原油泄漏檢測與報警系統(tǒng)設計分析

魏振強，劉建鋒，王德建

（1.中國石油集團安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102200；2.中國石油華北石化公司，河北 任丘 062550；3.中國石油渤海石油裝備制造有限公司，天津 300272）

目前，針對采油裝置的原油泄漏風險，各油田采油廠多數(shù)通過巡檢制度等管理手段加以控制，作業(yè)人員每20min對井場進行巡視一次，工作量大，輕微泄漏不易發(fā)現(xiàn)，在夜間巡檢制度更得不到有效的執(zhí)行，原油泄漏時有發(fā)生。盤根固定于盤根盒內(nèi)，其壽命非常有限，在盤根的使用過程中，伴隨著原油對盤根的化學腐蝕程度、抽油桿的偏心運動對盤根結(jié)構(gòu)造成的塑性變形等情況，盤根逐漸老化，導致原油在盤根與光桿的接觸面發(fā)生緩慢的滲漏，如不及時處理，原油會在接觸面發(fā)生噴射泄漏。

1 方案設計

通過調(diào)研交流和匯總分析，對原油泄漏檢測與報警系統(tǒng)的功能流程設計如圖1所示。

圖1 功能流程圖

微處理器采用ATMEL公司生產(chǎn)的高性能CMOS 8位單片機AT89C52，成本低廉，功能強大。

雨水感應器采用SONGLE公司FC-50雨水傳感器模塊，當雨天時，微控制器不發(fā)出聲光報警指令，聲光報警器無動作。

聲光報警器采用正泰ND2 LED爆閃聲光報警器，能夠發(fā)出脈沖式紅色報警光和高分貝警報。

緩沖放大器采用TL082CN雙運算放大器，具有較低的輸入偏置電壓和偏移電流。

漏油檢測傳感器為自主設計元件，可以捕捉到原油泄漏激勵源，緩沖放大器將傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖交虻碗娖叫盘?；其次，微控制器根?jù)高低電平信號向聲光報警部件發(fā)出聲光報警指令，漏油后立即發(fā)出聲光警報，提示作業(yè)人員通過維修或更換盤根、臨時停井等方法及時處理漏油風險；采用干電池供電，方案設計如圖2所示。

圖2 方案設計

緩沖放大器、微處理器、聲光報警、雨水感應器和電源均集成在一個控制箱內(nèi)，控制箱一側(cè)外殼設計為圓弧形，采用磁吸附方式使其貼合在套管外側(cè)，以實現(xiàn)拆裝方便的目的。

2 漏油檢測傳感器設計

2.1 設計調(diào)查

通過對采油廠站現(xiàn)場條件的調(diào)查，測力傳感器、光電傳感器等都不適合。如應用測力傳感器時，由于泄漏后的原油在光桿四周呈圓周狀堆積，因此至少安裝兩臺測力傳感器才能有效捕捉漏油現(xiàn)象，而且還需要在兩個傳感器之上還需要設計一個承壓平臺，以實現(xiàn)對整個環(huán)形表面漏油信號的捕捉，既改變了采油裝置原有結(jié)構(gòu)，又增加了成本。如應用光電傳感器時，應至少安裝3組光電傳感器，增加了成本；又需要在直徑8cm左右的盤根盒上安裝3組光電傳感器，空間緊湊、安裝困難；光電傳感器還需要持續(xù)供電，不適于干電池供電。

2.2 結(jié)構(gòu)設計

原油中含有水分子，利用水能導電的特性進行設計。傳感器采用圓環(huán)結(jié)構(gòu)，該圓環(huán)留有開口便于套在光桿外側(cè)，安裝在盤根盒上面。當原油在盤根與光桿的接觸面發(fā)生泄漏時，原油首先會在傳感器上堆積。

傳感器由吸濕層、叉指金屬電極和絕緣層組成，吸濕層吸收堆積原油中的水分，叉指金屬電極由相互間隔1.5mm的正負電極組成，叉指金屬電極鑲嵌在絕緣層上。當原油泄漏時，首先堆積在吸濕層上，吸濕層吸收的水分充當正負電極之間導體，使傳感器工作。微處理器接收傳感器信號后，向聲光報警下達指令，提示作業(yè)人員采取有效措施防止原油泄漏。解除警報后，更換吸濕層，進入下一個工作循環(huán)。如圖3所示。

圖3 傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.3 傳遞函數(shù)

傳遞函數(shù)反映了漏油檢測傳感器輸入ρ和輸出F之間的函數(shù)關(guān)系，在忽略環(huán)境溫度影響的情況下，輸入ρ和輸出F呈現(xiàn)線性關(guān)系，其中I為中間變量，傳遞函數(shù)模型如圖4所示。

圖4 傳遞函數(shù)模型

式中，ρ是水的電阻率；S是正負電極的橫截面積；L是正負電極導體長度。

3 結(jié)語

原油泄漏檢測與報警系統(tǒng)經(jīng)過3個月的試運行，現(xiàn)場作業(yè)人員反映該系統(tǒng)工作靈敏，夜間報警時發(fā)出紅色光穿透性強，警示及時。原油泄漏檢測與報警系統(tǒng)拆裝簡便，成本非常低，能及早發(fā)現(xiàn)泄漏風險，降低作業(yè)人員的巡檢強度。目前該系統(tǒng)已應用在采油站內(nèi)的16口采油裝置上，持續(xù)加強驗證效果，準備在全區(qū)內(nèi)推廣使用。