超声波切水器设计探讨

刘浩 彭浩平,2 雷云 于鹏飞 董亮

(1．常州大学江苏省油气储运技术重点实验室 江苏常州213164；2.常州大学江苏省材料表面科学与技术重点实验室 江苏常州213164)

0 引言

当今的石油行业，石油从地底采出就伴随着大量的水，经过一系列简单的脱水处理后，还是会有很多的水沉积在油罐的底部。对油品质量要求越来越高的今天，含水量超标的石油，不仅在生产作业中会带来很大的风险，更是对油的品质大打折扣，造成经济损失。因此想要最大程度上提高油的质量并且保证安全生产，就必须要去除掉这些水分。

在认识到水对油品的质量的破坏之后，我国出台了一系列的规定来规范化工企业对去除水分的操作。例如在《中国石油天然气股份有限公司轻质油品储罐技术导则(试行)》这个规范中，就对储罐配备自动切水器上进行了规定。

1 超声波切水器

目前，石油化工系统油罐普遍采用机械式切水器，或各种探头式智能切水器，机械式切水器根据油和水的密度差通过浮子等获得力，再通过机械杠杆原理推动阀门[1]。这种切水器的缺点是：①由于油水检测原理的限制，在切水作业的最后阶段，传统切水器所排放出的水中含油量超过50%，造成浪费。而且这些切水器有一个共同缺点，那就是只能对表层的浮油进行检测，但是不能对于那些分解在水里的油进行检测。 ②机械浮球式自动切水设备的排水口泄漏严重，机械浮球式自动脱水设备维护工作量大，可靠性低。这种机器在多次切水之后，浮筒或浮球表面的油污会加大它的重量，就会导致浮球将沉降在下限位置，使得机械浮球式自动切水设备拒绝切水。③对于拥有若干个储罐的石油化工企业来说，这些装置不便于集中管理，远程操作。发生关闭不密，跑、冒、滴、露现象时[1]，不能第一时间处理，造成经济损失严重或导致事故发生。

采用外贴式的超声波传感器检测油水界面或含油量，其优势在于传感器不直接接触介质，不受介质粘度的限制，不会被污染而影响检测精度，也不必频繁的擦洗保养。由于不用在罐体上额外开孔，从安全和经济的角度考虑，采用超声波检测仪器有着无可比拟的安全性、优越性和先进性。

1.1 超声波传感器设计考虑

根据超声波传感器可以利用超声波检测到含油量的原理，本文利用此原理设计出两种结构装置的超声波切水器，其一是管道式，其二是缓冲罐式，并且根据考虑的技术要求、安全要求和经济要求，提出以下几点要求：

(1)正式投产使用前的试验数据要收集到位，不同介质、不同温度下超声波传感器的工作进度是改变的，只有建立准确并且全面的数据模型，才能使机器发挥它应有的作用。

(2)为了满足各类储罐切水安全的要求，超声波硬件系统采用冗余配置[2]，极大地保障切水过程中对切水阀门的安全控制。

(3)由于温度时刻影响着超声波传播速度，收集实时温度便于后台系统分析结果结算，因此完整的切水装置中必须具有温度检测功能。

为了设计出一套完整科学的切水器，需对其建立数学模型和设计安全仪表系统。

1.2 数学模型的建立

超声波传感器的检测原理即声音传播原理：声音在不同介质中的传播速度是不同的。同理，在油水密度不同的溶液中，声音传播的速度是不同的。考虑到装置在切水作业中，温度、油水比例、超声波速度和相位差都是变化的，为了得到这些因素的数学关系，需对其建立数学模型。

此次数学模型的建立选取了纯净水和含油量低于5%的油水混合物两个样品，设定一个圆柱体容器，直径L，高度H，溶液温度设定为T[3]，那么建立下式：

(1)

式中,Ct为声音在纯净水中的传播速度,Ctx为声音在油水混合物中的传播速度,C0为0 ℃声音在纯净水中的传播速度,K1为声音在纯净水中的温度系数,K2为油水混合物的浓度比例系数。

上式可得出声波在纯净水和油水溶液中传播时间差△t为:

(2)

结合：

△φ=2πf△t

式中，△φ为两路接手信号的相位差，f为超声波发射频率。

(3)

当标定x1点浓度时，即T=T1，x=x1,φ=φ1则：

(4)

将式(4)代入式(3)得：

(5)

式中，T1，Κ1，φ1，x1均为可调整数值。

1.3 安全仪表系统设计

由于在石油化工厂的生产作业中，多是危险装置，因此一套完整的设备设计必须考虑其安全性。根据中国石化、中国石油对石油化工生产设备明确要求要达到SIL2级的规定，本次设计考虑安全仪表系统(SIS)，对切水器进行安全完整等级(SIL)计算[4]。国际标准IEC 61508中 对SIL的定义为：在一定时间一定条件下，安全相关系统执行其所规定的安全功能的可能性。

标准指出，为了得出装置的安全完整性等级，需对所有的系统，包括传感器、逻辑控制器和最终元件等的平均失效概率进行计算，最后由得出的平均失效概率PFD，判断安全仪表系统的完整等级。根据IEC61508中的指示，结合超声波感应装置的架构，运用“1∞2”结构公式进行计算[5]。

IEC 61508中“1∞2”公式：

(6)

(7)

(8)

式中,tCE为通道的等效平均停止工作时间,h；tGE为表决组的等效平均停止工作时间，h；λD为子系统中通道的危险失效率；λDU为未检测到的危险失效率；λDD为检测到的危险失效率；T1为检验测试时间间隔，h；MTTR为平均修复时间，h；λSD为子系统中被检测到的安全失效率；β为有共同原因未被被检测到的失效分数；βD为具有共同原因已被检测到的失效分数；β= 2βD。

β可根据IEC 65108附录中的表D.1 中的给定数值选取，将β常规取值代入式中计算后发现，取值对结果影响很小，可以忽略不计[6]。为了方便计算，未被检测到的失效分数取2%，已被检测的失效分数取1%。所有组件的MTTR均为8 h，每个SIF回路的T1按1a计算。

公式中的其余参数λSD，λDD,λDU,λD等数据，在IEC61508中规定由制造厂商提供。因此需选用已取得SIL认证的仪表、逻辑控制器、最终元件等[7]。

2 超声波切水器设计方案

根据上面的计算实例，对目前市面上主流的两种切水器类型：管道式切水器和缓冲罐式切水器分别作出设计[8]，并介绍其优点和适用领域。

2.1 管道式超声波切水器(见图1)

缓冲罐式切水器的工作原理是利用超声波装置检测排水管中的水的含油量，由于采用的是“2∞2”设计方案，所以两个超声波装置检测到的含油量都低于设定值时，开启阀门，进行切水，同时在切水过程中调节阀门开度，控制流速，当其中一个装置检测到含油量高于设定值时，关闭阀门，回油，完成切水。

管道式切水器的优势在于：不需要测出油水界面的位置，适用于轻、重质油，在为小型油罐切水时，可以不设缓冲罐，减少成本，受场地、温度、粘度、密度的影响较小。

图1 管道式超声波切水器

2.2 缓冲罐式超声波切水器(见图2)

将两个超声波检测装置对称安置在切水器缓冲罐的罐体两侧，并且这两个传感器可以同时用于接收和发射声波。此时装置的工作原理从检测含油量转换成检测油水分界线，当界面高于设定水位时，打开阀门，进行排水，同时根据油水分界面下降速度，调整阀门开度，控制水速，当界面到达或低于设定线时，关闭阀门，进行回油，完成切水。缓冲罐式切水器的优势在于排水量大、效率高，适用于轻质油和大油罐的切水。

图2 缓冲罐式超声波切水器

3 结语

随着安全问题越来越受到重视，由于石油化工生产设备若是因安全方面改动装置，必然导致生产成本的增加，所以在设备设计阶段对架构装置和安全仪表系统的设计尤为重要，切水器亦是如此。装置不仅需要达到安全生产的标准，更需要为企业带来更多的收益，兼顾安全和高效，是石化装置发展的重要方向[9]。同时石化装置在安全生产上，检测仪器和仪表并不是越多越好，计算表明，检测仪器和仪表的增加也会导致失误率的增加，合理地设计检测仪器的数量和检测仪器的位置是安全仪表设计的关键。