儲(chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)范文

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摘要：在石化行業(yè)中，液位測(cè)量具有舉足輕重的意義。基于溫度補(bǔ)償?shù)?a href="http://www.ruiyinglinkage.com/sjlw/txsjlw/742908.html" target="_blank">儲(chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，磁致伸縮液位傳感器能檢測(cè)到所需要的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)與溫度傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)一起在GPRS通信模塊的作用下傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心應(yīng)用溫度補(bǔ)償算法來(lái)處理數(shù)據(jù)。該種測(cè)量方法可以準(zhǔn)確地測(cè)量出油氣液位、油水液位以及儲(chǔ)油罐內(nèi)的溫度從而測(cè)量出原油產(chǎn)量。本系統(tǒng)通過(guò)儲(chǔ)油罐實(shí)地試驗(yàn)以及應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)這種測(cè)量方式安全可靠，能夠直觀地反映儲(chǔ)油罐液位，可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)儲(chǔ)油罐內(nèi)液面的變化。除此之外，測(cè)量誤差可以實(shí)時(shí)校正，具有良好的推廣實(shí)用性，是一種新型的儲(chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：液位測(cè)量；自動(dòng)測(cè)量；溫度補(bǔ)償；GRPS；磁致伸縮

1發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的新技術(shù)將應(yīng)用于儲(chǔ)油罐液位的測(cè)量。特別是對(duì)于新傳感技術(shù)的應(yīng)用，液位測(cè)量將更加精確和經(jīng)濟(jì)［1］。同時(shí)，液位測(cè)量設(shè)備也將趨于小型化和智能化。磁致伸縮液位傳感器是趨勢(shì)之一。磁致伸縮液位傳感器易于安裝，測(cè)量精度高，但液體密度和溫度變化會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差［2］。

2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自動(dòng)測(cè)量液位對(duì)于液位監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。目前針對(duì)液位的自動(dòng)測(cè)量有很多種技術(shù)方法，諸如：吹氣法、差壓法、HTG法等［3］。為了提升液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，就需要對(duì)液位監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行高精度測(cè)量。常見(jiàn)的液位計(jì)包括電容式液位計(jì)、超聲波液位計(jì)、微波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)等［4］。其中，電容式液位計(jì)價(jià)格低廉，易于安裝，適用于高溫、高壓場(chǎng)合，但精度低，需定期維護(hù)和重新校準(zhǔn)，使用壽命不長(zhǎng)。超聲波液位計(jì)使用超聲波，超聲波的傳播速度受介質(zhì)密度，濃度，溫度和壓力等因素的影響，測(cè)量的精度低［5］。微波液位計(jì)受微波速度的限制，并且?guī)缀醪皇軅鞑ソ橘|(zhì)、溫度、壓力和液體介電常數(shù)的影響。然而，液體界面的波動(dòng)，液體表面上的泡沫和液體介質(zhì)的介電常數(shù)對(duì)微波反射信號(hào)的強(qiáng)度有很大影響。當(dāng)壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)，將直接關(guān)系到液位測(cè)量的準(zhǔn)確性。雷達(dá)液位計(jì)具有較高的測(cè)量可重復(fù)性，無(wú)需定期維護(hù)和重新校準(zhǔn)，測(cè)量精度高，但價(jià)格昂貴，難以測(cè)量油水界面。

3系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)

3．1系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容

儲(chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的人工檢尺和化驗(yàn)分析的方法，為了能夠給生產(chǎn)操作和管理模塊提送準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，液位傳感器安裝在儲(chǔ)油罐上，傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)GRPS通訊模塊發(fā)送到控制中心。測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和處理由控制中心來(lái)執(zhí)行相應(yīng)指令。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)油罐內(nèi)液面的變化，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，為生產(chǎn)指揮和技術(shù)方案提供決策依據(jù)，提高油田自動(dòng)化管理水平。系統(tǒng)的主要功能可表述為：（1）測(cè)量油氣液位。（2）測(cè)量油水分界。（3）測(cè)量?jī)?chǔ)油罐內(nèi)溫度。（4）將測(cè)量的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行摹＃?）控制中心根據(jù)溫度補(bǔ)償算法，通過(guò)測(cè)量的原始數(shù)據(jù)計(jì)算出油氣液位和油水分界線(xiàn)高度，從而計(jì)算出原油產(chǎn)量；（6）統(tǒng)計(jì)分析油井產(chǎn)量。

3．2系統(tǒng)技術(shù)難點(diǎn)

對(duì)于石油檢測(cè)，液位監(jiān)測(cè)是必不可少的部分。在實(shí)際操作中，液位監(jiān)測(cè)起著非常重要的作用。常見(jiàn)的液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有：光電液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電容式液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、雷達(dá)液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和改進(jìn)的浮球監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［6］。但是這些液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在測(cè)量油水、油氣分界上，只能測(cè)量油氣分界，無(wú)法準(zhǔn)確獲得真實(shí)的石油產(chǎn)量。而基于溫度補(bǔ)償?shù)膬?chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能同時(shí)測(cè)量油水和油氣分界，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出石油的產(chǎn)量，以及油水比例。當(dāng)使用溫度補(bǔ)償算法校正測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，磁致伸縮液位傳感器會(huì)因液體密度和溫度的變化而產(chǎn)生測(cè)量誤差［7］。基于溫度補(bǔ)償?shù)膬?chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器測(cè)量?jī)?chǔ)油罐內(nèi)的溫度。通過(guò)溫度補(bǔ)償算法，精確計(jì)算出油水液位和油氣分界，從而計(jì)算出原油產(chǎn)量。基于溫度補(bǔ)償?shù)膬?chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要性和創(chuàng)新主要體現(xiàn)在：高精度和高重復(fù)性測(cè)量，同時(shí)測(cè)量油水分界和油氣分界，能夠精確計(jì)算產(chǎn)油量。

3．3系統(tǒng)技術(shù)方案

在儲(chǔ)油罐安裝液位傳感器，通過(guò)GRPS通信模塊將傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，由控制中心實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和處理。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。在油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，所選用的傳感器主要是磁致伸縮液位傳感器。該傳感器使用Wademan效應(yīng)通過(guò)現(xiàn)代先進(jìn)的電子技術(shù)精確測(cè)量發(fā)射脈沖和扭轉(zhuǎn)波脈沖之間的時(shí)間值，達(dá)到精確測(cè)量液體液位的目的［8］。傳感器的主要部件包括磁致伸縮線(xiàn)（波導(dǎo)絲）、測(cè)量桿、電子隔間和放置在測(cè)量桿上的非接觸浮子（帶有永磁體），其設(shè)計(jì)機(jī)理結(jié)構(gòu)如圖2所示：當(dāng)傳感器工作時(shí)，傳感器的電路部分在波導(dǎo)線(xiàn)上沿波導(dǎo)傳播時(shí)將激發(fā)波導(dǎo)線(xiàn)上的脈沖電流。該電流將會(huì)在波導(dǎo)線(xiàn)周?chē)a(chǎn)生電流磁場(chǎng)。浮子放置在傳感器桿外部，隨著液位變化，浮子沿桿向上和向下移動(dòng)。在浮子內(nèi)部有一組永久磁環(huán)。當(dāng)浮子產(chǎn)生的磁環(huán)磁場(chǎng)遇上脈沖電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)，浮子所產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生改變，使得波導(dǎo)絲在浮子的位置處產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波脈沖。脈沖以固定的速度沿波導(dǎo)絲傳回，并由檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)［10］。這種扭轉(zhuǎn)波由安裝在電子隔間中的拾取機(jī)構(gòu)檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的“終止脈沖”。通過(guò)計(jì)算“起始脈沖”和相應(yīng)的“終止脈沖”t1，t2之間的時(shí)間差，可以精確地測(cè)量位移，由此可以獲得精確的液位值。對(duì)于由磁致伸縮液位傳感器的液體密度和溫度變化引起的測(cè)量誤差，溫度傳感器用于測(cè)量油罐內(nèi)的溫度，溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行摹？刂浦行母鶕?jù)收到的溫度數(shù)據(jù)，以及原始液位數(shù)據(jù)，通過(guò)溫度補(bǔ)償算法，計(jì)算出油水液位和油氣分界，從而計(jì)算出原油產(chǎn)量［11］。研究發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)時(shí)鐘晶體頻率和扭轉(zhuǎn)波速度這兩個(gè)因素的影響很大程度上降低了磁致伸縮傳感器測(cè)量值的精度。這里擬展開(kāi)研究論述如下。（1）溫度對(duì)時(shí)鐘晶體頻率的影響。由磁致伸縮液位傳感器原理可以獲悉，確定磁浮子位置是通過(guò)測(cè)量激勵(lì)脈沖和返回脈沖時(shí)間。其中，測(cè)量精度與定時(shí)精度密切相關(guān)。因此，影響測(cè)量精度的主要因素是時(shí)鐘晶體振蕩器的精度和穩(wěn)定性［12］。時(shí)間偏差的主要原因是晶體振蕩器的溫度漂移，一般晶振的溫漂系數(shù)在50～1000ppm之間［13］。可以看出，對(duì)于高精度的測(cè)量設(shè)備，如果在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中不考慮晶體溫度的漂移，則所得到的測(cè)量結(jié)果可能產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差，特別是處于環(huán)境溫差大的情況下。（2）溫度對(duì)扭轉(zhuǎn)波速度的影響。磁致伸縮液位傳感器是液位檢測(cè)裝置，這是利用磁致伸縮效應(yīng)和浮力定理制造的。這樣的裝置可以將液位值轉(zhuǎn)換為距離值L，其數(shù)學(xué)定義公式可寫(xiě)為：其中，L為浮子距離檢測(cè)線(xiàn)圈的距離；t為時(shí)間差；V為在波導(dǎo)線(xiàn)中傳播的扭轉(zhuǎn)波的速度）。其比例系數(shù)V的數(shù)學(xué)定義公式可寫(xiě)為：其中，G為波導(dǎo)絲的剪切彈性波量；ρ為材料的密度）為扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲上傳播的波速［14］。而且，磁性材料對(duì)溫度特別敏感，溫度對(duì)磁性材料有很大影響。尤其是，隨著溫度的變化，磁性敏感參數(shù)也會(huì)隨著變化。因此，對(duì)分辨率要求不高的情況下，比例系數(shù)V可以視為恒定值。測(cè)量出扭轉(zhuǎn)波產(chǎn)生的時(shí)間和扭轉(zhuǎn)波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的時(shí)間之差t，利用公式，就可以計(jì)算出距離值L，但是在對(duì)分辨率要求較高的情況下，隨溫度變化的扭轉(zhuǎn)波在波導(dǎo)絲上傳播的速度發(fā)生變化，同時(shí)必須修正相應(yīng)的測(cè)量誤差值。綜上論述可知，要實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，必須消除時(shí)鐘晶體頻率和扭轉(zhuǎn)波速度變化所帶來(lái)測(cè)量值的誤差。因此，系統(tǒng)將通過(guò)補(bǔ)償算法來(lái)消除溫度的影響［15］。

4結(jié)束語(yǔ)

在該系統(tǒng)中，可立即反映當(dāng)前油罐液位以便為管理決策提供準(zhǔn)確的原油信息。該系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，降低人力，勞動(dòng)者只需提供相關(guān)信息進(jìn)行處理。該系統(tǒng)可以進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)范圍的自動(dòng)化。基于溫度補(bǔ)償?shù)膬?chǔ)油罐液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有性能優(yōu)越、可靠度高、投資少等優(yōu)點(diǎn)，能廣泛適用于電力、石油化工等行業(yè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者：張仙偉 王何慶 張倩 單位：西安石油大學(xué)