劉秀琴，李莉

(海工英派爾工程有限公司， 山東 青島 266061)

工程設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)

地下水封石洞油庫洞罐儀表的選型設(shè)計(jì)

劉秀琴，李莉

(海工英派爾工程有限公司， 山東 青島 266061)

為實(shí)現(xiàn)國家能源安全，滿足石油大容量儲存的要求，從原油儲備的安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，國家原油儲備的建設(shè)重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到水封洞庫。水封油庫具有規(guī)模大、自動化水平高、投資高、安全性要求高、工程復(fù)雜等特點(diǎn)，簡介了水封洞庫的儲油原理。通過對已建和在建水封洞庫的調(diào)研，對洞罐儀表選型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較，結(jié)合項(xiàng)目的具體情況，確定了洞罐儀表的選型、安裝方案，總結(jié)了安裝要求和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，供各位同行參考。

水封洞庫 洞罐 豎井 儀表 選型 設(shè)計(jì)

地下水封石洞油庫(以下簡稱水封洞庫)具有安全性高、對地面環(huán)境影響小、占用耕地少、節(jié)省大量鋼材、油品損耗小、運(yùn)營管理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[1]，在瑞典、韓國、日本等國家廣泛應(yīng)用于儲存原油及其產(chǎn)品，已有成熟的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)。20世紀(jì)70年代，中國也建成了兩座水封洞庫，儲存原油和柴油，但洞庫規(guī)模小，自動化水平低，之后近30年未繼續(xù)建設(shè)此類工程[2]。

隨著石油消費(fèi)量的不斷增長、世界政局的多變和對石油產(chǎn)品季節(jié)性需求量的不斷變化, 增大了對石油及其產(chǎn)品大容量儲存的要求[3]。目前國內(nèi)開始建設(shè)大規(guī)模的戰(zhàn)略原油儲備基地，且已建成多處地面原油儲備庫,從石油儲備的安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，采用水封洞庫的儲備方式具有較大優(yōu)勢[4]。由于國內(nèi)大規(guī)模水封洞庫的建設(shè)剛剛起步，因而工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)都非常少。筆者從水封洞庫的儲油原理入手，通過對洞罐儀表選型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析、比較，結(jié)合黃島、惠州洞庫項(xiàng)目實(shí)際情況，確定水封洞庫洞罐儀表的設(shè)計(jì)選型、安裝方案等。

1 水封洞庫簡介

1.1儲油原理

水封洞庫通過人工在地下巖石中開挖形成，其密封是通過地下水向洞內(nèi)滲透實(shí)現(xiàn)，即水封洞庫必須建在穩(wěn)定的地下水位線以下一定的深度,洞罐的埋深與洞室儲存介質(zhì)的最大工作壓力、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、穩(wěn)定的地下水位等因素有關(guān)，其埋深應(yīng)保證洞庫周圍的地下水壓力大于洞內(nèi)儲存介質(zhì)的壓力。正常儲存時，洞外部地下水壓力大于洞內(nèi)介質(zhì)壓力，地下水只能向洞內(nèi)滲透，而洞內(nèi)介質(zhì)不能向洞外滲漏，同時利用油比水密度小以及油水不能混溶的特點(diǎn)[5]，滲入洞內(nèi)的水沿洞壁匯集到洞底部形成水墊層,從而達(dá)到將所儲介質(zhì)封在洞內(nèi)的目的。滲入洞內(nèi)的水可由油水界面檢測儀表進(jìn)行檢測，待達(dá)到一定高度時，用安裝在洞內(nèi)的潛水泵將水排出洞外[6]。水封洞庫儲油方法有固定水位法和變動水位法，采用變動水位法儲油新鮮水的需求量和污水處理量大，運(yùn)行費(fèi)用高，因而目前多采用固定水位法，儲油原理示意[7]如圖1所示。

圖1 水封洞庫儲油原理示意

1.2特點(diǎn)

水封洞庫洞室的高度一般設(shè)計(jì)為30m，而洞罐的埋設(shè)深度根據(jù)儲存油品的性質(zhì)、壓力、巖體風(fēng)化程度和地下水位的高低等因素確定，從幾十米至一百米以上不等。對于埋深超過50m的水封洞庫，溫度計(jì)、液位計(jì)的檢測元件必須足夠長才可以實(shí)現(xiàn)測量。為便于儀表安裝、調(diào)試、維護(hù)和維修，洞罐儀表的變送單元應(yīng)安裝在豎井操作區(qū)，而工藝裝置和地面油庫常用的檢測儀表大多難以滿足使用要求，這給洞罐儀表選型帶來困難。

2 國外同類項(xiàng)目洞罐儀表選型

洞罐是水封洞庫的核心單元，洞罐儀表主要包括溫度儀表、液位儀表和界面儀表，根據(jù)對韓國、北歐已建和在建水封洞庫的調(diào)研，了解到國外水封洞庫洞罐儀表的選型思路。

2.1溫度儀表

溫度測量方式： 1) 采用多點(diǎn)平均溫度計(jì)，安裝示意如圖2a)所示；2) 采用單點(diǎn)溫度計(jì)用組合套管安裝的方式，將幾支單點(diǎn)溫度計(jì)組合安裝在一根不銹鋼套管內(nèi)，測量不同高度油品的溫度。單點(diǎn)溫度計(jì)與液位開關(guān)合用1根套管，安裝示意如圖2b)所示。

a)多點(diǎn)平均溫度計(jì)

b)單點(diǎn)溫度計(jì)組合安裝

2.2液位儀表

液位測量采用伺服液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、超聲波液位計(jì)三種方式。由于受洞庫埋深的制約，采用伺服液位計(jì)的居多，采用雷達(dá)液位計(jì)和超聲波液位計(jì)的較少。

2.3界面儀表

界面測量方式： 1) 采用伺服界面計(jì)，安裝示意如圖3所示；2) 采用電容式液位開關(guān)用組合套管安裝的方式，將幾臺液位開關(guān)組合安裝在1根不銹鋼套管內(nèi)，測量不同高度油水界面。液位開關(guān)與單點(diǎn)溫度計(jì)合用1根套管，安裝示意如圖2b)所示。

圖3 伺服液位計(jì)/界面計(jì)安裝示意

2.4儀表選型的優(yōu)缺點(diǎn)分析

國外同類項(xiàng)目洞罐儀表選型的優(yōu)缺點(diǎn)分析見表1所列。

3 洞罐儀表選型方案的確定

洞罐儀表在水封洞庫工程的運(yùn)行管理中起著重要作用，不僅要完成介質(zhì)溫度、液位和界面測量，而且要實(shí)現(xiàn)洞罐進(jìn)油、出油控制，主要設(shè)備潛油泵、潛水泵的啟停、聯(lián)鎖和保護(hù)等功能。多點(diǎn)平均溫度計(jì)可計(jì)算出洞罐內(nèi)介質(zhì)的平均溫度，和液位計(jì)配合計(jì)算出洞罐內(nèi)介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)體積，該計(jì)算結(jié)果可與地上生產(chǎn)區(qū)流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果進(jìn)行比對，以核對伺服液位計(jì)的測量精度。洞罐液位和界面是過程控制和安全聯(lián)鎖的重要參數(shù)，液位儀表和界面儀表的可靠性是保證過程控制和安全聯(lián)鎖可靠性和安全性的關(guān)鍵。因此，選擇安全、可靠、適宜的洞罐儀表是水封洞庫設(shè)計(jì)中非常重要的工作。

表1 儀表選型的優(yōu)缺點(diǎn)分析

綜合考慮表1中液位、界面及溫度儀表的優(yōu)缺點(diǎn)以及各種儀表的應(yīng)用業(yè)績，結(jié)合項(xiàng)目的具體情況，確定了黃島洞庫和惠州洞庫項(xiàng)目的洞罐儀表選型方案。

3.1溫度儀表

洞罐原油溫度測量選用洞罐專用多點(diǎn)平均溫度計(jì)，用于測量地下洞罐中原油不同高度的溫度及平均溫度。

多點(diǎn)平均溫度計(jì)采用一體化集成的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，配備至少16點(diǎn)的溫度檢測元件，任何連續(xù)測量的溫度檢測元件間的垂直距離不大于2m。各溫度檢測元件單獨(dú)接線至多點(diǎn)平均溫度計(jì)的智能溫度選擇器上。

多點(diǎn)平均溫度計(jì)溫度檢測元件的參考熱電阻為Pt100，其他測量點(diǎn)為T型熱電偶或Pt100熱電阻，可測量液相、氣相的單點(diǎn)溫度及原油的平均溫度。

3.2液位儀表

調(diào)研收集到的水封洞庫液位測量儀表應(yīng)用業(yè)績中，雷達(dá)液位計(jì)的最大測量液位是100m；超聲波液位計(jì)的最大測量液位是40m；伺服液位計(jì)的最大測量液位(鋼絲長度)是190m。黃島洞庫項(xiàng)目各洞罐埋深約120m，惠州洞庫項(xiàng)目各洞罐埋深約130m，顯然只有伺服液位計(jì)可以滿足項(xiàng)目的要求。

伺服液位計(jì)由測量浮子、鋼絲、磁鼓、伺服電機(jī)系統(tǒng)、高精度力傳感器、控制器和微處理器等組成。浮子在介質(zhì)中的位置由伺服機(jī)構(gòu)的平衡來確定，伺服機(jī)構(gòu)在微處理器控制下進(jìn)行測量[8]。鋼絲、磁鼓和力傳感器以杠桿滑輪原理構(gòu)成力平衡，高精度力傳感器判斷測量浮子的浮力信號和微處理器預(yù)置的測量要求，發(fā)出控制信號到控制器，決定伺服電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動方向，平衡后測量浮子的位移可由伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動步數(shù)確定。

洞罐原油液位測量選用兩套獨(dú)立的洞罐專用伺服液位計(jì)，利用其總線信號實(shí)現(xiàn)液位檢測、高低液位報(bào)警，利用其單獨(dú)輸出的單刀雙擲繼電器開關(guān)量信號實(shí)現(xiàn)高高液位、低低液位報(bào)警、聯(lián)鎖功能。

3.3界面儀表

與液位儀表原因相同，油水界面測量選用兩套獨(dú)立的洞罐專用伺服界面計(jì)。為監(jiān)控洞罐中水墊層的高度，設(shè)置洞罐內(nèi)水位檢測、報(bào)警及聯(lián)鎖功能。伺服界面計(jì)的浮子始終位于油水界面處，可連續(xù)跟蹤、測量油水界面，當(dāng)油水界面達(dá)到高高、低低報(bào)警聯(lián)鎖值時，利用其單獨(dú)輸出的單刀雙擲繼電器開關(guān)量信號實(shí)現(xiàn)報(bào)警、聯(lián)鎖功能，利用其模擬量信號或總線信號可實(shí)現(xiàn)液位(水位)檢測及高低報(bào)警功能。

4 洞罐儀表安裝

儀表安裝應(yīng)便于儀表維護(hù)、更換及觀測，儀表的觀測面應(yīng)朝向操作通道，周圍不應(yīng)有妨礙維修儀表的物件[9]，因而洞罐液位計(jì)、界面計(jì)和多點(diǎn)平均溫度計(jì)的變送單元均安裝在豎井口。

考慮到洞罐埋設(shè)深度及洞罐儀表檢測元件的長度，為便于儀表安裝，保護(hù)洞罐儀表的檢測元件，為伺服液位計(jì)、伺服界面計(jì)及多點(diǎn)平均溫度計(jì)設(shè)置了液位計(jì)、界面計(jì)導(dǎo)向管及溫度計(jì)保護(hù)管。

導(dǎo)向管、保護(hù)管安裝時，從上到下的垂直誤差一般小于導(dǎo)向管、保護(hù)管口徑的10%，并徹底處理好導(dǎo)向管通液孔的毛刺；焊接必須采用套焊，焊縫必須清理干凈；安裝時，必須保證洞罐儀表與導(dǎo)向管、保護(hù)管連接法蘭的水平度，一般控制在1°[10]之內(nèi)，伺服液位計(jì)、界面計(jì)導(dǎo)向管安裝示意如圖4所示。

圖4 伺服液位計(jì)/界面計(jì)導(dǎo)向管安裝示意

5 洞罐儀表的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

5.1儀表的易維護(hù)性

1) 設(shè)計(jì)中充分考慮了儀表的易維護(hù)性。洞罐液位/界面儀表選用基于微處理器的電子控制設(shè)備，采用多功能模塊化結(jié)構(gòu)；液位、界面儀表選用伺服液位計(jì)、界面計(jì)，可靠性高，故障率低，具有自動標(biāo)定功能，可本地或遠(yuǎn)程在線標(biāo)定,并具有在線維護(hù)功能，現(xiàn)場基本免維護(hù)。

2) 采用多點(diǎn)平均溫度計(jì)和伺服界面計(jì)測量溫度和油水界面，與表1中單點(diǎn)溫度計(jì)組合套管方式和單臺液位開關(guān)組合套管方式相比，具有以下特點(diǎn)：

a) 變送單元均安裝在豎井口，便于觀測、調(diào)試、維護(hù)和更換。

b) 洞室、豎井內(nèi)無電纜，電纜均在地面敷設(shè)，簡單、方便、故障率低。

c) 儀表均在地面安裝，簡單、方便、無需進(jìn)行套管組裝。

5.2導(dǎo)向管及保護(hù)管的使用壽命

水封洞庫中不可維修的材料和設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命不宜小于50a[1]，而洞罐儀表導(dǎo)向管及保護(hù)管在洞庫運(yùn)營過程中無法維護(hù)，因而其材質(zhì)和防腐必須滿足水封洞庫設(shè)計(jì)壽命50a的使用要求。

目前導(dǎo)向管及保護(hù)管的防腐通常采用以下兩種方案：

1) 導(dǎo)向管及保護(hù)管采用碳鋼。根據(jù)所受內(nèi)外壓及腐蝕余量計(jì)算其厚度，并采用犧牲陽極陰極保護(hù)法，滿足設(shè)計(jì)壽命50a的使用要求。

2) 若裂隙水腐蝕嚴(yán)重，位于裂隙水內(nèi)(裂隙水與原油界面以下)部分導(dǎo)向管及保護(hù)管采用雙相不銹鋼，其他部分采用碳鋼并采用犧牲陽極陰極保護(hù)法。

黃島、惠州洞庫項(xiàng)目的導(dǎo)向管及保護(hù)管的防腐采用了第一種方案。

5.3伺服液位計(jì)浮子類型的選擇

原油液位測量用伺服液位計(jì)采用蜘蛛型測量浮子，與傳統(tǒng)的圓錐型浮子相比，可減小與介質(zhì)的接觸面積，降低原油對其粘結(jié)程度，更好地保證伺服液位計(jì)的靈敏度及精度；并可降低與導(dǎo)向管碰撞面積，減輕導(dǎo)向管垂直度對浮子的影響，避免浮子被卡住。

6 結(jié)束語

洞罐是水封洞庫的核心組成部分，選擇技術(shù)先進(jìn)、安全可靠的洞罐儀表是保證過程控制和安全聯(lián)鎖可靠性和安全性的關(guān)鍵。因此，洞罐儀表的選型設(shè)計(jì)是水封洞庫工程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)者應(yīng)給予足夠的重視。筆者通過對國外部分水封洞庫洞罐儀表選型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析，確定了黃島、惠州洞庫項(xiàng)目洞罐儀表的選型、安裝方案，總結(jié)了安裝要求和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，供從事水封洞庫設(shè)計(jì)工作的同行參考。

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InstrumentsSelectionDesignforUndergroundOilStorageinRockCaverns

Liu Xiuqin, Li Li

(Cooec-Enpal Engineering Co. Ltd., Qingdao， 266061， China)

To realize national energy safety and satisfy the need of large-volume fossil oil storage, the emphasis of national crude oil storage construction has been switched to underground rock caverns in view of safety and economy for crude oil storing. The oil storage principle of underground rock caverns has been introduced briefly with the characters of large-scale, high automatic level, huge investment, high safety requirement and complicated engineering. According to investigation on constructed and constructing underground rock caverns, and by evaluating and comparing the advantage and disadvantage of instruments selection for caverns tank, combining with detailed conditions, the selection and installation schemes of caverns tank instruments have been determined. The installation requirement and design characteristic are summarized for reference.

underground rock caverns; caverns tank; shaft; instrument; selection; design

稿件收到日期： 2012-12-21，修改稿收到日期2013-03-01。

劉秀琴(1964—)，女， 1984年畢業(yè)于華東石油學(xué)院煉油儀表自動化專業(yè)，多年來一直從事石油化工工程自控設(shè)計(jì)工作，曾就職于中國石油天然氣華東勘察設(shè)計(jì)研究院，現(xiàn)任海工英派爾工程有限公司副總工程師，高級工程師。

TQ056

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1007-7324(2013)03-0006-04