkem signálu s protokolem HART je přístroj Endress+Hauser Prothermo NMT 539, kombinace převodníku průměrné teploty a sítě přesných čidel teploty Pt100 s možností doplnit snímač polohy hladiny vody na dně nádrže v rozsahu do 2 m s chybou ±2 mm (obr. 4). Pro přesné měření stavu zásob je nejvhodnější tento převodník použít v kombinaci se servomechanickým hladinoměrem Proservo nebo s propojovací jednotkou Endress+Hauser Tank Side Monitor NRF 590 s připojeným radarovým hladinoměrem typu Micropilot.
 

Hustota

Hustotu produktu v nádrži lze automaticky měřit dvěma různými metodami. Hydrostatické měřicí systémy umožňují měřit hustotu spojitě a jsou ideálně vhodné pro otevřené nádrže (bez přetlaku). V uzavřených nádržích (s přetlakem) je nejlepší použít servomechanický hladinoměr, umožňující měřit hustotu produktu na mnoha úrovních výšky nádrže.
Nejistota měření hustoty hydrostatickou metodou závisí na vlastnostech použitých převodníků tlaku a na způsobu jejich instalace (viz dále v odstavci Tlak). Nejistota údaje hustoty při použití servomechanického principu je zpravidla v rozmezí 3 až 5 kg/m3. Při určování potřebné přesnosti servomechanického hladinoměru je obvyklé držet se na bezpečné straně, protože přístroj nelze ověřit jinak než manuálně, a celá procedura je tudíž obtížně kontrolovatelná.
Největší předností servomechanického principu měření hustoty je možnost zmenšit úniky par, a tak i možné riziko pro obsluhu a ztráty.
K místnímu měření hustoty a zjišťování jejího profilu podél výšky nádrže je určen servomechanický hladinoměr Endress+Hauser Proservo NMS 53x.
 

Tlak

Převodníky tlaku se při bilančním měření obsahu nádrží obvykle používají ve třech úlohách, kterými jsou:
  • přímé měření hydrostatického tlaku v hydrostatických systémech měření polohy hladiny,
  • měření tlaku plynu v uzavřených nádržích s vnitřním přetlakem používaných ke skladování kapalného propan-butanu a chemických plynů,
  • sledování tlaku par nad hladinou v nádržích s pevnou střechou vybavených odlehčovacími ventily.
Požadavky na přesnost měření jsou při sledování tlaku par minimální a měřicí rozsah snímače může být poměrně malý (asi 30 kPa nebo méně).
V nádržích s vnitřním přetlakem je zvykem měřit tlak plynu z důvodů bezpečnosti a pro výpočet množství „kapaliny v páře“. Pro většinu úloh vyhovují převodníky s chybou od 0,1 do 0,25 %.
Při použití hydrostatických měřicích systémů je důležité přesně měřit hustotu a hmotnost, což zcela nezbytně vyžaduje volit snímač podle požadavků dané úlohy (výška nádrže, hustota produktu atd. – obr. 5). Chyba přístroje je u většiny převodníků tlaku uváděna v podobě relativní chyby, vyčíslené v procentech horní meze měřicího rozsahu nebo celé stupnice (Full Scale – FS). Vždy je důležité si uvědomit, že tento údaj je třeba přepočítat na absolutní hodnotu chyby nebo alespoň vyjádřit v procentech měřené hodnoty.
Současné převodníky tlaku dosahují chyb mezi 0,05 až 0,075 % horní meze měřicího rozsahu.
Pro měření polohy hladiny, objemu a hmotnosti kapalin lze použít převodník rozdílu tlaků Endress+Hauser Deltabar S. Jeho verze Deltabar S PMD75 platinum, speciálně určená pro bilanční měření obsahu nádrží, má nelinearitu převodní charakteristiky nejvýše 0,05 % a vyhovuje požadavkům API na přesnost měření tlaku. V hydrostatických měřicích systémech umožňuje měřit také hustotu.
Převodníky tlaku řady Cerabar M od společnosti Endress+Hauser měří přetlak a absolutní tlak plynů, par, kapalin a prachu. Díky svému modulárnímu uspořádání se uplatňují ve všech průmyslových odvětvích používajících spojité technologické procesy a za všech provozních podmínek vyskytujících se v průmyslu.
 

Závěr

K bilančnímu měření obsahu kapalin ve skladových nádržích lze použít různé metody. Jedním z klíčových faktorů, určujících kterou metodu pro daný konkrétní případ zvolit a jak ji použít, je požadovaná celková nejistota měření. Obecně jde o faktory spjaté nejen s měřeným produktem, ale také s použitým technologickým zařízením a se specifickými charakteristikami závodu a jeho okolního prostředí.
Společnost Endress+Hauser nabízí úplnou sadu přístrojů a komponent pro bilanční měření obsahu skladových nádrží. Jedna z možností jejího použití je naznačena na obr. 7 Sada obsahuje nejen velmi přesné radarové a servomechanické hladinoměry, hladinoměry, převodníky místní i průměrné teploty produktu a polohy mezihladiny vody u dna nádrže, převodníky tlaku různých kategorií, převodní jednotky s výpočetními funkcemi atd., ale také speciální software pro správu zásob i obchodní měření.
 
Frank van Bekkum,
Business Development Manager,
Tank Gauging Endress+Hauser GmbH KG
 
Z anglického originálu Accuracy in Tank Gauging – Combination of Level, Temperature and Pressure for Precise Inventory Measurement, Petrol Industry News, 2006, roč. 6, č. 6, s. 42–43, přeložil Karel Suchý; úprava redakce; otištěno se svolením Endress+Hauser Czech s. r. o.
 

Obr. 1. Při vyboulení stěny nádrže se změní referenční výška hladinoměru
Obr. 2. Přístroj Micropilot S FMR 532 s planární anténou instalovaný v rámci modernizace na uklidňovací trubku v nádrži s pohyblivou střechou (zdroj: Endress+Hauser)

Obr. 3. Hladinoměr Proservo NMS na uklidňovací trubce v nádrži s pohyblivou střechou (zdroj: Endress+Hauser)
Obr. 4. Převodník průměrné teploty a polohy mezihladiny vody v nádrži Prothermo NMT 539 HART s čidly (zdroj: Endress+Hauser)
Obr. 5. Použití převodníků tlaku k hydrostatickému měření hustoty ρ produktu v nádrži (p1– hydrostatický tlak, p3– tlak par)
Obr. 6. Převodník tlaku Deltabar S PMD 75 platinum určený pro bilanční měření
Obr. 7. Jedno z typických uspořádání přístrojů značky Endress+Hauser při bilančním měření obsahu produktu ve skladové nádrži