凝析油儲罐自動放水技術研究與應用

季加強 單鴻飛 杜宏 陳立君

[摘 要] 由于油水密度不同，凝析油儲罐自上而下呈現的是從100%含油逐漸過渡到100%含水，交接前需要監測凝析油儲罐的油水界面和排放沉降罐底的水。通過安裝油水界面儀及自動放水控制系統，實現油水界面的自動檢測與液面控制，時時掌握含水率情況。既減少了人工操作的誤差和勞動強度，提高了管理水平和控制精度，又能有效滿足交油時對含水率的要求。完善后的系統，將對石油和相關領域中涉及儲罐油水界面檢測和自動供油、交油、放水等應用起到積極推動作用。

[關鍵詞] 凝析油儲罐；油水界面；自動檢測；含水率；自動放水；控制系統

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 03. 031

[中圖分類號] F270.7；TP315 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）03- 0066- 03

1 引 言

凝析油儲罐是天然氣處理站凝析油處理流程中關鍵的工藝設備之一，主要用于凝析油匯集儲存，經沉降放水后用泵升壓轉運移交下游單位。因計量交接對含水率有嚴格要求，所以交接前需監測油水界面和排放罐底的污水。凝析油罐油水分層示意圖見圖1。

儲罐自上而下呈現是油、油水混合乳化液、污水三段，并且乳化液段自上而下是從100%含油逐漸過渡到100%含水。由于缺乏監測手段，凝析油含水率、含水量、油水界面等參數無法實時監測，儲罐放水只能靠人工開關污水閘閥；人工重復性盲目性排水操作，管理難度大；操作工長時間在排污口工作，冬夏季身體健康受到影響；排污池為易燃易爆工作場所，存在安全隱患；排水需兩人操作，增加工作量，工人勞動強度大；排水工人憑肉眼主觀判斷污水中含油情況，可能造成凝析油浪費。因此根據凝析油含水分布的特點，借助凝析油含水化驗經驗，將高新技術引入到儲罐油水界面檢測中，開發凝析油罐油水界面監測和自動放水控制系統解決油水界面準確測量的問題，是非常必要的。

2 儲罐自動放水技術研究

準確地檢測儲罐內油水界面是實現自動放水的重要保障，油水界面儀采用微波分層測試含水工作原理，加權平均得到平均含水率，根據自上而下分層測試數據分析判斷油水界面和油水液位高度。在儲罐放水之前，每隔2分鐘連續檢測油水界面，根據水位的高度自動控制電動閥的打開和關閉，實現儲罐自動放水功能。放水之后再次檢測，根據數據確定是否進行二次放水。

2.1 自動放水系統的構成

系統由兩部分構成，即現場監測控制設備和上位機控制系統，系統結構如圖2所示。

2.2 油水界面儀原理

油水界面測量是該系統的關鍵性技術，油水界面能否準確監測，是自動排水的關鍵。此系統傳感器以數字電路為基礎，由若干個相互獨立的發射極、外電極組成，測量時由二次表發出可中斷脈沖作為步進指令信號，在步進脈沖信號作用下，使傳感器發射極依次逐級選通，由此實現了測量的垂直分層。選通的發射極與外公共電極構成液體取樣空間，因油、水和空氣介電系數不同，引起發射級吸收能量（AD值）發生變化，根據此變化設定含水率曲線函數。不同的介質，對微波的吸收系數不同，對微波的反射系數也不同，因此達到了垂直分層原油含水率測定的目的。

微波通過介質時，將或多或少地被吸收，因此微波的出射能量總是小于其入射能量。這種能量的減小服從于朗伯-貝爾定律，即：

I入=I出eμN （1）

式中，μ——介質的吸收系數；

N——介質的分子數；

I入——微波入射波強；

I出——微波出射波強。

式（1）表明：當出射波強保持一定時，電磁波的入射波強與吸收介質分子數呈指數規律變化。吸收系數由介質特性決定，各種介質吸收系數μ是不同的。如果吸收介質由多種物質組成，則式（1）應為：

I入=I出e■ （2）

在油水乳化液中，式（2）可變為：

I入=I出e■ （3）

式中：μ0——原油吸收系數；

N0——原油分子數；

μW——水吸收系數；

NW——水分子數。

實驗驗證，原油和水的介電常數相差很大，μ0遠遠小于μW，N0變化對I入的影響很小，可設I出e■=I0為常數，即微波通過純油介質的入射波強為I0，則式（3）可寫為：

I入=I0e■ （4）

式（4）說明微波的入射波強只與容器內油中含水量呈指數規律變化。基于這一原理可實現原油含水量的檢測，以達到油水界面檢測的目的。

2.2 油水界面儀結構

油水界面儀采用分段式傳感器，將一根全量程長度的圓筒形傳感器，用現代微電子技術手段，進行分段處理，每一段對應著固定的長度，可以檢測180cm高度內油水液體的含水率。傳感器在儲罐內具有30節AD轉換，每節AD轉換器由發射極和外級組成數字電路，將罐體內不同高度的油水液體的含水率信息轉換為數字信號與變送器通訊。油水界面變送器將傳感器的采集數據整理變換，按油水界面儀的通訊協議與控制系統交換信息。傳感器組成結構如圖3所示。

根據“油水界面”對應的AD轉換的節點高度和傳感器與罐底安裝時的固有距離，可以計算出“油水界面”距罐底的高度。排水控制時，在傳感器安裝部分，可以任意設定控制水柱高度，也可以通過設定附加排水時間，徹底排放傳感器底部的所有水。

2.3 油水界面儀主要技術參數

高度測量范圍 6～180cm

含水率監測范圍 0.0%～99.9%

含水率監測精度 ±2.0%

液位高度誤差 ±1.0cm

重復性誤差 ±≤1.0%

被檢測介質溫度 10℃～85℃或10℃～120℃

耐 壓 1.6MPa

防爆標志 ExdⅡBT4

2.4 油水界面儀的安裝

由于凝析罐采用浮頂式結構，罐高9.3米，浮頂離罐底1.8米處隨液位上浮垂直浮動，罐頂有一個觀察孔和安裝雷達液位計的孔。排水的關鍵是準確監測罐底到1.8米處的凝析油含水界面變化，因此能否將油水界面儀合理安裝是本次科研項目的關鍵性因素之一。

經過對罐體結構的充分論證，確定由罐頂向下安裝為最佳安裝方式。此種安裝方法，將傳感器頭部用無縫鋼管焊接延伸至罐頂并固定，電纜線穿于鋼管中，使電纜線與凝析油充分隔離，消除安全隱患。安裝結構如圖4所示。

2.5 電動閥設計和選型

執行機構選型：執行器按動力能源形式可分為氣動執行機構、電動執行機構、液壓執行機構等。因在凝析油操作間擁有穩定的220V電源，因此選擇電動執行機構最符合現場工況及生產實際要求。

閥體結構選型：因凝析油儲罐工作壓力低，介質所含固體顆粒等雜質少，對密封要求較為嚴格，因此調節閥選用直行程結構。

據生產經驗，調節閥一般選用等百分比型，因對密封和泄漏的要求，所以最終選用密封效果較好、等百分比流量特性的球閥。

2.6 電動閥主要技術參數

名稱 電動V型調節球閥

型號 ZKRV-16TK50

公稱通徑 50mm

公稱壓力 1.6MPa

電源電壓 220V

工作溫度 -20℃～160℃

最大轉角 90°

流量特性 等百分比

防爆等級 Exd II BT4

防護等級 IP67

2.7 控制系統軟件

2.7.1 軟件實現功能

根據現場實際應用的需求，軟件主要功能如圖5所示。

2.7.2 系統軟件特點

（1）軟件結構清晰，流程合理。在編寫軟件程序之前，進行需求分析，深入了解控制對象，熟悉系統的控制過程，明確系統的控制任務。與現場的操作、技術、管理人員進行交流，明確需求，最終得出需求分析說明書和數據流程圖。

（2）程序功能模塊化。整個系統的程序按照各子程序完成的功能分為：主程序、鍵盤控制子程序、數據采集子程序、數據顯示子程序、中斷子程序等。程序功能模塊化可使主程序結構簡化，程序可讀性好，便于功能擴充和版本升級，程序修改可局部進行。

3 自動排水系統應用效果

對整套系統進行調試，調試數據見表1所示。

從以上數據可以看出，油水界面儀所測量數據與化驗數據基本相同，充分驗證了儀器數據的準確性和可靠性。控制系統功能全部實現，能夠自動檢測儲罐的油水界面、分層含水率、油水液位。罐內油水界面可實時顯示，動態顯示排水閥開、關狀態，并能夠根據檢測值動作，成功對儲罐進行自動放水。操作人員可根據界面的位置有目的地控制開閥放水，提高了儲罐的使用效能，降低排放污水中的含油量，減少凝析油的損失浪費。

凝析油儲罐排水工作由原來的全人工操作、排污口觀察等方式，改為全自動檢測和排水操作，由兩人操作減為一人，減少了勞動力，降低了凝析油交接過程的操作成本。減少了污水中凝析油排放量，提高了凝析油商品率。降低了環境污染風險，同時減少了排水過程中的安全風險。

4 結 論

該技術有效解決了儲罐油水界面檢測難題，將微波分層含水率測試方法成功應用到凝析油儲罐油水界面在線檢測中，實現自動放水控制，是全新的生產管理方式和管理理念。減少了人員操作，降低了勞動強度，準確測量含水率，減少污水中凝析油含量，其經濟效益顯著。可用于油水界面檢測、含水率、自動放水、液面控制等相關的裝置或行業，應用領域和技術涉及面寬。該項目源于生產和管理的實際需求，具有很強的科研與生產相結合的特點。不僅在采氣一廠推廣應用，也適用油田公司其他采油廠原油儲罐、單井等凝析油含水率檢測、油水界面控制等，具有推廣價值。

主要參考文獻

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