多品質原油混輸含水率自動監(jiān)測系統(tǒng)研究*

蘇重生 潘凡紅 李超云 茍永偉 劉紅玉

(1.長慶油田公司第二采油廠，慶陽 745100；2.蘭州科慶儀器儀表有限責任公司，蘭州 730010)

?

多品質原油混輸含水率自動監(jiān)測系統(tǒng)研究*

蘇重生1潘凡紅2李超云1茍永偉1劉紅玉1

(1.長慶油田公司第二采油廠，慶陽 745100；2.蘭州科慶儀器儀表有限責任公司，蘭州 730010)

基于國內射線性儀器儀表的研究應用現(xiàn)狀，通過對交接過程中多品質原油混輸含水自動監(jiān)測系統(tǒng)的特點、基本結構原理、關鍵性技術等方面的深入研究，并就該系統(tǒng)在現(xiàn)場的應用情況做一簡單的驗證分析，充分驗證了雙能雙束同位素光子測量方法測量多品質原油含水率的解決方案的可行性和準確性。

多品質原油;含水率;自動檢測;研究

0 引言

多品質混輸原油在線的檢測和計量，是多參數(shù)復雜品質條件下自動化檢測技術領域中至今未能很好解決的現(xiàn)實問題。目前，國內仍停留在電容式、微波式及射頻等原有的基礎上；國外多針對油田開采中的含水率進行監(jiān)測，而在運輸中在線監(jiān)測的報道不多，也未能針對多品質低含氣原油混輸含水率的監(jiān)測技術提出相應的解決方案。

多品質原油混輸含水自動監(jiān)測系統(tǒng)主要針對目前石油煉化等行業(yè)在原油的生產(chǎn)和管道輸送過程中，不同品質原油混合運輸?shù)膹碗s條件下無法對原油含水率實現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測和準確計量的狀況，所研制的高精度智能化過程檢測儀表及計量交接控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結構原理

1.1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)結構如圖1和圖2所示，F(xiàn)DH-S型含水監(jiān)測系統(tǒng)的結構主要包括外殼、高能放射源及其接收裝置、低能放射源及其接收裝置、取樣口、一次儀表、二次儀表、電源及信號接口。

圖1 測量結構示意圖

圖2 含水監(jiān)測系統(tǒng)外觀圖

1.2 基本原理

本含水監(jiān)測系統(tǒng)開創(chuàng)性地將雙能雙束同位素光子測量方法應用于多品質原油混輸?shù)秃实臏蚀_在線檢測，主要原理是引入兩種能量不同的光子源和光子測量探測器以實現(xiàn)雙能雙束測量。單品質原油低含水率測量技術是跟據(jù)X射線光子在油水介質中吸收衰減的差異研制而成的。當能量不同的兩束光子射線同時穿過單品質原油與水的混合介質時，光子按照指數(shù)衰減的規(guī)律被介質吸收。

根據(jù)光子與物質相互作用的原理，當?shù)湍芄庾油ㄟ^物質時，沿光子入射方向穿過物質，到達探測器的光子數(shù)在減少，原子核物理稱之為強度衰減。強度衰減的程度與光子的能量有關，也與所通過物質本身的性質有關，并符合確定的吸收衰減規(guī)律。對于能量單一的低能光子束，穿過吸收體時，其強度衰減遵循指數(shù)衰減規(guī)律[1-3]。

N=N0e-μX

式中：N0為入射光子強度，keV；X為均勻物質的厚度，cm；N為穿過厚度為X的均勻物質后光子強度，keV；μ為線性吸收系數(shù)，cm-1。

當光子的能量確定時，μ是只與介質本身微觀物理性質有關的物理量。式(1)是核技術應用領域中最重要的基本公式之一，幾乎所有通過測量光子強度衰減變化，對物質的性質和組成進行分析的同位素儀表都是其所描述的衰減規(guī)律在具體測量實踐中應用的結果。

當被測量介質為油、水二相混合流體時，線性吸收系數(shù)μ為：

μ=(μ1-μ2)a+μ2

(2)

式中：μ1為純水相介質對光子的吸收系數(shù)，cm-1；μ2為純油相介質對光子的吸收系數(shù)，cm-1；a為介質中含水的體積百分數(shù)。

將式(2)代入式(1)，并寫成對數(shù)形式，得到：

ln(N0/NX)=(μ1-μ2)Xα+μ2X

(3)

式(3)是二元混合介質組分分析時所用的原理公式，它與含水率呈線性關系，當各單相介質的吸收系數(shù)和測量厚度X為已知的常數(shù)時，二元混合介質的組分比可以通過測量光子通過該混合介質后計數(shù)的變化確定。

式(3)表明，影響儀表測量精度的主要因素是μ1-μ2、X和N0三個常數(shù)。μ1-μ2是光子在兩種介質中吸收系數(shù)之差，此差值與光子能量和介質的性質之間存在比較復雜的對應關系。趨勢是，介質確定時，差值隨光子能量增高而減小，光子能量一定，差值與兩種介質的密度差成正比。因此通過選擇光子能量可以提高原油含水分析的精度。實際應用中，可供選擇的低能同位素光子源只有238Pu和 241Am兩種，應用特點列于表1，二者都用于原油含水在線檢測，工作原理也相近，但檢測精度可相差一個數(shù)量級，分別應用于對檢測精度要求不同的場合。

表1 純水和純原油狀態(tài)下238Pu和241Am線性吸收系數(shù)表

原理上增加吸收厚度可提高測量精度，但在應用中受到N0計數(shù)率減小的制約。現(xiàn)場儀表常以混合介質中的某一單相作為參考介質，所測得的計數(shù)率N0用作儀表的參考值。作為同位素光子計數(shù)N0按照統(tǒng)計規(guī)律漲落變化，漲落的幅度為，稱為統(tǒng)計偏差，為了降低統(tǒng)計偏差，N0必須足夠大。所以設計儀表時應掌握，在N0保持足夠大計數(shù)率的前提下，盡可能地增大吸收厚度可提高儀表的測量性能。當原油品質不變或變化不大時，表1所列各參數(shù)為常數(shù)，式(3)簡寫為：

ln(N0/NX)=Aα+B

(4)

式中：A、B為常數(shù)(對于固定的測試裝置)。

式(4)就是目前常規(guī)含水儀設計原理公式。依據(jù)此原理公式研制的FDH系列低含水儀表使用238Pu (由于是第一代試驗性研究，精度要求不是很高，另外238 Pu的放射性比241Am小，在試驗性研究中比較安全)低能光子源，根據(jù)表1列出數(shù)據(jù)，當油質不變時，其含水率理論測量精度可達到0.04%，實際儀表的標稱檢測精度為0.1%。

當含水儀工作在混輸條件時，油品、含氣的變化使原油介質對射線的吸收系數(shù)，即式(3)中的μ2改變，從而導致對含水測量的偏差。從式(4)可知，μ2改變使線性方程的斜率和截距都發(fā)生變化。

油質變化引起含水測量誤差的深層原因來自于線性吸收系數(shù)μ的物理定義，當射線能量確定后，吸收系數(shù)是只與介質的化學組成和密度有關的物理量，存在簡單的物理關系：

μ=μmρ

(5)

式中：ρ為介質的物理密度，g/cm3；μm為質量吸收系數(shù)，cm2/g。

通常不同品質的原油只是分子中長鏈結構所占數(shù)量不同，但構成原油分子的單體，以及碳氫比都變化不大，因此在含水測量所使用光子源的能量范圍內，質量吸收系數(shù)μm與含水測量誤差的關聯(lián)是較弱的。不同的油品密度的變化卻是很大的，油田原油密度可從0.8～0.93g/cm3,所以原油混輸作業(yè)導致含水測量偏差的主要因素是油品密度的變化。同樣原理，混輸作業(yè)中水質和含氣的變化對于含水測量誤差也應有所貢獻，但由于本項目解決的是低含水原油測量問題，含水率通常為1%左右(不超過5%)，因此水質變化的影響相對油品密度變化是很小的。氣體一般以溶解氣的形式存在，可將其作為原油視密度的變化進行處理，此結論在實驗中已經(jīng)予以驗證。以上分析，突出了問題的主要矛盾，只要能夠找到對油品密度變化進行動態(tài)修正的方法，就可以實現(xiàn)項目的研制目的。

對油品密度進行動態(tài)修正，可以采用直接測量介質密度，對線性吸收系數(shù)修正的方法。但基礎實驗表明，直接測量法難以解決密度影響的問題。目前低含水原油在線密度測量儀表都不能達到要求的測量精度，實驗中我們采用137Cs 光子源，在實驗室條件下對含水率0～2%的0# 柴油做密度測量，測量不確定度為0.5%，導致的含水誤差±0.3%。事實上原油密度在線精確測量本身就是一個比較困難的問題，而我們的目的并不是測量密度，而是要測量含水率，通過實驗研究得到的結論是，直接測量法對密度進行絕對修正，對于解決本項目含水測量問題事倍功半，難以取得滿意的結果。

如圖1，該檢測系統(tǒng)采用間接方法對密度變化進行修正，引入另一能量不同的光子成份，穿過介質后，其計數(shù)率與含水率之間的關系可由與式(3)形式相同的方程表述，但其吸收系數(shù)完全不同，則與式(3)聯(lián)立成以下方程組：

ln(N0/NX)=(μ1-μ2)da+μ2d

ln(M0/MX)=(v1-v2)Da+v2D

(6)

式中：NX為光子能量編號為1的光子穿過厚度為d的均勻物質后的剩余光子強度，keV；M0為光子能量編號為2的光子的入射光子強度，keV；MX為光子能量編號為2的光子穿過厚度為D的均勻物質后的剩余光子強度, keV；v1和v2分別為光子能量編號為2的光子對應于純水相和純油相的吸收系數(shù)，cm-1。

從方程組(6)出發(fā)，引入油品視密度的相對變化量δρ2/ρ2,作為修正變量，經(jīng)過理論推導得到下列方程組：

(7)

方程組中顯含了油品視密度的變化，將其與含水率關聯(lián)，通過解聯(lián)立方程可同時檢測含水率和油品視密度的變化。應用方程組(7)，采用238Pu和241Am低能光子源，兩組光子能量分別為17keV和59.6keV，進行原理和現(xiàn)場驗證均獲得滿意結果。

2 系統(tǒng)特點

本系統(tǒng)屬于高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性的在線智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的實際應用將改變目前原油交接計量中完全依賴人工計量的操作方式，解決由于生產(chǎn)效率低、勞動強度高和人為因素導致計量誤差大等因素而制約石油生產(chǎn)及儲運企業(yè)實現(xiàn)原油含水計量過程自動化、信息化的關鍵技術障礙，具有如下特點。

1)開創(chuàng)性地將雙能雙束同位素光子測量方法應用于多品質原油混輸?shù)秃实臏蚀_在線檢測。

2)測量原理中對多品質原油混輸導致的多項影響因素進行合理歸并，建立等效油品視密度中間變量，根據(jù)其變化與含水變化的相互關聯(lián)規(guī)律，以雙能光子吸收測量解決多因素干擾的問題，使原油含水測量達到計量標準的精度要求。

3)雙源雙探頭結構設計，結構緊湊，采用完全非接觸式測量，可滿足現(xiàn)場各種工況和安裝條件。

4)應用低能同位素光子源，易于達到防護標準，減小體積。

5)采用基于ARM9結構的AT91RM9200芯片構成嵌入式儀表系統(tǒng)，強大的32位 RISC處理器和豐富的外圍模塊使之可以完成臺式工控機所有的全部功能。系統(tǒng)對反映被測量介質瞬態(tài)變化信息的脈沖計數(shù)、溫度、壓力、流量等信號進行現(xiàn)場采集，通過條件化和運算處理，得到含水率和油品變化的實時結果，根據(jù)設限值對含水超標及時報警。生產(chǎn)計量數(shù)據(jù)就地顯示，并可發(fā)送脈沖、電流、電壓等信號，或者通過嵌入式WEB服務器發(fā)布數(shù)據(jù)。

本產(chǎn)品主要應用在石油煉化等行業(yè)在原油的生產(chǎn)和輸送過程中對含水數(shù)據(jù)的在線檢測、采集、處理、分析、傳輸以及精確計量，并可在化工、儲運、食品、制藥等行業(yè)液態(tài)物料組分信息在線分析的過程中推廣應用。

3 社會經(jīng)濟意義

系統(tǒng)產(chǎn)品設計適用于目前各種工礦條件下原油含水量的實時、精確、公允在線計量，規(guī)模生產(chǎn)和推廣應用后，可替代國外同類產(chǎn)品(國外產(chǎn)品的適用性較低)，增加就業(yè)機會，產(chǎn)生很好的社會效益。

由于本系統(tǒng)產(chǎn)品在計量中能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時檢測、自動采集、系統(tǒng)分析等功能，可在很大程度上提高工作效率、降低勞動強度。本系統(tǒng)的推廣應用會隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展、石油等相關產(chǎn)業(yè)技術改造的普及、國家戰(zhàn)略儲備計劃中管網(wǎng)輸運分配體系的建設實施而有著極好的前景，可為實施單位及地方創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。系統(tǒng)使用單位通過及時、合理、準確的計量維權，可避免或挽回因人為因素和計量誤差造成的經(jīng)濟損失。

本系統(tǒng)的實施，一方面符合國家原油儲備戰(zhàn)略計劃，為系統(tǒng)應用單位降低成本，提高工作效率，加速信息化、自動化建設的速度，維護相關方權益，減少計量糾紛與誤差，提高經(jīng)濟效益；另一方面本系統(tǒng)可應用于對環(huán)境因素中污染物的監(jiān)測，促進環(huán)境保護工作，與可持續(xù)性發(fā)展戰(zhàn)略相一致。

4 現(xiàn)場應用情況

該系統(tǒng)在長慶油田西一聯(lián)合站安裝有9套，技術人員通過人工取樣，離心法測定含水(視為真實值)[4]，對其運行狀況進行對比監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)在其標定周期內運行平穩(wěn)，含水監(jiān)測誤差在設備和工藝允許的范圍內(表2)。

表2 FDH-S型含水監(jiān)測系統(tǒng)測定原油含水率與離心法測定含水率對比表

由表2可以看出，該系統(tǒng)完全可以滿足原油集輸中對于含水率測定的要求，特別對低含水原油的監(jiān)測效果更好。

5 技術指標

FDH-S型含水監(jiān)測系統(tǒng)技術指標如表3所示[5-6]。

表3 FDH-S型含水監(jiān)測系統(tǒng)技術指標

6 結束語

雙能雙束同位素光子測量方法解決多品質原油混輸?shù)秃示軠y量，引入油品視密度的相對變化量，很好地解決了原油密度變化量對含水率測定精度的影響。在儀表的物理結構方面，雙源雙探頭結構設計，結構緊湊，采用完全非接觸式測量，可滿足現(xiàn)場各種工況和安裝條件。鉛屏蔽結構設計使儀表的光子泄漏率遠低于國家有關法規(guī)的標準。從現(xiàn)場應用情況來看，其測量精度完全滿足原油含水測量的工藝要求，且能較容易地實現(xiàn)自動化和數(shù)字化，系統(tǒng)軟件組態(tài)化設計，具有過程參量和生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時顯示、設限報警、各級報表生成打印、歷史數(shù)據(jù)保存調閱、顯示趨勢圖、流程圖生成、遠程通訊等功能。避免了人工取樣檢測的偶然誤差，降低了工人的勞動強度，在原油生產(chǎn)行業(yè)具有廣闊的應用前景。

[1] 楊福家.原子物理學[M].上海：上海科學技術出版社，1985

[2] 熊俊. 近代物理實驗[M].北京：科學出版社，2007

[3] 李幫軍.射線輻射測量實驗原理與特性研究[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2007.10:104-105

[4] 管煥錚，吳宏陸，薄艷紅，等.GB 6533—1986原油中水和沉淀物測定法(離心法)[S].北京:中國標準出版社，2010

[5] 李書朝，陳在學，李江，等.GB 3836—2010爆炸性環(huán)境設備通用要求[S]. 北京:中國標準出版社，2011

[6] 孫奉先，高法會，李金鉤，等.SY/T 5566—1998低能源原油含水分析儀[S].北京：石油工業(yè)出版社，1999

*科技型中小企業(yè)技術創(chuàng)新基金項目(04C26216201444)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.06