凝析油储罐自动放水技术研究与应用

季加强 单鸿飞 杜宏 陈立君

[摘 要] 由于油水密度不同，凝析油储罐自上而下呈现的是从100%含油逐渐过渡到100%含水，交接前需要监测凝析油储罐的油水界面和排放沉降罐底的水。通过安装油水界面仪及自动放水控制系统，实现油水界面的自动检测与液面控制，时时掌握含水率情况。既减少了人工操作的误差和劳动强度，提高了管理水平和控制精度，又能有效满足交油时对含水率的要求。完善后的系统，将对石油和相关领域中涉及储罐油水界面检测和自动供油、交油、放水等应用起到积极推动作用。

[关键词] 凝析油储罐；油水界面；自动检测；含水率；自动放水；控制系统

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

[中图分类号] F270.7；TP315 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2014）03- 0066- 03

1 引 言

凝析油储罐是天然气处理站凝析油处理流程中关键的工艺设备之一，主要用于凝析油汇集储存，经沉降放水后用泵升压转运移交下游单位。因计量交接对含水率有严格要求，所以交接前需监测油水界面和排放罐底的污水。凝析油罐油水分层示意图见图1。

储罐自上而下呈现是油、油水混合乳化液、污水三段，并且乳化液段自上而下是从100%含油逐渐过渡到100%含水。由于缺乏监测手段，凝析油含水率、含水量、油水界面等参数无法实时监测，储罐放水只能靠人工开关污水闸阀；人工重复性盲目性排水操作，管理难度大；操作工长时间在排污口工作，冬夏季身体健康受到影响；排污池为易燃易爆工作场所，存在安全隐患；排水需两人操作，增加工作量，工人劳动强度大；排水工人凭肉眼主观判断污水中含油情况，可能造成凝析油浪费。因此根据凝析油含水分布的特点，借助凝析油含水化验经验，将高新技术引入到储罐油水界面检测中，开发凝析油罐油水界面监测和自动放水控制系统解决油水界面准确测量的问题，是非常必要的。

2 储罐自动放水技术研究

准确地检测储罐内油水界面是实现自动放水的重要保障，油水界面仪采用微波分层测试含水工作原理，加权平均得到平均含水率，根据自上而下分层测试数据分析判断油水界面和油水液位高度。在储罐放水之前，每隔2分钟连续检测油水界面，根据水位的高度自动控制电动阀的打开和关闭，实现储罐自动放水功能。放水之后再次检测，根据数据确定是否进行二次放水。

2.1 自动放水系统的构成

系统由两部分构成，即现场监测控制设备和上位机控制系统，系统结构如图2所示。

2.2 油水界面仪原理

油水界面测量是该系统的关键性技术，油水界面能否准确监测，是自动排水的关键。此系统传感器以数字电路为基础，由若干个相互独立的发射极、外电极组成，测量时由二次表发出可中断脉冲作为步进指令信号，在步进脉冲信号作用下，使传感器发射极依次逐级选通，由此实现了测量的垂直分层。选通的发射极与外公共电极构成液体取样空间，因油、水和空气介电系数不同，引起发射级吸收能量（AD值）发生变化，根据此变化设定含水率曲线函数。不同的介质，对微波的吸收系数不同，对微波的反射系数也不同，因此达到了垂直分层原油含水率测定的目的。

微波通过介质时，将或多或少地被吸收，因此微波的出射能量总是小于其入射能量。这种能量的减小服从于朗伯-贝尔定律，即：

I入=I出eμN （1）

式中，μ——介质的吸收系数；

N——介质的分子数；

I入——微波入射波强；

I出——微波出射波强。

式（1）表明：当出射波强保持一定时，电磁波的入射波强与吸收介质分子数呈指数规律变化。吸收系数由介质特性决定，各种介质吸收系数μ是不同的。如果吸收介质由多种物质组成，则式（1）应为：

I入=I出e■ （2）

在油水乳化液中，式（2）可变为：

I入=I出e■ （3）

式中：μ0——原油吸收系数；

N0——原油分子数；

μW——水吸收系数；

NW——水分子数。

实验验证，原油和水的介电常数相差很大，μ0远远小于μW，N0变化对I入的影响很小，可设I出e■=I0为常数，即微波通过纯油介质的入射波强为I0，则式（3）可写为：

I入=I0e■ （4）

式（4）说明微波的入射波强只与容器内油中含水量呈指数规律变化。基于这一原理可实现原油含水量的检测，以达到油水界面检测的目的。

2.2 油水界面仪结构

油水界面仪采用分段式传感器，将一根全量程长度的圆筒形传感器，用现代微电子技术手段，进行分段处理，每一段对应着固定的长度，可以检测180cm高度内油水液体的含水率。传感器在储罐内具有30节AD转换，每节AD转换器由发射极和外级组成数字电路，将罐体内不同高度的油水液体的含水率信息转换为数字信号与变送器通讯。油水界面变送器将传感器的采集数据整理变换，按油水界面仪的通讯协议与控制系统交换信息。传感器组成结构如图3所示。

根据“油水界面”对应的AD转换的节点高度和传感器与罐底安装时的固有距离，可以计算出“油水界面”距罐底的高度。排水控制时，在传感器安装部分，可以任意设定控制水柱高度，也可以通过设定附加排水时间，彻底排放传感器底部的所有水。

2.3 油水界面仪主要技术参数

高度测量范围 6～180cm

含水率监测范围 0.0%～99.9%

含水率监测精度 ±2.0%

液位高度误差 ±1.0cm

重复性误差 ±≤1.0%

被检测介质温度 10℃～85℃或10℃～120℃

耐 压 1.6MPa

防爆标志 ExdⅡBT4

2.4 油水界面仪的安装

由于凝析罐采用浮顶式结构，罐高9.3米，浮顶离罐底1.8米处随液位上浮垂直浮动，罐顶有一个观察孔和安装雷达液位计的孔。排水的关键是准确监测罐底到1.8米处的凝析油含水界面变化，因此能否将油水界面仪合理安装是本次科研项目的关键性因素之一。

经过对罐体结构的充分论证，确定由罐顶向下安装为最佳安装方式。此种安装方法，将传感器头部用无缝钢管焊接延伸至罐顶并固定，电缆线穿于钢管中，使电缆线与凝析油充分隔离，消除安全隐患。安装结构如图4所示。

2.5 电动阀设计和选型

执行机构选型：执行器按动力能源形式可分为气动执行机构、电动执行机构、液压执行机构等。因在凝析油操作间拥有稳定的220V电源，因此选择电动执行机构最符合现场工况及生产实际要求。

阀体结构选型：因凝析油储罐工作压力低，介质所含固体颗粒等杂质少，对密封要求较为严格，因此调节阀选用直行程结构。

据生产经验，调节阀一般选用等百分比型，因对密封和泄漏的要求，所以最终选用密封效果较好、等百分比流量特性的球阀。

2.6 电动阀主要技术参数

名称 电动V型调节球阀

型号 ZKRV-16TK50

公称通径 50mm

公称压力 1.6MPa

电源电压 220V

工作温度 -20℃～160℃

最大转角 90°

流量特性 等百分比

防爆等级 Exd II BT4

防护等级 IP67

2.7 控制系统软件

2.7.1 软件实现功能

根据现场实际应用的需求，软件主要功能如图5所示。

2.7.2 系统软件特点

（1）软件结构清晰，流程合理。在编写软件程序之前，进行需求分析，深入了解控制对象，熟悉系统的控制过程，明确系统的控制任务。与现场的操作、技术、管理人员进行交流，明确需求，最终得出需求分析说明书和数据流程图。

（2）程序功能模块化。整个系统的程序按照各子程序完成的功能分为：主程序、键盘控制子程序、数据采集子程序、数据显示子程序、中断子程序等。程序功能模块化可使主程序结构简化，程序可读性好，便于功能扩充和版本升级，程序修改可局部进行。

3 自动排水系统应用效果

对整套系统进行调试，调试数据见表1所示。

从以上数据可以看出，油水界面仪所测量数据与化验数据基本相同，充分验证了仪器数据的准确性和可靠性。控制系统功能全部实现，能够自动检测储罐的油水界面、分层含水率、油水液位。罐内油水界面可实时显示，动态显示排水阀开、关状态，并能够根据检测值动作，成功对储罐进行自动放水。操作人员可根据界面的位置有目的地控制开阀放水，提高了储罐的使用效能，降低排放污水中的含油量，减少凝析油的损失浪费。

凝析油储罐排水工作由原来的全人工操作、排污口观察等方式，改为全自动检测和排水操作，由两人操作减为一人，减少了劳动力，降低了凝析油交接过程的操作成本。减少了污水中凝析油排放量，提高了凝析油商品率。降低了环境污染风险，同时减少了排水过程中的安全风险。

4 结 论

该技术有效解决了储罐油水界面检测难题，将微波分层含水率测试方法成功应用到凝析油储罐油水界面在线检测中，实现自动放水控制，是全新的生产管理方式和管理理念。减少了人员操作，降低了劳动强度，准确测量含水率，减少污水中凝析油含量，其经济效益显著。可用于油水界面检测、含水率、自动放水、液面控制等相关的装置或行业，应用领域和技术涉及面宽。该项目源于生产和管理的实际需求，具有很强的科研与生产相结合的特点。不仅在采气一厂推广应用，也适用油田公司其他采油厂原油储罐、单井等凝析油含水率检测、油水界面控制等，具有推广价值。

主要参考文献

[1]薛国民，许传讯.油水界面检测仪表的应用探讨[J].工业计量，2004（5）.

[2]焦英芹，龙永福，等.沉降罐油水界面在线监测技术在油田的应用[J].石油化工应用，2010（11）.

[3]孙普男.智能一体化原油含水率检测仪的研制与应用[J].核技术，2003（11）.