原油儲罐升降機自動計量裝置研發及應用

高寶元

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

油田原油儲罐內的液位、界位、分層含水的檢測和油量的準確計量，是困擾生產、計量、管理人員的一大難題，尤其是罐內存在油水過渡帶時，儲罐內油水界面位置的檢測與確定較為困難[1]。目前原油儲罐監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、可維護性、實時性等，均難以適應油田自動化、信息化、智能化建設的發展需求；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、液位報警開關功能單一，均不能測量油水帶的界位、分層含水率等參數[2-3]，因此需要研發一種新型的原油儲罐升降機自動計量裝置[4-5]。

1 原油儲罐升降機自動計量裝置構成

原油儲罐升降機自動計量裝置的構成如圖1所示，該裝置包括自動升降機、儲絲盤、帶鋼絲含水信號電纜、機座法蘭、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。自動升降機連接在儲絲盤端面，儲絲盤下端通過機座法蘭和量油孔管法蘭固定連接量油孔管，量油孔管內部設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，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上、下往復運行。

圖1 原油儲罐升降機自動計量裝置構成示意

1)量油孔管內側下端設有探頭擦除器，探頭擦除器設有“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，管壁四周設有長條孔，長條孔能使原油進入管內。

2)自動升降機內設有正、反轉轉盤裝置，其中正、反轉轉盤裝置上纏繞帶鋼絲的含水信號電纜，正、反轉轉盤裝置可以控制自動升降機正轉或者反轉。

3)正、反轉轉盤裝置是一種定滑輪結構，當射頻液位含水分析儀探頭下降時，可以正轉將帶鋼絲含水信號電纜和射頻液位含水分析儀送下，當射頻液位含水分析儀探頭上升時，可以反轉將帶鋼絲含水信號電纜和射頻液位含水分析儀送上。自動升降機設有上、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測液位和原油含水的復合分析儀，應用于原油儲罐內量油孔管中，主要由射頻液位含水分析儀探頭、射頻信號發生器和接收器組成，射頻液位含水分析儀探頭用于感知被測介質信號；射頻信號發生器和接收器用于將感應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、高精度模數轉換器、存儲器和通信電路等組成，負責接收處理液位、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準電信號輸出，可以長期在惡劣環境中進行準確測量[7-10]。

2 原油儲罐升降機自動計量裝置計量方法

原油儲罐升降機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，原油儲罐內分為油水界面和液面，原油儲罐處于防爆區，中心控制室處于非防爆區，可遠程監控原油儲罐工況和預知外輸油的含水率。自動升降機通過控制電纜連接中心控制室，中心控制室設有信號接線箱和計算機，控制電纜連接信號接線箱，信號接線箱連接計算機。

圖2 原油儲罐升降機自動計量裝置工作原理示意

原油儲罐升降機自動計量裝置計量包括以下4部分內容：

1)將原油儲罐升降機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點。

2)在中心控制室的計算機軟件配置畫面“基準點高度值”欄中輸入實際高度并確定；根據現場實際情況，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，即可設置為自動巡檢，然后進行零點、滿點和分層含水率準確度的校準，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，同時在系統軟件配置畫面“液面實際高度”欄中輸入人工檢尺的實際數據，開啟液面高度校準功能，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。

3)在中心控制室計算機上遠程開啟原油儲罐升降機自動計量裝置工作，該系統巡檢開始，正轉時，帶鋼絲含水信號電纜將原油儲罐內量油孔管內裝的射頻液位含水分析儀向上勻速緩慢提起，經過設定時間后，到達上液位自動停止，自動升降機開始反轉，依靠射頻液位含水分析儀自重，向下勻速緩慢下行，經過設定時間后，到達下限位器時，自動升降機自動停止反轉運行，隨后自動升降機又開始正轉運行，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量油孔管的上、下往復運行。射頻液位含水分析儀工作時，感應單元向原油中發射穩頻、恒幅的電磁波，電磁波穿透介質，由于油和水的介電常數差異較大，油水比例發生變化時導致電容的變化，從而引起振蕩頻率的變化，透射電磁波強度隨液位、水含量變化而變化，透射電磁波由感應單元接收，經分析處理單元轉換為液位、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，遠程監控原油儲罐的液位、界面高度和分層的含水率，并根據輸入的原油儲罐半徑數值或者容積表，計算出混液、油、水總體積和原油儲罐內平均含水率，繪制成動態曲線，生成數據報表，支持歷史數據查詢、統計、打印等功能。當發現液面超高立即報警，防止冒罐；根據含水率發出自動控制排放底水信號，防止跑油；探頭到達原油儲罐底，發現液面超低立即報警，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自動計量裝置有故障時，可在中心控制室計算機上遠程停止升降機自動計量裝置工作。

無特殊要求時，原油儲罐升降機自動計量裝置可連續工作。

3 現場應用

2018年10月，該裝置在長慶油田第三采油廠進行了現場應用，具有以下優勢：

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，具有遠程監控原油儲罐工況和預知外輸油含水率功能，實現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，使站內人員全面了解原油儲罐內的情況。當發現液面超高會立即報警，防止冒罐；根據含水率發出自動控制排放底水信號，防止跑油；探頭到達原油儲罐底，發現液面超低可立即報警，防止抽癟。

2)測量方法更加穩定。在惡劣天氣下，人工測量很困難，而原油儲罐升降機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就可實現遠程計量原油儲罐的液面、界面、分層含水率和預知外輸油含水率。

4 結束語

原油儲罐升降機自動計量裝置中射頻液位含水分析儀探頭采用先進的短波射頻技術，發射到油水混合液中探測含水信號，具有穿透介質能力強，信號反饋靈敏，計量準確等特點[11]。原油儲罐升降機自動計量裝置具有設計精巧、制造精密、質量輕等特點，對人體和環境沒有任何影響，屬于安全、環保、節能型的產品。