射頻和紅外兩種原理在線含水分析儀現場應用比較

卿紅霞

（華北油田公司第三采油廠，河北 河間市 062450）

0 引言

在原油開采企業，對采出原油中含水率的測量長期采用手工“蒸餾法”進行化驗的方法，這種方法化驗時間長、勞動強度大，手工取樣化驗采取以點代面的方法來計算原油中的平均含水率，不能完全代表原油中的平均含水率。近年來，很多廠商研究開發在線原油含水分析儀表。華北油田公司第三采油廠于2015年8月和2018年8月開始在兩條輸油干線上分別采用了射頻和紅外原油含水分析儀，其中饒陽站至穩定站輸油線（簡稱西線），在饒陽站、楚一聯、路70站、王四聯、寧一聯、河一聯、里一聯7個入口安裝11套射頻原油含水分析儀；留二聯至穩定站輸油線（簡稱東線），在留一聯、河一聯安裝4套原油紅外含水分析儀。通過對兩種不同原理的含水分析儀在兩條輸油線對比應用，取得了較好應用效果，可以作為企業內部原油交接計量含水測量的手段。

1 兩種原油含水分析儀的工作原理

1.1 射頻含水分析儀工作原理[1]

根據電磁波的物理特性，電磁波在通過介質時，或多或少地被介質所吸收。不同頻率的電磁波在通過同一介質，或同一頻率的電磁波通過不同介質時，介質所吸收的電磁波能量是不同的，吸收多少服從朗伯-比爾定律[2]，如圖1。

圖1 介質吸收電磁波能量Fig.1 The medium absorbs the energy of electromagnetic waves

由于發射穩頻恒幅的電磁波，使水的吸收系數保持不變。所以當含水儀傳感器探頭尺寸一定，則I0確定。傳感器探頭安裝在油中，電磁波穿透能量I被接收體吸收。這個能量隨介質的變化量很小，可以近似為恒定值。這樣從式（4）可知，傳感器探頭發射功率I0只隨介質濃度C1（在這里為水）的變化而變化。發射功率的變化將引起發射器內振蕩源電流值的變化，含水儀將這個變化電流處理后，輸出標準的含水信號。由于傳感器探頭發射的是短波頻率，因而它具有很強的穿透能力，可以獲得精確的信號[3,4]。

式（1）中，I：穿透能量（Hz）；I0：入射能量（Hz）；μ：吸收系數（L/mol）；C：介質濃度(%)；L：介質厚度(cm)。

將式（1）導成如下形式：

對于混合介質，則有：

式（3）中：μ1C1l1和μ2C2l2分別代表著兩種不同物質的吸收系數、介質濃度及介質厚度。當含水分析儀檢測油水時，則兩種物質分別為水和油。含水分析儀發射電磁波時，油對這個頻率的電磁波的能量的吸收系數μ2很小，這里將其近似為零，則式（3）變為：

1.2 紅外含水分析儀工作原理

近紅外光（Near Infrared，NIR）是介于可見光（VIR）和中紅外光（MIR）之間的電磁波，是指波長在780nm～2526nm范圍內的電磁波。近紅外光譜屬于分子振動光譜的倍頻和主頻吸收光譜，主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態向高能級躍遷時產生的，具有較強的穿透能力。近紅外光主要是對含氫基團X－H（X=C、N、O）振動的倍頻和合頻吸收，其中包含了大多數類型有機化合物的組成和分子結構的信息。由于不同的有機物含有不同的基團，不同的基團有不同的能級，不同的基團和同一基團在不同物理化學環境中對近紅外光的吸收波長都有明顯差別，且吸收系數小，發熱少。因此，近紅外光譜可作為獲取信息的一種有效的載體。近紅外光照射時，頻率相同的光線和基團將發生共振現象，光的能量通過分子偶極矩的變化傳遞給分子；而近紅外光的頻率和樣品的振動頻率不相同時，該頻率的近紅外光就不會被吸收。因此，選用連續改變頻率的近紅外光照射某樣品時，由于試樣對不同頻率近紅外光的選擇性吸收，通過試樣后的近紅外光線在某些波長范圍內會變弱，透射出來的紅外光線就攜帶有機物組分和結構的信息。通過檢測器分析透射或反射光線的光密度， 就可以確定該組分的含量。對碳氫化合物分析來說，近紅外光譜吸收分析是一種很有優勢的技術，因為C-H鍵的吸收峰大部分位于近紅外頻段，另外如O-H，N-H，S-H鍵，在近紅外頻段也都有各自明顯的吸收峰，如圖2[5]。

圖2 近紅外頻段吸收峰Fig.2 Absorption peaks in the near-infrared band

原油主要成分是各種烷烴、環烷烴、芳香烴、膠質、瀝青的混合物，對近紅外而言，主要是C-H鍵起作用，而水主要是H-O鍵起作用。典型的原油和水的近紅外吸收譜如圖3。

圖3 原油和水的近紅外吸收譜Fig.3 Near-infrared absorption spectra of crude oil and water

根據朗伯-比爾定律：當一束平行單色光通過均勻的非散射樣品（這里指一定濃度的溶液）時，樣品對光的吸光度與樣品的濃度及厚度成正比，數學表達式為A=k×d×c。

透射光強度It與入射光強度I0的比值It/I0稱為透光率。透光率越大，溶液對光的吸收越少；反之，透光率越小，溶液對光的吸收越多。透光率的負對數即為吸光度，吸 光 度A=-log10（It/I0）=log10（I0/It）， 為 光 線 通 過溶液前的入射光強度與通過溶液后的透射光強度比值的以10為底的對數。吸光度表示溶液對光的吸收程度，吸光度越大，溶液對光的吸收越多；k為吸收系數，指在給定波長、溶劑和溫度等條件下，吸光物質在單位濃度、單位液層厚度時的吸光度。它與入射光的波長和光通過的物質有關，對同一種波長、同一種物質來說，吸收系數是不變的；d為光在溶液中經過的距離，即光程；c為溶液濃度，在油氣水兩相或三相的混合液中，常指含水率[6]。

由朗伯-比爾定律可知，當溶液物質一定時，吸光度A與溶液濃度c和光程d的乘積呈正比關系，比例系數即為k；當光程d也一定時，吸光度A與溶液濃度c成正比關系，這便是近紅外光譜法測含水率的原理。

在多組分體系中，如果各組分的吸光質點彼此不發生作用，那么吸光度便等于各組分吸光度之和，這一規律稱為吸光度的加和性。這里討論的是單色光在多組分介質中的吸光度。由a和b兩種吸光物質組成的混合物中，a和b對某一波長的光都有吸收，則根據吸光度的加和 性 有：A=log10（I0/It）=Aa+Ab， 而Aa=Ka×d×Ca、Ab=Kb×d×Cb， 那 么 便 有A=log10（I0/It）=Ka×d×Ca+Kb×d×Cb，其中Ka、Kb分別表示物質a、b對此波長光的吸收系數，Ca、Cb分別表示a和b的混合物中物質a、物質b的濃度，d表示光程（同一體系中物質a、

b的光程相同），I0、It分別表示入射光強度和透射光強度。針對油、水的吸收特性，分別在油、水的吸收峰對應的波長上布置若干個觀察通道，同時布置一個參考通道，油、水在參考通道的波長上，不應該有顯著吸收，通過觀測各個通道的幅度值變化，即可求得混合流體含水率[7]。

2 兩種原油含水分析儀結構組成

2.1 射頻含水分析儀組成

射頻含水分析儀主要由測量傳感器、一次儀表、二次儀表、擦除控制器、電腦軟件等組成，如圖4。

圖4 射頻含水儀組成、安裝Fig.4 Composition and installation of RF moisture meter

測量傳感器用來感知被測介質信號；一次表接收傳感器的信號并傳送給二次表；二次表部分由中央處理單元組成，負責接收處理一次表的信號，并將信號顯示和輸出到電腦；電腦及配套軟件負責存儲測量數據、數據處理、形成報表、含水超標報警；擦除控制器用來清除傳感器上結垢、結蠟所產生的臟物，保證連續測量精度[8,9]。

2.2 紅外含水分析儀組成

紅外含水分析儀由測量探頭、表頭、電腦軟件等組成，外形結構組成如圖5。

圖5 紅外含水儀結構組成Fig.5 Structure and composition of the infrared moisture meter

3 現場應用情況

3.1 含水分析儀安裝

射頻含水分析儀安裝、紅外含水分析儀安裝分別見圖4、圖6。

圖6 紅外含水分析儀安裝Fig.6 Installation of infrared moisture analyzer

3.2 現場實際應用效果

紅外、射頻含水分析儀分別安裝在東、西兩條輸油干線上，射頻含水分析儀已運行6年多時間，紅外含水分析儀運行3年多，都取用2021年兩條輸油線各兩個站月平均測量數據，見表1、表2[10]。

表1 西線射頻含水分析儀測量數據Table 1 Measurement data of the western line RF moisture analyzer

表2 東線紅外含水分析儀測量數據Table 2 The measurement data of the eastern line infrared moisture analyzer

4 兩種原油含水分析儀技術特性及應用情況比較

紅外含水分析儀相對來說結構簡單，插入式安裝，可在站外預制打孔安裝，不需要在站內動火；射頻含水分析儀短接法蘭連接，需在站內焊接法蘭，安裝比較復雜。兩種含水分析儀都可以在現場調試，射頻含水分析儀可以根據日常對比數據進行遠程調試，含水趨勢自動擬合，調試更方便。兩種儀表都沒有可動部件，不需要日常維護。射頻含水分析儀購買投入較大，一套大約24.2萬元；紅外含水分析儀相對便宜一些，每套約15萬元。低含水型射頻含水分析儀與人工化驗點對點對比誤差相對更小一些，長期使用含水率平均誤差兩種儀表不分伯仲，高含水型儀表未采用。兩種含水分析儀主要技術指標及應用數據見表3。

表3 含水分析儀出廠技術指標及應用數據對比Table 3 Comparison of factory specifications and application data of water content analyzers

5 結論與建議

通過對兩種原理原油含水分析儀在兩條輸油管線多個原油交接口的實際運行證明，兩種儀表設計原理科學，技術可行，計量誤差較小，能夠有效地對原油含水變化進行在線連續監控，也可以作為企業內部原油交接計量原油水含量測定的手段。考慮綜合經濟效益，完善管理手段情況下，選用紅外含水分析儀更合理，對于計量標準要求高的場合射頻含水分析儀，測量誤差更小，穩定性更好一些。該種類儀器在油田原油交接中進行含水監控的應用前景將十分廣闊。

建議國家計量行政主管部門組織原油采輸企業、大專院校和科研機構，開展原油在線含水分析儀的量值溯源方法研究，使石油企業使用的各種原理的在線含水分析儀納入法制管理軌道。