凝析油储油罐自动抽水系统可行性方案

一、方案概述
 
在采油行业的生产过程中,采油厂的原油处理站、凝析油储运沉降站,及炼油厂储运罐区,物流部及物装码头的成品油罐区为保证原料油的油品质量都要及时沉降抽水,同时也降低污水对罐底腐蚀。为了确保安全生产,需要对油罐进行抽水,也称切水。
 
当前油罐脱水方式分为人工操作和自动切水两种方式。
 
目前在国内外相关行业中,国内还没有生产这种智能切水器的厂家;国外只有美国一家仪表公司生产这种智能切水器的变送器,据了解该公司生产的切水器在大庆油田使用过,只局限于试验,由于该切水器造价较高,一套系统约合人民币肆拾万元,而且该切水系统对中国的油品质量要求比较高,维护成本很高,因此该切水系统在中国没有推广下去。
 
2008年我公司开始对各油田、石化等企业调研,发现新疆克拉玛依油田、大庆油田采油联合站、输转站、原油处理站的储油罐区;中石油、中石化所属企业的油品贮运区、原油物流作业区、液体装卸贮运码头罐区,还有煤化工,煤制油企业的成品油贮罐区,都涉及到油罐自动抽水问题。由于国家对各石化炼油企业及煤化工企业,节能减排、安全环保要求越来越严格,各企业对油罐区切水的重视程度越来越高,投入安装或改造的资金越来越多。南京工业大学和辽阳鼎天科技有限公司针对石油化工及煤化工行业油品罐区对自动抽水的生产需要,联合研发了DTZ型凝析油储罐自动抽水系。
 
DTZ型凝析油储罐自动抽水系统核心部分(油水界面检测仪、原油含水分析仪)均为独立自主研发,短波吸收原理、传感器探头防挂料工艺、反冲洗装置、含水曲线(如温度)自动修正补偿功能构成了系统的技术基础,这些技术都是通过各个现场的大量实验数据反复进行分析、处理、理论计算获得的,经过了实践的检验。    目前产品已经获得了辽宁省计量科学研究院认证的产品检验报告和辽宁省质量技术监督研究院认证的质量检测证书。
 
当前国内大部分石油化工行业没有安装自动抽水系统,少数安装了机械式自动切水器的油品罐区因该切水器的缺陷没有得到使用。煤炼制企业基本上通过人工操作来实现切水,市场还处于起步阶段。预计将会有80%以上的企业将安装现代化的智能切水系统,市场发展空间巨大。
 
公司在抽水系统核心部分(油水界面检测仪、原油含水分析仪)原理方面已经取得突破,仪表已经研制成功,并在南京扬子石化炼油厂、物流部、辽河油田炼油厂、大庆石化投入运行,效果良好。公司有能力在现有基础上完善系统的各项技术指标,使系统更加稳定可靠。
 
二、总体技术方案
 
DTZ型凝析油储罐自动抽水系统分为检测单元(油水界面检测仪、水中含油分析仪)、控制单元、人机操作单元、执行单元五部分。
 
检测单元实现凝析油罐内的界面检测功能、污水中微量油含量检测功能。
 
界面检测功能由智能合成油水界面检测装置实现;
 
污水中微量油含量检测功能由水中含油分析仪实现。
 
控制单元主要实现对检测到的油水界面、水中含油量等数据进行分析计算,根据实际的油水界面位置及排放污水中检测到的含油量控制执行单元中抽水泵的开关,实现自动抽水不跑油的目的。
 
其中油水界面检测仪、水中含油分析仪为系统的核心部分。采用短波吸收原理,针对电磁波来说的无线电短波,其频率范围为3-30 MHz;波长范围10-100 m之间。根据电磁波的物理特性:电磁短波在通过液体介质时或多或少地被介质所吸收。同一频率的电磁短波通过不同的介质时,介质所吸收的短波能量是不同的,吸收多少服从朗伯一贝尔定律
 
I0=Ie(u1c1l1+u2c2l2+...)                                                       (1)
 
式中u1c1l1u2c2l2 分别代表着两种不同物质的吸收系数、介质浓度及介质厚度,当检测仪用于检测油水含量时,则两种物质分别为水和油,当检测仪发射一定频率(4MHz )的电磁短波时,油对这个频率的电磁短波能量的吸收系数u很小,这里我们将其近似为零,则式(1)导成如下形式
 
I0=Ieu1c1l1                                     (2)
 
对于频率一定的电磁波,水的吸收系数保持不变;当传感器尺寸一定时,则l确定;电磁波透射能量I被管线吸收,这个能量随介质的变化很小,可近似为恒定值。故从式(2)中可知,探测器发射能量I只能随着介质浓度(在这里为水)变化而变化,呈非线性曲线特性。当油水乳化层的含水率变化时,发射器发射功率的变化,将引起发射器内部振荡源电流值1的变化,将这个变化了的电流反馈输出给控制器,经过调零、放大、整形后,作为标准信号,再经过线性化处理,实现水中含油的测定。
原油含水分析仪:
 
1、原油含水率监测范围:油中含水0~100%(体积百分比);
 
2、原油含水率监测误差:0~60%:≤±0.5%; 60~100%:≤±1%;
 
3、工作形式:在线连续运行
 
4、环境温度: -40℃~+70℃;
 
5、环境湿度:≤95%
 
6、大气压力:800—1100Kpa
 
7、探测器承压能力:≤2.5MPa,
 
8、供电电源:控制器:DC24V         消耗功率:1.5W;
 
9、防爆等级:ExiaⅡBT4
 
10、外壳防护等级:IP66
 
11、传输电缆长度:≤300m
 
12、外形尺寸:200mm*600mm;
 
13、海拔高度:≤2000米;
 
14、输出形式:电流输出:4-20mA。
 
(一)环境条件
 
1、温度: 高频信号发生器:-40-+70℃   传感器:+40-+120℃
 
2、湿度:≤85%
 
3、大气压力:80—110Kpa
 
4、传感器承压能力:≤2.5Mpa
 
(二)技术参数
 
1、供电电源:24VDC
 
2、输出:4-20mA
 
3、分布参数:a、L=0.28mH b、C=15.83nF   c、R=16.96Ω
 
4、传输电缆长度:≤800m
 
(三)电气参数
 
1、检测范围:油水界面0—2000mm;乳化层油中含水0-100%
 
2、检测精度:±0.1%
 
3、工作方式:在线连续运行
 
4、信号输出方式:4-20mADC  
 
5、消耗功率:1.5W
 
7、外形尺寸:1、高频信号发生器:Φ90mm*105mm
 
2、传感器:160mm*(1380mm-3500mm)
 
三、方案创新内容
 
1、理论方面:
 
目前国内使用较多的是机械式自动切水器;凳阶远兴魇抢貌煌推方橹视胨拿芏炔畈×Σ⒉捎酶芨嗽,依靠浮筒在油水介质中的浮力差,使浮筒上下运动,实现控制排水阀开启和关闭,从而达到自动切水的目的;凳阶远兴魅钡阍谟谠停0.8-0.9)和水(1)的密度差很小,非常接近,如果浮筒沾上杂质将区分不了油和水,导致在排水过程中跑油,造成生产事故。
 
DTZ型凝析油储罐自动抽水系统采用先进的短波吸收原理,电磁短波在通过液体介质时或多或少地被介质所吸收,而介质的物理参数介电系数差异很大,油为2.2,水为81,相差近40倍。根据大量的实验数据,我们发现原油含水曲线符合朗伯一贝尔定律:I0=Ieu1c1l1     ,式中u、c、l分别代表着两种不同物质的吸收系数、介质浓度及介质厚度。
 
根据上述的创新理论,我们研制了油水界面检测仪、水中含油分析仪。
 
2、     技术创新
 
其他厂家的自动切水器采用Smart DetectTM 技术,自成一个系统,不能连接到DCS;DTZ型油罐自动放水控制系统采用目前国际和国内通用的PLC+组态,可与厂家的DCS系统相连。
 
四、   国内外相关技术的研究、开发现状的介绍、分析
 
近年来随着国内外生产过程自动化水平的不断提高,各国的油田工作者先后研制了基于不同原理的自动放水系统。目前常用的在线检测方法有:电容法、密度法超声波等。80年代初国内外主要使用的是机械式放水系统(采用密度法),这种方法缺点是精度低,而且浮球在罐内容易糊头,使误差增大,不适合粘稠的原油。
 
近些年国内各大油田生产出的原油粘度越来越大,原有的机械式自动放水系统已经不适应生产的需要。
 
基于以上原理,非常有必要采用一种更先进的原理来代替原有的机械式原理。
 
经过多年的研究,我们发现原油和水的物理特性有很大的差异,比如介电系数油是2.1,水是81,相差近40倍。如果根据检测油和水的介电系数差异来检测油和水的差异,将会产生革命性的创新。
 
我们经过大量的数学和物理的理论基础推导和大量的试验数据发现,油和水的曲线趋势符合朗伯一贝尔定律:
 
I0=Ieu1c1l1     ,式中u、c、l分别代表着两种不同物质的吸收系数、介质浓度及介质厚度。
 
根据上述理论基础,我们开始了一种基于新理论、新方法的产品设计。由于超声波的不稳定性,我们选择了短波频率,历时三年研制成功了油水界面检测仪和原油含水分析仪等新产品。它的工作原理是对于频率一定的电磁波,水的吸收系数保持不变;当传感器尺寸一定时,则l确定;电磁波透射能量I被管线吸收,这个能量随介质的变化很小,可近似为恒定值。故从公式中可知,探测器发射能量I只能随着介质浓度(在这里为水)变化而变化,呈非线性曲线特性。当油水乳化层的含水率变化时,发射器发射功率的变化,将引起发射器内部振荡源电流值1的变化,将这个变化了的电流反馈输出给控制器,经过调零、放大、整形后,作为标准信号,再经过线性化处理,实现水中含油的测定。
 
目前国内油和水的原理很多,比如,密度法因为油和水的比重差太小,已被淘汰;γ射线法由于涉及辐射,而且射线极不稳定,对人身体造成危害,现在已经不生产了;超声波法频率极不稳定,现在各油田基本上不再采用。
 
综上,采用短波吸收法原理是大势所趋,我公司掌握了该原理的核心技术,是产品更加可靠,得到了油田使用单位的认可。
 
五、方案原理及系统构

         当放水过程中油水界面仪检测到乳化层,当乳化层中含水量低到设定值时,系统报警。这时可停止抽水。如果要把储罐内的底水继续抽,这样含有少量凝析油的水在抽水管道中由安装在抽水管线上的油中含水分析仪来检测水中含油量,当检测到管道中液体含水量低于设定值时进行二次报警,这时就要停止放水。(客户可自行修改设定值)。

 

 

 系统构成图
 
 
1、界面仪        2、水中含油分析仪 3、抽水泵
4、手动阀        5、手动阀          6、系统控件器
 
 
系统控制单元
 
 
安装说明:
 
1、上面垂直插入的油水界面检测装置监测罐内油水界面位置,作为停止抽水的前期虹吸油水混层的预报。
 
2、水中含油分析仪检测污水中的微量含油是否达到可停止抽水,由使用单位设定即可(仪表是连续可调的)
 
 
六、方案主要功能及应用领域
 
DTZ型凝析油储罐自动抽水控制系统通过前端仪表油水界面检测仪和原油含水分析仪分别检测油罐中油水界面的位置和管线中的原油含水率,远传标准信号至中控室的PLC控制系统,由PLC发出系统指令控制现场抽水泵的开关,达到自动抽水而不排出油的目的。也可以是控制电动阀自动切水。
 
DTZ型油罐自动放水控制系统可应用于中石油、中石化的炼油厂油品车间、物流部的成品油罐区、煤炼制企业的油品罐区,应用领域非常广泛。
 
 DTZ型凝析油储罐自动抽水系统是我公司优秀的研发团队历时多年研制成功的具有先进技术、完全拥有自主产权的自控系统,专门为石油化工企业设计的智能化系统。核心产品油水界面仪和原油含水分析仪在国内同行业中技术水平处于领先地位,是石油化工企业实现安全生产的重要检测手段。
 
七方案企业效益预测
 
中石油、中石化有上百家大型企业。以南京扬子石化为例,自动切水系统需求量大约在200套左右,以90000.00/套计算,产值在1000万元左右。以全国石油化工企业的需求计算,产值在几十亿甚至更高。煤化工企业据调查现在还没有使用过自动切水系统,如果安装后将创造不低于石油化工企业的产值。
 
    凝析油自动抽水系统应用后,将会为凝析油生产企业创造巨大的经济和社会效益,降低了人力资源成本,提高了劳动生产率,促进了安全生产,避免了事故的发生,降低对环境的污染,使企业在环评中达标。

 

 
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