FDH-S含水仪论文(答辩).doc

FDH-S型含水自动监测系统的研究（西峰集输大队 苏重生）摘要： 兰州科庆生产的FDH-S型含水自动监测系统，大面积在我厂各大站库应用，成为我厂低含水原油含水率在线测定的主要仪表，本文就交接过程中多品质原油混输含水自动监测系统的特点、基本原理、关键性技术等方面做了比较深入的研究，为含水仪的现场应用提供必要的技术及原理指导。1 系统概述1.1 系统特点1.1.1 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。1.1.2 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。1.1.3 双源双探头结构设计，结构紧凑，采用完全非接触式测量，可满足现场各种工矿和安装条件。1.1.4 应用低能同位素光子源，易于达到防护标准，减小体积。1.1.5 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，并可为脉冲、电流、电压等信号发送，或者通过嵌入式WEB服务器发布数据。1.2 主要用途及应用范围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。2 基本原理FDH-S含水测定仪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低能源测量管道探测器吸收厚度图1. 原油含水分析原理，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。（1）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。式中N0是入射光子强度，N 是穿过厚度为X的均匀物质后光子的强度，为线性吸收系数，量纲为cm-1，表示每厘米长度的介质吸收光子的本领。当光子的能量确定时，是只与介质本身微观物理性质有关的物理量。公式（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，线性吸收系数为：（3）1和2分别是纯水相介质和纯油相介质对光子的吸收系数，是介质中含水的体积百分数，既含水率。（2）式代入（1）式，并写成对数形式，得到以下（3）式：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唯一确定。式（3）表明，影响仪表测量精度的主要因素是1-2 、x 和 N0 三个常数。1-2 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，应用特点列于下表，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。低能源光子能量（KeV）1（水）2（原油）1-2（差值）238Pu16.51.280.510.77241Am59.00.210.170.04（3）式中的x是测量介质的厚度，也称为吸收厚度，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，尽可能的增大吸收厚度可提高仪表的测量性能。当原油品质不变活变化不大时，表1.所列各参数为常数，公式（3）简写为：（4）（4）式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 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，公式（3）中的2改变，从而导致对含水测量的偏差。从公式（4）可知，2改变使线性方程的斜率和截距都发生变化。=mr (5)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：式中m 是介质对光子的质量吸收系数，r是介质的物理密度。通常不同品质的原油只是分子中长链结构所占比份不同，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m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0.80.93(g/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。输油管道低能光子束测量通道高能光子束测量通道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本项目面临的问题。首先，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 （铯）光子源，在实验室条件下对含水率02%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。FDH-S含水测定仪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公式（3）形式相同的方程表述，但其吸收系数完全不同，则与公式（3）联立成以下方程组：(6)从方程组（6）出发，引入油品视密度的相对变化量2/2 ,作为修正变量，经过理论推导得到下列方程组：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。具体应用方程组（7），采用238Pu（钚）和241Am(镅)低能光子源，两组光子能量分别为17KeV和59.6KeV，进行原理验证获得满意结果。3 关键技术解决混输条件下低含水率精密测量问题的关键技术是对原油视密度进行动态修正，FDH-S含水测定仪采用双能双束测量法对密度变化进行合理修正，实现对多品质原油混输含水的精确测量。从公式（1）、（2）出发，引入油品视密度的相对变化量2/2为修正变量，经过理论推导，得到下列方程组：图2.测量结构示意图探测器高能束低能束光子源dD方程组中显示了油品视密度的变化，通过解联立方程可同时检测含水率和油品视密度的变化。图3.仪表样机4 现场应用情况表1：西二联1#含水仪在不同密度下的仪表测量值与手工测量值对比表原油视密度kg/L0.9800.8900.8450.8420.8400.839仪表含水（V%）0.80.270.050.030.020.01手工含水（V%）3.00.350.070.000.000.00仪表-手工（V%）-2.2-0.08-0.020.030.020.01由表1可以看出，虽然采用了双能双束光子测量原理，能够在一定程度上解决油品视密度相对变化引起的含水误差，但其调节范围较小，在测量较高密度的原油含水率时误差较大。另外，在现场，也对油品温度、含气量对测量的影响也做了试验验证，由于温度、含气量在根本上也是影响油品的密度，因此试验的结果与密度变换引起的变化趋势相同，这里不在做进一步探讨。5 结论及建议5.1 FDH-S型含水测定仪采用双能双束光子测量原理，把密度的相对变化量与含水率关联起来，在一定程度上解决了密度对含水率测定的影响。5.2 FDH-S型含