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控中心

3華北油田公司技術監督檢驗處

目前，華北油田油氣生產聯合站內原油儲罐的工藝主要是通過自然沉降、提高罐內原油溫度和添加破乳劑等方式實現油水分離。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約破乳劑日添加量及天然氣日消耗量的同時，可優化破乳效果提高盤庫準確性，產生持續經濟效益且達到節能降耗的目標。

1 技術思路

1.1 系統原理

目前，原油含水率的精確測量越來越重要，對油田的開發、生產和銷售有很大影響，而國內外原油含水率測試產品不多，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，針對石油聯合站原油儲罐相關檢測參數，整合含水率、液位、界面及溫度測量功能于一體，開發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定性高，且不受混合物電解質的影響，超聲波是機械波，與物質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、靜態下測量，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射幾十千赫茲的超聲波在罐內液體中傳播，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，經過信號采集裝置內部的信號比較電路進行比較處理，通過電路的自動調整作用，原油含水率變化被轉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傳播速度是不一樣的，但符合溫度補償系數變化規律。儲罐內的溫度近似恒溫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，m/(s·℃)；t0為儲罐內的實際溫度，℃。

儲罐內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含水率的準確值。

超聲波傳感器通過機械驅動裝置帶動信號采集裝置在罐內上下移動，而機械驅動裝置的轉動帶動編碼器的運動，編碼器將運動的狀態數據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的具體位置。最后把信號采集裝置數據與編碼器數據通過上位機整合后形成儲罐內的液位、界面狀態，并把含水率、溫度數據傳送到監控室的上位機上。

1.2 系統組成

全程含水分析儀由信號采集裝置、電動機驅動裝置、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據處理電路組成。信號由信號發生器發出經超聲波檢測裝置(超聲波傳感器)、信號采樣電路進入數字示波器輸入端[4]，傳感器把罐內測得的實時數據傳送到數據處理電路中進行數據處理并把數據傳輸到上位機。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 信號采集裝置結構Fig.1 Structure of signal acquisition device

電動機驅動裝置：拖動信號采集裝置在油罐內上下移動。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據傳送給PLC，以此來確定信號采集裝置當前位置，確定儲罐內各個位置的含水率。

圖2 機械裝置結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of mechanical device structure

圖3 電動機驅動裝置結構Fig.3 Structure of motor driving device

防爆控制盒（PLC）：主要用來傳輸數據及控制電動機驅動裝置，外部數據可通過通信電纜方便地與數字示波器外觸發輸入端口連接[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動裝置執行相應動作，同時把下端電動機驅動裝置和信號采集裝置接收到的數據傳輸給上位機。

上位機：根據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PLC發送回來的檢測數據進行處理，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 現場應用與評價

2.1 安裝方案

現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，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 技術關鍵點

（1）在罐頂的檢測裝置進入口處安裝定制密封結構，帶絲扣旋蓋在放入傳感器后可旋緊，使儲罐內部封閉防止漏氣。

（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，選用銅質萬向輪，防爆且傳動更加靈活（使用中的拱頂罐，驅動裝置位置偏高，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）防爆控制盒內安裝伺服電動機驅動器、現場控制單元PLC和本安電路安全柵等電氣元件。

（6）系統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，驅動電纜及控制電纜從防爆管內穿過。

（8）現場控制單元信號通過485通信電纜，遠程傳輸到中控室的上位機電腦，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

全程含水分析系統通過軟、硬件結合運行工作，形成了友好的人機界面。操作人員可在系統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，鼠標點擊“開始測量”按鈕，檢測探頭從罐頂到罐底開始全程自動檢測，全程大約需要10 min。

經多次現場試驗并結合人工取樣數據對比，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，系統界面上描繪出全程含水率分布曲線。根據含水率分布情況運算分析，得出儲罐內實時含水率、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 結論

通過整合超聲波和溫度傳感技術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據檢測分析管理平臺。針對原油儲罐無法實現含水率全量程檢測問題，該分析儀實現了液位、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油樣的測量，在減輕人員勞動強度的同時解決了其他傳統儀表測量數據不全面、不準確的缺陷，避免了現有檢測儀表無法準確測量罐內油、水及混合過渡帶分布情況，無法準確進行盤庫的局限性。結合監測數據可以摸索出加藥量、溫度控制對過渡帶的影響規律，為脫水工藝提供可靠依據，優化加熱、加藥方案，節約成本，提質增效。

通過數據綜合檢測分析平臺實現生產現場的科學精細化管理，以數據作支撐，精確指導生產管控，是下一步努力的方向[6]。