原油儲罐升降機(jī)自動計量裝置研發(fā)及應(yīng)用

高寶元

(1. 中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司 工程技術(shù)研究院，陜西 西安 710018；2. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710018)

油田原油儲罐內(nèi)的液位、界位、分層含水的檢測和油量的準(zhǔn)確計量，是困擾生產(chǎn)、計量、管理人員的一大難題，尤其是罐內(nèi)存在油水過渡帶時，儲罐內(nèi)油水界面位置的檢測與確定較為困難[1]。目前原油儲罐監(jiān)測計量主要靠人工檢尺、單一功能的浮體式液位儀、伺服式液位儀、磁致伸縮液位儀、差壓式液位儀、超聲波液位儀、雷達(dá)液位儀、激光液位儀、光纖液位儀、核輻射式液位儀、液位報警開關(guān)等完成，其中人工檢尺中人工計量的測量精度、可靠性、可維護(hù)性、實時性等，均難以適應(yīng)油田自動化、信息化、智能化建設(shè)的發(fā)展需求；而浮體式液位儀、伺服式液位儀、磁致伸縮液位儀、差壓式液位儀、超聲波液位儀、雷達(dá)液位儀、激光液位儀、光纖液位儀、核輻射式液位儀、液位報警開關(guān)功能單一，均不能測量油水帶的界位、分層含水率等參數(shù)[2-3]，因此需要研發(fā)一種新型的原油儲罐升降機(jī)自動計量裝置[4-5]。

1 原油儲罐升降機(jī)自動計量裝置構(gòu)成

原油儲罐升降機(jī)自動計量裝置的構(gòu)成如圖1所示，該裝置包括自動升降機(jī)、儲絲盤、帶鋼絲含水信號電纜、機(jī)座法蘭、量油孔管法蘭、量油孔管、射頻液位含水分析儀和射頻液位含水分析儀探頭。自動升降機(jī)連接在儲絲盤端面，儲絲盤下端通過機(jī)座法蘭和量油孔管法蘭固定連接量油孔管，量油孔管內(nèi)部設(shè)有射頻液位含水分析儀，射頻液位含水分析儀下端連接射頻液位含水分析儀探頭，儲絲盤纏繞帶鋼絲的含水信號電纜，其中帶鋼絲含水信號電纜一端連接自動升降機(jī)，另一端連接射頻液位含水分析儀，射頻液位含水分析儀探頭可在量油孔管內(nèi)上、下往復(fù)運行。

圖1 原油儲罐升降機(jī)自動計量裝置構(gòu)成示意

1)量油孔管內(nèi)側(cè)下端設(shè)有探頭擦除器，探頭擦除器設(shè)有“O”型密封橡膠的自動擦拭裝置，“O”型密封橡膠的自動擦拭裝置安裝在探頭擦除器內(nèi)部，探頭擦除器和射頻液位含水分析儀探頭相連接，“O”型密封橡膠的自動擦拭裝置可擦拭射頻液位含水分析儀探頭。自動擦拭裝置是一種圓柱體帶有吸油的特殊化學(xué)材料組成的裝置，便于清洗擦拭射頻液位含水分析儀探頭的原油。量油孔管為不銹鋼圓管，量油孔管的直徑為65 mm，管壁厚度為1 mm，管壁四周設(shè)有長條孔，長條孔能使原油進(jìn)入管內(nèi)。

2)自動升降機(jī)內(nèi)設(shè)有正、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤裝置，其中正、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤裝置上纏繞帶鋼絲的含水信號電纜，正、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤裝置可以控制自動升降機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。

3)正、反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤裝置是一種定滑輪結(jié)構(gòu)，當(dāng)射頻液位含水分析儀探頭下降時，可以正轉(zhuǎn)將帶鋼絲含水信號電纜和射頻液位含水分析儀送下，當(dāng)射頻液位含水分析儀探頭上升時，可以反轉(zhuǎn)將帶鋼絲含水信號電纜和射頻液位含水分析儀送上。自動升降機(jī)設(shè)有上、下限位器，上限位器安裝于帶鋼絲含水信號電纜首端，用于控制射頻液位含水分析儀的上限位置；下限位器安裝于帶鋼絲含水信號電纜末端，用于控制射頻液位含水分析儀的下限位置。

4)射頻液位含水分析儀是一種監(jiān)測液位和原油含水的復(fù)合分析儀，應(yīng)用于原油儲罐內(nèi)量油孔管中，主要由射頻液位含水分析儀探頭、射頻信號發(fā)生器和接收器組成，射頻液位含水分析儀探頭用于感知被測介質(zhì)信號；射頻信號發(fā)生器和接收器用于將感應(yīng)的信號傳遞給分析處理單元[6]。

5)分析處理單元主要由中央處理器、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器、存儲器和通信電路等組成，負(fù)責(zé)接收處理液位、界面高度和分層含水率的信號，并將液位、界面高度和分層含水率信號以標(biāo)準(zhǔn)電信號輸出，可以長期在惡劣環(huán)境中進(jìn)行準(zhǔn)確測量[7-10]。

2 原油儲罐升降機(jī)自動計量裝置計量方法

原油儲罐升降機(jī)自動計量裝置工作原理如圖2所示，原油儲罐底部沉積有泥沙，原油儲罐內(nèi)分為油水界面和液面，原油儲罐處于防爆區(qū)，中心控制室處于非防爆區(qū)，可遠(yuǎn)程監(jiān)控原油儲罐工況和預(yù)知外輸油的含水率。自動升降機(jī)通過控制電纜連接中心控制室，中心控制室設(shè)有信號接線箱和計算機(jī)，控制電纜連接信號接線箱，信號接線箱連接計算機(jī)。

圖2 原油儲罐升降機(jī)自動計量裝置工作原理示意

原油儲罐升降機(jī)自動計量裝置計量包括以下4部分內(nèi)容：

1)將原油儲罐升降機(jī)自動計量裝置對接法蘭固定在罐頂量油孔或透光孔法蘭上，法蘭水平面作為射頻液位含水分析儀的基準(zhǔn)點。

2)在中心控制室的計算機(jī)軟件配置畫面“基準(zhǔn)點高度值”欄中輸入實際高度并確定；根據(jù)現(xiàn)場實際情況，輸入上限液位高度和下限液位高度，手動巡檢2次無異常后，即可設(shè)置為自動巡檢，然后進(jìn)行零點、滿點和分層含水率準(zhǔn)確度的校準(zhǔn)，才能投入使用；將人工檢尺得到的液面高度定為實際高度值，同時在系統(tǒng)軟件配置畫面“液面實際高度”欄中輸入人工檢尺的實際數(shù)據(jù)，開啟液面高度校準(zhǔn)功能，同時手動巡檢1次，在巡檢的過程中，自動完成液面位置的校準(zhǔn)。

3)在中心控制室計算機(jī)上遠(yuǎn)程開啟原油儲罐升降機(jī)自動計量裝置工作，該系統(tǒng)巡檢開始，正轉(zhuǎn)時，帶鋼絲含水信號電纜將原油儲罐內(nèi)量油孔管內(nèi)裝的射頻液位含水分析儀向上勻速緩慢提起，經(jīng)過設(shè)定時間后，到達(dá)上液位自動停止，自動升降機(jī)開始反轉(zhuǎn)，依靠射頻液位含水分析儀自重，向下勻速緩慢下行，經(jīng)過設(shè)定時間后，到達(dá)下限位器時，自動升降機(jī)自動停止反轉(zhuǎn)運行，隨后自動升降機(jī)又開始正轉(zhuǎn)運行，提起射頻液位含水分析儀，勻速緩慢向上運行，完成射頻液位含水分析儀在原油儲罐內(nèi)量油孔管的上、下往復(fù)運行。射頻液位含水分析儀工作時，感應(yīng)單元向原油中發(fā)射穩(wěn)頻、恒幅的電磁波，電磁波穿透介質(zhì)，由于油和水的介電常數(shù)差異較大，油水比例發(fā)生變化時導(dǎo)致電容的變化，從而引起振蕩頻率的變化，透射電磁波強(qiáng)度隨液位、水含量變化而變化，透射電磁波由感應(yīng)單元接收，經(jīng)分析處理單元轉(zhuǎn)換為液位、界面高度和分層含水率4～20 mA電信號和RS-485信號。信號通過控制電纜連接中心控制室計算機(jī)，遠(yuǎn)程監(jiān)控原油儲罐的液位、界面高度和分層的含水率，并根據(jù)輸入的原油儲罐半徑數(shù)值或者容積表，計算出混液、油、水總體積和原油儲罐內(nèi)平均含水率，繪制成動態(tài)曲線，生成數(shù)據(jù)報表，支持歷史數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計、打印等功能。當(dāng)發(fā)現(xiàn)液面超高立即報警，防止冒罐；根據(jù)含水率發(fā)出自動控制排放底水信號，防止跑油；探頭到達(dá)原油儲罐底，發(fā)現(xiàn)液面超低立即報警，防止抽癟。

4)不需要巡檢原油儲罐的液位、界面高度和分層的含水率或遇到升降機(jī)自動計量裝置有故障時，可在中心控制室計算機(jī)上遠(yuǎn)程停止升降機(jī)自動計量裝置工作。

無特殊要求時，原油儲罐升降機(jī)自動計量裝置可連續(xù)工作。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

2018年10月，該裝置在長慶油田第三采油廠進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，具有以下優(yōu)勢：

1)全自動巡檢測量。該裝置省去了人工測量的麻煩，可自動生成巡檢記錄，解決了原油儲罐測量的各種難題，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控原油儲罐工況和預(yù)知外輸油含水率功能，實現(xiàn)了同時有效測量液面高度、液面超限報警、油水界面高度以及分層含水率，使站內(nèi)人員全面了解原油儲罐內(nèi)的情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)液面超高會立即報警，防止冒罐；根據(jù)含水率發(fā)出自動控制排放底水信號，防止跑油；探頭到達(dá)原油儲罐底，發(fā)現(xiàn)液面超低可立即報警，防止抽癟。

2)測量方法更加穩(wěn)定。在惡劣天氣下，人工測量很困難，而原油儲罐升降機(jī)自動計量裝置檢測不受其影響；測量方法更加安全，避免了操作人員在大罐上爬上、爬下的危險，只需要在控制室點擊鼠標(biāo)就可實現(xiàn)遠(yuǎn)程計量原油儲罐的液面、界面、分層含水率和預(yù)知外輸油含水率。

4 結(jié)束語

原油儲罐升降機(jī)自動計量裝置中射頻液位含水分析儀探頭采用先進(jìn)的短波射頻技術(shù)，發(fā)射到油水混合液中探測含水信號，具有穿透介質(zhì)能力強(qiáng)，信號反饋靈敏，計量準(zhǔn)確等特點[11]。原油儲罐升降機(jī)自動計量裝置具有設(shè)計精巧、制造精密、質(zhì)量輕等特點，對人體和環(huán)境沒有任何影響，屬于安全、環(huán)保、節(jié)能型的產(chǎn)品。