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      凝析油儲油罐自動抽水系統可行性方案

      一、方案概述
       
      在采油行業的生產過程中,采油廠的原油處理站、凝析油儲運沉降站,及煉油廠儲運罐區,物流部及物裝碼頭的成品油罐區為保證原料油的油品質量都要及時沉降抽水,同時也降低污水對罐底腐蝕。為了確保安全生產,需要對油罐進行抽水,也稱切水。
       
      當前油罐脫水方式分為人工操作和自動切水兩種方式。
       
      目前在國內外相關行業中,國內還沒有生產這種智能切水器的廠家;國外只有美國一家儀表公司生產這種智能切水器的變送器,據了解該公司生產的切水器在大慶油田使用過,只局限于試驗,由于該切水器造價較高,一套系統約合人民幣肆拾萬元,而且該切水系統對中國的油品質量要求比較高,維護成本很高,因此該切水系統在中國沒有推廣下去。
       
      2008年我公司開始對各油田、石化等企業調研,發現新疆克拉瑪依油田、大慶油田采油聯合站、輸轉站、原油處理站的儲油罐區;中石油、中石化所屬企業的油品貯運區、原油物流作業區、液體裝卸貯運碼頭罐區,還有煤化工,煤制油企業的成品油貯罐區,都涉及到油罐自動抽水問題。由于國家對各石化煉油企業及煤化工企業,節能減排、安全環保要求越來越嚴格,各企業對油罐區切水的重視程度越來越高,投入安裝或改造的資金越來越多。南京工業大學和遼陽鼎天科技有限公司針對石油化工及煤化工行業油品罐區對自動抽水的生產需要,聯合研發了DTZ型凝析油儲罐自動抽水系。
       
      DTZ型凝析油儲罐自動抽水系統核心部分(油水界面檢測儀、原油含水分析儀)均為獨立自主研發,短波吸收原理、傳感器探頭防掛料工藝、反沖洗裝置、含水曲線(如溫度)自動修正補償功能構成了系統的技術基礎,這些技術都是通過各個現場的大量實驗數據反復進行分析、處理、理論計算獲得的,經過了實踐的檢驗。    目前產品已經獲得了遼寧省計量科學研究院認證的產品檢驗報告和遼寧省質量技術監督研究院認證的質量檢測證書。
       
      當前國內大部分石油化工行業沒有安裝自動抽水系統,少數安裝了機械式自動切水器的油品罐區因該切水器的缺陷沒有得到使用。煤煉制企業基本上通過人工操作來實現切水,市場還處于起步階段。預計將會有80%以上的企業將安裝現代化的智能切水系統,市場發展空間巨大。
       
      公司在抽水系統核心部分(油水界面檢測儀、原油含水分析儀)原理方面已經取得突破,儀表已經研制成功,并在南京揚子石化煉油廠、物流部、遼河油田煉油廠、大慶石化投入運行,效果良好。公司有能力在現有基礎上完善系統的各項技術指標,使系統更加穩定可靠。
       
      二、總體技術方案
       
      DTZ型凝析油儲罐自動抽水系統分為檢測單元(油水界面檢測儀、水中含油分析儀)、控制單元、人機操作單元、執行單元五部分。
       
      檢測單元實現凝析油罐內的界面檢測功能、污水中微量油含量檢測功能。
       
      界面檢測功能由智能合成油水界面檢測裝置實現;
       
      污水中微量油含量檢測功能由水中含油分析儀實現。
       
      控制單元主要實現對檢測到的油水界面、水中含油量等數據進行分析計算,根據實際的油水界面位置及排放污水中檢測到的含油量控制執行單元中抽水泵的開關,實現自動抽水不跑油的目的。
       
      其中油水界面檢測儀、水中含油分析儀為系統的核心部分。采用短波吸收原理,針對電磁波來說的無線電短波,其頻率范圍為3-30 MHz;波長范圍10-100 m之間。根據電磁波的物理特性:電磁短波在通過液體介質時或多或少地被介質所吸收。同一頻率的電磁短波通過不同的介質時,介質所吸收的短波能量是不同的,吸收多少服從朗伯一貝爾定律
       
      I0=Ie(u1c1l1+u2c2l2+...)                                                       (1)
       
      式中u1c1l1u2c2l2 分別代表著兩種不同物質的吸收系數、介質濃度及介質厚度,當檢測儀用于檢測油水含量時,則兩種物質分別為水和油,當檢測儀發射一定頻率(4MHz )的電磁短波時,油對這個頻率的電磁短波能量的吸收系數u很小,這里我們將其近似為零,則式(1)導成如下形式
       
      I0=Ieu1c1l1                                     (2)
       
      對于頻率一定的電磁波,水的吸收系數保持不變;當傳感器尺寸一定時,則l確定;電磁波透射能量I被管線吸收,這個能量隨介質的變化很小,可近似為恒定值。故從式(2)中可知,探測器發射能量I只能隨著介質濃度(在這里為水)變化而變化,呈非線性曲線特性。當油水乳化層的含水率變化時,發射器發射功率的變化,將引起發射器內部振蕩源電流值1的變化,將這個變化了的電流反饋輸出給控制器,經過調零、放大、整形后,作為標準信號,再經過線性化處理,實現水中含油的測定。
      原油含水分析儀:
       
      1、原油含水率監測范圍:油中含水0~100%(體積百分比);
       
      2、原油含水率監測誤差:0~60%:≤±0.5%; 60~100%:≤±1%;
       
      3、工作形式:在線連續運行
       
      4、環境溫度: -40℃~+70℃;
       
      5、環境濕度:≤95%
       
      6、大氣壓力:800—1100Kpa
       
      7、探測器承壓能力:≤2.5MPa,
       
      8、供電電源:控制器:DC24V         消耗功率:1.5W;
       
      9、防爆等級:ExiaⅡBT4
       
      10、外殼防護等級:IP66
       
      11、傳輸電纜長度:≤300m
       
      12、外形尺寸:200mm*600mm;
       
      13、海拔高度:≤2000米;
       
      14、輸出形式:電流輸出:4-20mA。
       
      (一)環境條件
       
      1、溫度: 高頻信號發生器:-40-+70℃   傳感器:+40-+120℃
       
      2、濕度:≤85%
       
      3、大氣壓力:80—110Kpa
       
      4、傳感器承壓能力:≤2.5Mpa
       
      (二)技術參數
       
      1、供電電源:24VDC
       
      2、輸出:4-20mA
       
      3、分布參數:a、L=0.28mH b、C=15.83nF   c、R=16.96Ω
       
      4、傳輸電纜長度:≤800m
       
      (三)電氣參數
       
      1、檢測范圍:油水界面0—2000mm;乳化層油中含水0-100%
       
      2、檢測精度:±0.1%
       
      3、工作方式:在線連續運行
       
      4、信號輸出方式:4-20mADC  
       
      5、消耗功率:1.5W
       
      7、外形尺寸:1、高頻信號發生器:Φ90mm*105mm
       
      2、傳感器:160mm*(1380mm-3500mm)
       
      三、方案創新內容
       
      1、理論方面:
       
      目前國內使用較多的是機械式自動切水器。機械式自動切水器是利用不同油品介質與水的密度差產生浮力并采用杠桿原理,依靠浮筒在油水介質中的浮力差,使浮筒上下運動,實現控制排水閥開啟和關閉,從而達到自動切水的目的。機械式自動切水器缺點在于原油(0.8-0.9)和水(1)的密度差很小,非常接近,如果浮筒沾上雜質將區分不了油和水,導致在排水過程中跑油,造成生產事故。
       
      DTZ型凝析油儲罐自動抽水系統采用先進的短波吸收原理,電磁短波在通過液體介質時或多或少地被介質所吸收,而介質的物理參數介電系數差異很大,油為2.2,水為81,相差近40倍。根據大量的實驗數據,我們發現原油含水曲線符合朗伯一貝爾定律:I0=Ieu1c1l1     ,式中u、c、l分別代表著兩種不同物質的吸收系數、介質濃度及介質厚度。
       
      根據上述的創新理論,我們研制了油水界面檢測儀、水中含油分析儀。
       
      2、     技術創新
       
      其他廠家的自動切水器采用Smart DetectTM 技術,自成一個系統,不能連接到DCS;DTZ型油罐自動放水控制系統采用目前國際和國內通用的PLC+組態,可與廠家的DCS系統相連。
       
      四、   國內外相關技術的研究、開發現狀的介紹、分析
       
      近年來隨著國內外生產過程自動化水平的不斷提高,各國的油田工作者先后研制了基于不同原理的自動放水系統。目前常用的在線檢測方法有:電容法、密度法超聲波等。80年代初國內外主要使用的是機械式放水系統(采用密度法),這種方法缺點是精度低,而且浮球在罐內容易糊頭,使誤差增大,不適合粘稠的原油。
       
      近些年國內各大油田生產出的原油粘度越來越大,原有的機械式自動放水系統已經不適應生產的需要。
       
      基于以上原理,非常有必要采用一種更先進的原理來代替原有的機械式原理。
       
      經過多年的研究,我們發現原油和水的物理特性有很大的差異,比如介電系數油是2.1,水是81,相差近40倍。如果根據檢測油和水的介電系數差異來檢測油和水的差異,將會產生革命性的創新。
       
      我們經過大量的數學和物理的理論基礎推導和大量的試驗數據發現,油和水的曲線趨勢符合朗伯一貝爾定律:
       
      I0=Ieu1c1l1     ,式中u、c、l分別代表著兩種不同物質的吸收系數、介質濃度及介質厚度。
       
      根據上述理論基礎,我們開始了一種基于新理論、新方法的產品設計。由于超聲波的不穩定性,我們選擇了短波頻率,歷時三年研制成功了油水界面檢測儀和原油含水分析儀等新產品。它的工作原理是對于頻率一定的電磁波,水的吸收系數保持不變;當傳感器尺寸一定時,則l確定;電磁波透射能量I被管線吸收,這個能量隨介質的變化很小,可近似為恒定值。故從公式中可知,探測器發射能量I只能隨著介質濃度(在這里為水)變化而變化,呈非線性曲線特性。當油水乳化層的含水率變化時,發射器發射功率的變化,將引起發射器內部振蕩源電流值1的變化,將這個變化了的電流反饋輸出給控制器,經過調零、放大、整形后,作為標準信號,再經過線性化處理,實現水中含油的測定。
       
      目前國內油和水的原理很多,比如,密度法因為油和水的比重差太小,已被淘汰;γ射線法由于涉及輻射,而且射線極不穩定,對人身體造成危害,現在已經不生產了;超聲波法頻率極不穩定,現在各油田基本上不再采用。
       
      綜上,采用短波吸收法原理是大勢所趨,我公司掌握了該原理的核心技術,是產品更加可靠,得到了油田使用單位的認可。
       
      五、方案原理及系統構

               當放水過程中油水界面儀檢測到乳化層,當乳化層中含水量低到設定值時,系統報警。這時可停止抽水。如果要把儲罐內的底水繼續抽,這樣含有少量凝析油的水在抽水管道中由安裝在抽水管線上的油中含水分析儀來檢測水中含油量,當檢測到管道中液體含水量低于設定值時進行二次報警,這時就要停止放水。(客戶可自行修改設定值)。

       

       

       系統構成圖
       
       
      1、界面儀        2、水中含油分析儀 3、抽水泵
      4、手動閥        5、手動閥          6、系統控件器
       
       
      系統控制單元
       
       
      安裝說明:
       
      1、上面垂直插入的油水界面檢測裝置監測罐內油水界面位置,作為停止抽水的前期虹吸油水混層的預報。
       
      2、水中含油分析儀檢測污水中的微量含油是否達到可停止抽水,由使用單位設定即可(儀表是連續可調的)
       
       
      六、方案主要功能及應用領域
       
      DTZ型凝析油儲罐自動抽水控制系統通過前端儀表油水界面檢測儀和原油含水分析儀分別檢測油罐中油水界面的位置和管線中的原油含水率,遠傳標準信號至中控室的PLC控制系統,由PLC發出系統指令控制現場抽水泵的開關,達到自動抽水而不排出油的目的。也可以是控制電動閥自動切水。
       
      DTZ型油罐自動放水控制系統可應用于中石油、中石化的煉油廠油品車間、物流部的成品油罐區、煤煉制企業的油品罐區,應用領域非常廣泛。
       
       DTZ型凝析油儲罐自動抽水系統是我公司優秀的研發團隊歷時多年研制成功的具有先進技術、完全擁有自主產權的自控系統,專門為石油化工企業設計的智能化系統。核心產品油水界面儀和原油含水分析儀在國內同行業中技術水平處于領先地位,是石油化工企業實現安全生產的重要檢測手段。
       
      七方案企業效益預測
       
      中石油、中石化有上百家大型企業。以南京揚子石化為例,自動切水系統需求量大約在200套左右,以90000.00/套計算,產值在1000萬元左右。以全國石油化工企業的需求計算,產值在幾十億甚至更高。煤化工企業據調查現在還沒有使用過自動切水系統,如果安裝后將創造不低于石油化工企業的產值。
       
          凝析油自動抽水系統應用后,將會為凝析油生產企業創造巨大的經濟和社會效益,降低了人力資源成本,提高了勞動生產率,促進了安全生產,避免了事故的發生,降低對環境的污染,使企業在環評中達標。