原油儲罐全程含水分析儀的研制與應用

宋麗梅 張京婧 姚華 李琳 陳艷霞 吳宗武

1華北油田公司第二采油廠

2中國石油北京油氣調(diào)控中心

3華北油田公司技術(shù)監(jiān)督檢驗處

目前，華北油田油氣生產(chǎn)聯(lián)合站內(nèi)原油儲罐的工藝主要是通過自然沉降、提高罐內(nèi)原油溫度和添加破乳劑等方式實現(xiàn)油水分離。雖然有智能雙位測量儀、磁致伸縮測量儀等儀表進行界位的測量，但均為點位測量，不能完成全程含水的檢測。罐內(nèi)一般會形成幾十厘米甚至幾米厚的油水混合過渡帶，沒有明顯的油水界面。現(xiàn)有檢測儀表的局限性導致無法進行準確盤庫，因此，如何客觀、真實地反映儲罐內(nèi)液位、界面分布及各層含水率和溫度變化情況，應建立原油儲罐一體化檢測平臺來科學指導加藥和盤庫工作。全程含水分析儀的應用在有效節(jié)約破乳劑日添加量及天然氣日消耗量的同時，可優(yōu)化破乳效果提高盤庫準確性，產(chǎn)生持續(xù)經(jīng)濟效益且達到節(jié)能降耗的目標。

1 技術(shù)思路

1.1 系統(tǒng)原理

目前，原油含水率的精確測量越來越重要，對油田的開發(fā)、生產(chǎn)和銷售有很大影響，而國內(nèi)外原油含水率測試產(chǎn)品不多，性能指標和適用范圍差別也較大[1]。本次全程含水分析儀的研制，針對石油聯(lián)合站原油儲罐相關(guān)檢測參數(shù)，整合含水率、液位、界面及溫度測量功能于一體，開發(fā)同時具備超聲波和溫度兩種傳感器的多功能信號采集裝置，是一種原油儲罐全程含水分析儀。由于超聲波傳感器穩(wěn)定性高，且不受混合物電解質(zhì)的影響，超聲波是機械波，與物質(zhì)作用可以不考慮電導率的影響；因此，使用超聲波共振法測試含水率可以在動態(tài)、靜態(tài)下測量，不必考慮液體垂直流動特性，這是短波吸收法、微波法、電容法無法比擬的[2]。檢測單元利用超聲波反射原理，通過信號采集裝置上的超聲波傳感器發(fā)射幾十千赫茲的超聲波在罐內(nèi)液體中傳播，并反射到超聲波傳感器對面的光滑金屬表面上；信號采集裝置中的傳感器通過接收金屬表面反射回來的聲波，經(jīng)過信號采集裝置內(nèi)部的信號比較電路進行比較處理，通過電路的自動調(diào)整作用，原油含水率變化被轉(zhuǎn)換為超聲波換能器輸出電壓的變化[3]。

超聲波在不同溫度的原油內(nèi)傳播速度是不一樣的，但符合溫度補償系數(shù)變化規(guī)律。儲罐內(nèi)的溫度近似恒溫46℃，通過查表可知46℃原油聲速，原油通過溫度補償公式（1）進行校準，即

式中：v1為溫度補償后油中的聲速，m/s；v0為油中的聲速，m/s；-3.5為溫度補償系數(shù)，m/(s·℃)；t0為儲罐內(nèi)的實際溫度，℃。

儲罐內(nèi)的原油通過溫度補償公式校準而計算出油中的聲速為1 262.02 m/s。傳感器的總距離是油的距離加水的距離，而距離可以通過速度乘時間計算得到，由此超聲波測量的計算公式可寫為

式中：s為超聲波經(jīng)過的距離，m；t1為穿過油中的時間，s；v2為水中的聲速，m/s；t2為穿過水中的時間，s；t為穿過兩種液體的總時間，s。超聲波傳感器探測的距離是6 cm，而水中的聲速通過查表可知為1 514.20 m/s，傳感器實際測量的時間在傳感器實際測量范圍。含水率的計算公式是

通過計算可得出儲罐內(nèi)含水率的準確值。

超聲波傳感器通過機械驅(qū)動裝置帶動信號采集裝置在罐內(nèi)上下移動，而機械驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)動帶動編碼器的運動，編碼器將運動的狀態(tài)數(shù)據(jù)通過上位機的軟件運算處理后即可以確定信號采集裝置在罐內(nèi)的具體位置。最后把信號采集裝置數(shù)據(jù)與編碼器數(shù)據(jù)通過上位機整合后形成儲罐內(nèi)的液位、界面狀態(tài)，并把含水率、溫度數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控室的上位機上。

1.2 系統(tǒng)組成

全程含水分析儀由信號采集裝置、電動機驅(qū)動裝置、防爆控制盒（PLC）和上位機四部分組成。

信號采集裝置：該裝置由傳感器和數(shù)據(jù)處理電路組成。信號由信號發(fā)生器發(fā)出經(jīng)超聲波檢測裝置(超聲波傳感器)、信號采樣電路進入數(shù)字示波器輸入端[4]，傳感器把罐內(nèi)測得的實時數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理電路中進行數(shù)據(jù)處理并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。信號采集裝置的電路板與殼體固定，并用電子灌封膠澆封方式密封處理，使其達到本質(zhì)安全級別防爆和IP65密封要求。信號采集裝置外殼前端由2個垂直支架支撐傳感器，且傳感器的電線從一端支架中穿過，進入殼體內(nèi)部；該裝置通過鋼絲繩吊裝在灌頂，鋼絲繩另一端纏繞在繞線盤上（圖1）。

圖1 信號采集裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of signal acquisition device

電動機驅(qū)動裝置：拖動信號采集裝置在油罐內(nèi)上下移動。該裝置的核心是伺服電動機，將伺服電動機放入防爆箱中并與減速齒輪連接，減速機的軸上套上磁耦合連接器，與外部磁耦合連接器用磁力相連；外部磁力連接器連接繞線盤，最終提供合適的扭矩，如圖2、圖3所示。伺服電動機帶動信號采集裝置移動時將自己的實時位置數(shù)據(jù)傳送給PLC，以此來確定信號采集裝置當前位置，確定儲罐內(nèi)各個位置的含水率。

圖2 機械裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of mechanical device structure

圖3 電動機驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of motor driving device

防爆控制盒（PLC）：主要用來傳輸數(shù)據(jù)及控制電動機驅(qū)動裝置，外部數(shù)據(jù)可通過通信電纜方便地與數(shù)字示波器外觸發(fā)輸入端口連接[5]。上位機下達的各種指令傳送給PLC，通過讀取指令控制下端電動機驅(qū)動裝置執(zhí)行相應動作，同時把下端電動機驅(qū)動裝置和信號采集裝置接收到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機。

上位機：根據(jù)設定的程序或操作員的指令，向PLC下達開始檢測或停止檢測的指令，并根據(jù)PLC發(fā)送回來的檢測數(shù)據(jù)進行處理，顯示當前含水率并繪制全程含水率曲線，輸出界位值、庫存量、溫度、報警信息等。

2 現(xiàn)場應用與評價

2.1 安裝方案

現(xiàn)場安裝主要有兩種方案：

（1）將儲罐全程含水分析儀安裝在罐頂含水儀孔（圖4）上，代替原含水儀。安裝含水儀的管道直徑約為90 mm，將信號采集裝置直徑控制在75 mm左右即可放入罐內(nèi)，滿足絕大部分原油儲罐的安裝條件，安裝的信號采集裝置可以替代原含水儀。伺服電動機放在罐的外圍下方通過鋼絲繩牽引檢測裝置。

（2）將儲罐全程含水分析儀安裝在透光孔（圖5）上。透光孔的直徑約620 mm，需在透光孔上的法蘭盤開15 mm的孔用來穿過吊重線和通信線，而經(jīng)常開合透光孔會影響設備正常工作，因此建議安裝在原含水儀表的位置。

圖4 含水儀孔Fig.4 Pore of hydrometer

圖5 透光孔Fig.5 Transparent pore

2.2 技術(shù)關(guān)鍵點

（1）在罐頂?shù)臋z測裝置進入口處安裝定制密封結(jié)構(gòu)，帶絲扣旋蓋在放入傳感器后可旋緊，使儲罐內(nèi)部封閉防止漏氣。

（2）法蘭盤和出口處安裝過濾裝置，濾除鋼絲繩帶出的原油同時避免雜物進入。

（3）牽引繩的各拐點安裝動滑輪裝置，選用銅質(zhì)萬向輪，防爆且傳動更加靈活（使用中的拱頂罐，驅(qū)動裝置位置偏高，固定時達不到動火條件，因此未裝在頂部）。

（4）電纜采用聚四氟乙烯護套的屏蔽多芯軟電纜，與牽引繩多點固定，電纜不受拉力，在牽引繩向上拉時電纜彎折收縮。

（5）防爆控制盒內(nèi)安裝伺服電動機驅(qū)動器、現(xiàn)場控制單元PLC和本安電路安全柵等電氣元件。

（6）系統(tǒng)的電源接入防爆控制盒，電源為AC 220 V。

（7）防爆控制盒與電動機防爆盒通過防爆管相連接，驅(qū)動電纜及控制電纜從防爆管內(nèi)穿過。

（8）現(xiàn)場控制單元信號通過485通信電纜，遠程傳輸?shù)街锌厥业纳衔粰C電腦，上位機部署人機界面，以便值班人員操作與查看儲罐的含水率情況。

2.3 應用效果

全程含水分析系統(tǒng)通過軟、硬件結(jié)合運行工作，形成了友好的人機界面。操作人員可在系統(tǒng)中手動設置液位上下限報警值及儲罐罐高、直徑等基本參數(shù)，鼠標點擊“開始測量”按鈕，檢測探頭從罐頂?shù)焦薜组_始全程自動檢測，全程大約需要10 min。

經(jīng)多次現(xiàn)場試驗并結(jié)合人工取樣數(shù)據(jù)對比，油水界面及含水率檢測誤差均小于或等于2%，可測量高度不小于15 m，含水率測量間隔不超過1 cm，量程為0～100%，測量精度小于或等于1%。最終，系統(tǒng)界面上描繪出全程含水率分布曲線。根據(jù)含水率分布情況運算分析，得出儲罐內(nèi)實時含水率、溫度以及油層、水層及過渡帶的分層情況，并與原油庫存量值一同顯示在界面上。

3 結(jié)論

通過整合超聲波和溫度傳感技術(shù)研制了全程含水分析儀，并以此成功搭建起一套原油儲罐綜合數(shù)據(jù)檢測分析管理平臺。針對原油儲罐無法實現(xiàn)含水率全量程檢測問題，該分析儀實現(xiàn)了液位、界面、溫度、過渡帶綜合檢測。通過該設備可以人工遠距離控制儲罐內(nèi)油樣的測量，在減輕人員勞動強度的同時解決了其他傳統(tǒng)儀表測量數(shù)據(jù)不全面、不準確的缺陷，避免了現(xiàn)有檢測儀表無法準確測量罐內(nèi)油、水及混合過渡帶分布情況，無法準確進行盤庫的局限性。結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)可以摸索出加藥量、溫度控制對過渡帶的影響規(guī)律，為脫水工藝提供可靠依據(jù)，優(yōu)化加熱、加藥方案，節(jié)約成本，提質(zhì)增效。

通過數(shù)據(jù)綜合檢測分析平臺實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的科學精細化管理，以數(shù)據(jù)作支撐，精確指導生產(chǎn)管控，是下一步努力的方向[6]。