智能磁性浮球液位計(jì)在線多參測(cè)量技術(shù)研究

高玲玲 （勝利油田魯勝石油開發(fā)有限責(zé)任公司）

油田儲(chǔ)罐目前應(yīng)用了少部分浮球液位計(jì)自動(dòng)流量計(jì)量表、傳感器等自動(dòng)化計(jì)量裝置，然而其應(yīng)用范圍仍較少，其主要限制因素是石油自動(dòng)在線計(jì)量技術(shù)尚不成熟以及儀表精度不高，自動(dòng)在線計(jì)量系統(tǒng)的應(yīng)用不僅需要較高的成本投入，而且在計(jì)量的準(zhǔn)確度方面也沒有達(dá)到石油貿(mào)易的實(shí)際需要。在研發(fā)新型智能浮球液位計(jì)在線計(jì)量技術(shù)中，應(yīng)根據(jù)石油貿(mào)易的特點(diǎn)以及實(shí)際需要不斷提高自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，并簡(jiǎn)化相關(guān)計(jì)量?jī)x表的操作，提高自動(dòng)化、信息化程度。同時(shí)隨著自動(dòng)在線計(jì)量系統(tǒng)在石油產(chǎn)品庫(kù)存管理以及貿(mào)易交接中應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，自動(dòng)在線計(jì)量系統(tǒng)的成本也將隨之降低，從而進(jìn)一步提高自動(dòng)在線計(jì)量系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

1 實(shí)施背景

1.1 傳統(tǒng)計(jì)量方法

魯勝集輸總站原油儲(chǔ)罐液位以前一般使用油檢尺和萬用表檢測(cè)，這種檢測(cè)方法勞動(dòng)強(qiáng)度大，誤差也大。從沉降罐量油口測(cè)量油水分界面時(shí)，按萬用表的指針擺動(dòng)觀測(cè)界面位置，需要按經(jīng)驗(yàn)判斷，判斷條件不同則位置不同，另外，由于量油口套管的換液孔不是連續(xù)的，造成從透光孔直接測(cè)量和從量油口測(cè)量的界面不同；當(dāng)出現(xiàn)雨雪及大風(fēng)天氣時(shí)不適宜上罐測(cè)量，造成上報(bào)數(shù)據(jù)不及時(shí)。在應(yīng)用人工手動(dòng)方式來對(duì)原油儲(chǔ)罐進(jìn)行計(jì)量時(shí)，對(duì)計(jì)量技術(shù)的要求比較高，且計(jì)量準(zhǔn)確度也比較容易受到人為因素的影響。特別是對(duì)圓柱體、半圓柱體以及長(zhǎng)方體等不同罐裝容器的石油進(jìn)行計(jì)量時(shí)，人工計(jì)算方法會(huì)存在較大的難度。另外，在完成測(cè)量后進(jìn)行換算時(shí)，也會(huì)由于對(duì)外界因素（壓力、溫度等）缺乏準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)而影響到最終的計(jì)量結(jié)果[1]。

1.2 國(guó)內(nèi)外監(jiān)測(cè)原油儲(chǔ)罐內(nèi)油水界面方法

1）射頻導(dǎo)納式液位計(jì)的工作原理實(shí)質(zhì)是把整個(gè)罐看作一個(gè)電容體，由于罐內(nèi)介質(zhì)的多少而引起電容的變化，從而測(cè)量出油水界面的位置。但是由于測(cè)量值隨罐內(nèi)溫度、原油介電常數(shù)和原油的多少等因素的變化而變化，從而帶來很大測(cè)量誤差[2]。

3）為保障各儲(chǔ)罐的計(jì)量，還可采取電容式液位測(cè)量、罐體重量測(cè)量、超聲波測(cè)量等，但存在測(cè)量準(zhǔn)確度不高、連續(xù)測(cè)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。

上述幾種測(cè)量方法，不論是定點(diǎn)測(cè)量還是連續(xù)測(cè)量都無法滿足含水油罐或含油水罐以及脫水罐中水位、油位、油—水過渡層、油量、水量的精確測(cè)量和定量描述，因此給脫水罐進(jìn)出液量的精確控制以及提高脫水效率和脫水質(zhì)量的工藝控制帶來了很大的盲目性。

2 系統(tǒng)研發(fā)

針對(duì)上述問題，儲(chǔ)罐計(jì)量必須不斷向自動(dòng)化以及智能化方向發(fā)展，以減少人為因素所產(chǎn)生的誤差。同時(shí)在儲(chǔ)罐計(jì)量中積極引入先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)石油儲(chǔ)運(yùn)計(jì)量過程的智能化監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。為此，提出逐點(diǎn)阻抗測(cè)量技術(shù)，采用互聯(lián)網(wǎng)+磁性浮球計(jì)量?jī)x器設(shè)備智能遠(yuǎn)控計(jì)量，多家單位聯(lián)合研制出智能浮球液位計(jì)在線多參計(jì)量系統(tǒng)。

2.1 工作原理

傳感器逐點(diǎn)依次測(cè)量接觸其外壁的介質(zhì)到罐壁之間的阻抗，在油水界面處由于介質(zhì)導(dǎo)電率快速上升，阻抗變化曲線會(huì)出現(xiàn)跳變，通過查找阻抗跳躍來判斷油水界面的具體位置；由于在油連續(xù)相的層面內(nèi)，測(cè)得的阻抗與原油含水率接近線性關(guān)系，從而依據(jù)測(cè)得的阻抗值可以描述出過渡帶含水率的變化趨勢(shì)和直觀的油水分離程度。在液位檢測(cè)時(shí)，為解決阻抗變化不明顯的缺點(diǎn)，加裝磁敏元件構(gòu)成磁柵結(jié)構(gòu)。參照磁致伸縮液位計(jì)原理，通過檢測(cè)磁性浮球位置，由智能轉(zhuǎn)換器將電阻變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流（4～20 mA）信號(hào)，并疊加HART 信號(hào)輸出或就地液晶顯示，通過電流及液位值可現(xiàn)場(chǎng)顯示液位的百分比，遠(yuǎn)傳供給控制室可實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)檢測(cè)、控制和記錄[4]。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

智能磁性浮球液位計(jì)在線多參測(cè)量系統(tǒng)由電腦、液位傳感器用配重1 組、顯示儀表1 臺(tái)、液位傳感器1 套（配三通接線盒）、界位傳感器1 套（配兩通接線盒）、浮球1 個(gè)和安裝法蘭2 片構(gòu)成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，感應(yīng)靈敏，測(cè)量準(zhǔn)確度高，安裝方便，成本低。

表1 魯勝集輸總站運(yùn)行罐運(yùn)行參數(shù)校對(duì)Tab.1 Calibration of operation parameters of operation tank in Lusheng gathering and transportation station

2.3 安裝及運(yùn)算

通信線路安裝時(shí)，將室外傳輸數(shù)據(jù)電纜引入室內(nèi)機(jī)柜內(nèi)部，將藍(lán)色與黃色通訊線和屏蔽線地線接入用于安裝Model485P 接口轉(zhuǎn)換器插槽的插頭中（該部分一般由產(chǎn)品生產(chǎn)廠家專業(yè)人員安裝），將接好通訊線的數(shù)據(jù)插頭安裝到Model485P 接口轉(zhuǎn)換器的一端，在Model485P 接口轉(zhuǎn)換器的另一端安裝串口連接數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線另一端安裝到電腦的串口[5]。

儀表采用傳感器和儀表顯示分體安裝方式。現(xiàn)場(chǎng)總線在罐下接入儀表，只有本質(zhì)安全的傳感信號(hào)線在罐頂部連接傳感器。傳感器接線盒接線圖見圖1。24 V 供電接線是與其他儀表或設(shè)備接線；VDD、COM、GND 為儀表內(nèi)部接線，一般由專業(yè)技術(shù)人員完成安裝操作；+24 V、A+、B-、GND 儀表在24 V 供電的情況下，根據(jù)所測(cè)液位經(jīng)計(jì)算后由RS-485 口輸出相應(yīng)的數(shù)字量，供其他儀表或設(shè)備使用。各端子定義如下：+24 V——儀表電源正極，范圍為9-25 V；GND——儀表電源負(fù)極，即電源接地端；A+、B-——485 接口；SH——接通信線屏蔽層；VDD——傳感器供電端子；COM——傳感器信號(hào)端子；RESET——儀表通信參數(shù)設(shè)置；UP，DOWN ——參數(shù)調(diào)整按鍵[6]。

圖1 傳感器接線盒接線圖Fig.1 Wiring diagram of sensor junction box

該儀表使用異步串行通信接口，接口采用光電隔離技術(shù)。接口電平符合RS-485 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其通信方式為主從式通信，通信距離為1 km。該通信口只負(fù)責(zé)和中控上位機(jī)通信，不參與信號(hào)采集和處理，對(duì)儀表精度沒有影響。波特率：9 600 bps；數(shù)據(jù)格式： 8 位數(shù)據(jù)位，1 位起始位，1 位停止位，無奇偶校驗(yàn)位。16 位整型數(shù)據(jù)采集：液位（mm），地址0x0032（十進(jìn)制50）；界位（mm），地址0x0033（十進(jìn)制51）；罐內(nèi)定點(diǎn)溫度，地址0x0034（十進(jìn)制52），1 位小數(shù)（實(shí)際數(shù)據(jù)=傳輸?shù)恼螖?shù)據(jù)/10），實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控采集并傳輸?shù)慕y(tǒng)計(jì)分析。例如：上位機(jī)發(fā)送（16進(jìn)制）：01 03 00 31 00 03 54 04 ，表示：采集地址01 儀表從起始地址0x0031 開始的3 個(gè)數(shù)據(jù)，共6 個(gè)字節(jié)。54 04 是CRC 效驗(yàn)碼；儀表響應(yīng)（16 進(jìn)制）：01 03 06 25 A9 18 DF 01 45 8D 61，表示：采集地址01 命令號(hào)03 數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)06，液位9 641 mm（0x25A9），界位6 367 mm（0x18DF），溫度32.5 ℃（0x0145）。8D 61 是效驗(yàn)碼[7]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求和實(shí)際工況設(shè)計(jì)，儀表液位傳感和界面?zhèn)鞲胁捎脙商讉鞲醒b置，合理測(cè)量起始點(diǎn)和盲區(qū)。傳感器裝置示意圖見圖2，液位傳感器外套磁浮球和配重，磁性浮球直徑有兩種規(guī)格，分別是90 mm 和200 mm，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝環(huán)境和工況選擇。連接法蘭可以用DN50 mm 或DN100 mm 口徑。界面?zhèn)鞲衅鹘泳€盒接地線必須和大罐本體連接，防止信號(hào)干擾，影響數(shù)據(jù)采集[8]。

柑橘缺鉀癥狀。老葉葉尖首先發(fā)黃，葉片略呈皺縮，隨缺鉀程度加重葉片逐漸由扭彎、卷曲、皺縮而呈杯狀。新葉一般為正常綠色，但結(jié)果后期當(dāng)年生葉片葉尖也會(huì)明顯發(fā)黃，在高產(chǎn)臍橙上尤其嚴(yán)重。果小、著色不好，皮薄且光滑，果食味淡。嚴(yán)重缺鉀時(shí)，可導(dǎo)致葉落、梢枯、果落、果裂。

圖2 傳感器裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor device

針對(duì)原油黏度大的情況，通過加大磁浮球體積（直徑為200 mm、密度為0.5 g/cm3）來計(jì)量，當(dāng)磁浮球進(jìn)入油面一半的體積時(shí)，液位上升會(huì)產(chǎn)生大于10 kN 的浮力，帶動(dòng)磁浮球隨液位的變化而變化。通過檢測(cè)磁性浮球位置進(jìn)行測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高，可消除液面泡沫的影響。

2.4 油量在線計(jì)量

1）油量統(tǒng)計(jì)。選擇系統(tǒng)導(dǎo)航菜單中的油量統(tǒng)計(jì)選項(xiàng)，打開油量統(tǒng)計(jì)頁面，默認(rèn)打開已安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的油罐的總量統(tǒng)計(jì)曲線，選擇各罐油量、原油總量導(dǎo)航，可切換不同油罐的曲線畫面，其中畫面右上方有曲線說明，油量的體積曲線和質(zhì)量曲線顏色有所不同，在畫面靠下方的位置處有原油總體積和原油總質(zhì)量?jī)身?xiàng)數(shù)據(jù)。

2）游標(biāo)定位。將游標(biāo)定位到曲線上，在坐標(biāo)軸上可讀出曲線當(dāng)前時(shí)刻的油量值，并可移動(dòng)游標(biāo)定位不同時(shí)間段的曲線。

3）翻頁導(dǎo)航。曲線下方的四個(gè)翻頁導(dǎo)航，可根據(jù)設(shè)置的時(shí)間范圍，查詢不同時(shí)間段的曲線。時(shí)間范圍：可設(shè)置當(dāng)前曲線顯示的時(shí)間范圍分別為1 h、2 h、8 h、24 h 四種，定位曲線顯示的時(shí)間范圍。

4）歷史數(shù)據(jù)查詢。查詢指定時(shí)間段的歷史油量統(tǒng)計(jì)曲線，在時(shí)間設(shè)置中，設(shè)置要查詢的時(shí)間，然后點(diǎn)擊查詢按鈕，即可轉(zhuǎn)到相應(yīng)時(shí)間段的歷史油量統(tǒng)計(jì)曲線，該曲線能保存大量歷史數(shù)據(jù)，方便用戶以后查詢或記錄[9]。

2.5 優(yōu)勢(shì)

1） 測(cè)量?jī)x表傳感器外壁使用聚四氟乙烯材料，可測(cè)量腐蝕性介質(zhì)，廣泛適用于脫水罐、沉降罐、儲(chǔ)油罐、污水罐等設(shè)備的液位測(cè)量和界面描述。

2）采用逐點(diǎn)阻抗測(cè)量技術(shù)，對(duì)罐中水位、油位、油—水過渡層逐段分析含水率，從而對(duì)油量、水量進(jìn)行精確測(cè)量和定量描述，性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高達(dá)0.2%。

3）全密封設(shè)計(jì)，可在室外長(zhǎng)期工作；選用功能強(qiáng)大的微處理芯片，并配合設(shè)計(jì)優(yōu)良的應(yīng)用軟件，防爆、防水，低功耗，可靠性高。

4）傳感器通過采集對(duì)接觸其外壁的介質(zhì)到罐壁的阻抗，計(jì)算出液面高度，通過電流值來確定油水界面位置。自適應(yīng)分段參比算法和傳感器聚四氟乙烯外壁的特點(diǎn)，能將掛料對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響減少到最小。

5）信息處理中的“自我學(xué)習(xí)”系統(tǒng)能夠自動(dòng)適應(yīng)不同罐內(nèi)的油、氣、水三相因溫度、液體成分不同而造成對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。通過與專有的模糊控制、自學(xué)習(xí)系統(tǒng)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單一大罐以及集輸罐群的進(jìn)出液量、界面高度、油—水過渡帶厚度精確控制，從而大幅度提高大罐運(yùn)行效率和運(yùn)行質(zhì)量，提高計(jì)量準(zhǔn)確度，減輕員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

6） 預(yù)置微機(jī)接口電路，可方便進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，節(jié)約人力資源，提高工作效率。配套的工控軟件，可方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存取、報(bào)表打印、數(shù)據(jù)傳送等功能[10]。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

1998 年7 月勝利油田魯勝集輸總站投產(chǎn)，擁有5 000 m3原油儲(chǔ)罐2 座，2 000 m3原油儲(chǔ)罐4 座，配套2 000m3消防水罐2 座，其他儲(chǔ)罐、壓力容器22座，大型泵類設(shè)備30 臺(tái)，外輸油21.19×104t/a，外輸水25.1×104t/a，外輸含水率控制在1%以下。該站是一座集卸油、油氣分離、原油脫水、污水處理、原油外輸為一體的大型聯(lián)合站，主要擔(dān)負(fù)著魯勝公司采油處理及外輸任務(wù)。

2021 年，智能磁性浮球位計(jì)在線多參計(jì)量系統(tǒng)在魯勝集輸總站投產(chǎn)應(yīng)用。采用互聯(lián)網(wǎng)+智能化磁性浮球計(jì)量?jī)x器在線多參測(cè)量。在線測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸流程（圖3）：在線監(jiān)測(cè)采集數(shù)值→SCADA 服務(wù)器→數(shù)據(jù)庫(kù)→生產(chǎn)指揮中心→直觀顯示在線監(jiān)視屏幕上→顯示如油罐名稱、狀態(tài)、類型、油罐體積、油罐高度、油罐空高、液面高度、水面高度、油層厚度、介質(zhì)溫度、原油體積、原油質(zhì)量等?？蓪@示的內(nèi)容以圖、表、曲線形式展現(xiàn)出來，通過查看過渡帶曲線、含水率變化趨勢(shì)曲線，可方便進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，再配套工控軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存取、報(bào)表打印、網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳送等功能。通過與專有的模糊控制、自學(xué)習(xí)系統(tǒng)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)單一大罐以及集輸罐群的進(jìn)出液量、界面高度、油—水過渡帶厚度實(shí)施精確控制。實(shí)時(shí)掌控整個(gè)集輸總站所有儲(chǔ)罐的液位、溫度、界位，測(cè)量準(zhǔn)確度0.2%。表1 為魯勝集輸總站運(yùn)行罐運(yùn)行參數(shù)校對(duì)結(jié)果。

圖3 在線測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸流程Fig.3 Transmission flow of on-line measurement data

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

1） 在線多參測(cè)量技術(shù)在魯勝集輸總站應(yīng)用后，杜絕了冒罐、干罐等事故發(fā)生（在此技術(shù)應(yīng)用前平均每年發(fā)生冒罐事故5 起），每年可減少灌區(qū)污染費(fèi)及工農(nóng)關(guān)系費(fèi)用約86 萬元；減少損失原油20 t，獲效益4.4 萬元。

2）與前期應(yīng)用的雷達(dá)波液位計(jì)測(cè)量系統(tǒng)（測(cè)量準(zhǔn)確度1.5%）對(duì)比，智能磁性浮球液位計(jì)在線多參測(cè)量技術(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度提高了1.3 個(gè)百分點(diǎn)，若每年外輸油21.1×104t, 則每年可減少原油損失2 743 t，如原油價(jià)格按照每噸2 200 元計(jì)算，可直接獲得經(jīng)濟(jì)效益603.5 萬元。

3）另外因遠(yuǎn)程測(cè)量無需人員到場(chǎng)監(jiān)測(cè)，可直接減少5 名測(cè)油員工，節(jié)約人工成本費(fèi)用48 萬元。

4）智能磁性浮球液位計(jì)在線多參測(cè)量系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)陣每年維護(hù)費(fèi)約56.8 萬元。

獲得經(jīng)濟(jì)效益=污染費(fèi)及工農(nóng)關(guān)系費(fèi)+減少冒罐損失原油費(fèi)+計(jì)量誤差損失原油費(fèi)+減少員工費(fèi)-在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)陣費(fèi)用，年節(jié)約費(fèi)用共計(jì)685 萬元。

4.2 社會(huì)效益

智能磁性浮球液位計(jì)在線多參測(cè)量系統(tǒng)，可大幅度提高測(cè)量準(zhǔn)確度，提高了監(jiān)測(cè)效率；免除職工每天爬罐量取儲(chǔ)油罐液面工作，杜絕爬罐傷害危險(xiǎn)，改善工作環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，增加工人幸福指數(shù)；罐區(qū)每年減少20 t 油液泄漏造成的環(huán)境污染，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

5 結(jié)論

智能磁性浮球液位計(jì)在線多參測(cè)量系統(tǒng)由儀表的液位傳感、界面?zhèn)鞲?、溫度傳感器等裝置采集數(shù)據(jù)，通過主從式通信方式傳送至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)全天候連續(xù)監(jiān)測(cè)、采集，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，誤差均小于0.2%，測(cè)量準(zhǔn)確率高。可減輕員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)液位、溫度、界位變化曲線波動(dòng)情況時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐異常情況，準(zhǔn)確報(bào)警、預(yù)警，避免冒罐、干罐等事故發(fā)生，構(gòu)建了安全生產(chǎn)屏障，從而打造智能油田。