原油储罐自动排水截油系统研究与应用

高宝元

(1.中国石油集团川庆钻探工程有限公司 钻采工程技术研究院，陕西 西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018)

在石油生产及加工过程中，由于诸多因素的影响，原油储罐排水截油一直是个难题[1]。长期以来，原油储罐排水截油，以人工液位检尺和手工取样的方式进行，存在误差大、工作量大、成本高，污水排放不理想，自动化程度低等弊端，异常情况下油从排水管道向外流散造成严重后果[2]。

因此，亟需开展原油储罐自动排水截油系统研究，通过在原油储罐上设置上油水和下油水分层探测器分别探测油水分层的最高允许液面和最低允许液面，不受介质密度、黏度、温度、压力和pH值的影响，能精确监测油水分层界面位置，最后通过电磁阀控制排水状态，实现排水管线自动排水和截油，不需要人工干预，精确可靠，具有排量可调、快捷、安全、环保等优点，能及时掌握原油储罐储量，对于石油生产管理具有重要意义[3]。

1 原油储罐自动排水截油系统构成

原油储罐自动排水截油系统构成如图1所示，包括：原油储罐、排水管和CQ型油水在线监控装置。原油储罐内的上、下部均设置有油水分层探测器；排水管的入口通入原油储罐的底部，出口通入污水池，排水管上设置有截止阀，排水泵，电磁阀；CQ型油水在线监控装置通过通信电路与远程控制终端(RTU)信号连接，信号输入端分别与上油水分层探测器和下油水分层探测器电连接，信号输出端与电磁阀电连接[4]。

图1 原油储罐自动排水截油系统构成示意

1)在原油储罐中，由于原油含有大量的水分，久置后存在一个油水界面，安装在原油储罐中的上、下油水分层探测器分别检测原油储罐中的介质，同时通过CQ型油水在线监控装置将检测信息发送至RTU，并对信号分析。当上油水分层探测器检测到油水界面时，RTU通过该监控装置控制电磁阀自动打开，水从排水管排出至污水池中，原油储罐里的油水分层液面不断下降；当安装的下油水分层探测器探测到油水分层液面时，RTU通过该监控装置控制电磁阀自动关闭，开始截油。

2)排水泵与该监控装置的信号输出端电连接，排水泵可通过排水管线将原油储罐中的水抽到污水池中，提高排水速度。

3)该监控装置上还设置有手动控制按键，可分别控制电磁阀和排水泵。当该监控装置与RTU信号连接中断时，现场的工作人员可直接通过该装置上的手动控制按键直接控制电磁阀和排水泵的开闭。

4)原油储罐上纵向分布有一个或多个备用上、下油水分层探测器，这些探测器所处的高度各不相同。根据原油含水率大小安装上油水分层探测器和下油水分层探测器，当原油中含水率大时，使上、下油水分层探测器之间的距离大一些；当原油中含水率小时，使上、下油水分层探测器之间的距离小一些。为了提高效率，可提前在原油储罐上纵向安置多个备用的上、下油水分层探测器，需要调整距离时，选取对应的上油水分层探测器和下油水分层探测器与该监控装置的信号输入端电连接即可。

5)原油储罐的底部设置有集液槽，排水管的入口通入集液槽中，因集液槽低于原油储罐的底部，排水管的入口管口朝下通入集液槽内，增大了排水管线的入口与油水分层液面之间的距离，在排水时不会将原油带入排水管内，在必要时可将原油储罐完全排空。

6)排水管上设置有手动截止阀，位置在原油储罐和电磁阀之间，工作人员在检修电磁阀等设备时可手动关停该截止阀。

7)该监控装置上设置有上水位和下水位指示灯，当上、下油水分层探测器检测到油水分层液面时，该监控装置控制对应的上、下水位指示灯亮起，方便工作人员在外部了解原油储罐内的油水分层液面情况[6]。

2 原油储罐自动排水截油方法

自动排水截油方法包括以下步骤：

1)对原油采样，检测原油含水率并根据原油含水率大小确定上油水分层探测器和下油水分层探测器在原油储罐上的安装位置。

2)原油储罐中输入原油后，该监控装置将上油水分层探测器和下油水分层探测器检测到的信号实时发送至RTU，并对数据进行分析处理，计算出原油储罐内原油的含水率。

3)当下油水分层探测器第一次检测到油水分层液面时，该监控装置无反应，随着原油储存罐中继续输入原油，当上油水分层探测器检测到油水分层液面时，RTU通过该监控装置控制电磁阀打开，排水管向外排水。

4)随着水从原油储罐的底部排出，油水分层液面不断下降，当下油水分层探测器再次检测到油水分层液面时，RTU通过该监控装置控制电磁阀关闭，排水管停止向外排水[7]。

在步骤1)中，原油含水率大时，安装上、下油水分层探测器之间的距离要大一些；当原油含水率小时，安装上、下油水分层探测器之间的距离要小一些。步骤2)中，该监控装置将上、下油水分层探测器检测到的信号上传给远程控制终端PC机，并对数据进行分析处理计算出上、下油水分层探测器分别检测到的油水分层含水率，以此判断上、下油水分层探测器是否检测到油水分层液面。

3 油水分层探测器工作原理及参数

3.1 工作原理

油水分层探测器将电能以稳频恒幅的电磁波发射到油水混合液中，再将混合液吸收电能的信号发送至该监控装置。该监控装置将上、下油水分层探测器检测到的信号发送至RTU，并通过现有的相关软件进行分析，精确计算出上、下油水分层探测器检测到的原油含水率，以此判断是否为油水分层面，并以此通过该监控装置控制电磁阀的开闭。

油水分层探测器分析原油介质含水率范围为0～100%，能快速准确地实时监测出原油储罐中原油的含水率，具有体积小、精度高、免维护等特点，而且油水分层探测器采用传感器与探头一体化设计，测量响应速度快，测量精度高，并且适应温度为0～100 ℃的工作环境[5]。

3.2 参 数

油水分层探测器采用插入式安装方式，可在线连续运行。

该探测器含水率测量准确度在w(H2O)<3%时，精度为±0.05%；w(H2O)>3%时，精度为±1%。该装置适应介质温度为0～90 ℃，供电电压为直流24 V，工作电流为200 mA，该探测器还可在湿度不大于95%RH工况下应用。

4 现场应用

2020年10月，该自动排水截油系统在长庆油田某作业区进行了现场应用，具有以下优势：

1)该系统不受介质密度、黏度、温度、压力和pH值的影响，能精确监测油水分层界面位置，通过电磁阀控制排水状态，实现排水管自动排水和截油。省去了人工排水截油的麻烦，自动生成巡检记录，解决了异常情况下油品从排水管道向外流散造成事故的严重后果，实现了油水界面高度以及分层含水率实时监测及自动控制排水的要求。当液面超出高、低限时即发出报警，防止冒罐和抽瘪，并根据含水率发出自动排水信号，防止跑油而发生环境污染，满足了油田安全生产的要求[8]。

2)自动排水截油方法更加稳定。在恶劣天气下，人工手动排水截油很困难，而自动排水截油系统不受其影响，且更加安全，减少了人工成本，降低了员工劳动强度。通过授权，可实现远程动态实时监控原油储罐排油处原油含水率，提升了现场管理水平[9]。

5 结束语

原油储罐自动排水截油系统是综合计算机技术、射频传感技术、工业控制技术、网络技术等于一体的高新技术系统[10]，实现了对原油储罐中含水率的自动检测和计量，以及排水和截油的自动控制。该系统中的油水分层探测器采用先进的短波射频技术，稳频恒幅，对介质穿透能力强，信号反馈灵敏，每分钟采样高达600次。对人体无任何辐射，对环境无任何污染[11]；同时具有自动清洁功能，彻底排除了探头结垢、结蜡、油污、挂料等影响，不需要人工拆卸清洗，能保证探头长期、准确、可靠地监测油罐中的含水率。自动排水截油比人工排水截油精度高，有效防止液面超限冒油或罐体抽瘪[12]的发生。