地下水封石洞油庫洞罐儀表的選型設計

劉秀琴，李莉

(海工英派爾工程有限公司， 山東 青島 266061)

工程設計及標準

地下水封石洞油庫洞罐儀表的選型設計

劉秀琴，李莉

(海工英派爾工程有限公司， 山東 青島 266061)

為實現國家能源安全，滿足石油大容量儲存的要求，從原油儲備的安全性、經濟性等方面考慮，國家原油儲備的建設重點已轉移到水封洞庫。水封油庫具有規模大、自動化水平高、投資高、安全性要求高、工程復雜等特點，簡介了水封洞庫的儲油原理。通過對已建和在建水封洞庫的調研，對洞罐儀表選型的優缺點進行了分析比較，結合項目的具體情況，確定了洞罐儀表的選型、安裝方案，總結了安裝要求和設計特點，供各位同行參考。

水封洞庫 洞罐 豎井 儀表 選型 設計

地下水封石洞油庫(以下簡稱水封洞庫)具有安全性高、對地面環境影響小、占用耕地少、節省大量鋼材、油品損耗小、運營管理費用低等優點[1]，在瑞典、韓國、日本等國家廣泛應用于儲存原油及其產品，已有成熟的設計、建設和運營經驗。20世紀70年代，中國也建成了兩座水封洞庫，儲存原油和柴油，但洞庫規模小，自動化水平低，之后近30年未繼續建設此類工程[2]。

隨著石油消費量的不斷增長、世界政局的多變和對石油產品季節性需求量的不斷變化, 增大了對石油及其產品大容量儲存的要求[3]。目前國內開始建設大規模的戰略原油儲備基地，且已建成多處地面原油儲備庫,從石油儲備的安全性、經濟性等方面考慮，采用水封洞庫的儲備方式具有較大優勢[4]。由于國內大規模水封洞庫的建設剛剛起步，因而工程設計、建設、運營經驗都非常少。筆者從水封洞庫的儲油原理入手，通過對洞罐儀表選型的優缺點進行分析、比較，結合黃島、惠州洞庫項目實際情況，確定水封洞庫洞罐儀表的設計選型、安裝方案等。

1 水封洞庫簡介

1.1儲油原理

水封洞庫通過人工在地下巖石中開挖形成，其密封是通過地下水向洞內滲透實現，即水封洞庫必須建在穩定的地下水位線以下一定的深度,洞罐的埋深與洞室儲存介質的最大工作壓力、工程地質和水文地質條件、穩定的地下水位等因素有關，其埋深應保證洞庫周圍的地下水壓力大于洞內儲存介質的壓力。正常儲存時，洞外部地下水壓力大于洞內介質壓力，地下水只能向洞內滲透，而洞內介質不能向洞外滲漏，同時利用油比水密度小以及油水不能混溶的特點[5]，滲入洞內的水沿洞壁匯集到洞底部形成水墊層,從而達到將所儲介質封在洞內的目的。滲入洞內的水可由油水界面檢測儀表進行檢測，待達到一定高度時，用安裝在洞內的潛水泵將水排出洞外[6]。水封洞庫儲油方法有固定水位法和變動水位法，采用變動水位法儲油新鮮水的需求量和污水處理量大，運行費用高，因而目前多采用固定水位法，儲油原理示意[7]如圖1所示。

圖1 水封洞庫儲油原理示意

1.2特點

水封洞庫洞室的高度一般設計為30m，而洞罐的埋設深度根據儲存油品的性質、壓力、巖體風化程度和地下水位的高低等因素確定，從幾十米至一百米以上不等。對于埋深超過50m的水封洞庫，溫度計、液位計的檢測元件必須足夠長才可以實現測量。為便于儀表安裝、調試、維護和維修，洞罐儀表的變送單元應安裝在豎井操作區，而工藝裝置和地面油庫常用的檢測儀表大多難以滿足使用要求，這給洞罐儀表選型帶來困難。

2 國外同類項目洞罐儀表選型

洞罐是水封洞庫的核心單元，洞罐儀表主要包括溫度儀表、液位儀表和界面儀表，根據對韓國、北歐已建和在建水封洞庫的調研，了解到國外水封洞庫洞罐儀表的選型思路。

2.1溫度儀表

溫度測量方式： 1) 采用多點平均溫度計，安裝示意如圖2a)所示；2) 采用單點溫度計用組合套管安裝的方式，將幾支單點溫度計組合安裝在一根不銹鋼套管內，測量不同高度油品的溫度。單點溫度計與液位開關合用1根套管，安裝示意如圖2b)所示。

a)多點平均溫度計

b)單點溫度計組合安裝

2.2液位儀表

液位測量采用伺服液位計、雷達液位計、超聲波液位計三種方式。由于受洞庫埋深的制約，采用伺服液位計的居多，采用雷達液位計和超聲波液位計的較少。

2.3界面儀表

界面測量方式： 1) 采用伺服界面計，安裝示意如圖3所示；2) 采用電容式液位開關用組合套管安裝的方式，將幾臺液位開關組合安裝在1根不銹鋼套管內，測量不同高度油水界面。液位開關與單點溫度計合用1根套管，安裝示意如圖2b)所示。

圖3 伺服液位計/界面計安裝示意

2.4儀表選型的優缺點分析

國外同類項目洞罐儀表選型的優缺點分析見表1所列。

3 洞罐儀表選型方案的確定

洞罐儀表在水封洞庫工程的運行管理中起著重要作用，不僅要完成介質溫度、液位和界面測量，而且要實現洞罐進油、出油控制，主要設備潛油泵、潛水泵的啟停、聯鎖和保護等功能。多點平均溫度計可計算出洞罐內介質的平均溫度，和液位計配合計算出洞罐內介質的標準體積，該計算結果可與地上生產區流量計的計量結果進行比對，以核對伺服液位計的測量精度。洞罐液位和界面是過程控制和安全聯鎖的重要參數，液位儀表和界面儀表的可靠性是保證過程控制和安全聯鎖可靠性和安全性的關鍵。因此，選擇安全、可靠、適宜的洞罐儀表是水封洞庫設計中非常重要的工作。

表1 儀表選型的優缺點分析

綜合考慮表1中液位、界面及溫度儀表的優缺點以及各種儀表的應用業績，結合項目的具體情況，確定了黃島洞庫和惠州洞庫項目的洞罐儀表選型方案。

3.1溫度儀表

洞罐原油溫度測量選用洞罐專用多點平均溫度計，用于測量地下洞罐中原油不同高度的溫度及平均溫度。

多點平均溫度計采用一體化集成的設計結構，配備至少16點的溫度檢測元件，任何連續測量的溫度檢測元件間的垂直距離不大于2m。各溫度檢測元件單獨接線至多點平均溫度計的智能溫度選擇器上。

多點平均溫度計溫度檢測元件的參考熱電阻為Pt100，其他測量點為T型熱電偶或Pt100熱電阻，可測量液相、氣相的單點溫度及原油的平均溫度。

3.2液位儀表

調研收集到的水封洞庫液位測量儀表應用業績中，雷達液位計的最大測量液位是100m；超聲波液位計的最大測量液位是40m；伺服液位計的最大測量液位(鋼絲長度)是190m。黃島洞庫項目各洞罐埋深約120m，惠州洞庫項目各洞罐埋深約130m，顯然只有伺服液位計可以滿足項目的要求。

伺服液位計由測量浮子、鋼絲、磁鼓、伺服電機系統、高精度力傳感器、控制器和微處理器等組成。浮子在介質中的位置由伺服機構的平衡來確定，伺服機構在微處理器控制下進行測量[8]。鋼絲、磁鼓和力傳感器以杠桿滑輪原理構成力平衡，高精度力傳感器判斷測量浮子的浮力信號和微處理器預置的測量要求，發出控制信號到控制器，決定伺服電機系統的轉動方向，平衡后測量浮子的位移可由伺服電機的轉動步數確定。

洞罐原油液位測量選用兩套獨立的洞罐專用伺服液位計，利用其總線信號實現液位檢測、高低液位報警，利用其單獨輸出的單刀雙擲繼電器開關量信號實現高高液位、低低液位報警、聯鎖功能。

3.3界面儀表

與液位儀表原因相同，油水界面測量選用兩套獨立的洞罐專用伺服界面計。為監控洞罐中水墊層的高度，設置洞罐內水位檢測、報警及聯鎖功能。伺服界面計的浮子始終位于油水界面處，可連續跟蹤、測量油水界面，當油水界面達到高高、低低報警聯鎖值時，利用其單獨輸出的單刀雙擲繼電器開關量信號實現報警、聯鎖功能，利用其模擬量信號或總線信號可實現液位(水位)檢測及高低報警功能。

4 洞罐儀表安裝

儀表安裝應便于儀表維護、更換及觀測，儀表的觀測面應朝向操作通道，周圍不應有妨礙維修儀表的物件[9]，因而洞罐液位計、界面計和多點平均溫度計的變送單元均安裝在豎井口。

考慮到洞罐埋設深度及洞罐儀表檢測元件的長度，為便于儀表安裝，保護洞罐儀表的檢測元件，為伺服液位計、伺服界面計及多點平均溫度計設置了液位計、界面計導向管及溫度計保護管。

導向管、保護管安裝時，從上到下的垂直誤差一般小于導向管、保護管口徑的10%，并徹底處理好導向管通液孔的毛刺；焊接必須采用套焊，焊縫必須清理干凈；安裝時，必須保證洞罐儀表與導向管、保護管連接法蘭的水平度，一般控制在1°[10]之內，伺服液位計、界面計導向管安裝示意如圖4所示。

圖4 伺服液位計/界面計導向管安裝示意

5 洞罐儀表的設計特點

5.1儀表的易維護性

1) 設計中充分考慮了儀表的易維護性。洞罐液位/界面儀表選用基于微處理器的電子控制設備，采用多功能模塊化結構；液位、界面儀表選用伺服液位計、界面計，可靠性高，故障率低，具有自動標定功能，可本地或遠程在線標定,并具有在線維護功能，現場基本免維護。

2) 采用多點平均溫度計和伺服界面計測量溫度和油水界面，與表1中單點溫度計組合套管方式和單臺液位開關組合套管方式相比，具有以下特點：

a) 變送單元均安裝在豎井口，便于觀測、調試、維護和更換。

b) 洞室、豎井內無電纜，電纜均在地面敷設，簡單、方便、故障率低。

c) 儀表均在地面安裝，簡單、方便、無需進行套管組裝。

5.2導向管及保護管的使用壽命

水封洞庫中不可維修的材料和設備的設計壽命不宜小于50a[1]，而洞罐儀表導向管及保護管在洞庫運營過程中無法維護，因而其材質和防腐必須滿足水封洞庫設計壽命50a的使用要求。

目前導向管及保護管的防腐通常采用以下兩種方案：

1) 導向管及保護管采用碳鋼。根據所受內外壓及腐蝕余量計算其厚度，并采用犧牲陽極陰極保護法，滿足設計壽命50a的使用要求。

2) 若裂隙水腐蝕嚴重，位于裂隙水內(裂隙水與原油界面以下)部分導向管及保護管采用雙相不銹鋼，其他部分采用碳鋼并采用犧牲陽極陰極保護法。

黃島、惠州洞庫項目的導向管及保護管的防腐采用了第一種方案。

5.3伺服液位計浮子類型的選擇

原油液位測量用伺服液位計采用蜘蛛型測量浮子，與傳統的圓錐型浮子相比，可減小與介質的接觸面積，降低原油對其粘結程度，更好地保證伺服液位計的靈敏度及精度；并可降低與導向管碰撞面積，減輕導向管垂直度對浮子的影響，避免浮子被卡住。

6 結束語

洞罐是水封洞庫的核心組成部分，選擇技術先進、安全可靠的洞罐儀表是保證過程控制和安全聯鎖可靠性和安全性的關鍵。因此，洞罐儀表的選型設計是水封洞庫工程設計的重要環節，設計者應給予足夠的重視。筆者通過對國外部分水封洞庫洞罐儀表選型的優缺點進行比較分析，確定了黃島、惠州洞庫項目洞罐儀表的選型、安裝方案，總結了安裝要求和設計特點，供從事水封洞庫設計工作的同行參考。

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InstrumentsSelectionDesignforUndergroundOilStorageinRockCaverns

Liu Xiuqin, Li Li

(Cooec-Enpal Engineering Co. Ltd., Qingdao， 266061， China)

To realize national energy safety and satisfy the need of large-volume fossil oil storage, the emphasis of national crude oil storage construction has been switched to underground rock caverns in view of safety and economy for crude oil storing. The oil storage principle of underground rock caverns has been introduced briefly with the characters of large-scale, high automatic level, huge investment, high safety requirement and complicated engineering. According to investigation on constructed and constructing underground rock caverns, and by evaluating and comparing the advantage and disadvantage of instruments selection for caverns tank, combining with detailed conditions, the selection and installation schemes of caverns tank instruments have been determined. The installation requirement and design characteristic are summarized for reference.

underground rock caverns; caverns tank; shaft; instrument; selection; design

稿件收到日期： 2012-12-21，修改稿收到日期2013-03-01。

劉秀琴(1964—)，女， 1984年畢業于華東石油學院煉油儀表自動化專業，多年來一直從事石油化工工程自控設計工作，曾就職于中國石油天然氣華東勘察設計研究院，現任海工英派爾工程有限公司副總工程師，高級工程師。

TQ056

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1007-7324(2013)03-0006-04