原油储罐升降机自动计量装置研发及应用

2020-03-05高宝元

石油化工自动化 2020年1期

高宝元

(1. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司工程技术研究院，陕西西安 710018；2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018)

油田原油储罐内的液位、界位、分层含水的检测和油量的准确计量，是困扰生产、计量、管理人员的一大难题，尤其是罐内存在油水过渡带时，储罐内油水界面位置的检测与确定较为困难[1]。目前原油储罐监测计量主要靠人工检尺、单一功能的浮体式液位仪、伺服式液位仪、磁致伸缩液位仪、差压式液位仪、超声波液位仪、雷达液位仪、激光液位仪、光纤液位仪、核辐射式液位仪、液位报警开关等完成，其中人工检尺中人工计量的测量精度、可靠性、可维护性、实时性等，均难以适应油田自动化、信息化、智能化建设的发展需求；而浮体式液位仪、伺服式液位仪、磁致伸缩液位仪、差压式液位仪、超声波液位仪、雷达液位仪、激光液位仪、光纤液位仪、核辐射式液位仪、液位报警开关功能单一，均不能测量油水带的界位、分层含水率等参数[2-3]，因此需要研发一种新型的原油储罐升降机自动计量装置[4-5]。

1 原油储罐升降机自动计量装置构成

原油储罐升降机自动计量装置的构成如图1所示，该装置包括自动升降机、储丝盘、带钢丝含水信号电缆、机座法兰、量油孔管法兰、量油孔管、射频液位含水分析仪和射频液位含水分析仪探头。自动升降机连接在储丝盘端面，储丝盘下端通过机座法兰和量油孔管法兰固定连接量油孔管，量油孔管内部设有射频液位含水分析仪，射频液位含水分析仪下端连接射频液位含水分析仪探头，储丝盘缠绕带钢丝的含水信号电缆，其中带钢丝含水信号电缆一端连接自动升降机，另一端连接射频液位含水分析仪，射频液位含水分析仪探头可在量油孔管内上、下往复运行。

图1 原油储罐升降机自动计量装置构成示意

1)量油孔管内侧下端设有探头擦除器，探头擦除器设有“O”型密封橡胶的自动擦拭装置，“O”型密封橡胶的自动擦拭装置安装在探头擦除器内部，探头擦除器和射频液位含水分析仪探头相连接，“O”型密封橡胶的自动擦拭装置可擦拭射频液位含水分析仪探头。自动擦拭装置是一种圆柱体带有吸油的特殊化学材料组成的装置，便于清洗擦拭射频液位含水分析仪探头的原油。量油孔管为不锈钢圆管，量油孔管的直径为65 mm，管壁厚度为1 mm，管壁四周设有长条孔，长条孔能使原油进入管内。

2)自动升降机内设有正、反转转盘装置，其中正、反转转盘装置上缠绕带钢丝的含水信号电缆，正、反转转盘装置可以控制自动升降机正转或者反转。

3)正、反转转盘装置是一种定滑轮结构，当射频液位含水分析仪探头下降时，可以正转将带钢丝含水信号电缆和射频液位含水分析仪送下，当射频液位含水分析仪探头上升时，可以反转将带钢丝含水信号电缆和射频液位含水分析仪送上。自动升降机设有上、下限位器，上限位器安装于带钢丝含水信号电缆首端，用于控制射频液位含水分析仪的上限位置；下限位器安装于带钢丝含水信号电缆末端，用于控制射频液位含水分析仪的下限位置。

4)射频液位含水分析仪是一种监测液位和原油含水的复合分析仪，应用于原油储罐内量油孔管中，主要由射频液位含水分析仪探头、射频信号发生器和接收器组成，射频液位含水分析仪探头用于感知被测介质信号；射频信号发生器和接收器用于将感应的信号传递给分析处理单元[6]。

5)分析处理单元主要由中央处理器、高精度模数转换器、存储器和通信电路等组成，负责接收处理液位、界面高度和分层含水率的信号，并将液位、界面高度和分层含水率信号以标准电信号输出，可以长期在恶劣环境中进行准确测量[7-10]。

2 原油储罐升降机自动计量装置计量方法

原油储罐升降机自动计量装置工作原理如图2所示，原油储罐底部沉积有泥沙，原油储罐内分为油水界面和液面，原油储罐处于防爆区，中心控制室处于非防爆区，可远程监控原油储罐工况和预知外输油的含水率。自动升降机通过控制电缆连接中心控制室，中心控制室设有信号接线箱和计算机，控制电缆连接信号接线箱，信号接线箱连接计算机。

图2 原油储罐升降机自动计量装置工作原理示意

原油储罐升降机自动计量装置计量包括以下4部分内容：

1)将原油储罐升降机自动计量装置对接法兰固定在罐顶量油孔或透光孔法兰上，法兰水平面作为射频液位含水分析仪的基准点。

2)在中心控制室的计算机软件配置画面“基准点高度值”栏中输入实际高度并确定；根据现场实际情况，输入上限液位高度和下限液位高度，手动巡检2次无异常后，即可设置为自动巡检，然后进行零点、满点和分层含水率准确度的校准，才能投入使用；将人工检尺得到的液面高度定为实际高度值，同时在系统软件配置画面“液面实际高度”栏中输入人工检尺的实际数据，开启液面高度校准功能，同时手动巡检1次，在巡检的过程中，自动完成液面位置的校准。

3)在中心控制室计算机上远程开启原油储罐升降机自动计量装置工作，该系统巡检开始，正转时，带钢丝含水信号电缆将原油储罐内量油孔管内装的射频液位含水分析仪向上匀速缓慢提起，经过设定时间后，到达上液位自动停止，自动升降机开始反转，依靠射频液位含水分析仪自重，向下匀速缓慢下行，经过设定时间后，到达下限位器时，自动升降机自动停止反转运行，随后自动升降机又开始正转运行，提起射频液位含水分析仪，匀速缓慢向上运行，完成射频液位含水分析仪在原油储罐内量油孔管的上、下往复运行。射频液位含水分析仪工作时，感应单元向原油中发射稳频、恒幅的电磁波，电磁波穿透介质，由于油和水的介电常数差异较大，油水比例发生变化时导致电容的变化，从而引起振荡频率的变化，透射电磁波强度随液位、水含量变化而变化，透射电磁波由感应单元接收，经分析处理单元转换为液位、界面高度和分层含水率4～20 mA电信号和RS-485信号。信号通过控制电缆连接中心控制室计算机，远程监控原油储罐的液位、界面高度和分层的含水率，并根据输入的原油储罐半径数值或者容积表，计算出混液、油、水总体积和原油储罐内平均含水率，绘制成动态曲线，生成数据报表，支持历史数据查询、统计、打印等功能。当发现液面超高立即报警，防止冒罐；根据含水率发出自动控制排放底水信号，防止跑油；探头到达原油储罐底，发现液面超低立即报警，防止抽瘪。

4)不需要巡检原油储罐的液位、界面高度和分层的含水率或遇到升降机自动计量装置有故障时，可在中心控制室计算机上远程停止升降机自动计量装置工作。

无特殊要求时，原油储罐升降机自动计量装置可连续工作。

3 现场应用

2018年10月，该装置在长庆油田第三采油厂进行了现场应用，具有以下优势：

1)全自动巡检测量。该装置省去了人工测量的麻烦，可自动生成巡检记录，解决了原油储罐测量的各种难题，具有远程监控原油储罐工况和预知外输油含水率功能，实现了同时有效测量液面高度、液面超限报警、油水界面高度以及分层含水率，使站内人员全面了解原油储罐内的情况。当发现液面超高会立即报警，防止冒罐；根据含水率发出自动控制排放底水信号，防止跑油；探头到达原油储罐底，发现液面超低可立即报警，防止抽瘪。

2)测量方法更加稳定。在恶劣天气下，人工测量很困难，而原油储罐升降机自动计量装置检测不受其影响；测量方法更加安全，避免了操作人员在大罐上爬上、爬下的危险，只需要在控制室点击鼠标就可实现远程计量原油储罐的液面、界面、分层含水率和预知外输油含水率。