تانک گیجینگ (Tank Gauging)

مقدمه

تانک گیجینگ (Tank Gauging) یا اندازه‌گیری سطح مخازن یک فرآیند حیاتی در صنایع مختلف از جمله نفت و گاز، شیمیایی و غذایی است.

این فرآیند برای تعیین حجم یا سطح مایعات داخل مخازن استفاده می‌شود و دقت و صحت اندازه‌گیری در این فرآیند نقش کلیدی دارد.

در این مقاله به بررسی اصول و فن‌آوری‌های تانک گیجینگ، کاربردها و مزایای آن می‌پردازیم.

صنعت نفت و گاز به طول کلی از اندازه گیری حجمی استاتیک محتویات مخزن استفاده می نماید.

این اندازه گیری شامل سنجیدن سطح، فشار و دما می باشد.

روش های مختلفی برای اندازه گیری سطح مایع و خواص دیگر مایع وجود دارد، روش اندازه گیری به نوع مخزن، نوع مایع و کاربرد مخزن بستگی دارد.

مخزن های ذخیره سازی می توانند دارای حجم بسیار زیادی از مایعات و یا موادی باشند که ارزش بالایی دارند به همین دلیل دقت بالای سیستم تانک گیجینگ برای سنجیدن محتویات مخزن در هر زمان، بسیار حائز اهمیت می باشد.

تانک گیجینگ در مخازن ذخیره سازی بزرگ در پالایشگاه ها، انبار های سوختی، خطوط لوله، فرودگاه ها و ترمینال های ذخیره سازی استفاده می شود.

طراحی مخازن به طول کلی به چهار صورت می باشد:

• مخازن استوانه ای با سقف ثابت،
• مخازن استوانه ای با سقف شناور
• مخازن تحت فشار با طراحی استوانه ای
• مخازن تحت فشار با طراحی کروی

که برای هر یک از این مخازن، سیستم های تانگ گیجینگ استفاده می شوند.

و اما نکته حائز اهمیت این است که علاوه بر سطح، دما نیز بایستی برای تضمین دقت بالا سنجیده شود چرا که تمامی مایعات یک ضریب انبساط گرمایی دارند و هنگام انتقال مایعات در شرایط دمایی متفاوت، این مورد باید در نظر گرفته شود.

در سیستم تانک گیجینگ فشار Liquid Head یا فشاری که توسط ستون مایع ایجاد می شود نیز اندازه گیری می شود تا مقدار میانگین متوسط چگالی به دست آید تا در نتیجه مقدار جرم سیال اندازه گیری شود.

سیستم های مدرن تانک گیجینگ مقادیر اندازه گیری شده را به صورت دیجیتال در آورده و اطلاعات حجم و جرم را به اتاق کنترل می فرستد تا اطلاعات مورد نظر برای مصرف کننده های مخزن ارسال شود.

تانک گیجینگ خیلی فراتر از تجهیزات اندازه گیری بر روی مخزن است.

تانک گیجینگ نیاز به انتقال اطلاعات بر روی شبکه های بزرگ Fieldbus دارد و باید قادر به محاسبه حجم و جرم بر اساس استاندارد های معتبر باشد، سیستم تانک گیجینگ باید توابع زیادی مانند هشدار های سیستم، توابع گزارش و … را مدیریت کند.

تانک گیجینگ در کجا استفاده می شود؟

هر جا که در آن مایعات در مخازن بزرگ ذخیره می شوند به تانک گیجینگ نیاز است.

چنین مخازنی در موارد ذیل یافت می شوند:

1. پالایشگاه ها
2. صنعت پتروشیمی
3. ترمینال های توزیع
4. ترمینال های خطوط لوله
5. مخازن سوختی
6. مخازن شیمیایی
7. سوخت های ذخیره شده در فرودگاه ها

 

روش های اندازه گیری

 

تانک گیجینگ بر اساس اندازه‌گیری سطح مایع درون مخزن و تبدیل آن به حجم مایع موجود در مخزن استوار است.

این اندازه‌ گیری می تواند با روش های مختلف انجام شود که در ادامه به آنها می پردازیم.

مخازن به صورت اتمسفری، تحت فشار و برودتی هستند، مخازن اتمسفری مخازن استوانه ای عمودی که انواع مرسوم آن ها عبارتند از:

• مخازن با سقف ثابت، که سقف آنها به صورت گنبد یا مخروط است
• مخازن با سقف شناور که با انواع طراحی ها موجود می باشد

در یک مخزن سقف ثابت، مقداری بخار در فضای بین سطح مایع و سقف وجود دارد، در یک مخزن سقف شناور، سطح مایع با یک سقف درونی یا برونی پوشیده شده است.

طراحی های زیادی از مخازن سقف شناور بسته به نوع سیال و اندازه مخزن وجود دارد، معمولا مخازن سقف شناور دارای یک یا چند Still Pipe می باشند که از کف مخزن از طریق یک حفره به بالای مخزن هدایت می شوند.

از Still Pipe برای دسترسی به مایع برای نمونه برداری، اندازه گیری دستی سطح (Hand Level Gaug) اندازه گیری دستی دما (Hand Temperature Measurement)

و تانک گیجینک اتوماتیک (Automatic Tank Gauging) استفاده می شود، در صورت طراحی یک سیستم مطلوب تانک گیجینک تمامی این افعال را میتوان با استفاده از تنها یک Still Pipe انجام داد.

مخازن تحت فشار معمولا از نوع کروی یا استوانه ای طراحی می شوند.

 

اندازه گیری دستی نمی تواند در مخازن تحت فشار صورت گیرد.

برای انجام تانک گیجینگ اتوماتیک با دقت بالا به یک Still Pipe نیاز است.

در مخازن برودتی، طراحی تانک گیجینگ اتوماتیک اغلب مانند مخازن تحت فشار است.

اهداف تانک گیجینگ

1. انتقال نفت و عملیات های مربوطه
2. مدیریت موجودی
3. انتقال وکالتی
4. مدیریت اتلاف و تعادل جرمی
5. اصلاح حجم
6. جلوگیری از سرریز شدن
7. جلوگیری از نشتی

در بحث تانک گیجینگ، در خصوص انتقال نفت، چند مورد بسیار حائز اهمیت هستند، این موارد شامل:

• چقدر مایع درون مخزن وجود دارد،
• چه میزان از حجم مخزن خالی است،
• به چه میزان تانک پر یا خالی می شود،
• چه موقع مقدار سیال درون مخزن به مقدار خطرناکی زیاد می شود.
• همچنین لازم است سیستم تانک گیجینگ قبل از ایجاد خطر آلارم یا هشدار دهد.

عملیات های انتقال نفت مستلزم آن است که اطلاعات تانک گیجینگ در هر لحظه در دسترس و قابل اطمینان باشند،

از دست رفتن اطلاعات مربوط به تانک گیجینگ باعث می شود خیلی از عملیات ها به خصوص عملیات های وابسته به زمان مختل شود که در نهایت ممکن است منجر به از کار افتادن و شات داون (Shut Down) شود.

مخازن اغلب منابع با ارزشی را در خود ذخیره می کنند بنابرین دقت بالا در سنجیدن محتویات داخل مخزن لازم است، همچنین هنگام خرید و فروش مقادیر زیادی از سیالات مختلف، تانگ گیجینگ به عنوان معیار محاسبه مالیات و فاکتور های مربوطه می باشد

و برای انتقال های قانونی و دولتی سیستم تانک گیجینگ باید توسط ارگان های بین المللی تایید شده و دارای گواهی و سرتیفیکیت باشد که ارگان اصلی International Organization of Legal Metrology (OIML) می باشد،انتقال وکالتی نیاز به بالاترین دقت ممکن سیستم تانک گیجینگ دارد.

استاندارد OIML R85:2008 چهارجوب ها و مشخصاتی که یک سیستم تانگ گیجینگ باید داشته باشد را تعیین می کند.

و اما یکی از موارد بسیار مهم قابلیت سیستم تانک گیجینگ جلوگیری از سرریز شدن سیال داخل مخزن است که می تواند باعث انفجار و آتش سوزی شود که به مخازن مجاور نیز سرایت میکند و منجر به یک فاجعه بسیار سهمگین می گردد،

آتش سوزی های ناشی از این اتفاق در گذشته سبب آسیب های جانی و مالی بسیار زیاد بیش از یک میلیون دلار شده است بنابراین جلوگیری از سرریز شدن محتویات داخل مخزن بسیار حائز اهمیت است.

یک سیستم تانک گیجینگ قابل اطمینان و پایدار، می تواند جهت تشخیص نشتی استفاده شود، سیستم تانگ گیجینگ می تواند حرکت های کوچک سیال را تشخیص دهد.

پیشنهاد می شود سنجش نستی بر اساس Net Standard Volume (NSV) یا حجم استاندارد کل به جای سطح تنظیم شود چرا که در این روش، خطای ناشی از تغییر سطح بر اساس تغییر دما را میتوان حذف نمود.

نظارت بر سقف های شناور

سقف های شناور می توانند در موارد عملیاتی و امنیتی به دلیل صدمات مکانیکی، سرریز شدن و آزاد شدن بخار قابل اشتعال هیدروکربن اخلال ایجاد کنند.

محتویات تانک هم ممکن است با مواد دیگر ترکیل شود.

این مشکلات می توانند به دلیل گیر کردن سقف به دلیل آسیب یا اشتباه سوار کردن سقف اتفاق بیفتد.

باد های پرقدرت، بارش برف و باران سنگین می تواند باعث تغییر موقعیت و شناوری سقف شود.

تابع نظارت بر سقف شناور در سیستم تانک گیجینگ می تواند مواردی همچون گیر کردن سقف شناور، زاویه گرفتن آن، پوشیده شدن توسط آب یا مواد دیگر و … را تشخیص دهد.

 

 

تکنولوژی های تانک گیجینگ (Tank Gauging Technologies):

 

1) اندازه ‌گیری دستی (Hand Gauging):

نوار اندازه ‌گیری (Measurement Tape) :یکی از ساده‌ ترین روش‌ها برای اندازه‌گیری سطح مایع است.

در این روش از یک نوار اندازه گیری که عموما از جنس فولاد ضد زنگ (Stainless Steel) می باشد استفاده می شود که یک وزنه در انتهای آن آویزان است،

این وزنه بر اساس میلیمتر یا کسر هایی از اینچ درجه بندی شده که برای اندازه گیری کمداشت پیمانه یا حجم خالی مخزن (Ullage) یا ارتفاع سطح مایع تا کف مخزن (Innage) استفاده می شود.

 

 

 

Ullage در واقع فاصله نقطه مرجع اندازه گیری تا سطح سیال مایع می باشد و سطح از تفاضل ارتفاع مخزن از این مقدار به دست می آید.

این روش بیشتر برای سیال های سنگین نظیر نفت سیاه و نفت خام استفاده می شود.

 

اندازه گیری مستقیم (Innage) نیز می تواند با نوار دستی انجام شود. این روش برای سیال های تمیز به کار می رود چرا که نوار تا انتهای مخزن فرستاده می شود.

برای اندازه گیری دقیق، به نوار اندازه گیری با کیفیت بالا که به تازگی کالیبره شده است نیاز است، برای مخازن حرارت داده شده، ممکن است نیاز به محاسبه انبساط دمایی نوار انداره گیری باشد تا خطا رخ ندهد.

 

2)گیج های شناور (Float Gauges):

سیستم های تانک گیجینک (ATG) برای اولین بار حوالی سال 1930 ارائه شدند.

یکی از اولین طراحی های تانگ گیج ها، فلوت گیج (Float Gauge) بود در این طراحی، یک شناور بزرگ در داخل مخزن به یک نوار فلزی متصل می شود

که این نوار متصل به یک موتور فنری و یک نمایشگر عددی مکانیکی در خارج از مخزن با استفاده از یک سیستم قرقره است.

بدیهی است که این سیستم نیازی به هیچ منبع انرژی ندارد چرا که حرکت سیال کل سیستم را به حرکت در می آورد.

برای کاربرد های Remote Monitoring،  میتوان این سیستم را مجهز به یک ترانسمیتر کرد، که ترانسمیتر با استفاده از کابل های سیگنال، مقادیر سطح را به اتاق کنترل ارسال می کند.

این روش برای مخازن بزرگ و زمانی که نیاز به اندازه‌گیری مداوم است، مناسب می‌باشد.

 

دقت اندازه گیری فلوت گیچ ها (Float Gauges) اغلب پایین است و خطا های زیادی نظیر اختلاف شناوری، Dead-band، back-lash و Hysteresis وجود  دارد.

اگر برای شناور، نوار یا سیم های مربوطه مشکلی به وجود بیاید، تعمیرات اتفاق بیفتد به دلیل وجود قطعات مکانیکی زیاد در این روش انداره گیری، در طول عمر استفاده از تجهیز، اغلب به تعمیر و نگهداری احتیاج خواهد داشت.

3)سرو گیج ها (Servo Gauges):

در دهه پنجم قرن نوزدهم میلادی، توسعه ها و نوآوری های مختلف، منتج به Servo Gauge ها شد.

در این گیج، شناور توسط یک دیسپلیسر (Displacer) جایگزین می شود، دیسپلیسر دارای شناوری مشخصی می باشد اما در سیال شناور نمی شود بلکه غوطه ور می شود.

دیسپلسیر، توسط یک کابل که به Servo Gauge متصل است، آویزان می شود یک مکانیزم تعادل وزن در گیج وجود دارد که میزان کشش کابل را حس می کند، وجود دارد که موتور الکتریکی مربوطه موجود در گیچ رت کنترل می کند و باعث می شود که دیسپلیسر سطح سیال را دنبال نماید.

یک ترانسمیتر مقادیر را می خواند و با استفاده از شبکه های Fieldbus به اتاق کنترل ارسال می کند.

برای اینکه دیسپلیسر درون مخزن به هر سمت و سویی نرود، از Still Pipe استفاده می شود از Still Pipe در مخازن سقف ثابت نیز استفاده می شود.

به طور کلی، Servo Gauge ها عملکرد بهتری نسبت به Float Gauge ها دارند، و اگر به تازگی کالیبره شده باشند می توانند جهت انتقال های وکالتی استفاده شوند

اما از آنجایی که این نوع گیج ها نیز با سیال تماس دارند و دارای قطعات مکانیکی زیادی می باشند، به کالیبره و تعمیر و نگهداری های مداوم نیاز دارند.

4)گیج های راداری (Radar Gauges):

اولین لول گیج های راداری در اواسط دهه هفتاد میلادی تولید شدند، اولین نمونه های گیج های راداری برای مخازن کشتی ها تولید شدند پس از آن گیج های راداری به محبوبیت گسترده ای دست یافتند

و پس از آن تنها تکنولوژی مورد استفاده در مخازن کشتی های بزرگ بوده اند.

امروزه گیج های راداری، در صدر تکنولوژی های تانک گیجینک قرار دارند چرا که لول گیج های راداری هیچ قطعات متحرکی ندارند و تماس مستقیم با سیال را دارا نمی باشند و بنابراین نیازی به تعمیر و نگهداری مداوم ندارند.

از آنجایی که لول گیج های راداری تماس مستقیم با سیال ندارند، می توان از آنها برای سنجش سیال های مبرد و سیال های دیگر که با استفاده از دیگر گیج ها نمی توان آنها را سنجید استفاده کرد.

یک رادار گیج مطلوب می تواند به راحتی برای 30 سال فعالیت کند.

اگر رادار گیج به درستی طراحی شده باشد، پس از نصب آن بر روی مخزن نیاز به کالیبراسیون مجدد نخواهد داشت.

انواع رادار گیج ها:

• رادار گیج های سطح فرآیندی (Process Radar Level Gauges):

این نوع از رادار گیج ها اغلب در جاهایی استفاده می شوند که از فشار و دمای بالا برخوردار بوده و محیط مخزن به گونه ای است که نصب رادار گیج دشوار می باشد.

در این نوع شرایط، دقت آن چندان حائز اهمیت نبوده و ویژگی هایی مانند اطمینان بالا و نیاز به تعمیر نگهداری به حداقل برسد.

در این شرایط اغلب از رادار گیج سطح Pulse Radar استفاده می شود، تکنولوژی Pulse Radar، هزینه های پایین را در برداشته و نیاز به توان زیادی برای فعالیت خود ندارد.

این دسته از رادار گیج ها برای عملکرد در شرایط سخت محیطی مناسب می باشند.

به طور معمول رادار گیج های فرآیندی به صورت دو سیمه یا 2 wire بوده و توسط یک لوپ 4-20mA Bus powered تغذیه می شوند، لازم به ذکر است آنها می توانند با استفاده از باتری به صورت بی سیم یا Wireless عمل نمایند.

طراحی رادار گیج ها نیز دارای دسته بندی می باشد و به طور کلی به دو دسته Space Propagation وGuided Wave تقسیم بندی می شوند.

نوع Space Propagation دارای  شیپوره، لنز یا آنتن سهمی شکل می باشند.

نوع Guided Wave یک آنتن صلب یا انعطاف پذیر دارد که به درون مخزن فرستاده می شود.

انواع رادار گیج ها طیف گسترده ای را شامل می شوند و سازنده های مربوطه هر کدام در صنایع منحصر به فرد خود فعالیت دارند

در حال حاضر ترانسمیتر های Pulse Radar از رادار های FMCW که در تانک گیجینگ استفاده می شوند دقت کمتری دارند.

 

• رادار گیج های تانک گیجینگ (Tank gauging radar gauges):

از آنجایی که تانک گیجینگ نیاز به دقت بالا دارد، رادارگیج های مخصوص این کاربرد اغلب از تکنولوژی FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) استفاده می کنند، این تکنولوژی قابلیت آن را دارد که دقت بهتر از یک میلیمتر در فاصله 50 متری را ارائه دهد.

این تکنولوژی در حوالی سال 1970 میلادی ارائه شد و پس از آن توسعه زیادی یافت، آخرین طراحی این نوع از رادار گیج ها به گونه ای است که دو واحد راداری میتوانند درون یک بدنه قرار گیرند که موجب دقت بسیار بالا می شود،

از آن طرف توان مصرفی تجهیز به قدری کم شده است که تجهیز می تواند Intrinsically Safe باشد و از تغذیه و انتقال داده دو سیمه استفاده نماید.

یکی از ویژگی های مهمی که آنتن تجهیز باید داشته باشد این است که طراحی آن به گونه ای باشد که میعانات تولیدی به سرعت سرریز شود و تجمع نگردد، به همین دلیل، آنتن ها را به صورت شیب دار طراحی می کنند.

 

یکی از موارد مهم دیگر محل نصب رادار ترانسمیتر است، تجربه نشان داده است مطلوب بهترین مکان جهت نصب نزدیک به دیوار مخزن می باشد چرا که خیز سقف ناشی از وزن تجهیز به حداقل می رسد.

استاندارد های مربوطه

استاندارد های ISO (International Organization for Standardization) و API (American Petroleum Institute) از مهمترین استاندارد های مربوط به تانک گیجینگ می باشند.

هر دو این موئسسات وظیفه صدور مدارک مربوط به ساخت و استاندارد هایی که باید رعایت شوند را به عهده دارند لذا تست هایی بر روی تجهیزات تانگ گیجینگ باید صورت گیرد تا مطابقت آنها با استاندارد های مذکور بررسی شود،

اما استاندارد های ISO و API موئسساتی نیستند که فرآیند تست تجهیزات را انجام دهند و فرآیند تست به عهده مسئولین مربوطه هر کشور می باشد،

موئسسات دولتی و ملی هر کشور با سازمانی به نام OIML که مخفف عبارت International Organization of Legal Metrology می باشد همکاری دارند،

این موسسه روش ها و فرآیند های تست تجهیزات مختلفی را تعریف کرده و برای تانک گیجینگ نیز یک روش تست منحصر به فرد را تحت اسم R 85 ارائه داده است.

از آنجایی که اکثر کشور های جهان عضو OIML هستند، روش تست جهت اخذ تاییدیه در هر کشور تقریبا یکسان بوده و در صورت وجود تفاوت، بسیار جزئی می باشد.

بنابراین یک سیستم تانک گیجینگ که تحت نظارت یک موسسه OIML R85 تاییدیه اخذ کرده است، نیاز به تکرار فرآیند تست در کشور های دیگر را ندارد.

برخی از طراحی های سیستم های تانک گیجینگ:

شرکت امرسون (Emerson) یکی از شرکت های خبره در حوزه تانک گیجینگ است که طراحی های بسیار زیادی را در این زمینه انجام داده است، در ادامه برخی از طراحی های انجام شده توسط این شرکت را مشاهده می فرمایید.