SZ型石油液体在线自动取样器设计

(上海高桥捷派克石化工程建设有限公司， 上海 200137)

SZ型石油液体在线自动取样器设计

林佳欣
(上海高桥捷派克石化工程建设有限公司， 上海 200137)

原油管道自动取样器是现代原油油品交接计量的重要工具，可以利用原油管道自动取样器定时、定量从原油管道内抽取油品进行分析化验。其取样频率高、混合性好且自动化程度高，抽取的油品比人工取样更具代表性，可有效避免原油交接过程中的纠纷。介绍了SZ型石油液体在线自动取样器的设计要求、工作原理、技术特点，在其产品结构、试样采集和试样保存等方面进行了创新，符合SY/T 5317—2006《石油液体管线自动取样法》及贸易精确计量的要求，属于安全、环保、节能类信息一体化产品，应用前景广阔。

自动取样器； 原油； 样品； 等速取样； 结构设计

目前，我国原油交接计量过程还处于比较落后的状态，大多采用在原油罐上人工定时多点取样的方法测量原油的含水量及其他参数，实际操作过程中取样频率小，易受输油工况、人为因素的影响，样品的代表性比较差，由此引发的油品交接纠纷日益增多。GB 4756—1998《石油液体手工取样法》[1]中明确提出，在原油等不均匀状态中，管线自动取样是最好的方法。2006年石油工业计量测试研究所对SY/T 5317—2006《石油液体管线自动取样法》[2]进行了修订，该标准等同于ISO 3171：1988《Petroleum Liquids. Automatic Pipeline Sampling》[3]。2011年又发布了GB/T 27867—2011《石油液体管线自动取样法》[4]，国内原油自动取样器的研发制造也逐渐起步并发展。国外的原油取样方法是在取样器前端加装大功率的液力混合器和小型流量计，取样器体积庞大，大功率电机较多，能耗较大，设备造价十分昂贵，因此国内石油企业很少应用此类原油自动取样器。

随着国内原油进口量的不断上升，贸易交接站、分厂联合站及其下级计量站等贸易交接点数量迅速增长，传统的人工取样方式已无法适应需要，对自动取样器的需求快速增长[5]。原油管道自动取样器是现代原油油品交接计量的重要工具，计量人员可利用原油管道自动取样器定时、定量从原油管道内抽取油品进行分析化验，取样频率高、混合性好、自动化程度高，抽取的油品比人工取样更具代表性，可有效避免原油交接过程中的纠纷。文中对SZ型原油在线自动取样器的设计等内容进行简要介绍。

1 SZ型原油自动取样器设计要求

SY/T 5317—2006中简要描述了自动取样器的设计要求，主要有[6]：①自动取样器应能从管线内流动液体中取得代表性样品。②取样的石油液体可能含有石蜡、磨蚀性颗粒和腐蚀性成分，选择管道和零部件材质时必须考虑原油性质。③有些液体的流动性和润滑性能差，取样器上需设置伴热和保温。④取样回路的入口流速应尽可能接近所预计的主管线内的最大流速。⑤最好可以安装能够指示取样回路中是否有介质流动的装置。⑥分液装置和样品接收器应尽可能靠近。⑦需设计合理的系统清洗结构，安装方式应便于操作、检查及维护。

要确认取样操作过程中取得样品的合格性，需确保取样器性能系数(指累积样品体积与计算样品体积之比)在0.9～1.1[7]，取样操作中不应发生导致性能系数超出此范围的中断，应核查并确认取样操作中取样流量和主管线流量的比例。

2 SZ型原油自动取样器工作原理及特点

2.1 工作原理及工艺流程

SZ型原油自动取样器由循环回路、分液装置、样品接收器及控制器构成。原油在循环泵的作用下，经取样探头从原油管线输入到采样循环回路中。控制器使得取样回路的入口流速尽可能接近所预计的主管线内的最大流速，以保证样品的代表性。分液装置按照流量比例吸取适量原油样品，并将样品输送至取样瓶中，2个取样瓶可自动进行切换。取样过程中温度、压力与主管道内一致，流量、流速、取样量等参数全部保存在控制器中，可通过显示屏进行实时观测及操作。

典型的自动取样系统由取样探头、循环回路、分液装置、样品接收器以及控制器组成[8]，见图1。取样探头安装在取样主管线上，通过泵、管道和阀门组成的循环回路吸取样品，样品通过分液装置时，分液装置按要求取出单位样品，样品收集在样品接收器内，多余样品在循环回路作用下回到主管线中。

图1 典型自动取样系统组成

SZ型原油自动取样器工艺流程：取样探头在循环泵的作用下，从原油输送管道中吸取原油，在控制系统控制下，原油吸入的流速与原油在主管道内的流速保持一致，当循环回路充满样品后，通过接收控制器的信号，取样泵和电磁阀组成的分液装置从循环回路中吸取样品，电磁阀按设定时间打开和关闭，单位样品经由取样针系统流入样品瓶中。2个取样瓶收集到设定体积液体时会自动切换，2个取样瓶取满后系统自动停止取样。控制器中包含清洗系统软件，可以利用清洗液对系统所有元件进行清洗。开机后，称重系统也会反馈信号给控制系统，通过控制质量防止取样瓶中样品溢出。

2.2 技术特点

SZ型原油在线自动取样器是针对原油(管输、船运、车运装卸)取样现场设计制造的，在产品结构、试样采集和试样保存方面进行了创新，符合贸易交接口精确计量的要求，符合SY/T 5317—2006的要求，其主要特点：①结构简单，设计原理新颖，取样量准确、稳定。②性能可靠，运行故障率低，便于维护，具有可靠的防爆性能。与国外产品相比价格较低，经济、实用。③自动化程度高，试样采集和流量信号全程监测，设有各种故障和异常情况报警。④兼顾流量比例样、时间比例样两种取样方式。取样探头采用多点取样，确保所采试样的代表性。⑤样品接收器采用密闭式可变容积结构，样品与输油管道原油同压力、同温度条件储存，无成分损失。⑥采用PLC控制系统，触摸屏显示并操作，参数设置明了，可满足各种输油工作状态下的样品采集设置。

3 SZ型原油自动取样器结构设计

SZ型原油自动取样器箱体内结构设计为前后两部分，管道及泵等安装在箱体背面，样品接收和控制显示安装在箱体前面，方便操作。

3.1 取样探头设计及安装

3.1.1设计方案

将自动取样器探头连接在原油输送管道上，是为了从管道中吸取原油样品进入取样器系统，是取样最重要的一步。在取样探头上均布3个取样孔，以保证取样均匀。在循环回路的末端也通过三通结构，使原油从取样探头的入口处返回到原油输送管道。因此，设计的取样探头不仅具有取样功能，也具有循环功能，是多功能取样探头。

3.1.2取样探头结构

取样探头结构要具有足够的强度[9]，以抵挡主管线最大流速引起的弯矩，但强度也不能过大，以免干扰原油管线内流体的流动。此外，还要完成取样的输入、输出。为此，设计了新型悬臂梁结构的三通套管插入式取样探头，见图2。

图2 三通套管插入式取样探头结构示图

取样探头结构由取样管、循环套管、法兰1、法兰2、阀门、短管和卡套三通组成。其中短管1焊接在原油输送主管道上，短管2焊接在法兰1上，取样管由异径卡套三通固定，循环套管焊接在法兰2上。原油通过取样管前端的均布取样孔进入取样管中，循环回路末端原油通过回油控制阀进入异径三通，从而进入循环套管和取样管形成的环形空间内，通过管道之间的环形间隙返回到原油主管道中。

3.1.3取样点位置选择

取样探头必须位于管线内的部分流动液体中[10]，而这部分液体能否代表全部样品，主要取决于管线内液体的混合程度。重力有利于加速水平管线内液体的分层，能使垂直管线内液体分布更加均匀。因此，如果操作条件完全相同，输送速度远高于水和杂质的沉降速度，应当优先在垂直管线上选择安装位置。

如果管线内的液体混合充分，则取样探头相对于管壁的位置并不十分重要。为避免关闭操作对流速和含水率的影响，应从管线中心抽取样品[11]。在水平或垂直管内安装取样探头，使其从图3所示的阴影部分抽取样品。

图3 取样点位置选取示图

3.2 循环回路设计

3.2.1设计方案

SY/T 5317—2006中要求，液体进入取样探头的线速度等于主管线内液体流经取样探头的线速度。理论和实践证实，自动取样时，油品进入取样探头入口的线速度与油品流经取样探头的线速度之差直接影响着样品的代表性。若入口速度大于流经速度，则会产生虹吸现象[12]，造成密度小的介质优先被吸入；若入口速度小于流经速度，会产生阻滞现象，造成密度大的介质优先被吸入。只有当入口速度与流经速度相等时，样品的代表性才最好，即标准建议的等速取样[13]。SZ型原油自动取样器采用变频调速技术，使用原装进口变频调速器，以输油管道瞬时流量作为参照实时自动调节循环泵的瞬时流量，保证了探头入口处的液体流速和流经取样探头的液体流速相似，实现了等速取样。

3.2.2循环回路组成

循环回路是指与主管线相连、用于取样的支管路，能代表总流的部分液体由此流过。循环回路要从主管内吸入部分液体进入取样系统，因此，泵是必不可少的设备。循环回路由管道、过滤器、循环泵及阀门组件组成，管道上安装有压力变送器、温度变送器和流量开关等防爆仪表组件[14]。

由于需要通过主管流量控制循环管路流量，因此循环泵必须是可以控制的计量泵，笔者选用的是美国原装进口的微型磁力驱动齿轮泵，材质为316不锈钢，可输送多种腐蚀性介质，使用温度可以达到200 ℃。磁力齿轮泵是一种通过磁力传动器实现无接触力矩传递，从而以静密封取代动密封，使泵达到完全无泄漏的容积式齿轮泵。其输送液体平稳、无脉动、振动小、噪声低且有很强的自吸性能。泵内外转子转向相同，磨损小，使用寿命长。泵的转速与流量呈线性函数关系，可通过适当改变转速来改变泵的流量，特别适用于高黏度介质的输送[15]。

3.3 分液装置

3.3.1装置原理及设计

分液装置是自动取样器从循环回路中分离出具有代表性少量液体的装置，由取样泵、2个防爆电磁阀及管道组成，见图4。

图4 分液及样品接收装置流程图

设置好取样频率及单位样品量等参数时，控制系统根据系统设置参数给分液装置发送相应脉冲信号，分液装置通过控制流量及阀门的开关达到系统设置的目标，取出相应量样品进入样品接收器。分液装置和控制系统紧密联系，是自动取样器是否达到国家标准的考量关键。

3.3.2泵的选型

分液装置的取样泵是取样器中关键设备之一，取样泵精度也代表单位样品取样体积可以达到的精度，因此取样泵也选用可以控制的计量泵。笔者选用的是全进口高品质不锈钢磁力驱动齿轮泵，最高耐温176 ℃，黏度范围0.3～50 000 mPa·s，适用于大多数石油液体。选用泵的体积流量范围0.06～2 460 L/h，满足自动取样器的流量控制要求。

3.4 样品接收装置

3.4.1总体设计

样品接收装置由取样针结构、三通活性炭吸附器、取样瓶、称重传感器及不沾油升降台组成，设计的双取样瓶结构见图5。样品接收器接收分液装置输送的样品，当接收的样品体积达到设定值时，系统会自动切换到另一个样品瓶，当第二瓶也达到取样体积时，系统提示2瓶取满并暂停运行。

图5 双取样瓶结构

3.4.2取样瓶设计

取样瓶与自动取样器相连，是一种便携式样品接收器，不仅可以与原油自动取样器组装，同时也可以作为储存、运输和预处理全部样品或部分样品的容器单独使用[16]。取样瓶为开口两段式设计，瓶上端盖可拆下，便于清洗。取样瓶材质选用优质不锈钢，薄壁不锈钢质量轻，容易成型，易携带，具有优异的耐蚀性，即便在高温条件下也不会与原油样品发生反应，不会影响样品的组分。取样瓶上设计有不锈钢提手，便于运输携带。

取样瓶安装简单，密封性良好。未放置取样瓶状态见图6a，将不锈钢取样瓶各部分螺纹拧紧，安装好取样瓶口、取样瓶端盖之后，整个取样瓶成为一个整体。将取样瓶水平放置在称重器中心位置，取样口开孔部分对准取样针针头(图6b)。通过称重器旋钮向上调整称重器，使取样瓶上升，取样针头插入取样口并且进入取样瓶上方(图6c)，安装完毕。拆卸过程按照相反顺序进行即可。通过称重器旋钮向下调整称重器，使取样针与取样瓶口分离。由于取样瓶中有原油，故松开旋钮时要轻扶取样瓶，针头完全露出后取出取样瓶。

图6 取样瓶安装过程

4 SZ型原油自动取样器控制系统软件设计

自动取样器控制系统的功能是控制分液装置，采集流量比例样品或固定比例样品。控制设备由CPU、触摸式工控机进行控制，包括变频调速器、防爆流量开关、压力变送器及流量计等仪表和泵，全部安装在防爆箱内。通过PLC编程，将所有控制操作的软件编写进控制系统。

4.1 参数软件

SZ型原油自动取样器控制系统参数软件界面见图7。

图7 原油自动取样器参数设置界面

图7中总管流量设定是指原油总管质量流量(t/d)。预循环时间(min)指循环泵开启之后油路循环时间。将前次取样残留的原油排入主管道，循环后再进行取样。满瓶重量(g)指取样瓶的称重，样品达到该质量时切换取样瓶。满瓶容积(mL)指取样瓶内样品达到该体积时切换取样瓶，设定该体积不得超过取样瓶总体积的3/4。采样周期T(s)指采样间隔，一个周期完成一次样品取样，间隔时间越短，样品的代表性越好。但采样周期过短会影响单次样品体积的准确性，建议T>20 s。取样总时间(h)指本次油船卸油总时间。取样总体积(mL)指单次油船需要取样的样品总体积。取样比例(mL/h)指根据取样时间和体积计算的结果。冲洗时间(min)指取样器内部管道需要冲洗时设定的每次冲洗时间。压力2、压力3(kPa)显示管道内部压力，差值大时说明过滤器堵塞需要清洗。

4.2 冲洗软件

SZ型原油自动取样器控制系统冲洗软件界面见图8。清洗液为柴油，冲洗前打开球阀3(箱内)。共有3种清洗模式，低油位时红色警示。

图8 原油自动取样器冲洗系统界面

4.3 脉冲校准软件

脉冲校准系统针对不同油品设计，不同油品的密度、黏度不同，会影响样品实际体积与理论体积间的误差。因此，每次取样前需进行脉冲校准，校准后油品理论体积与实际体积误差只有1%。建议每次开泵后进行一次脉冲校准，以防止原油样品溢出。

4.4 取样系统软件

脉冲校准完成后将量筒取下安装取样瓶，点击校准完毕采样开始，则采样正式开始。进入采样界面(图9)可观察到每个取样瓶内的原油体积、质量及本次单位样品体积数据。采样界面中的脉冲校准、系统设置、主画面分别对应不同界面。每次采样脉冲是系统参数设置好之后系统自动计算出的每次取样脉冲数，每次采样容量即单次取样样品体积。当2瓶取满后系统会自动停止运行防止溢出。如卸油结束仍未取满2瓶，可以直接点击关闭循环泵停止采样。

图9 原油自动取样器采样界面

5 结语

对SZ型石油液体管线自动取样器进行了结构设计，现场取样数据均达到国家相关标准要求。SZ型原油自动取样器可满足各种输油状态下的样品采集设置，取样准确稳定、结构简单、便于维护，所取样品具有代表性，减轻了操作人员的劳动强度，减少了漏油导致的环境污染，属于安全、环保、节能类信息一体化产品，值得大力推广应用。

[1] GB 4756—1998，石油液体手工取样法[S].

(GB 4756—1998，Petroleum Liquid—Manual Sampling[S].)

[2] SY/T 5317—2006，石油液体管线自动取样法[S].

(SY/T 5317—2006，Petroleum Liquid—Automatic Pipeline Sampling[S].)

[3] ISO 3171：1988，Petroleum Liquids. Automatic Pipeline Sampling[S].

[4] GB/T 27867—2011，石油液体管线自动取样法[S].

(GB/T 27867—2011，Petroleum Liquid—Automatic Pipeline Sampling[S].)

[5] SN/T 0975—2000，进出口石油及液体石油产品取样法(自动取样)[S].

(SN/T 0975—2000，Method for Sampling of Petroleum and Liquid Petroleum Products for Import and Export(Automatic Sampling)[S].)

[6] GB/T 23256—2009，石油液体管线自动取样 测定石油液体中水含量的自动取样器性能的统计学评估[S].

(GB/T 23256—2009，Petroleum Liquids—Automatic Pipeline Sampling—Statistical Assessment of Performance of Automatic Samplers Determining the Water Content in Hydrocarbon Liquids[S].)

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(ZHANG Qi. Automatic Sampling Technology of Crude Oil Pipeline[J].China Science and Technology Information，2014(13)：71-72.)

DesignofSZAutomaticOn-lineSamplerforPetroleumLiquid

LINJia-xin
(Shanghai Gaoqiao SGPEC Petrochemical Engineering & Construction Co. Ltd.，Shanghai 200137， China)

Automatic on-line sampler for crude pipeline is an important tool in modern transaction measurement of crude oil，by it，and crude oil can be extracted periodically and quantitatively from crude oil pipelines for analysis. The equipment has high sampling frequency，good sample mixing and high degree of automation. The extracted oil is more representative than that of manual sampling and can effectively avoid disputes in the process of crude oil transaction. The design requirements，working principle and technical characteristics of SZ automatic on-line sampler for petroleum liquid are introduced，and the innovation of product structure，sample collection and sample preservation are introduced as well. The equipment conforms to the requirements of SY/T 5317—2006PetroleumLiquids-automaticPipelinesSamplingand the requirements of accurate measurement of trade. It is a safe，environmental and energy saving product，and has broad application prospects.

automatic sampler； crude oil； sample； isokinetic sampling； structural design

1000-7466(2017)06-0043-06

2017-05-26

林佳欣(1984-)，女，山东烟台人，工程师，学士，从事石油化工类设备设计、研发、科研项目管理等工作。

TQ056； TE967

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.06.009

(张编)