多品质原油混输含水率自动监测系统研究*

苏重生 潘凡红 李超云 苟永伟 刘红玉

(1.长庆油田公司第二采油厂，庆阳 745100；2.兰州科庆仪器仪表有限责任公司，兰州 730010)



多品质原油混输含水率自动监测系统研究*

苏重生1潘凡红2李超云1苟永伟1刘红玉1

(1.长庆油田公司第二采油厂，庆阳 745100；2.兰州科庆仪器仪表有限责任公司，兰州 730010)

基于国内射线性仪器仪表的研究应用现状，通过对交接过程中多品质原油混输含水自动监测系统的特点、基本结构原理、关键性技术等方面的深入研究，并就该系统在现场的应用情况做一简单的验证分析，充分验证了双能双束同位素光子测量方法测量多品质原油含水率的解决方案的可行性和准确性。

多品质原油;含水率;自动检测;研究

0 引言

多品质混输原油在线的检测和计量，是多参数复杂品质条件下自动化检测技术领域中至今未能很好解决的现实问题。目前，国内仍停留在电容式、微波式及射频等原有的基础上；国外多针对油田开采中的含水率进行监测，而在运输中在线监测的报道不多，也未能针对多品质低含气原油混输含水率的监测技术提出相应的解决方案。

多品质原油混输含水自动监测系统主要针对目前石油炼化等行业在原油的生产和管道输送过程中，不同品质原油混合运输的复杂条件下无法对原油含水率实现连续在线监测和准确计量的状况，所研制的高精度智能化过程检测仪表及计量交接控制系统。

1 系统结构原理

1.1 系统结构

系统结构如图1和图2所示，FDH-S型含水监测系统的结构主要包括外壳、高能放射源及其接收装置、低能放射源及其接收装置、取样口、一次仪表、二次仪表、电源及信号接口。

图1 测量结构示意图

图2 含水监测系统外观图

1.2 基本原理

本含水监测系统开创性地将双能双束同位素光子测量方法应用于多品质原油混输低含水率的准确在线检测，主要原理是引入两种能量不同的光子源和光子测量探测器以实现双能双束测量。单品质原油低含水率测量技术是跟据X射线光子在油水介质中吸收衰减的差异研制而成的。当能量不同的两束光子射线同时穿过单品质原油与水的混合介质时，光子按照指数衰减的规律被介质吸收。

根据光子与物质相互作用的原理，当低能光子通过物质时，沿光子入射方向穿过物质，到达探测器的光子数在减少，原子核物理称之为强度衰减。强度衰减的程度与光子的能量有关，也与所通过物质本身的性质有关，并符合确定的吸收衰减规律。对于能量单一的低能光子束，穿过吸收体时，其强度衰减遵循指数衰减规律[1-3]。

N=N0e-μX

式中：N0为入射光子强度，keV；X为均匀物质的厚度，cm；N为穿过厚度为X的均匀物质后光子强度，keV；μ为线性吸收系数，cm-1。

当光子的能量确定时，μ是只与介质本身微观物理性质有关的物理量。式(1)是核技术应用领域中最重要的基本公式之一，几乎所有通过测量光子强度衰减变化，对物质的性质和组成进行分析的同位素仪表都是其所描述的衰减规律在具体测量实践中应用的结果。

当被测量介质为油、水二相混合流体时，线性吸收系数μ为：

μ=(μ1-μ2)a+μ2

(2)

式中：μ1为纯水相介质对光子的吸收系数，cm-1；μ2为纯油相介质对光子的吸收系数，cm-1；a为介质中含水的体积百分数。

将式(2)代入式(1)，并写成对数形式，得到：

ln(N0/NX)=(μ1-μ2)Xα+μ2X

(3)

式(3)是二元混合介质组分分析时所用的原理公式，它与含水率呈线性关系，当各单相介质的吸收系数和测量厚度X为已知的常数时，二元混合介质的组分比可以通过测量光子通过该混合介质后计数的变化确定。

式(3)表明，影响仪表测量精度的主要因素是μ1-μ2、X和N0三个常数。μ1-μ2是光子在两种介质中吸收系数之差，此差值与光子能量和介质的性质之间存在比较复杂的对应关系。趋势是，介质确定时，差值随光子能量增高而减小，光子能量一定，差值与两种介质的密度差成正比。因此通过选择光子能量可以提高原油含水分析的精度。实际应用中，可供选择的低能同位素光子源只有238Pu和 241Am两种，应用特点列于表1，二者都用于原油含水在线检测，工作原理也相近，但检测精度可相差一个数量级，分别应用于对检测精度要求不同的场合。

表1 纯水和纯原油状态下238Pu和241Am线性吸收系数表

原理上增加吸收厚度可提高测量精度，但在应用中受到N0计数率减小的制约。现场仪表常以混合介质中的某一单相作为参考介质，所测得的计数率N0用作仪表的参考值。作为同位素光子计数N0按照统计规律涨落变化，涨落的幅度为，称为统计偏差，为了降低统计偏差，N0必须足够大。所以设计仪表时应掌握，在N0保持足够大计数率的前提下，尽可能地增大吸收厚度可提高仪表的测量性能。当原油品质不变或变化不大时，表1所列各参数为常数，式(3)简写为：

ln(N0/NX)=Aα+B

(4)

式中：A、B为常数(对于固定的测试装置)。

式(4)就是目前常规含水仪设计原理公式。依据此原理公式研制的FDH系列低含水仪表使用238Pu (由于是第一代试验性研究，精度要求不是很高，另外238 Pu的放射性比241Am小，在试验性研究中比较安全)低能光子源，根据表1列出数据，当油质不变时，其含水率理论测量精度可达到0.04%，实际仪表的标称检测精度为0.1%。

当含水仪工作在混输条件时，油品、含气的变化使原油介质对射线的吸收系数，即式(3)中的μ2改变，从而导致对含水测量的偏差。从式(4)可知，μ2改变使线性方程的斜率和截距都发生变化。

油质变化引起含水测量误差的深层原因来自于线性吸收系数μ的物理定义，当射线能量确定后，吸收系数是只与介质的化学组成和密度有关的物理量，存在简单的物理关系：

μ=μmρ

(5)

式中：ρ为介质的物理密度，g/cm3；μm为质量吸收系数，cm2/g。

通常不同品质的原油只是分子中长链结构所占数量不同，但构成原油分子的单体，以及碳氢比都变化不大，因此在含水测量所使用光子源的能量范围内，质量吸收系数μm与含水测量误差的关联是较弱的。不同的油品密度的变化却是很大的，油田原油密度可从0.8～0.93g/cm3,所以原油混输作业导致含水测量偏差的主要因素是油品密度的变化。同样原理，混输作业中水质和含气的变化对于含水测量误差也应有所贡献，但由于本项目解决的是低含水原油测量问题，含水率通常为1%左右(不超过5%)，因此水质变化的影响相对油品密度变化是很小的。气体一般以溶解气的形式存在，可将其作为原油视密度的变化进行处理，此结论在实验中已经予以验证。以上分析，突出了问题的主要矛盾，只要能够找到对油品密度变化进行动态修正的方法，就可以实现项目的研制目的。

对油品密度进行动态修正，可以采用直接测量介质密度，对线性吸收系数修正的方法。但基础实验表明，直接测量法难以解决密度影响的问题。目前低含水原油在线密度测量仪表都不能达到要求的测量精度，实验中我们采用137Cs 光子源，在实验室条件下对含水率0～2%的0# 柴油做密度测量，测量不确定度为0.5%，导致的含水误差±0.3%。事实上原油密度在线精确测量本身就是一个比较困难的问题，而我们的目的并不是测量密度，而是要测量含水率，通过实验研究得到的结论是，直接测量法对密度进行绝对修正，对于解决本项目含水测量问题事倍功半，难以取得满意的结果。

如图1，该检测系统采用间接方法对密度变化进行修正，引入另一能量不同的光子成份，穿过介质后，其计数率与含水率之间的关系可由与式(3)形式相同的方程表述，但其吸收系数完全不同，则与式(3)联立成以下方程组：

ln(N0/NX)=(μ1-μ2)da+μ2d

ln(M0/MX)=(v1-v2)Da+v2D

(6)

式中：NX为光子能量编号为1的光子穿过厚度为d的均匀物质后的剩余光子强度，keV；M0为光子能量编号为2的光子的入射光子强度，keV；MX为光子能量编号为2的光子穿过厚度为D的均匀物质后的剩余光子强度, keV；v1和v2分别为光子能量编号为2的光子对应于纯水相和纯油相的吸收系数，cm-1。

从方程组(6)出发，引入油品视密度的相对变化量δρ2/ρ2,作为修正变量，经过理论推导得到下列方程组：

(7)

方程组中显含了油品视密度的变化，将其与含水率关联，通过解联立方程可同时检测含水率和油品视密度的变化。应用方程组(7)，采用238Pu和241Am低能光子源，两组光子能量分别为17keV和59.6keV，进行原理和现场验证均获得满意结果。

2 系统特点

本系统属于高精度、高稳定性、高可靠性的在线智能监测系统。该系统的实际应用将改变目前原油交接计量中完全依赖人工计量的操作方式，解决由于生产效率低、劳动强度高和人为因素导致计量误差大等因素而制约石油生产及储运企业实现原油含水计量过程自动化、信息化的关键技术障碍，具有如下特点。

1)开创性地将双能双束同位素光子测量方法应用于多品质原油混输低含水率的准确在线检测。

2)测量原理中对多品质原油混输导致的多项影响因素进行合理归并，建立等效油品视密度中间变量，根据其变化与含水变化的相互关联规律，以双能光子吸收测量解决多因素干扰的问题，使原油含水测量达到计量标准的精度要求。

3)双源双探头结构设计，结构紧凑，采用完全非接触式测量，可满足现场各种工况和安装条件。

4)应用低能同位素光子源，易于达到防护标准，减小体积。

5)采用基于ARM9结构的AT91RM9200芯片构成嵌入式仪表系统，强大的32位 RISC处理器和丰富的外围模块使之可以完成台式工控机所有的全部功能。系统对反映被测量介质瞬态变化信息的脉冲计数、温度、压力、流量等信号进行现场采集，通过条件化和运算处理，得到含水率和油品变化的实时结果，根据设限值对含水超标及时报警。生产计量数据就地显示，并可发送脉冲、电流、电压等信号，或者通过嵌入式WEB服务器发布数据。

本产品主要应用在石油炼化等行业在原油的生产和输送过程中对含水数据的在线检测、采集、处理、分析、传输以及精确计量，并可在化工、储运、食品、制药等行业液态物料组分信息在线分析的过程中推广应用。

3 社会经济意义

系统产品设计适用于目前各种工矿条件下原油含水量的实时、精确、公允在线计量，规模生产和推广应用后，可替代国外同类产品(国外产品的适用性较低)，增加就业机会，产生很好的社会效益。

由于本系统产品在计量中能实现数据的实时检测、自动采集、系统分析等功能，可在很大程度上提高工作效率、降低劳动强度。本系统的推广应用会随着国家经济的发展、石油等相关产业技术改造的普及、国家战略储备计划中管网输运分配体系的建设实施而有着极好的前景，可为实施单位及地方创造可观的经济效益。系统使用单位通过及时、合理、准确的计量维权，可避免或挽回因人为因素和计量误差造成的经济损失。

本系统的实施，一方面符合国家原油储备战略计划，为系统应用单位降低成本，提高工作效率，加速信息化、自动化建设的速度，维护相关方权益，减少计量纠纷与误差，提高经济效益；另一方面本系统可应用于对环境因素中污染物的监测，促进环境保护工作，与可持续性发展战略相一致。

4 现场应用情况

该系统在长庆油田西一联合站安装有9套，技术人员通过人工取样，离心法测定含水(视为真实值)[4]，对其运行状况进行对比监测，发现该系统在其标定周期内运行平稳，含水监测误差在设备和工艺允许的范围内(表2)。

表2 FDH-S型含水监测系统测定原油含水率与离心法测定含水率对比表

由表2可以看出，该系统完全可以满足原油集输中对于含水率测定的要求，特别对低含水原油的监测效果更好。

5 技术指标

FDH-S型含水监测系统技术指标如表3所示[5-6]。

表3 FDH-S型含水监测系统技术指标

6 结束语

双能双束同位素光子测量方法解决多品质原油混输低含水率精密测量，引入油品视密度的相对变化量，很好地解决了原油密度变化量对含水率测定精度的影响。在仪表的物理结构方面，双源双探头结构设计，结构紧凑，采用完全非接触式测量，可满足现场各种工况和安装条件。铅屏蔽结构设计使仪表的光子泄漏率远低于国家有关法规的标准。从现场应用情况来看，其测量精度完全满足原油含水测量的工艺要求，且能较容易地实现自动化和数字化，系统软件组态化设计，具有过程参量和生产数据实时显示、设限报警、各级报表生成打印、历史数据保存调阅、显示趋势图、流程图生成、远程通讯等功能。避免了人工取样检测的偶然误差，降低了工人的劳动强度，在原油生产行业具有广阔的应用前景。

[1] 杨福家.原子物理学[M].上海：上海科学技术出版社，1985

[2] 熊俊. 近代物理实验[M].北京：科学出版社，2007

[3] 李帮军.射线辐射测量实验原理与特性研究[J].中国现代教育装备，2007.10:104-105

[4] 管焕铮，吴宏陆，薄艳红，等.GB 6533—1986原油中水和沉淀物测定法(离心法)[S].北京:中国标准出版社，2010

[5] 李书朝，陈在学，李江，等.GB 3836—2010爆炸性环境设备通用要求[S]. 北京:中国标准出版社，2011

[6] 孙奉先，高法会，李金钩，等.SY/T 5566—1998低能源原油含水分析仪[S].北京：石油工业出版社，1999

*科技型中小企业技术创新基金项目(04C26216201444)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.09.06