諧振腔微擾法測量原油含水率仿真研究

郭文閣，馬文濤，雍振，張旋

（西安石油大學，陜西　西安　710065）

諧振腔微擾法測量原油含水率仿真研究

郭文閣，馬文濤，雍振，張旋

（西安石油大學，陜西西安710065）

與傳統(tǒng)在線測量原油含水率的方法相比，高頻微波諧振腔微擾法具有受外界環(huán)境影響小，不受礦化度影響，測量精度高的特點。由于原油和水的介電常數(shù)相差較大，微小的含水率變化會引起介電常數(shù)較大變化，使得不同含水率原油對微波場的損耗不同。通過軟件仿真的方法可以測量出含微擾源（樣品原油）的微波諧振腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)變化情況，根據(jù)矩形諧振腔微擾公式可得出樣品原油的介電常數(shù)，然后將所得結(jié)果代入原油含水率和介電常數(shù)關系公式求得原油含水率。并且將鋁制邊界條件和銅制邊界條件下所測得的原油介電常數(shù)數(shù)據(jù)與理論值進行分析，求出其相對百分比誤差，得出一種較為簡單、實用、快速準確的測量中低含水率原油的方法。

諧振腔；諧振頻率；品質(zhì)因數(shù)；含水率；微擾法

0　引言

隨著社會經(jīng)濟對石油能源的需求量逐年提升，工業(yè)設備和石化采集、運輸系統(tǒng)對原油含水率信息的要求越來越精細，使得原油含水率的測量技術(shù)直接影響著石油工業(yè)的發(fā)展，主要表現(xiàn)在原油的開采、脫水、集輸計量、儲運銷售和石化煉制等重要環(huán)節(jié)，而精確及時的測量含水率十分困難，所以尋找一種及時準確的含水率測量方法顯得尤為重要。及時準確地獲得含水率信息不僅能夠為穩(wěn)定地控制石油生產(chǎn)的過程提供理論依據(jù)，而且能夠保證成品原油的生產(chǎn)，進而降低生產(chǎn)成本，減少能源消耗。傳統(tǒng)的測量方法（如電容法、電導法等）只能滿足較低準確度，即使能夠達到較高準確度也需要耗費大量的時間和人力（如電化學方法中的卡爾-費休法、蒸餾法和電脫法等）。在低含水（＜30%）時，水的礦化度對于水的介電常數(shù)影響較小，當對高含水（＞60%）時，水的礦化度會較大地影響電容式測量、電導式等在線測量方法的精度。據(jù)此提出了一種測量精確度高、測量時間短、并且不受原油礦化度影響的方法，即微波諧振腔微擾法測

4量原油含水率［1-2］。微波具有穿透能力強，不僅能夠測量樣品原油表層的水分，還可以檢測樣品原油內(nèi)部（油包水）的水分，并且具有測量時間短、效率高、不受礦化度影響等顯著優(yōu)點［3-4］。諧振腔微擾法根據(jù)引入微擾源中的油、水介電常數(shù)相差較大，即水分子電場極化強度遠遠高于油。原油樣品中含水量的多少對于電磁場的幅值損耗和相位延遲產(chǎn)生影響，使得高頻電磁波在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生根據(jù)含水量變化的高頻振蕩諧振，諧振腔中的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)會隨著發(fā)生變化。根據(jù)諧振腔內(nèi)電磁諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)可以得出樣品原油的介電常數(shù)的變化，然后由原油含水率和介電常數(shù)的關系公式可求得樣品原油的含水率。

1　原油含水率與介電常數(shù)關系

介電常數(shù)又稱為電容率，表示介質(zhì)在外電場作用下極化程度的物理量，反映了介質(zhì)存儲電荷的能力，是相對介電常數(shù)和真空絕對介電常數(shù)的乘積，常溫常壓下，一般水的相對介電常數(shù)為80左右，而純油（如原油、柴油和煤油等）相對介電常數(shù)均為2.3左右。油水混合物的相對介電常數(shù)與其含水率密切相關，水分子作為極性分子，而油分子作為非極性分子，由于極性分子與非極性分子在電極化場的作用下極化機理不同，因此，油水混合物的相對介電常數(shù)值不等于它們的算術(shù)平均值。

在實際生產(chǎn)中原油和水的混合存在三種取向極化狀態(tài)［5］：

（1）油和水的分界面平行于極化場電力線，兩種介質(zhì)為并聯(lián)關系，即兩種介質(zhì)相對于混合介質(zhì)的等效相對介電常數(shù)為：

（2）油和水的分界面垂直于極化場電力線，兩種介質(zhì)相對于極化場為串聯(lián)關系，這時混合物的等效相對介電常數(shù)為：

實際中，油和水基本以不規(guī)則相互混合狀態(tài)存在，所以式（1）和式（2）相對誤差較大，使用較少。

（3）當油水在流動狀態(tài)下充分混合，油水混合介質(zhì)中復雜的分界面相對于電極化場有串聯(lián)又有并聯(lián)，用并聯(lián)系數(shù)k描述這種混合極化狀態(tài)，由經(jīng)驗得出k是含水率ρ的函數(shù)，可表示為：

因此，油水混合物的相對介電常數(shù)可以表示為：

式中：ρ是原油含水率；εw是水的相對介電常數(shù)；εp是原油的相對介電常數(shù)。

本文為了符合實際情況，仿真設計中采取第三種取向極化狀態(tài)的表達式，根據(jù)極化式（3）可求得不同含水率原油的混合介電常數(shù)的變化情況。

2　微擾法原理

微波諧振腔主要分為圓柱形諧振腔和矩形諧振腔。由于矩形諧振腔有著廣泛的理論基礎和測試研究，有較為準確的測試表達公式，并且具有品質(zhì)因數(shù)高和傳輸損耗小的特點，所以在此只討論矩形諧振腔的微擾法［6-8］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于水的介電常數(shù)遠遠大于原油的介電常數(shù)，所含水分對微波場的損耗比純凈原油大的多，將含水原油樣品放到諧振腔的適當位置，微波通過諧振腔中的油體樣品時，其諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)會發(fā)生相應變化，對于原油含水率測量來說，主要關心的是由于含水量不同所引起的介電常數(shù)變化，所以將樣品放在諧振腔微波電場最大，而微波磁場為零處，當樣品（d h?1 10）很小時，可以將|f-f0|看成微擾［9］。

圖1　矩形諧振腔和微擾結(jié)構(gòu)圖

矩形諧振腔的微擾公式為：

式中：f0為諧振腔諧振頻率；f為放入樣品后諧振頻率；Δ（1QL）為放入樣品后諧振腔的有載品質(zhì)因數(shù)QL的倒數(shù)變化；μ為樣品的張量磁導率；I為單位張量；εr為樣品的相對介電常數(shù)；E0和H0為空腔中的電磁場；E和H為放入樣品后腔中的電磁場；VS為樣品的體積；V0為諧振腔體積（VS?V0）。

為了分析簡便，將樣品放入諧振腔電場最大而磁場為零處時，仿真結(jié)果和理論相一致，即矩形諧振腔在本征模式條件下存在兩處電場最強而磁場強度為零的點，（x=a 2,y=l 4），空腔仿真圖形，如圖2所示。

微擾公式變?yōu)椋?/p>

圖2　空腔電場和磁場立體圖

積分后得：

由式（7）可知，通過測量諧振腔諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)的變化，可以將復介電常數(shù)中的ε′和ε″求出［8］。其中ε″是復介電常數(shù)中表示電磁波在諧振腔中介質(zhì)的電極化損耗，而ε′是介電常數(shù)部分［9］。

3　仿真及結(jié)果分析

本文為了方便計算和仿真，采用國標BJ-9型矩形諧振腔，其起始頻率為0.76 GHz，截止頻率為1.15 GHz，內(nèi)截面尺寸247.6 mm×123.8 mm，外截面尺寸253.6 mm×129.8 mm,內(nèi)部圓角r=1.2 mm，諧振腔長度選擇為400 mm，厚度為3 mm。由于本文只對腔體中所存在的電磁場結(jié)構(gòu)和對應的頻率值進行數(shù)值上的求解，所以采用諧振腔本征模的數(shù)值求解方法。其設置最小求解頻率為0.8 GHz，最大迭代次數(shù)3次，收斂誤差10%，其求解模式數(shù)有5個，其中模式1為最低次模。仿真計算所得到的頻率具有虛部和實部，其中實部是諧振頻率，而諧振頻率的虛部和各種損耗有關，在此不考慮損耗，所以忽略虛部的影響。

將空腔的面電場圖和放入純油的面電場圖進行比較發(fā)現(xiàn)，矩形諧振腔中電場強度最大的兩個點的值減少了約0.027 V/m，滿足微擾的條件要求，如圖3所示。

圖3　空腔和純油樣品放入后電場強度對比圖

原油樣品含水率取12組油水兩相不同配比的樣品，純油、1%含水率的油、10%含水率的油、20%含水率的油、30%含水率的油、40%含水率的油、50%含水率的油、50%含水率的油、60%含水率的油、70%含水率的油、80%含水率的油、90%含水率的油和純水。矩形諧振腔內(nèi)電場強度隨著微擾樣品中原油含水率的增加而減少，如圖4所示，其諧振腔的諧振頻率也依次降低，如圖5所示，能夠較好地反應出原油含水率的變化情況。

圖4　不同含水率樣品的諧振腔電場

圖5　不同含水率諧振腔的諧振頻率變化

相對介電常數(shù)為第三種既有串聯(lián)又有并聯(lián)的形式，經(jīng)計算所得理論介電常數(shù)和仿真計算所得介電常數(shù)對比如表1所示。

表1　不同含水率的理論介電常數(shù)和所測介電常數(shù)

4　實驗結(jié)果

根據(jù)所求得的諧振頻率代入式（7）中，可以算出所測油水混合物的介電常數(shù)，對于本文仿真分析來說，取原油樣品充分混合，對于樣品即油水混合物相對介電常數(shù)為第三種既有串聯(lián)又有并聯(lián)的形式取原油樣品充分混合，對于樣品即油水混合物將兩組數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理并畫出圖形進行對比，如圖6所示，當含水率低于70%時，仿真測量相對介電常數(shù)和理論值非常接近，說明仿真的準確性；當含水率高于70%時，測量值略低于理論計算值，仿真出現(xiàn)較大誤差。

圖6　不同含水率介電常數(shù)的理論值和測量值

如圖7所示，當含水率小于70%的時候，樣品原油介電常數(shù)測量值和理論真實值的相對百分比誤差小于5%，和真實值較為接近，可以滿足實際測量的需要（銅制邊界條件下的測量結(jié)果和鋁制邊界結(jié)果基本相同，故只列出鋁制邊界條件下的仿真結(jié)果）。

圖7　測量值和理論值的相對百分比誤差

5　結(jié)語

本文提出一種測量精確度高、測量時間短、并且不受原油礦化度影響的方法，即微波諧振腔微擾法測量原油含水率，并進行仿真，結(jié)果表明該方法可以滿足實際測量的需要。

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Simulation study on resonant cavity perturbation method to detectmoisture content of crude oil

GUO Wenge，MA Wentao，YONG Zhen，ZHANG Xuan
（Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065，China）

In comparison with the traditional on-line detecting method of moisture content of crude oil，the high-frequency microwave resonant cavity perturbation method is seldom influenced by the external environment and never influenced by the mineralization，and has high detecting accuracy.Since the permittivity of water and crude oil is significantly different，and the small change of water content can change the permittivity greatly，the crude oil with different moisture contents may result in the different losses of microwave field.The change of resonant frequency and quality factor of the microwave resonant cavity containing perturbation source（sample crude oil）are detected by means of software simulation.The permittivity of sample crude oil can be obtained according the perturbation formula of rectangle resonant cavity.And then the obtained result is substituted into the relation formula reflecting crude oil moisture content and permittivity to get the permittivity of the sample moisture content of crude oil.The crude oil permittivity data detected in aluminum and copper boundary conditions is analyzed with the theoretical value，and the relative percentage error is found out.A simple，practical，fast and accurate method to detect the crude oil with medium and low moisture content is obtained.

resonant cavity；resonant frequency；quality factor；water content；perturbation method

TN98-34

A

1004-373X（2016）20-0004-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.20.002

2016-02-26

國家自然科學基金（11074198）

郭文閣（1967—），男，浙江東陽人，教授，博士。主要從事光電子技術(shù)、介電譜測量相關研究的工作。

馬文濤（1989—），男，河南焦作人，碩士研究生。主要研究高頻電磁波測量原油含水率方法。

雍振（1982—），男，陜西西安人，助理工程師。主要研究電磁場仿真計算與模擬。

張旋（1991—），女，陜西咸陽人，助理工程師。主要研究太陽能有機光電池技術(shù)。