地下水封石洞油库洞罐仪表的选型设计

刘秀琴，李莉

(海工英派尔工程有限公司， 山东 青岛 266061)

工程设计及标准

地下水封石洞油库洞罐仪表的选型设计

刘秀琴，李莉

(海工英派尔工程有限公司， 山东 青岛 266061)

为实现国家能源安全，满足石油大容量储存的要求，从原油储备的安全性、经济性等方面考虑，国家原油储备的建设重点已转移到水封洞库。水封油库具有规模大、自动化水平高、投资高、安全性要求高、工程复杂等特点，简介了水封洞库的储油原理。通过对已建和在建水封洞库的调研，对洞罐仪表选型的优缺点进行了分析比较，结合项目的具体情况，确定了洞罐仪表的选型、安装方案，总结了安装要求和设计特点，供各位同行参考。

水封洞库 洞罐 竖井 仪表 选型 设计

地下水封石洞油库(以下简称水封洞库)具有安全性高、对地面环境影响小、占用耕地少、节省大量钢材、油品损耗小、运营管理费用低等优点[1]，在瑞典、韩国、日本等国家广泛应用于储存原油及其产品，已有成熟的设计、建设和运营经验。20世纪70年代，中国也建成了两座水封洞库，储存原油和柴油，但洞库规模小，自动化水平低，之后近30年未继续建设此类工程[2]。

随着石油消费量的不断增长、世界政局的多变和对石油产品季节性需求量的不断变化, 增大了对石油及其产品大容量储存的要求[3]。目前国内开始建设大规模的战略原油储备基地，且已建成多处地面原油储备库,从石油储备的安全性、经济性等方面考虑，采用水封洞库的储备方式具有较大优势[4]。由于国内大规模水封洞库的建设刚刚起步，因而工程设计、建设、运营经验都非常少。笔者从水封洞库的储油原理入手，通过对洞罐仪表选型的优缺点进行分析、比较，结合黄岛、惠州洞库项目实际情况，确定水封洞库洞罐仪表的设计选型、安装方案等。

1 水封洞库简介

1.1储油原理

水封洞库通过人工在地下岩石中开挖形成，其密封是通过地下水向洞内渗透实现，即水封洞库必须建在稳定的地下水位线以下一定的深度,洞罐的埋深与洞室储存介质的最大工作压力、工程地质和水文地质条件、稳定的地下水位等因素有关，其埋深应保证洞库周围的地下水压力大于洞内储存介质的压力。正常储存时，洞外部地下水压力大于洞内介质压力，地下水只能向洞内渗透，而洞内介质不能向洞外渗漏，同时利用油比水密度小以及油水不能混溶的特点[5]，渗入洞内的水沿洞壁汇集到洞底部形成水垫层,从而达到将所储介质封在洞内的目的。渗入洞内的水可由油水界面检测仪表进行检测，待达到一定高度时，用安装在洞内的潜水泵将水排出洞外[6]。水封洞库储油方法有固定水位法和变动水位法，采用变动水位法储油新鲜水的需求量和污水处理量大，运行费用高，因而目前多采用固定水位法，储油原理示意[7]如图1所示。

图1 水封洞库储油原理示意

1.2特点

水封洞库洞室的高度一般设计为30m，而洞罐的埋设深度根据储存油品的性质、压力、岩体风化程度和地下水位的高低等因素确定，从几十米至一百米以上不等。对于埋深超过50m的水封洞库，温度计、液位计的检测元件必须足够长才可以实现测量。为便于仪表安装、调试、维护和维修，洞罐仪表的变送单元应安装在竖井操作区，而工艺装置和地面油库常用的检测仪表大多难以满足使用要求，这给洞罐仪表选型带来困难。

2 国外同类项目洞罐仪表选型

洞罐是水封洞库的核心单元，洞罐仪表主要包括温度仪表、液位仪表和界面仪表，根据对韩国、北欧已建和在建水封洞库的调研，了解到国外水封洞库洞罐仪表的选型思路。

2.1温度仪表

温度测量方式： 1) 采用多点平均温度计，安装示意如图2a)所示；2) 采用单点温度计用组合套管安装的方式，将几支单点温度计组合安装在一根不锈钢套管内，测量不同高度油品的温度。单点温度计与液位开关合用1根套管，安装示意如图2b)所示。

a)多点平均温度计

b)单点温度计组合安装

2.2液位仪表

液位测量采用伺服液位计、雷达液位计、超声波液位计三种方式。由于受洞库埋深的制约，采用伺服液位计的居多，采用雷达液位计和超声波液位计的较少。

2.3界面仪表

界面测量方式： 1) 采用伺服界面计，安装示意如图3所示；2) 采用电容式液位开关用组合套管安装的方式，将几台液位开关组合安装在1根不锈钢套管内，测量不同高度油水界面。液位开关与单点温度计合用1根套管，安装示意如图2b)所示。

图3 伺服液位计/界面计安装示意

2.4仪表选型的优缺点分析

国外同类项目洞罐仪表选型的优缺点分析见表1所列。

3 洞罐仪表选型方案的确定

洞罐仪表在水封洞库工程的运行管理中起着重要作用，不仅要完成介质温度、液位和界面测量，而且要实现洞罐进油、出油控制，主要设备潜油泵、潜水泵的启停、联锁和保护等功能。多点平均温度计可计算出洞罐内介质的平均温度，和液位计配合计算出洞罐内介质的标准体积，该计算结果可与地上生产区流量计的计量结果进行比对，以核对伺服液位计的测量精度。洞罐液位和界面是过程控制和安全联锁的重要参数，液位仪表和界面仪表的可靠性是保证过程控制和安全联锁可靠性和安全性的关键。因此，选择安全、可靠、适宜的洞罐仪表是水封洞库设计中非常重要的工作。

表1 仪表选型的优缺点分析

综合考虑表1中液位、界面及温度仪表的优缺点以及各种仪表的应用业绩，结合项目的具体情况，确定了黄岛洞库和惠州洞库项目的洞罐仪表选型方案。

3.1温度仪表

洞罐原油温度测量选用洞罐专用多点平均温度计，用于测量地下洞罐中原油不同高度的温度及平均温度。

多点平均温度计采用一体化集成的设计结构，配备至少16点的温度检测元件，任何连续测量的温度检测元件间的垂直距离不大于2m。各温度检测元件单独接线至多点平均温度计的智能温度选择器上。

多点平均温度计温度检测元件的参考热电阻为Pt100，其他测量点为T型热电偶或Pt100热电阻，可测量液相、气相的单点温度及原油的平均温度。

3.2液位仪表

调研收集到的水封洞库液位测量仪表应用业绩中，雷达液位计的最大测量液位是100m；超声波液位计的最大测量液位是40m；伺服液位计的最大测量液位(钢丝长度)是190m。黄岛洞库项目各洞罐埋深约120m，惠州洞库项目各洞罐埋深约130m，显然只有伺服液位计可以满足项目的要求。

伺服液位计由测量浮子、钢丝、磁鼓、伺服电机系统、高精度力传感器、控制器和微处理器等组成。浮子在介质中的位置由伺服机构的平衡来确定，伺服机构在微处理器控制下进行测量[8]。钢丝、磁鼓和力传感器以杠杆滑轮原理构成力平衡，高精度力传感器判断测量浮子的浮力信号和微处理器预置的测量要求，发出控制信号到控制器，决定伺服电机系统的转动方向，平衡后测量浮子的位移可由伺服电机的转动步数确定。

洞罐原油液位测量选用两套独立的洞罐专用伺服液位计，利用其总线信号实现液位检测、高低液位报警，利用其单独输出的单刀双掷继电器开关量信号实现高高液位、低低液位报警、联锁功能。

3.3界面仪表

与液位仪表原因相同，油水界面测量选用两套独立的洞罐专用伺服界面计。为监控洞罐中水垫层的高度，设置洞罐内水位检测、报警及联锁功能。伺服界面计的浮子始终位于油水界面处，可连续跟踪、测量油水界面，当油水界面达到高高、低低报警联锁值时，利用其单独输出的单刀双掷继电器开关量信号实现报警、联锁功能，利用其模拟量信号或总线信号可实现液位(水位)检测及高低报警功能。

4 洞罐仪表安装

仪表安装应便于仪表维护、更换及观测，仪表的观测面应朝向操作通道，周围不应有妨碍维修仪表的物件[9]，因而洞罐液位计、界面计和多点平均温度计的变送单元均安装在竖井口。

考虑到洞罐埋设深度及洞罐仪表检测元件的长度，为便于仪表安装，保护洞罐仪表的检测元件，为伺服液位计、伺服界面计及多点平均温度计设置了液位计、界面计导向管及温度计保护管。

导向管、保护管安装时，从上到下的垂直误差一般小于导向管、保护管口径的10%，并彻底处理好导向管通液孔的毛刺；焊接必须采用套焊，焊缝必须清理干净；安装时，必须保证洞罐仪表与导向管、保护管连接法兰的水平度，一般控制在1°[10]之内，伺服液位计、界面计导向管安装示意如图4所示。

图4 伺服液位计/界面计导向管安装示意

5 洞罐仪表的设计特点

5.1仪表的易维护性

1) 设计中充分考虑了仪表的易维护性。洞罐液位/界面仪表选用基于微处理器的电子控制设备，采用多功能模块化结构；液位、界面仪表选用伺服液位计、界面计，可靠性高，故障率低，具有自动标定功能，可本地或远程在线标定,并具有在线维护功能，现场基本免维护。

2) 采用多点平均温度计和伺服界面计测量温度和油水界面，与表1中单点温度计组合套管方式和单台液位开关组合套管方式相比，具有以下特点：

a) 变送单元均安装在竖井口，便于观测、调试、维护和更换。

b) 洞室、竖井内无电缆，电缆均在地面敷设，简单、方便、故障率低。

c) 仪表均在地面安装，简单、方便、无需进行套管组装。

5.2导向管及保护管的使用寿命

水封洞库中不可维修的材料和设备的设计寿命不宜小于50a[1]，而洞罐仪表导向管及保护管在洞库运营过程中无法维护，因而其材质和防腐必须满足水封洞库设计寿命50a的使用要求。

目前导向管及保护管的防腐通常采用以下两种方案：

1) 导向管及保护管采用碳钢。根据所受内外压及腐蚀余量计算其厚度，并采用牺牲阳极阴极保护法，满足设计寿命50a的使用要求。

2) 若裂隙水腐蚀严重，位于裂隙水内(裂隙水与原油界面以下)部分导向管及保护管采用双相不锈钢，其他部分采用碳钢并采用牺牲阳极阴极保护法。

黄岛、惠州洞库项目的导向管及保护管的防腐采用了第一种方案。

5.3伺服液位计浮子类型的选择

原油液位测量用伺服液位计采用蜘蛛型测量浮子，与传统的圆锥型浮子相比，可减小与介质的接触面积，降低原油对其粘结程度，更好地保证伺服液位计的灵敏度及精度；并可降低与导向管碰撞面积，减轻导向管垂直度对浮子的影响，避免浮子被卡住。

6 结束语

洞罐是水封洞库的核心组成部分，选择技术先进、安全可靠的洞罐仪表是保证过程控制和安全联锁可靠性和安全性的关键。因此，洞罐仪表的选型设计是水封洞库工程设计的重要环节，设计者应给予足够的重视。笔者通过对国外部分水封洞库洞罐仪表选型的优缺点进行比较分析，确定了黄岛、惠州洞库项目洞罐仪表的选型、安装方案，总结了安装要求和设计特点，供从事水封洞库设计工作的同行参考。

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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。

刘秀琴(1964—)，女， 1984年毕业于华东石油学院炼油仪表自动化专业，多年来一直从事石油化工工程自控设计工作，曾就职于中国石油天然气华东勘察设计研究院，现任海工英派尔工程有限公司副总工程师，高级工程师。

TQ056

B

1007-7324(2013)03-0006-04