Публикации Метрология в нефтегазовой отрасли и точность учёта газа при использование MEMS-технологии

Всероссийский сборник статей и публикаций института развития образования, повышения квалификации и переподготовки.

Язык издания: русский
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: Метрология в нефтегазовой отрасли и точность учёта газа при использование MEMS-технологии
Автор: Максимов Евгений Витальевич

Метрология в нефтегазовой отрасли и точность учёта газа при использование MEMS-технологии.Метрологическое обеспечение занимает важное место в нефтегазовой отрасли, поскольку позволяет существенно повысить точность учёта газа, нефти и нефтепродуктов, сократить издержки при производстве и снизить их себестоимость. Метрологическому обеспечению подлежат все этапы производственной деятельности: от отбора проб сырья до готовой продукции. Для этого используют различные средства измерения, такие как термометры, манометры, газоанализаторы, расходомеры и счётчики. Некоторые задачи метрологического обеспечения:

постоянная актуализация и обновление нормативных документов;

применение современных средств измерений, контроля и управления;

формирование условий для получения достоверной информации измерительного характера;

организация поверки измерительных средств;

обеспечение калибровки измерительных средств;

организация и проведение ремонта средств измерений, которые имеются в эксплуатации;

обеспечение аттестации оборудования испытательного характера;

организация аттестации методик выполнения измерений и испытаний;

систематический анализ измерительного контрольного испытания в нефтегазовой отрасли.

Некоторые принципы организации учёта газа: поуровневый узловой учёт, иерархическое изменение требований к погрешности измерений на каждом уровне, повсеместный учёт у конечных потребителей, централизация и автоматизация сбора данных о потреблении со всех уровней. Некоторые факторы, влияющие на точность измерений: низкая скорость измеряемого потока, низкое избыточное давление в измерительном трубопроводе, сокращение длин прямых участков измерительного трубопровода, влияние условий окружающей среды на метрологические характеристики, широкий диапазон изменения компонентного состава газа, двухфазность среды (наличие жидкости в газе). Некоторые требования к приборам учёта газа: минимальная чувствительность к загрязнению газа, работоспособность в характерном для климатических условий России температурном диапазоне природного газа и окружающей среды, минимальный диапазон измерения расхода, максимальный межповерочный интервал и другие. Особенности проведения измерений в нефтегазовой отрасли регулируются различными национальными, межгосударственными и международными стандартами. В условиях бурного развития нефтегазовых предприятий применение современных измерительных средств при проведении измерений способствует повышению точности и достоверности результатов измерений и развитию отрасли в целом. Некоторые современные средства измерений, которые используются в нефтегазовой отрасли:

Датчики давления и температуры. Для мониторинга этих параметров чаще всего используют датчики с мембранным разделением, где чувствительный элемент защищён от контакта с агрессивной средой. В скважинных условиях применяют датчики с дополнительным защитным покрытием и взрывозащищённым корпусом.

Расходомеры. Для учёта добычи и транспортировки углеводородов используют приборы, которые сохраняют точность даже при нестабильных параметрах потока. Например, кориолисовые расходомеры измеряют массовый расход напрямую, что исключает погрешности из-за изменения плотности газа или нефти. Для магистральных газопроводов часто выбирают ультразвуковые расходомеры, которые не имеют движущихся частей и способны работать с большими диаметрами труб.

Газоанализаторы. Контроль содержания опасных газов (сероводорода, метана, паров углеводородов) — критически важная задача на промыслах и НПЗ. Оптические газоанализаторы на основе лазерной спектроскопии обеспечивают быстрое обнаружение утечек даже в низких концентрациях. Для постоянного мониторинга воздушной среды в закрытых помещениях применяют катарометрические датчики, реагирующие на изменение теплопроводности газа.

Уровнемеры. Для измерения уровня нефти, воды и газового конденсата в резервуарах используют приборы, устойчивые к налипанию отложений и перепадам температур. Радарные уровнемеры с частотной модуляцией волны (FMCW) обеспечивают точность до ±1 мм и нечувствительны к пене или испарениям.

Автоматические отсечные клапаны. В аварийных ситуациях скорость срабатывания запорной арматуры определяет масштаб возможной катастрофы. Пневматические и гидравлические отсечные клапаны с цифровыми позиционерами закрывают трубопровод за секунды при обнаружении утечки или скачка давления.

Беспроводные датчики. Современные нефтегазовые компании всё чаще переходят на беспроводные датчики, снижающие затраты на прокладку кабелей в труднодоступных местах.

Цифровые двойники оборудования. Это перспективное направление, которое позволяет прогнозировать износ и планировать ремонты до возникновения критических отказов.

Некоторые преимущества беспроводных датчиков в нефтегазовой отрасли:

Экономия на монтаже и обслуживании. Не требуется прокладка кабелей, что особенно выгодно на крупных заводах и удалённых объектах. Новые датчики можно установить за минуты.

Гибкость и масштабируемость. Легко добавить дополнительные точки мониторинга, можно переносить датчики без перемонтажа проводки.

Мониторинг труднодоступных мест. Контроль вращающихся механизмов, подвижных конструкций, использование в опасных зонах (взрывоопасные среды, высокие температуры).

Снижение риска повреждений. Нет проводов, которые могут перетереться или пострадать от влаги.

Интеграция с IoT и облачными системами. Данные передаются в реальном времени в SCADA, ERP и другие системы.

Улучшение операционной эффективности. Датчики могут отслеживать производительность оборудования в режиме реального времени, что позволяет проводить профилактическое обслуживание и минимизировать время простоя.

Управление рисками. Датчики могут обнаруживать и предупреждать операторов о потенциальных опасностях, таких как утечки газа, неисправности оборудования или небезопасные условия труда.

Некоторые компании, специализирующиеся на производстве беспроводных датчиков для нефтегазовой отрасли:

Honeywell International. Производит беспроводные контрольно-измерительные приборы OneWireless (США, штат Нью Джерси, г. Морристаун).

Yokogawa Electric Corporation. Выпускает беспроводные контрольно-измерительные приборы.

Emerson Process Management. Производит беспроводные контрольно-измерительные приборы SmartWireless (США, штат Миссури, г. Сент-Луис).

SKF. Компания выпускает беспроводной датчик состояния оборудования, который собирает данные о температуре, общем состоянии оборудования и элементах подшипника качения.

«Автон». Производит беспроводные датчики для нефтегазодобычи, которые предназначены для контроля технологических процессов и проведения специализированных исследований.

ООО НПП «Петролайн-А». Компания занимается разработкой и производством контрольно-измерительных приборов и систем для буровой, в том числе беспроводных датчиков

Некоторые технологии, которые используются в производстве датчиков:

MEMS-технологии (микроэлектромеханические системы). Датчики, изготовленные по этой технологии, отличаются небольшими размерами, низким энергопотреблением и высокой надёжностью.

SMD-технологии (Surface-Mount Device). Предполагают монтаж компонентов непосредственно на поверхности печатной платы, что позволяет достичь высокой плотности монтажа и уменьшить размеры конечных устройств.

Интеллектуальные сенсоры. Способны не только собирать данные, но и принимать решения на основе этой информации. Интегрированы с микропроцессорами и могут взаимодействовать с другими системами.

Беспроводные технологии. Позволяют передавать данные с датчиков на расстоянии без необходимости проводной связи, что повышает гибкость и мобильность системы. Энергонезависимость. Разработка энергонезависимых датчиков, использующихся с энергосберегающими технологиями, позволяет расширить сферу применения датчиков и уменьшить затраты на замену источников питания.

Экологическая устойчивость. Развитие экологически устойчивых материалов и технологий производства позволяет создавать датчики, которые меньше нагружают окружающую среду и обладают длительным сроком служб

Некоторые преимущества MEMS-технологий в производстве датчиков:

Микроминиатюрность. Применение технологии микросхем позволяет получать микромеханические и оптические узлы значительно меньших размеров, чем это возможно по традиционным технологиям.

Высокая функциональность. Миниатюрность изделия и возможность изготовления датчиков, обрабатывающих схем и исполнительных механизмов в одном устройстве позволяют создавать законченные системы достаточно большой сложности в одном корпусе.

Улучшенные характеристики функционирования. Электронная часть, а также электрические каналы связи с датчиками и механизмами, выполненные по интегральной технологии и имеющие малые размеры, позволяют улучшить такие характеристики, как рабочие частоты, ЭМС, соотношение сигнал/шум и т. п..

Высокая точность и повторяемость чувствительных элементов. Их интегральное изготовление вместе с обрабатывающей схемой позволяет значительно повысить точность измерений.

Высокая надёжность и стойкость к внешним воздействиям. За счёт малых габаритов и массы механические компоненты MEMS меньше подвержены влиянию вибраций и ударов.

Низкая стоимость. Применение MEMS уменьшает стоимость как механической, так и электронной частей устройства, поскольку обрабатывающая электроника интегрирована в MEMS-компонент, что позволяет избежать дополнительных соединений и, в некоторых случаях, согласующих схем.

Малая тепловая инерционность и устойчивость к температурному расширению. Могут использоваться как при низких, так и при высоких температурах, в условиях резких температурных перепадов.

екоторые ограничения MEMS-технологий в производстве:

Проблема упаковки. Необходимо защищать деликатные микроструктуры от окружающей среды при сохранении производительности.

Надёжность. Устройства MEMS должны противостоять механической усталости, шока и изменений температуры.

Производительность и доходность. Микроскопические дефекты во время изготовления могут привести к разрушению.

Стандартизация. Нет универсальных стандартов в дизайне и упаковке MEMS.

Сложность интеграции. Трудности в сочетании MEMS с цифровой электроникой на одном чипе.

Надёжность MEMS-устройств положительно влияет на их применение, так как обеспечивает стойкость к внешним воздействиям и бесперебойную работу. Некоторые примеры влияния надёжности MEMS-устройств на их применение:

Использование в навигационных системах. MEMS-датчики делают навигационное оборудование компактным, надёжным и недорогим. Это важно, например, для беспилотных летательных аппаратов, где сбой в навигации может привести к аварии и угрозе жизни и здоровью людей.

Применение в системах безопасности. MEMS-датчики используются в адаптивном круиз-контроле, функции автопилота, развёртывании подушек безопасности и других системах.

Использование в промышленности. Датчики, изготовленные по технологии MEMS, отличаются высокой надёжностью и могут использоваться для измерения многих параметров, таких как температура, давление, крутящий момент, уровень жидкости или перемещеНекоторые преимущества MEMS-устройств перед другими технологиями:

Интеграция электроники и чувствительных элементов в одном устройстве. Это позволяет избежать дополнительных соединений и согласующих схем, что снижает стоимость как механической, так и электронной частей устройства.

Малые габариты и масса механических компонентов. Благодаря этому MEMS-устройства меньше подвержены влиянию вибраций и ударов.

Возможность работы в условиях экстремальных температур. Датчики сохраняют работоспособность и точность измерений при температурах до –55 °C.

Работа в опасных зонах. Для нефтехимической, горнодобывающей и других отраслей с взрывоопасными средами требуются устройства с соответствующей защитой. MEMS-датчики имеют сертификаты взрывозащиты.

Некоторые преимущества MEMS-устройств перед другими технологиями:

Интеграция электроники и чувствительных элементов в одном устройстве. Это позволяет избежать дополнительных соединений и согласующих схем, что снижает стоимость как механической, так и электронной частей устройства.

Нефтегазовая промышленность. Датчики давления, изготовленные по технологии MEMS, применяют для контроля давления в трубах и отслеживания перепадов давления при перекачке нефти и газа. Некоторые преимущества MEMS-устройств в нефтегазовой отрасли:

Высокая точность и чувствительность. Датчики позволяют детектировать малые изменения давления, что помогает на ранних этапах обнаруживать нештатные ситуации (утечки) при транспортировке нефтегазовых продуктов.

Возможность отслеживать и управлять процессами транспортировки нефтепродуктов. Это снижает издержки предприятия на данном этапе.

Поддержка технологических процессов при переработке сырья. Повышается качество получаемых нефтепродуктов, уменьшается брак, что в итоге приводит к увеличению прибыли предприятия.

Работа в условиях подводной добычи. MEMS-датчики используются для мониторинга добычи нефти, несмотря на то, что традиционные датчики слишком громоздки и дороги для использования под водой.

Контроль вибраций. MEMS-датчики позволяют контролировать вибрацию двигателей, что снижает затраты на техническое обслуживание.

Некоторые ограничения MEMS-устройств в нефтегазовой отрасли:

Высокая начальная стоимость. Это может помешать небольшим предприятиям вносить необходимые инвестиции.

Вариация чувствительности и специфичности датчиков. Это влияет на надёжность устройств в различных операционных средах. Например, ложные срабатывания могут привести к ненужным простоям.

Доступность альтернативных технологий. Традиционные методы обнаружения газа могут восприниматься как более надёжные или проще в реализации.

Проблемы с производством. Например, при групповой обработке пластин в процессе изготовления МЭМС могут возникать неравномерность обработки, накопление загрязнений в рабочем растворе и снижение его концентрации.

Некоторые перспективы развития MEMS-технологий:

Уменьшение размеров и повышение интеграции. Планируется дальнейшее сокращение размеров устройств MEMS и их интеграция в более компактные пространства.

Использование новых материалов. В MEMS планируют применять материалы, отличные от традиционного кремния, например пьезоэлектрические материалы, сплавы с памятью формы и передовые полимеры.

Улучшение энергоэффективности и возможностей сбора энергии. Планируется разработка ультранизкопотребляющих датчиков и актуаторов MEMS, что позволит увеличить срок работы устройств, работающих от батарей или автономных систем.

Интеграция искусственного интеллекта и машинного обучения. Устройства MEMS будут включать встроенные алгоритмы для обработки данных, распознавания образов и адаптивного поведения.

Развитие биосовместимых и имплантируемых MEMS. Такие устройства будут предназначены для работы внутри тела человека, что позволит осуществлять непрерывный мониторинг физиологических параметров, целевую доставку лекарств и даже минимально инвазивные хирургические процедуры.

Создание устройств IoT на базе MEMS. Датчики и актуаторы MEMS с встроенной беспроводной связью и низким энергопотреблением позволят разрабатывать повсеместные устройства IoT для мониторинга окружающей среды, умных домов и промышленной автоматизации.

Гибридная и гетерогенная интеграция. MEMS-устройства будут объединяться с другими технологиями, такими как CMOS-схемы, оптоэлектроника и микрофлюидика.

И в заключении:Использование MEMS-устройств в нефтегазовой отрасли имеет ряд преимуществ, среди которых высокая точность и чувствительность датчиков, возможность отслеживать и управлять процессами транспортировки нефтепродуктов, поддержка технологических процессов при переработке сырья, работа в условиях подводной добычи и контроль вибраций. Однако у MEMS-устройств есть и ограничения, например высокая начальная стоимость, вариация чувствительности и специфичности датчиков, проблемы с производством. В целом можно сделать вывод, что использование MEMS-устройств в нефтегазовой отрасли может быть перспективным, так как они позволяют оптимизировать различные процессы и повысить эффективность работы отрасли.Спасибо за внимание!