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(zé)任公司，蘭州 730010)

?

多品質(zhì)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(zé)任公司，蘭州 730010)

基于國內(nèi)射線性儀器儀表的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，通過對交接過程中多品質(zhì)原油混輸含水自動監(jiān)測系統(tǒng)的特點、基本結(jié)構(gòu)原理、關(guān)鍵性技術(shù)等方面的深入研究，并就該系統(tǒng)在現(xiàn)場的應(yīng)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(zhì)原油含水率的解決方案的可行性和準確性。

多品質(zhì)原油;含水率;自動檢測;研究

0 引言

多品質(zhì)混輸原油在線的檢測和計量，是多參數(shù)復(fù)雜品質(zhì)條件下自動化檢測技術(shù)領(lǐng)域中至今未能很好解決的現(xiàn)實問題。目前，國內(nèi)仍停留在電容式、微波式及射頻等原有的基礎(chǔ)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(zhì)低含氣原油混輸含水率的監(jiān)測技術(shù)提出相應(yīng)的解決方案。

多品質(zhì)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(zhì)原油混合運輸?shù)膹?fù)雜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(jié)構(gòu)原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，F(xiàn)DH-S型含水監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)用于多品質(zhì)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(zhì)原油低含水率測量技術(shù)是跟據(jù)X射線光子在油水介質(zhì)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(zhì)原油與水的混合介質(zhì)時，光子按照指數(shù)衰減的規(guī)律被介質(zhì)吸收。

根據(jù)光子與物質(zhì)相互作用的原理，當?shù)湍芄庾油ㄟ^物質(zhì)時，沿光子入射方向穿過物質(zhì)，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(guān)，也與所通過物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，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(zhì)的厚度，cm；N為穿過厚度為X的均勻物質(zhì)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(zhì)本身微觀物理性質(zhì)有關(guān)的物理量。式(1)是核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)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(zhì)的性質(zhì)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(yīng)用的結(jié)果。

當被測量介質(zhì)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(zhì)對光子的吸收系數(shù)，cm-1；μ2為純油相介質(zhì)對光子的吸收系數(shù)，cm-1；a為介質(zhì)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(zhì)組分分析時所用的原理公式，它與含水率呈線性關(guān)系，當各單相介質(zhì)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(zhì)的組分比可以通過測量光子通過該混合介質(zhì)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(zhì)中吸收系數(shù)之差，此差值與光子能量和介質(zhì)的性質(zhì)之間存在比較復(fù)雜的對應(yīng)關(guān)系。趨勢是，介質(zhì)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(zhì)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(yīng)用中，可供選擇的低能同位素光子源只有238Pu和 241Am兩種，應(yīng)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(yīng)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(yīng)用中受到N0計數(shù)率減小的制約?，F(xiàn)場儀表常以混合介質(zhì)中的某一單相作為參考介質(zhì)，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(shè)計儀表時應(yīng)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(zhì)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(shè)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(zhì)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(zhì)對射線的吸收系數(shù)，即式(3)中的μ2改變，從而導(dǎo)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(zhì)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(zhì)的化學(xué)組成和密度有關(guān)的物理量，存在簡單的物理關(guān)系：

μ=μmρ

(5)

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

通常不同品質(zhì)的原油只是分子中長鏈結(jié)構(gòu)所占數(shù)量不同，但構(gòu)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(nèi)，質(zhì)量吸收系數(shù)μm與含水測量誤差的關(guān)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(dǎo)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(zhì)和含氣的變化對于含水測量誤差也應(yīng)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(zhì)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(jié)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(zhì)密度，對線性吸收系數(shù)修正的方法。但基礎(chǔ)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(dǎo)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(jié)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(jié)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(zhì)后，其計數(shù)率與含水率之間的關(guān)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(zhì)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(zhì)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(yīng)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(dǎo)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(guān)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(yīng)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(jié)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(yīng)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(dǎo)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(guān)鍵技術(shù)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(yīng)用于多品質(zhì)原油混輸?shù)秃实臏蚀_在線檢測。

2)測量原理中對多品質(zhì)原油混輸導(dǎo)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(guān)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(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)的AT91RM9200芯片構(gòu)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(zhì)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(jié)果，根據(jù)設(shè)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(wù)器發(fā)布數(shù)據(jù)。

本產(chǎn)品主要應(yīng)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(yīng)用。

3 社會經(jīng)濟意義

系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)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(yīng)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(yīng)用會隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展、石油等相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(shè)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(quán)，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(yīng)用單位降低成本，提高工作效率，加速信息化、自動化建設(shè)的速度，維護相關(guān)方權(quán)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(yīng)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(yīng)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(shù)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(nèi)運行平穩(wěn)，含水監(jiān)測誤差在設(shè)備和工藝允許的范圍內(nèi)(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(shù)指標

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

表3 FDH-S型含水監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)指標

6 結(jié)束語

雙能雙束同位素光子測量方法解決多品質(zhì)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(jié)構(gòu)方面，雙源雙探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計使儀表的光子泄漏率遠低于國家有關(guān)法規(guī)的標準。從現(xiàn)場應(yīng)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(shè)計，具有過程參量和生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時顯示、設(shè)限報警、各級報表生成打印、歷史數(shù)據(jù)保存調(diào)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(yīng)用前景。

[1] 楊福家.原子物理學(xué)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985

[2] 熊俊. 近代物理實驗[M].北京：科學(xué)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(xué)，李江，等.GB 3836—2010爆炸性環(huán)境設(shè)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(shù)創(chuàng)新基金項目(04C26216201444)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.06