李朝偉

(中國石油集團(tuán)西部管道有限責(zé)任公司，新疆鄯善838202)

目前，成品油輸油站場(chǎng)普遍采用光學(xué)界面儀檢測(cè)油品界面信號(hào)，由于對(duì)介質(zhì)的潔凈程度要求較高，因此中國成品油管道尚無法滿足該要求，從而需要頻繁地定期維護(hù)、保養(yǎng)、調(diào)校，且穩(wěn)定性和可靠性較差，這是國內(nèi)成品油輸油管道上使用光學(xué)界面儀進(jìn)行檢測(cè)的通病。

1 光學(xué)界面儀工作原理

光學(xué)界面儀在不同傳播介質(zhì)的交界面上會(huì)同時(shí)發(fā)生光的反射和折射現(xiàn)象，而反射光及折射光的比率與構(gòu)成交界面的兩種介質(zhì)的相對(duì)折射率有關(guān)。本文正是利用臨界角雙反射原理，用于檢測(cè)油品輸送過程中混油段介質(zhì)折射率的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)油品界面檢測(cè)功能。

光學(xué)界面儀通過1臺(tái)直徑5 mm的藍(lán)寶石半球面鏡頭光學(xué)傳感器，將2根光纖精密地熔接在鏡頭的平面上，半球面鏡頭利用臨界角雙反射原理可檢測(cè)油品輸送過程中混油段介質(zhì)折射率的變化，光學(xué)界面儀工作原理如圖1所示。

圖1 光學(xué)界面儀工作原理示意

2 超聲波流量計(jì)聲速工作原理

超聲波流量計(jì)是利用聲學(xué)原理通過對(duì)管道中流體的聲速測(cè)量從而獲得其流速值。目前原油及成品油管道多采用夾壁式超聲波流量計(jì)，以時(shí)差法為測(cè)量原理，主要由超聲波換能器、信號(hào)處理電路及流量顯示系統(tǒng)三部分組成。通過速度差測(cè)量流體的流速，且時(shí)間差與介質(zhì)流速成正比，介質(zhì)流速越快，時(shí)差值就越大。超聲波流量計(jì)測(cè)量原理如圖2所示。

圖2 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理示意

流量計(jì)通過對(duì)管道內(nèi)輸送介質(zhì)不同方向的超聲波傳播速度進(jìn)行測(cè)量，并經(jīng)流量計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出管道內(nèi)介質(zhì)的流速和流量。且不同的輸送介質(zhì)超聲波的傳播速度不一樣。

3 超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)油品界面檢測(cè)功能

采用先進(jìn)的SCADA技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)通過第三方模塊采入PLC，并上傳至人機(jī)圖形用戶界面，SCADA控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 SCADA控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

該SCADA控制系統(tǒng)由PLC、通信服務(wù)器、操作員工作站、打印機(jī)、交換機(jī)、路由器和不間斷電源(UPS)等設(shè)備組成，主要完成站內(nèi)工藝數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)視、控制等功能，并向調(diào)度中心傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)接受調(diào)度中心下達(dá)的任務(wù)。PLC、通信服務(wù)器、操作員工作站、打印機(jī)、路由器等通過交換機(jī)連接成局域網(wǎng)，通過雙機(jī)雙網(wǎng)的冗余配置，提高了SCADA控制系統(tǒng)的整體可靠性。

西部某成品油輸油站場(chǎng)進(jìn)站超聲波流量計(jì)采用聲速作為油品界面的檢測(cè)信號(hào)，在檢測(cè)汽油和柴油時(shí)聲速值會(huì)不一樣。由于現(xiàn)場(chǎng)超聲波流量計(jì)只有1個(gè)4～20 mA輸出端口，傳輸協(xié)議為HART，而上位機(jī)需要顯示瞬時(shí)流量、累計(jì)流量和聲速3個(gè)主變量，因此選用MVI156-HART第三方通信模塊同時(shí)采集這3個(gè)信號(hào)。

4 兩種檢測(cè)方法的比較

目前成品油管道在線油品界面檢測(cè)的主要設(shè)備包括光學(xué)界面檢測(cè)儀和密度計(jì)，通過光學(xué)界面信號(hào)和密度信號(hào)相互印證，判斷混油界面。通過近3個(gè)月的趨勢(shì)圖對(duì)比，以2017年12月6日和12月8日為例，經(jīng)過兩個(gè)批次的油品切割，使聲速與密度的變化保持一致，相比于光學(xué)界面儀的檢測(cè)結(jié)果，聲速與密度的檢測(cè)結(jié)果更加穩(wěn)定，準(zhǔn)確性更高。光學(xué)界面、密度、聲速趨勢(shì)對(duì)比如圖4所示。

a) 2017年12月6日 b) 2017年12月8日?qǐng)D4 光學(xué)界面、密度、聲速趨勢(shì)對(duì)比示意

以12月22日采集的輸油管道混油段數(shù)據(jù)為例，前一批次輸送的是柴油，正在輸送的是汽油，生成的密度、聲速、光學(xué)界面信號(hào)趨勢(shì)如圖5和圖6所示，光學(xué)界面儀將檢測(cè)的光學(xué)界面信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，控制系統(tǒng)將4～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)再轉(zhuǎn)換成0～100的模擬信號(hào)。由圖5 可見聲速與密度變化一致，由圖6可見光學(xué)界面信號(hào)滯后于密度信號(hào)。

圖5 密度與聲速信號(hào)曲線對(duì)比

圖6 密度與光學(xué)界面信號(hào)曲線對(duì)比示意

綜上可以發(fā)現(xiàn)，超聲波流量計(jì)的聲速與密度信號(hào)在混油段變化一致，其靈敏性高、信號(hào)穩(wěn)定，對(duì)于密度的微小變化能夠迅速地反應(yīng)，因此可以用于油品界面跟蹤。如果用超聲波流量計(jì)檢測(cè)油品界面，可以停用成品油密度撬座，并可以徹底解決由于光學(xué)界面儀失準(zhǔn)而無法有效跟蹤界面的問題，也不受時(shí)間、天氣、設(shè)備檢修的影響，可實(shí)現(xiàn)24 h不間斷檢測(cè)。

5 結(jié)束語

利用超聲波流量計(jì)聲速檢測(cè)方法，不需要與介質(zhì)直接接觸，超聲波波長短、衍射性能差、定向性能優(yōu)良，在不同的介質(zhì)中速度穩(wěn)定，通過實(shí)際應(yīng)用，穩(wěn)定性和可靠性也較好，可以在全國范圍內(nèi)推廣。對(duì)基層單位來講可以停用相應(yīng)設(shè)備，降低管理難度和維護(hù)的工作量，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能。超聲波聲速檢測(cè)油品界面的準(zhǔn)確度、精度以及在不同環(huán)境溫度下的差異還需進(jìn)一步研究。