卿紅霞

（華北油田公司第三采油廠，河北 河間市 062450）

0 引言

在原油開采企業(yè)，對(duì)采出原油中含水率的測(cè)量長(zhǎng)期采用手工“蒸餾法”進(jìn)行化驗(yàn)的方法，這種方法化驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，手工取樣化驗(yàn)采取以點(diǎn)代面的方法來(lái)計(jì)算原油中的平均含水率，不能完全代表原油中的平均含水率。近年來(lái)，很多廠商研究開發(fā)在線原油含水分析儀表。華北油田公司第三采油廠于2015年8月和2018年8月開始在兩條輸油干線上分別采用了射頻和紅外原油含水分析儀，其中饒陽(yáng)站至穩(wěn)定站輸油線（簡(jiǎn)稱西線），在饒陽(yáng)站、楚一聯(lián)、路70站、王四聯(lián)、寧一聯(lián)、河一聯(lián)、里一聯(lián)7個(gè)入口安裝11套射頻原油含水分析儀；留二聯(lián)至穩(wěn)定站輸油線（簡(jiǎn)稱東線），在留一聯(lián)、河一聯(lián)安裝4套原油紅外含水分析儀。通過(guò)對(duì)兩種不同原理的含水分析儀在兩條輸油線對(duì)比應(yīng)用，取得了較好應(yīng)用效果，可以作為企業(yè)內(nèi)部原油交接計(jì)量含水測(cè)量的手段。

1 兩種原油含水分析儀的工作原理

1.1 射頻含水分析儀工作原理[1]

根據(jù)電磁波的物理特性，電磁波在通過(guò)介質(zhì)時(shí)，或多或少地被介質(zhì)所吸收。不同頻率的電磁波在通過(guò)同一介質(zhì)，或同一頻率的電磁波通過(guò)不同介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)所吸收的電磁波能量是不同的，吸收多少服從朗伯-比爾定律[2]，如圖1。

圖1 介質(zhì)吸收電磁波能量Fig.1 The medium absorbs the energy of electromagnetic waves

由于發(fā)射穩(wěn)頻恒幅的電磁波，使水的吸收系數(shù)保持不變。所以當(dāng)含水儀傳感器探頭尺寸一定，則I0確定。傳感器探頭安裝在油中，電磁波穿透能量I被接收體吸收。這個(gè)能量隨介質(zhì)的變化量很小，可以近似為恒定值。這樣從式（4）可知，傳感器探頭發(fā)射功率I0只隨介質(zhì)濃度C1（在這里為水）的變化而變化。發(fā)射功率的變化將引起發(fā)射器內(nèi)振蕩源電流值的變化，含水儀將這個(gè)變化電流處理后，輸出標(biāo)準(zhǔn)的含水信號(hào)。由于傳感器探頭發(fā)射的是短波頻率，因而它具有很強(qiáng)的穿透能力，可以獲得精確的信號(hào)[3,4]。

式（1）中，I：穿透能量（Hz）；I0：入射能量（Hz）；μ：吸收系數(shù)（L/mol）；C：介質(zhì)濃度(%)；L：介質(zhì)厚度(cm)。

將式（1）導(dǎo)成如下形式：

對(duì)于混合介質(zhì)，則有：

式（3）中：μ1C1l1和μ2C2l2分別代表著兩種不同物質(zhì)的吸收系數(shù)、介質(zhì)濃度及介質(zhì)厚度。當(dāng)含水分析儀檢測(cè)油水時(shí)，則兩種物質(zhì)分別為水和油。含水分析儀發(fā)射電磁波時(shí)，油對(duì)這個(gè)頻率的電磁波的能量的吸收系數(shù)μ2很小，這里將其近似為零，則式（3）變?yōu)椋?/p>

1.2 紅外含水分析儀工作原理

近紅外光（Near Infrared，NIR）是介于可見光（VIR）和中紅外光（MIR）之間的電磁波，是指波長(zhǎng)在780nm～2526nm范圍內(nèi)的電磁波。近紅外光譜屬于分子振動(dòng)光譜的倍頻和主頻吸收光譜，主要是由于分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，具有較強(qiáng)的穿透能力。近紅外光主要是對(duì)含氫基團(tuán)X－H（X=C、N、O）振動(dòng)的倍頻和合頻吸收，其中包含了大多數(shù)類型有機(jī)化合物的組成和分子結(jié)構(gòu)的信息。由于不同的有機(jī)物含有不同的基團(tuán)，不同的基團(tuán)有不同的能級(jí)，不同的基團(tuán)和同一基團(tuán)在不同物理化學(xué)環(huán)境中對(duì)近紅外光的吸收波長(zhǎng)都有明顯差別，且吸收系數(shù)小，發(fā)熱少。因此，近紅外光譜可作為獲取信息的一種有效的載體。近紅外光照射時(shí)，頻率相同的光線和基團(tuán)將發(fā)生共振現(xiàn)象，光的能量通過(guò)分子偶極矩的變化傳遞給分子；而近紅外光的頻率和樣品的振動(dòng)頻率不相同時(shí)，該頻率的近紅外光就不會(huì)被吸收。因此，選用連續(xù)改變頻率的近紅外光照射某樣品時(shí)，由于試樣對(duì)不同頻率近紅外光的選擇性吸收，通過(guò)試樣后的近紅外光線在某些波長(zhǎng)范圍內(nèi)會(huì)變?nèi)酰干涑鰜?lái)的紅外光線就攜帶有機(jī)物組分和結(jié)構(gòu)的信息。通過(guò)檢測(cè)器分析透射或反射光線的光密度， 就可以確定該組分的含量。對(duì)碳?xì)浠衔锓治鰜?lái)說(shuō)，近紅外光譜吸收分析是一種很有優(yōu)勢(shì)的技術(shù)，因?yàn)镃-H鍵的吸收峰大部分位于近紅外頻段，另外如O-H，N-H，S-H鍵，在近紅外頻段也都有各自明顯的吸收峰，如圖2[5]。

圖2 近紅外頻段吸收峰Fig.2 Absorption peaks in the near-infrared band

原油主要成分是各種烷烴、環(huán)烷烴、芳香烴、膠質(zhì)、瀝青的混合物，對(duì)近紅外而言，主要是C-H鍵起作用，而水主要是H-O鍵起作用。典型的原油和水的近紅外吸收譜如圖3。

圖3 原油和水的近紅外吸收譜Fig.3 Near-infrared absorption spectra of crude oil and water

根據(jù)朗伯-比爾定律：當(dāng)一束平行單色光通過(guò)均勻的非散射樣品（這里指一定濃度的溶液）時(shí)，樣品對(duì)光的吸光度與樣品的濃度及厚度成正比，數(shù)學(xué)表達(dá)式為A=k×d×c。

透射光強(qiáng)度It與入射光強(qiáng)度I0的比值It/I0稱為透光率。透光率越大，溶液對(duì)光的吸收越少；反之，透光率越小，溶液對(duì)光的吸收越多。透光率的負(fù)對(duì)數(shù)即為吸光度，吸 光 度A=-log10（It/I0）=log10（I0/It）， 為 光 線 通 過(guò)溶液前的入射光強(qiáng)度與通過(guò)溶液后的透射光強(qiáng)度比值的以10為底的對(duì)數(shù)。吸光度表示溶液對(duì)光的吸收程度，吸光度越大，溶液對(duì)光的吸收越多；k為吸收系數(shù)，指在給定波長(zhǎng)、溶劑和溫度等條件下，吸光物質(zhì)在單位濃度、單位液層厚度時(shí)的吸光度。它與入射光的波長(zhǎng)和光通過(guò)的物質(zhì)有關(guān)，對(duì)同一種波長(zhǎng)、同一種物質(zhì)來(lái)說(shuō)，吸收系數(shù)是不變的；d為光在溶液中經(jīng)過(guò)的距離，即光程；c為溶液濃度，在油氣水兩相或三相的混合液中，常指含水率[6]。

由朗伯-比爾定律可知，當(dāng)溶液物質(zhì)一定時(shí)，吸光度A與溶液濃度c和光程d的乘積呈正比關(guān)系，比例系數(shù)即為k；當(dāng)光程d也一定時(shí)，吸光度A與溶液濃度c成正比關(guān)系，這便是近紅外光譜法測(cè)含水率的原理。

在多組分體系中，如果各組分的吸光質(zhì)點(diǎn)彼此不發(fā)生作用，那么吸光度便等于各組分吸光度之和，這一規(guī)律稱為吸光度的加和性。這里討論的是單色光在多組分介質(zhì)中的吸光度。由a和b兩種吸光物質(zhì)組成的混合物中，a和b對(duì)某一波長(zhǎng)的光都有吸收，則根據(jù)吸光度的加和 性 有：A=log10（I0/It）=Aa+Ab， 而Aa=Ka×d×Ca、Ab=Kb×d×Cb， 那 么 便 有A=log10（I0/It）=Ka×d×Ca+Kb×d×Cb，其中Ka、Kb分別表示物質(zhì)a、b對(duì)此波長(zhǎng)光的吸收系數(shù)，Ca、Cb分別表示a和b的混合物中物質(zhì)a、物質(zhì)b的濃度，d表示光程（同一體系中物質(zhì)a、

b的光程相同），I0、It分別表示入射光強(qiáng)度和透射光強(qiáng)度。針對(duì)油、水的吸收特性，分別在油、水的吸收峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)上布置若干個(gè)觀察通道，同時(shí)布置一個(gè)參考通道，油、水在參考通道的波長(zhǎng)上，不應(yīng)該有顯著吸收，通過(guò)觀測(cè)各個(gè)通道的幅度值變化，即可求得混合流體含水率[7]。

2 兩種原油含水分析儀結(jié)構(gòu)組成

2.1 射頻含水分析儀組成

射頻含水分析儀主要由測(cè)量傳感器、一次儀表、二次儀表、擦除控制器、電腦軟件等組成，如圖4。

圖4 射頻含水儀組成、安裝Fig.4 Composition and installation of RF moisture meter

測(cè)量傳感器用來(lái)感知被測(cè)介質(zhì)信號(hào)；一次表接收傳感器的信號(hào)并傳送給二次表；二次表部分由中央處理單元組成，負(fù)責(zé)接收處理一次表的信號(hào)，并將信號(hào)顯示和輸出到電腦；電腦及配套軟件負(fù)責(zé)存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、形成報(bào)表、含水超標(biāo)報(bào)警；擦除控制器用來(lái)清除傳感器上結(jié)垢、結(jié)蠟所產(chǎn)生的臟物，保證連續(xù)測(cè)量精度[8,9]。

2.2 紅外含水分析儀組成

紅外含水分析儀由測(cè)量探頭、表頭、電腦軟件等組成，外形結(jié)構(gòu)組成如圖5。

圖5 紅外含水儀結(jié)構(gòu)組成Fig.5 Structure and composition of the infrared moisture meter

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

3.1 含水分析儀安裝

射頻含水分析儀安裝、紅外含水分析儀安裝分別見圖4、圖6。

圖6 紅外含水分析儀安裝Fig.6 Installation of infrared moisture analyzer

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果

紅外、射頻含水分析儀分別安裝在東、西兩條輸油干線上，射頻含水分析儀已運(yùn)行6年多時(shí)間，紅外含水分析儀運(yùn)行3年多，都取用2021年兩條輸油線各兩個(gè)站月平均測(cè)量數(shù)據(jù)，見表1、表2[10]。

表1 西線射頻含水分析儀測(cè)量數(shù)據(jù)Table 1 Measurement data of the western line RF moisture analyzer

表2 東線紅外含水分析儀測(cè)量數(shù)據(jù)Table 2 The measurement data of the eastern line infrared moisture analyzer

4 兩種原油含水分析儀技術(shù)特性及應(yīng)用情況比較

紅外含水分析儀相對(duì)來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，插入式安裝，可在站外預(yù)制打孔安裝，不需要在站內(nèi)動(dòng)火；射頻含水分析儀短接法蘭連接，需在站內(nèi)焊接法蘭，安裝比較復(fù)雜。兩種含水分析儀都可以在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，射頻含水分析儀可以根據(jù)日常對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試，含水趨勢(shì)自動(dòng)擬合，調(diào)試更方便。兩種儀表都沒(méi)有可動(dòng)部件，不需要日常維護(hù)。射頻含水分析儀購(gòu)買投入較大，一套大約24.2萬(wàn)元；紅外含水分析儀相對(duì)便宜一些，每套約15萬(wàn)元。低含水型射頻含水分析儀與人工化驗(yàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)比誤差相對(duì)更小一些，長(zhǎng)期使用含水率平均誤差兩種儀表不分伯仲，高含水型儀表未采用。兩種含水分析儀主要技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)用數(shù)據(jù)見表3。

表3 含水分析儀出廠技術(shù)指標(biāo)及應(yīng)用數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Comparison of factory specifications and application data of water content analyzers

5 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)兩種原理原油含水分析儀在兩條輸油管線多個(gè)原油交接口的實(shí)際運(yùn)行證明，兩種儀表設(shè)計(jì)原理科學(xué)，技術(shù)可行，計(jì)量誤差較小，能夠有效地對(duì)原油含水變化進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)控，也可以作為企業(yè)內(nèi)部原油交接計(jì)量原油水含量測(cè)定的手段。考慮綜合經(jīng)濟(jì)效益，完善管理手段情況下，選用紅外含水分析儀更合理，對(duì)于計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)要求高的場(chǎng)合射頻含水分析儀，測(cè)量誤差更小，穩(wěn)定性更好一些。該種類儀器在油田原油交接中進(jìn)行含水監(jiān)控的應(yīng)用前景將十分廣闊。

建議國(guó)家計(jì)量行政主管部門組織原油采輸企業(yè)、大專院校和科研機(jī)構(gòu)，開展原油在線含水分析儀的量值溯源方法研究，使石油企業(yè)使用的各種原理的在線含水分析儀納入法制管理軌道。