高玲玲 （勝利油田魯勝石油開發(fā)有限責(zé)任公司）

油田儲罐目前應(yīng)用了少部分浮球液位計(jì)自動流量計(jì)量表、傳感器等自動化計(jì)量裝置，然而其應(yīng)用范圍仍較少，其主要限制因素是石油自動在線計(jì)量技術(shù)尚不成熟以及儀表精度不高，自動在線計(jì)量系統(tǒng)的應(yīng)用不僅需要較高的成本投入，而且在計(jì)量的準(zhǔn)確度方面也沒有達(dá)到石油貿(mào)易的實(shí)際需要。在研發(fā)新型智能浮球液位計(jì)在線計(jì)量技術(shù)中，應(yīng)根據(jù)石油貿(mào)易的特點(diǎn)以及實(shí)際需要不斷提高自動計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，并簡化相關(guān)計(jì)量儀表的操作，提高自動化、信息化程度。同時隨著自動在線計(jì)量系統(tǒng)在石油產(chǎn)品庫存管理以及貿(mào)易交接中應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，自動在線計(jì)量系統(tǒng)的成本也將隨之降低，從而進(jìn)一步提高自動在線計(jì)量系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

1 實(shí)施背景

1.1 傳統(tǒng)計(jì)量方法

魯勝集輸總站原油儲罐液位以前一般使用油檢尺和萬用表檢測，這種檢測方法勞動強(qiáng)度大，誤差也大。從沉降罐量油口測量油水分界面時，按萬用表的指針擺動觀測界面位置，需要按經(jīng)驗(yàn)判斷，判斷條件不同則位置不同，另外，由于量油口套管的換液孔不是連續(xù)的，造成從透光孔直接測量和從量油口測量的界面不同；當(dāng)出現(xiàn)雨雪及大風(fēng)天氣時不適宜上罐測量，造成上報(bào)數(shù)據(jù)不及時。在應(yīng)用人工手動方式來對原油儲罐進(jìn)行計(jì)量時，對計(jì)量技術(shù)的要求比較高，且計(jì)量準(zhǔn)確度也比較容易受到人為因素的影響。特別是對圓柱體、半圓柱體以及長方體等不同罐裝容器的石油進(jìn)行計(jì)量時，人工計(jì)算方法會存在較大的難度。另外，在完成測量后進(jìn)行換算時，也會由于對外界因素（壓力、溫度等）缺乏準(zhǔn)確的監(jiān)測而影響到最終的計(jì)量結(jié)果[1]。

1.2 國內(nèi)外監(jiān)測原油儲罐內(nèi)油水界面方法

1）射頻導(dǎo)納式液位計(jì)的工作原理實(shí)質(zhì)是把整個罐看作一個電容體，由于罐內(nèi)介質(zhì)的多少而引起電容的變化，從而測量出油水界面的位置。但是由于測量值隨罐內(nèi)溫度、原油介電常數(shù)和原油的多少等因素的變化而變化，從而帶來很大測量誤差[2]。

3）為保障各儲罐的計(jì)量，還可采取電容式液位測量、罐體重量測量、超聲波測量等，但存在測量準(zhǔn)確度不高、連續(xù)測量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。

上述幾種測量方法，不論是定點(diǎn)測量還是連續(xù)測量都無法滿足含水油罐或含油水罐以及脫水罐中水位、油位、油—水過渡層、油量、水量的精確測量和定量描述，因此給脫水罐進(jìn)出液量的精確控制以及提高脫水效率和脫水質(zhì)量的工藝控制帶來了很大的盲目性。

2 系統(tǒng)研發(fā)

針對上述問題，儲罐計(jì)量必須不斷向自動化以及智能化方向發(fā)展，以減少人為因素所產(chǎn)生的誤差。同時在儲罐計(jì)量中積極引入先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，加強(qiáng)對石油儲運(yùn)計(jì)量過程的智能化監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。為此，提出逐點(diǎn)阻抗測量技術(shù)，采用互聯(lián)網(wǎng)+磁性浮球計(jì)量儀器設(shè)備智能遠(yuǎn)控計(jì)量，多家單位聯(lián)合研制出智能浮球液位計(jì)在線多參計(jì)量系統(tǒng)。

2.1 工作原理

傳感器逐點(diǎn)依次測量接觸其外壁的介質(zhì)到罐壁之間的阻抗，在油水界面處由于介質(zhì)導(dǎo)電率快速上升，阻抗變化曲線會出現(xiàn)跳變，通過查找阻抗跳躍來判斷油水界面的具體位置；由于在油連續(xù)相的層面內(nèi)，測得的阻抗與原油含水率接近線性關(guān)系，從而依據(jù)測得的阻抗值可以描述出過渡帶含水率的變化趨勢和直觀的油水分離程度。在液位檢測時，為解決阻抗變化不明顯的缺點(diǎn)，加裝磁敏元件構(gòu)成磁柵結(jié)構(gòu)。參照磁致伸縮液位計(jì)原理，通過檢測磁性浮球位置，由智能轉(zhuǎn)換器將電阻變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流（4～20 mA）信號，并疊加HART 信號輸出或就地液晶顯示，通過電流及液位值可現(xiàn)場顯示液位的百分比，遠(yuǎn)傳供給控制室可實(shí)現(xiàn)液位的自動檢測、控制和記錄[4]。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

智能磁性浮球液位計(jì)在線多參測量系統(tǒng)由電腦、液位傳感器用配重1 組、顯示儀表1 臺、液位傳感器1 套（配三通接線盒）、界位傳感器1 套（配兩通接線盒）、浮球1 個和安裝法蘭2 片構(gòu)成。結(jié)構(gòu)簡單，感應(yīng)靈敏，測量準(zhǔn)確度高，安裝方便，成本低。

表1 魯勝集輸總站運(yùn)行罐運(yùn)行參數(shù)校對Tab.1 Calibration of operation parameters of operation tank in Lusheng gathering and transportation station

2.3 安裝及運(yùn)算

通信線路安裝時，將室外傳輸數(shù)據(jù)電纜引入室內(nèi)機(jī)柜內(nèi)部，將藍(lán)色與黃色通訊線和屏蔽線地線接入用于安裝Model485P 接口轉(zhuǎn)換器插槽的插頭中（該部分一般由產(chǎn)品生產(chǎn)廠家專業(yè)人員安裝），將接好通訊線的數(shù)據(jù)插頭安裝到Model485P 接口轉(zhuǎn)換器的一端，在Model485P 接口轉(zhuǎn)換器的另一端安裝串口連接數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)線另一端安裝到電腦的串口[5]。

儀表采用傳感器和儀表顯示分體安裝方式?，F(xiàn)場總線在罐下接入儀表，只有本質(zhì)安全的傳感信號線在罐頂部連接傳感器。傳感器接線盒接線圖見圖1。24 V 供電接線是與其他儀表或設(shè)備接線；VDD、COM、GND 為儀表內(nèi)部接線，一般由專業(yè)技術(shù)人員完成安裝操作；+24 V、A+、B-、GND 儀表在24 V 供電的情況下，根據(jù)所測液位經(jīng)計(jì)算后由RS-485 口輸出相應(yīng)的數(shù)字量，供其他儀表或設(shè)備使用。各端子定義如下：+24 V——儀表電源正極，范圍為9-25 V；GND——儀表電源負(fù)極，即電源接地端；A+、B-——485 接口；SH——接通信線屏蔽層；VDD——傳感器供電端子；COM——傳感器信號端子；RESET——儀表通信參數(shù)設(shè)置；UP，DOWN ——參數(shù)調(diào)整按鍵[6]。

圖1 傳感器接線盒接線圖Fig.1 Wiring diagram of sensor junction box

該儀表使用異步串行通信接口，接口采用光電隔離技術(shù)。接口電平符合RS-485 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，其通信方式為主從式通信，通信距離為1 km。該通信口只負(fù)責(zé)和中控上位機(jī)通信，不參與信號采集和處理，對儀表精度沒有影響。波特率：9 600 bps；數(shù)據(jù)格式： 8 位數(shù)據(jù)位，1 位起始位，1 位停止位，無奇偶校驗(yàn)位。16 位整型數(shù)據(jù)采集：液位（mm），地址0x0032（十進(jìn)制50）；界位（mm），地址0x0033（十進(jìn)制51）；罐內(nèi)定點(diǎn)溫度，地址0x0034（十進(jìn)制52），1 位小數(shù)（實(shí)際數(shù)據(jù)=傳輸?shù)恼螖?shù)據(jù)/10），實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控采集并傳輸?shù)慕y(tǒng)計(jì)分析。例如：上位機(jī)發(fā)送（16進(jìn)制）：01 03 00 31 00 03 54 04 ，表示：采集地址01 儀表從起始地址0x0031 開始的3 個數(shù)據(jù)，共6 個字節(jié)。54 04 是CRC 效驗(yàn)碼；儀表響應(yīng)（16 進(jìn)制）：01 03 06 25 A9 18 DF 01 45 8D 61，表示：采集地址01 命令號03 數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)06，液位9 641 mm（0x25A9），界位6 367 mm（0x18DF），溫度32.5 ℃（0x0145）。8D 61 是效驗(yàn)碼[7]。

根據(jù)現(xiàn)場需求和實(shí)際工況設(shè)計(jì)，儀表液位傳感和界面?zhèn)鞲胁捎脙商讉鞲醒b置，合理測量起始點(diǎn)和盲區(qū)。傳感器裝置示意圖見圖2，液位傳感器外套磁浮球和配重，磁性浮球直徑有兩種規(guī)格，分別是90 mm 和200 mm，根據(jù)現(xiàn)場安裝環(huán)境和工況選擇。連接法蘭可以用DN50 mm 或DN100 mm 口徑。界面?zhèn)鞲衅鹘泳€盒接地線必須和大罐本體連接，防止信號干擾，影響數(shù)據(jù)采集[8]。

柑橘缺鉀癥狀。老葉葉尖首先發(fā)黃，葉片略呈皺縮，隨缺鉀程度加重葉片逐漸由扭彎、卷曲、皺縮而呈杯狀。新葉一般為正常綠色，但結(jié)果后期當(dāng)年生葉片葉尖也會明顯發(fā)黃，在高產(chǎn)臍橙上尤其嚴(yán)重。果小、著色不好，皮薄且光滑，果食味淡。嚴(yán)重缺鉀時，可導(dǎo)致葉落、梢枯、果落、果裂。

圖2 傳感器裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor device

針對原油黏度大的情況，通過加大磁浮球體積（直徑為200 mm、密度為0.5 g/cm3）來計(jì)量，當(dāng)磁浮球進(jìn)入油面一半的體積時，液位上升會產(chǎn)生大于10 kN 的浮力，帶動磁浮球隨液位的變化而變化。通過檢測磁性浮球位置進(jìn)行測量的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高，可消除液面泡沫的影響。

2.4 油量在線計(jì)量

1）油量統(tǒng)計(jì)。選擇系統(tǒng)導(dǎo)航菜單中的油量統(tǒng)計(jì)選項(xiàng)，打開油量統(tǒng)計(jì)頁面，默認(rèn)打開已安裝監(jiān)測系統(tǒng)的油罐的總量統(tǒng)計(jì)曲線，選擇各罐油量、原油總量導(dǎo)航，可切換不同油罐的曲線畫面，其中畫面右上方有曲線說明，油量的體積曲線和質(zhì)量曲線顏色有所不同，在畫面靠下方的位置處有原油總體積和原油總質(zhì)量兩項(xiàng)數(shù)據(jù)。

2）游標(biāo)定位。將游標(biāo)定位到曲線上，在坐標(biāo)軸上可讀出曲線當(dāng)前時刻的油量值，并可移動游標(biāo)定位不同時間段的曲線。

3）翻頁導(dǎo)航。曲線下方的四個翻頁導(dǎo)航，可根據(jù)設(shè)置的時間范圍，查詢不同時間段的曲線。時間范圍：可設(shè)置當(dāng)前曲線顯示的時間范圍分別為1 h、2 h、8 h、24 h 四種，定位曲線顯示的時間范圍。

4）歷史數(shù)據(jù)查詢。查詢指定時間段的歷史油量統(tǒng)計(jì)曲線，在時間設(shè)置中，設(shè)置要查詢的時間，然后點(diǎn)擊查詢按鈕，即可轉(zhuǎn)到相應(yīng)時間段的歷史油量統(tǒng)計(jì)曲線，該曲線能保存大量歷史數(shù)據(jù)，方便用戶以后查詢或記錄[9]。

2.5 優(yōu)勢

1） 測量儀表傳感器外壁使用聚四氟乙烯材料，可測量腐蝕性介質(zhì)，廣泛適用于脫水罐、沉降罐、儲油罐、污水罐等設(shè)備的液位測量和界面描述。

2）采用逐點(diǎn)阻抗測量技術(shù)，對罐中水位、油位、油—水過渡層逐段分析含水率，從而對油量、水量進(jìn)行精確測量和定量描述，性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高達(dá)0.2%。

3）全密封設(shè)計(jì)，可在室外長期工作；選用功能強(qiáng)大的微處理芯片，并配合設(shè)計(jì)優(yōu)良的應(yīng)用軟件，防爆、防水，低功耗，可靠性高。

4）傳感器通過采集對接觸其外壁的介質(zhì)到罐壁的阻抗，計(jì)算出液面高度，通過電流值來確定油水界面位置。自適應(yīng)分段參比算法和傳感器聚四氟乙烯外壁的特點(diǎn)，能將掛料對測量準(zhǔn)確度的影響減少到最小。

5）信息處理中的“自我學(xué)習(xí)”系統(tǒng)能夠自動適應(yīng)不同罐內(nèi)的油、氣、水三相因溫度、液體成分不同而造成對測量準(zhǔn)確度的影響。通過與專有的模糊控制、自學(xué)習(xí)系統(tǒng)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對單一大罐以及集輸罐群的進(jìn)出液量、界面高度、油—水過渡帶厚度精確控制，從而大幅度提高大罐運(yùn)行效率和運(yùn)行質(zhì)量，提高計(jì)量準(zhǔn)確度，減輕員工的勞動強(qiáng)度。

6） 預(yù)置微機(jī)接口電路，可方便進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，進(jìn)行人機(jī)對話，實(shí)現(xiàn)自動化控制，節(jié)約人力資源，提高工作效率。配套的工控軟件，可方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存取、報(bào)表打印、數(shù)據(jù)傳送等功能[10]。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

1998 年7 月勝利油田魯勝集輸總站投產(chǎn)，擁有5 000 m3原油儲罐2 座，2 000 m3原油儲罐4 座，配套2 000m3消防水罐2 座，其他儲罐、壓力容器22座，大型泵類設(shè)備30 臺，外輸油21.19×104t/a，外輸水25.1×104t/a，外輸含水率控制在1%以下。該站是一座集卸油、油氣分離、原油脫水、污水處理、原油外輸為一體的大型聯(lián)合站，主要擔(dān)負(fù)著魯勝公司采油處理及外輸任務(wù)。

2021 年，智能磁性浮球位計(jì)在線多參計(jì)量系統(tǒng)在魯勝集輸總站投產(chǎn)應(yīng)用。采用互聯(lián)網(wǎng)+智能化磁性浮球計(jì)量儀器在線多參測量。在線測量數(shù)據(jù)傳輸流程（圖3）：在線監(jiān)測采集數(shù)值→SCADA 服務(wù)器→數(shù)據(jù)庫→生產(chǎn)指揮中心→直觀顯示在線監(jiān)視屏幕上→顯示如油罐名稱、狀態(tài)、類型、油罐體積、油罐高度、油罐空高、液面高度、水面高度、油層厚度、介質(zhì)溫度、原油體積、原油質(zhì)量等?？蓪@示的內(nèi)容以圖、表、曲線形式展現(xiàn)出來，通過查看過渡帶曲線、含水率變化趨勢曲線，可方便進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析，再配套工控軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存取、報(bào)表打印、網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳送等功能。通過與專有的模糊控制、自學(xué)習(xí)系統(tǒng)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)單一大罐以及集輸罐群的進(jìn)出液量、界面高度、油—水過渡帶厚度實(shí)施精確控制。實(shí)時掌控整個集輸總站所有儲罐的液位、溫度、界位，測量準(zhǔn)確度0.2%。表1 為魯勝集輸總站運(yùn)行罐運(yùn)行參數(shù)校對結(jié)果。

圖3 在線測量數(shù)據(jù)傳輸流程Fig.3 Transmission flow of on-line measurement data

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

1） 在線多參測量技術(shù)在魯勝集輸總站應(yīng)用后，杜絕了冒罐、干罐等事故發(fā)生（在此技術(shù)應(yīng)用前平均每年發(fā)生冒罐事故5 起），每年可減少灌區(qū)污染費(fèi)及工農(nóng)關(guān)系費(fèi)用約86 萬元；減少損失原油20 t，獲效益4.4 萬元。

2）與前期應(yīng)用的雷達(dá)波液位計(jì)測量系統(tǒng)（測量準(zhǔn)確度1.5%）對比，智能磁性浮球液位計(jì)在線多參測量技術(shù)的測量準(zhǔn)確度提高了1.3 個百分點(diǎn)，若每年外輸油21.1×104t, 則每年可減少原油損失2 743 t，如原油價(jià)格按照每噸2 200 元計(jì)算，可直接獲得經(jīng)濟(jì)效益603.5 萬元。

3）另外因遠(yuǎn)程測量無需人員到場監(jiān)測，可直接減少5 名測油員工，節(jié)約人工成本費(fèi)用48 萬元。

4）智能磁性浮球液位計(jì)在線多參測量系統(tǒng)的在線監(jiān)測網(wǎng)陣每年維護(hù)費(fèi)約56.8 萬元。

獲得經(jīng)濟(jì)效益=污染費(fèi)及工農(nóng)關(guān)系費(fèi)+減少冒罐損失原油費(fèi)+計(jì)量誤差損失原油費(fèi)+減少員工費(fèi)-在線監(jiān)測網(wǎng)陣費(fèi)用，年節(jié)約費(fèi)用共計(jì)685 萬元。

4.2 社會效益

智能磁性浮球液位計(jì)在線多參測量系統(tǒng)，可大幅度提高測量準(zhǔn)確度，提高了監(jiān)測效率；免除職工每天爬罐量取儲油罐液面工作，杜絕爬罐傷害危險(xiǎn)，改善工作環(huán)境，降低勞動強(qiáng)度，增加工人幸福指數(shù)；罐區(qū)每年減少20 t 油液泄漏造成的環(huán)境污染，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

5 結(jié)論

智能磁性浮球液位計(jì)在線多參測量系統(tǒng)由儀表的液位傳感、界面?zhèn)鞲小囟葌鞲衅鞯妊b置采集數(shù)據(jù)，通過主從式通信方式傳送至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)全天候連續(xù)監(jiān)測、采集，與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，誤差均小于0.2%，測量準(zhǔn)確率高?？蓽p輕員工的勞動強(qiáng)度，并且對數(shù)據(jù)實(shí)時統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)液位、溫度、界位變化曲線波動情況時，能夠及時發(fā)現(xiàn)儲罐異常情況，準(zhǔn)確報(bào)警、預(yù)警，避免冒罐、干罐等事故發(fā)生，構(gòu)建了安全生產(chǎn)屏障，從而打造智能油田。