◎陳博 劉婷 任神河

原油儲(chǔ)罐非接觸式測量方法

◎陳博 劉婷 任神河

石油是工業(yè)血液，是不可再生的重要資源，剛開采出來的原油中含有較多的水分及泥沙等物質(zhì)，需要放在儲(chǔ)油罐中靜置，由于多相介質(zhì)密度不同，在重力作用下使其分層，最終抽取純油部分，因此如何測量各介質(zhì)層的相應(yīng)高度是原油儲(chǔ)罐實(shí)時(shí)計(jì)量的關(guān)鍵。本文介紹了現(xiàn)階段國內(nèi)外主流的非接觸式測量方法，對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，對今后的發(fā)展前景做出了展望。

石油被稱為為黑色黃金，是當(dāng)今世界最為重要的資源之一，是工業(yè)快速發(fā)展的重要保障。石油作為不可再生資源，其分布及儲(chǔ)量充滿了不確定性，中國作為世界上最大的發(fā)展中國家，石油儲(chǔ)量也是較為豐富的，但是受地質(zhì)影響各個(gè)油田的產(chǎn)量和油質(zhì)也有較大差異，例如陜西省陜北地區(qū)的油田，由于壓力原因，在開采時(shí)往往需要注水增壓，因此開采出來的原油中含有的水分及泥沙較多，通常開采出來的原油無法直接提煉，需要靜置在儲(chǔ)油罐中利用密度不同的原理在重力作用下形成包括空氣層、油層、乳化層、水層、泥沙層等多相介質(zhì)層，計(jì)算出各個(gè)介質(zhì)層高度后準(zhǔn)確將油層抽取。在過去幾十年里主要通過人工標(biāo)尺發(fā)來測定油層高度，但儲(chǔ)油罐體積龐大，人工測量起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力，隨時(shí)科技的發(fā)展，各種自動(dòng)測量系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式主要是利用傳感探頭直接與儲(chǔ)油罐介質(zhì)相接觸，利用在不同介質(zhì)層反饋回來的信息強(qiáng)度不同來確定介質(zhì)高度，但由于原油中雜質(zhì)較多，傳感探頭很容易被雜質(zhì)包裹從而影響測量精度，因此目前發(fā)展的趨勢更偏向于非接觸式測量。非接觸式測量通常指傳感探頭不與所測介質(zhì)直接接觸，從而避免了傳感探頭被油污包裹住導(dǎo)致精測失真的情況發(fā)生，目前主流的非接觸式測量主要包括超聲波或雷達(dá)測量、電磁波測量以及光纖測量法。

超聲波或雷達(dá)測量法

超聲波測量法和雷達(dá)測量法測量原理相似，都是計(jì)算時(shí)間差的方式來測量液位高度，以超聲波為例，通常將超聲波發(fā)射端與接收端都安置在儲(chǔ)油罐上方位置，發(fā)射端發(fā)出超聲波信號(hào)，打到儲(chǔ)油罐內(nèi)液體表面后返回，通過計(jì)算發(fā)射及接受超聲波的時(shí)差來計(jì)算儲(chǔ)油罐內(nèi)液位高度。

超聲波測量法優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都較為突出。安裝和測量方法簡單、成本低、穩(wěn)定性好是其優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是超聲波易受外界條件干擾導(dǎo)致精度較低，而且超聲波測量法只能測得油罐內(nèi)的表面高度，無法測定各個(gè)介質(zhì)層的相應(yīng)高度，因此不具備較大的應(yīng)用前景。

電磁波測量法

電磁波測量法主要利用電磁波在不同介質(zhì)中衰減強(qiáng)度的不同來判定介質(zhì)種類，將大量的電磁傳感器在聚乙烯四氟管的保護(hù)下采用陣列式的布局安置在油罐內(nèi)，每個(gè)電磁傳感器固定在相應(yīng)高度，超聲波發(fā)射端水平安置，其發(fā)出的超聲波打在儲(chǔ)油罐壁后返回被接受，通過對比接收信號(hào)的衰減強(qiáng)度來判斷該電磁傳感器所處位置，其測量原理圖如圖1所示。

從理論上講，無論罐體體積多大，該測量方法都適用，且電磁傳感器間距越小，系統(tǒng)測量的精度就越高。其優(yōu)點(diǎn)包括可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油罐內(nèi)多相介質(zhì)的的高度測量、精度高、適應(yīng)強(qiáng)。缺點(diǎn)主要包括安裝和維護(hù)較為復(fù)雜，測量成本較高。

圖1 電磁波測量原理圖

光纖測量法

光纖液位測量法或者激光液位測量法，其測量原理與超聲波較為類似，同樣是通過計(jì)算發(fā)射及返回信號(hào)時(shí)間差來測的液位高度，只不過信號(hào)由原來的超聲波信號(hào)變?yōu)楣庑盘?hào)，與超聲波相比，激光的穩(wěn)定性更好，測量精度也較高，但其成本也相應(yīng)較高，且同樣只能實(shí)現(xiàn)單一表面液體高度的測量，但光纖傳感器可發(fā)展的空間還很大，可利用光信號(hào)在不同介質(zhì)中衰減強(qiáng)度的差異實(shí)現(xiàn)多相介質(zhì)的測量，只是受目前制作工藝及成本條件限制還未有成熟的產(chǎn)品問世。

結(jié)論及展望

按目前發(fā)展趨勢來看，非接觸式測量作為主流研究方向?qū)⒗^續(xù)被深入的研究下去，由于電信號(hào)會(huì)產(chǎn)生電火花，對于石油化工行業(yè)來說是個(gè)極大的安全隱患，而隨著光信息技術(shù)的發(fā)展，全光通信時(shí)代也勢必會(huì)被實(shí)現(xiàn)，因此光纖傳感器很有可能作為最適合用于儲(chǔ)油罐液位測量的傳感器在不久的未來體現(xiàn)出其自身的價(jià)值。

（作者單位：咸陽師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院）

本論文受咸陽市科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2015k02-05)；咸陽師范學(xué)院專項(xiàng)項(xiàng)目（13XSYK013）資助。