超聲波切水器設(shè)計(jì)探討

劉浩 彭浩平,2 雷云 于鵬飛 董亮

(1．常州大學(xué)江蘇省油氣儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇常州213164；2.常州大學(xué)江蘇省材料表面科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇常州213164)

0 引言

當(dāng)今的石油行業(yè)，石油從地底采出就伴隨著大量的水，經(jīng)過一系列簡(jiǎn)單的脫水處理后，還是會(huì)有很多的水沉積在油罐的底部。對(duì)油品質(zhì)量要求越來越高的今天，含水量超標(biāo)的石油，不僅在生產(chǎn)作業(yè)中會(huì)帶來很大的風(fēng)險(xiǎn)，更是對(duì)油的品質(zhì)大打折扣，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此想要最大程度上提高油的質(zhì)量并且保證安全生產(chǎn)，就必須要去除掉這些水分。

在認(rèn)識(shí)到水對(duì)油品的質(zhì)量的破壞之后，我國出臺(tái)了一系列的規(guī)定來規(guī)范化工企業(yè)對(duì)去除水分的操作。例如在《中國石油天然氣股份有限公司輕質(zhì)油品儲(chǔ)罐技術(shù)導(dǎo)則(試行)》這個(gè)規(guī)范中，就對(duì)儲(chǔ)罐配備自動(dòng)切水器上進(jìn)行了規(guī)定。

1 超聲波切水器

目前，石油化工系統(tǒng)油罐普遍采用機(jī)械式切水器，或各種探頭式智能切水器，機(jī)械式切水器根據(jù)油和水的密度差通過浮子等獲得力，再通過機(jī)械杠桿原理推動(dòng)閥門[1]。這種切水器的缺點(diǎn)是：①由于油水檢測(cè)原理的限制，在切水作業(yè)的最后階段，傳統(tǒng)切水器所排放出的水中含油量超過50%，造成浪費(fèi)。而且這些切水器有一個(gè)共同缺點(diǎn)，那就是只能對(duì)表層的浮油進(jìn)行檢測(cè)，但是不能對(duì)于那些分解在水里的油進(jìn)行檢測(cè)。 ②機(jī)械浮球式自動(dòng)切水設(shè)備的排水口泄漏嚴(yán)重，機(jī)械浮球式自動(dòng)脫水設(shè)備維護(hù)工作量大，可靠性低。這種機(jī)器在多次切水之后，浮筒或浮球表面的油污會(huì)加大它的重量，就會(huì)導(dǎo)致浮球?qū)⒊两翟谙孪尬恢?，使得機(jī)械浮球式自動(dòng)切水設(shè)備拒絕切水。③對(duì)于擁有若干個(gè)儲(chǔ)罐的石油化工企業(yè)來說，這些裝置不便于集中管理，遠(yuǎn)程操作。發(fā)生關(guān)閉不密，跑、冒、滴、露現(xiàn)象時(shí)[1]，不能第一時(shí)間處理，造成經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重或?qū)е率鹿拾l(fā)生。

采用外貼式的超聲波傳感器檢測(cè)油水界面或含油量，其優(yōu)勢(shì)在于傳感器不直接接觸介質(zhì)，不受介質(zhì)粘度的限制，不會(huì)被污染而影響檢測(cè)精度，也不必頻繁的擦洗保養(yǎng)。由于不用在罐體上額外開孔，從安全和經(jīng)濟(jì)的角度考慮，采用超聲波檢測(cè)儀器有著無可比擬的安全性、優(yōu)越性和先進(jìn)性。

1.1 超聲波傳感器設(shè)計(jì)考慮

根據(jù)超聲波傳感器可以利用超聲波檢測(cè)到含油量的原理，本文利用此原理設(shè)計(jì)出兩種結(jié)構(gòu)裝置的超聲波切水器，其一是管道式，其二是緩沖罐式，并且根據(jù)考慮的技術(shù)要求、安全要求和經(jīng)濟(jì)要求，提出以下幾點(diǎn)要求：

(1)正式投產(chǎn)使用前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)要收集到位，不同介質(zhì)、不同溫度下超聲波傳感器的工作進(jìn)度是改變的，只有建立準(zhǔn)確并且全面的數(shù)據(jù)模型，才能使機(jī)器發(fā)揮它應(yīng)有的作用。

(2)為了滿足各類儲(chǔ)罐切水安全的要求，超聲波硬件系統(tǒng)采用冗余配置[2]，極大地保障切水過程中對(duì)切水閥門的安全控制。

(3)由于溫度時(shí)刻影響著超聲波傳播速度，收集實(shí)時(shí)溫度便于后臺(tái)系統(tǒng)分析結(jié)果結(jié)算，因此完整的切水裝置中必須具有溫度檢測(cè)功能。

為了設(shè)計(jì)出一套完整科學(xué)的切水器，需對(duì)其建立數(shù)學(xué)模型和設(shè)計(jì)安全儀表系統(tǒng)。

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

超聲波傳感器的檢測(cè)原理即聲音傳播原理：聲音在不同介質(zhì)中的傳播速度是不同的。同理，在油水密度不同的溶液中，聲音傳播的速度是不同的?？紤]到裝置在切水作業(yè)中，溫度、油水比例、超聲波速度和相位差都是變化的，為了得到這些因素的數(shù)學(xué)關(guān)系，需對(duì)其建立數(shù)學(xué)模型。

此次數(shù)學(xué)模型的建立選取了純凈水和含油量低于5%的油水混合物兩個(gè)樣品，設(shè)定一個(gè)圓柱體容器，直徑L，高度H，溶液溫度設(shè)定為T[3]，那么建立下式：

(1)

式中,Ct為聲音在純凈水中的傳播速度,Ctx為聲音在油水混合物中的傳播速度,C0為0 ℃聲音在純凈水中的傳播速度,K1為聲音在純凈水中的溫度系數(shù),K2為油水混合物的濃度比例系數(shù)。

上式可得出聲波在純凈水和油水溶液中傳播時(shí)間差△t為:

(2)

結(jié)合：

△φ=2πf△t

式中，△φ為兩路接手信號(hào)的相位差，f為超聲波發(fā)射頻率。

(3)

當(dāng)標(biāo)定x1點(diǎn)濃度時(shí)，即T=T1，x=x1,φ=φ1則：

(4)

將式(4)代入式(3)得：

(5)

式中，T1，Κ1，φ1，x1均為可調(diào)整數(shù)值。

1.3 安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于在石油化工廠的生產(chǎn)作業(yè)中，多是危險(xiǎn)裝置，因此一套完整的設(shè)備設(shè)計(jì)必須考慮其安全性。根據(jù)中國石化、中國石油對(duì)石油化工生產(chǎn)設(shè)備明確要求要達(dá)到SIL2級(jí)的規(guī)定，本次設(shè)計(jì)考慮安全儀表系統(tǒng)(SIS)，對(duì)切水器進(jìn)行安全完整等級(jí)(SIL)計(jì)算[4]。國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508中 對(duì)SIL的定義為：在一定時(shí)間一定條件下，安全相關(guān)系統(tǒng)執(zhí)行其所規(guī)定的安全功能的可能性。

標(biāo)準(zhǔn)指出，為了得出裝置的安全完整性等級(jí)，需對(duì)所有的系統(tǒng)，包括傳感器、邏輯控制器和最終元件等的平均失效概率進(jìn)行計(jì)算，最后由得出的平均失效概率PFD，判斷安全儀表系統(tǒng)的完整等級(jí)。根據(jù)IEC61508中的指示，結(jié)合超聲波感應(yīng)裝置的架構(gòu)，運(yùn)用“1∞2”結(jié)構(gòu)公式進(jìn)行計(jì)算[5]。

IEC 61508中“1∞2”公式：

(6)

(7)

(8)

式中,tCE為通道的等效平均停止工作時(shí)間,h；tGE為表決組的等效平均停止工作時(shí)間，h；λD為子系統(tǒng)中通道的危險(xiǎn)失效率；λDU為未檢測(cè)到的危險(xiǎn)失效率；λDD為檢測(cè)到的危險(xiǎn)失效率；T1為檢驗(yàn)測(cè)試時(shí)間間隔，h；MTTR為平均修復(fù)時(shí)間，h；λSD為子系統(tǒng)中被檢測(cè)到的安全失效率；β為有共同原因未被被檢測(cè)到的失效分?jǐn)?shù)；βD為具有共同原因已被檢測(cè)到的失效分?jǐn)?shù)；β= 2βD。

β可根據(jù)IEC 65108附錄中的表D.1 中的給定數(shù)值選取，將β常規(guī)取值代入式中計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，取值對(duì)結(jié)果影響很小，可以忽略不計(jì)[6]。為了方便計(jì)算，未被檢測(cè)到的失效分?jǐn)?shù)取2%，已被檢測(cè)的失效分?jǐn)?shù)取1%。所有組件的MTTR均為8 h，每個(gè)SIF回路的T1按1a計(jì)算。

公式中的其余參數(shù)λSD，λDD,λDU,λD等數(shù)據(jù)，在IEC61508中規(guī)定由制造廠商提供。因此需選用已取得SIL認(rèn)證的儀表、邏輯控制器、最終元件等[7]。

2 超聲波切水器設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上面的計(jì)算實(shí)例，對(duì)目前市面上主流的兩種切水器類型：管道式切水器和緩沖罐式切水器分別作出設(shè)計(jì)[8]，并介紹其優(yōu)點(diǎn)和適用領(lǐng)域。

2.1 管道式超聲波切水器(見圖1)

緩沖罐式切水器的工作原理是利用超聲波裝置檢測(cè)排水管中的水的含油量，由于采用的是“2∞2”設(shè)計(jì)方案，所以兩個(gè)超聲波裝置檢測(cè)到的含油量都低于設(shè)定值時(shí)，開啟閥門，進(jìn)行切水，同時(shí)在切水過程中調(diào)節(jié)閥門開度，控制流速，當(dāng)其中一個(gè)裝置檢測(cè)到含油量高于設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉閥門，回油，完成切水。

管道式切水器的優(yōu)勢(shì)在于：不需要測(cè)出油水界面的位置，適用于輕、重質(zhì)油，在為小型油罐切水時(shí)，可以不設(shè)緩沖罐，減少成本，受場(chǎng)地、溫度、粘度、密度的影響較小。

圖1 管道式超聲波切水器

2.2 緩沖罐式超聲波切水器(見圖2)

將兩個(gè)超聲波檢測(cè)裝置對(duì)稱安置在切水器緩沖罐的罐體兩側(cè)，并且這兩個(gè)傳感器可以同時(shí)用于接收和發(fā)射聲波。此時(shí)裝置的工作原理從檢測(cè)含油量轉(zhuǎn)換成檢測(cè)油水分界線，當(dāng)界面高于設(shè)定水位時(shí)，打開閥門，進(jìn)行排水，同時(shí)根據(jù)油水分界面下降速度，調(diào)整閥門開度，控制水速，當(dāng)界面到達(dá)或低于設(shè)定線時(shí)，關(guān)閉閥門，進(jìn)行回油，完成切水。緩沖罐式切水器的優(yōu)勢(shì)在于排水量大、效率高，適用于輕質(zhì)油和大油罐的切水。

圖2 緩沖罐式超聲波切水器

3 結(jié)語

隨著安全問題越來越受到重視，由于石油化工生產(chǎn)設(shè)備若是因安全方面改動(dòng)裝置，必然導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加，所以在設(shè)備設(shè)計(jì)階段對(duì)架構(gòu)裝置和安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要，切水器亦是如此。裝置不僅需要達(dá)到安全生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，更需要為企業(yè)帶來更多的收益，兼顧安全和高效，是石化裝置發(fā)展的重要方向[9]。同時(shí)石化裝置在安全生產(chǎn)上，檢測(cè)儀器和儀表并不是越多越好，計(jì)算表明，檢測(cè)儀器和儀表的增加也會(huì)導(dǎo)致失誤率的增加，合理地設(shè)計(jì)檢測(cè)儀器的數(shù)量和檢測(cè)儀器的位置是安全儀表設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。