基于近紅外光譜吸收原理的油水界面檢測系統(tǒng)

陳 進(jìn) 王澤杰 李 橋 徐 亞

(1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇遠(yuǎn)望儀器科技有限公司，江蘇 泰州 225300)

在原油生產(chǎn)過程中，從油井中開采出來的原油含有一定的水分，需將其輸送到原油儲(chǔ)罐中進(jìn)行油水分離。由于油和水的比重不同，原油中的水分會(huì)沉降在油罐底部，油則會(huì)浮在油罐上部，從罐頂?shù)焦薜?，依次為原油、油水乳化液、水、污泥層，其中油水乳化帶的位置是隨著油的注入和排出發(fā)生隨機(jī)變化的[1]。油水乳化帶的位置不同，油分濃度就不同，越靠近油層，油分濃度就越高，靠近水層則相反。準(zhǔn)確檢測油層和水層之間的油分濃度變化，確定有效的油水界面分界點(diǎn)，減少油水乳化帶存在的影響，就可準(zhǔn)確檢測油水界面位置。準(zhǔn)確檢測油罐內(nèi)的油水界面是實(shí)現(xiàn)原油分離罐自動(dòng)放水的重要保障，也是儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)管理和計(jì)算原油儲(chǔ)量的主要依據(jù)，在自動(dòng)化技術(shù)中占有重要位置[2]。由于油水混合物狀態(tài)的復(fù)雜性，在原油生產(chǎn)過程中，原油儲(chǔ)罐油水界面的準(zhǔn)確檢測一直沒有很好的方法。根據(jù)原理不同，目前用于原油儲(chǔ)罐油水界面檢測的方法主要有差壓式界面儀、電容式界面儀、超聲波界面儀和射頻導(dǎo)納界面儀，但它們存在一些缺陷，如差壓式界面儀很難滿足精度要求，同時(shí)變化的油密度很難在儀表中實(shí)時(shí)補(bǔ)償；電容式界面儀由于掛油問題(特別是稠油)，測量很大；超聲波界面儀由于受超聲波發(fā)送和接收距離的限制，其測量精度較低，而且不能實(shí)現(xiàn)原油量的準(zhǔn)確計(jì)算[3]；射頻導(dǎo)納界面儀僅通過導(dǎo)電率一個(gè)參數(shù)很難完整反映油水乳化帶的狀態(tài)，其測量誤差最大可達(dá)1m左右[1，4]。

準(zhǔn)確檢測出油水界面位置的關(guān)鍵在于找到準(zhǔn)確的油水界面分界點(diǎn)，消除或者減少油水乳化帶帶來的測量誤差。筆者將近紅外光譜吸收原理應(yīng)用到油水界面的檢測，通過該方法可以準(zhǔn)確檢測到油水界面的乳化帶狀態(tài)信息，進(jìn)而確定有效的油水界面分界點(diǎn)，減少其對測量結(jié)果的影響，從而提高油水界面的檢測精度。

1 油水界面檢測原理

1.1 近紅外光譜吸收原理

特定的化學(xué)基團(tuán)有其特定的基頻頻率，稱為指紋吸收帶，同樣其組合頻和泛頻也是相對固定的，因此化學(xué)基團(tuán)會(huì)吸收特定波長的近紅外光。與原油有關(guān)的官能團(tuán)在近紅外區(qū)域的譜帶歸屬見表1[5]。

表1 C—H鍵和O—H鍵在近紅外區(qū)域的譜帶歸屬 nm

采用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)將近紅外光譜和被測性質(zhì)關(guān)聯(lián)，可以建立其定量和定性關(guān)系，從而用于樣品的組成含量和物化性質(zhì)的測量。

1.2 油、水近紅外光檢測譜段的選擇

油和水所含的化學(xué)官能團(tuán)不同，決定了它們在近紅外區(qū)域具有不同的吸收位置，選擇合適的檢測波長對于準(zhǔn)確檢測油水界面尤其重要。水、油近紅外吸收譜線如圖1所示。

a. 水 b. 油

由于水分子(H2O)富含O—H鍵，所以純水的近紅外區(qū)域的譜帶歸屬同O—H鍵，即表1中的一級倍頻，約1 440nm，二級倍頻約960nm。

油雖然富含C—H鍵，但由于其成分和結(jié)構(gòu)(如甲基、亞甲基)的不同，會(huì)影響吸收峰的位置，峰差一般為10nm左右。由圖1b可知，其三級倍頻吸收峰位于914nm附近，吸光度為0.215。

由于近紅外發(fā)光二極管工作波長一般在800～1 100nm，同時(shí)結(jié)合油和水在近紅外區(qū)域吸收峰的不同，最終檢測譜段選擇在油的三級倍頻附近較為理想，即910nm附近[6]。從圖1可以看出，在914nm附近油和水的吸光度相差很大，選擇此檢測譜段可以有效區(qū)分油和水。

2 油水界面檢測系統(tǒng)

油罐油水界面檢測系統(tǒng)如圖2所示。近紅外檢測探頭在手持端的控制下，從上到下依次從罐體內(nèi)穿過，實(shí)時(shí)檢測所接觸的介質(zhì)。當(dāng)探頭處于不同區(qū)域位置時(shí)，通過分析各區(qū)域?qū)t外光的吸收強(qiáng)度，確定介質(zhì)是油還是水，并將采集的信息通過RS485總線傳送到手持控制端，手持控制端顯示檢測結(jié)果，循環(huán)判斷檢測介質(zhì)是否發(fā)生改變，并通過計(jì)算介質(zhì)改變過程中探頭下降的高度，確定油水界面位置。

圖2 油罐油水界面檢測系統(tǒng)

2.1 油水界面檢測傳感器的工作原理

傳感器是油水界面檢測系統(tǒng)的核心，位于密閉的檢測探頭內(nèi)部，其工作原理基于Lambert-Beer定律。一束單色光照射于一吸收介質(zhì)表面，在通過一定厚度的介質(zhì)后，由于介質(zhì)吸收了一部分光能，透射光的強(qiáng)度就要減弱。吸收介質(zhì)的濃度越大，介質(zhì)越厚，則透射光的強(qiáng)度越弱，其關(guān)系式為：

(1)

式中A——吸光度；

c——吸光物質(zhì)濃度，g/L；

Io——入射光強(qiáng)度，cd；

It——透射光強(qiáng)度，cd；

K——吸光系數(shù)，L/(g·cm)；

l——吸收介質(zhì)厚度，cm；

T——透射比。

當(dāng)介質(zhì)厚度l和吸光系數(shù)K確定后，吸光度A與介質(zhì)濃度c成正比關(guān)系，即可以通過檢測吸光度A來計(jì)算介質(zhì)的油分濃度，根據(jù)油分濃度確定介質(zhì)狀態(tài)，通過標(biāo)定，找到合適的油水分界點(diǎn)，減少油水乳化帶的影響，進(jìn)而確定準(zhǔn)確的油水界面位置。

2.2 檢測探頭

檢測探頭主要包括信號調(diào)制發(fā)送和信號接收處理兩部分，其工作原理如圖3所示。

圖3 檢測探頭工作原理

近紅外發(fā)射管在驅(qū)動(dòng)信號的作用下不斷向接收端發(fā)射帶有調(diào)制信號的近紅外光，近紅外光經(jīng)油水介質(zhì)吸收后被接收端的感光元件(近紅外接收管)接收，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理，單片機(jī)根據(jù)接收電信號的強(qiáng)弱(即根據(jù)接收到的透過油水介質(zhì)的光強(qiáng)度)分析確定介質(zhì)狀態(tài)，并將檢測結(jié)果通過RS485總線傳送到手持控制端的微處理器中，以便后續(xù)處理。

2.3 近紅外檢測光程的選擇

在Lambert-Beer定律中，介質(zhì)的厚度是測量吸光度必須考慮的因素。式(1)中的介質(zhì)厚度就是實(shí)驗(yàn)中的近紅外光程，光程太短不利于油水乳化帶油分濃度的精確測量，光程太長可能會(huì)導(dǎo)致近紅外光達(dá)不到檢測接收端，而且不同油品對近紅外光的吸收也是不同的，因此合理選擇一個(gè)光程以滿足油水界面的檢測是十分必要的。對同一水樣在4種光程下的光譜吸光度的頻度統(tǒng)計(jì)見表2[7]。

表2 800～1 350nm譜區(qū)吸光度的頻度統(tǒng)計(jì)

從表2可以看出，在800～1 350nm的近紅外波段，相比1、2、5mm光程，10mm光程下的吸光度幾乎都在0.01～1.50之間，且吸光度在0.01～0.15為佳。考慮到所用檢測波段在910nm附近，光程越短，相對測量誤差越大，而且不利于在測量油水界面時(shí)介質(zhì)的相對流動(dòng)，影響測量精度，因此最終選用10mm光程。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 油罐內(nèi)部各層含油濃度分析

在模擬的小型油罐中，當(dāng)油水混合物充分靜置后，用油分濃度檢測儀檢測油罐內(nèi)部從上到下的介質(zhì)的油分濃度，并在上位機(jī)生成油分濃度實(shí)時(shí)變化曲線(圖4(1ppm=0.001‰))，分析油水分層與含油濃度的關(guān)系。

圖4 油分濃度實(shí)時(shí)變化曲線

從圖4可以分析得到，在整個(gè)檢測過程中，油分濃度較高(縱坐標(biāo)約3 000ppm)且波動(dòng)很小的這段近似位于油層，最后油分濃度很低(縱坐標(biāo)約10ppm)且趨于平穩(wěn)時(shí)近似位于水層，中間段突變的曲線就是油層到水層的過程，油水分界點(diǎn)可近似為突變的中間點(diǎn)(縱坐標(biāo)約1 500ppm)。含油濃度變化可以與檢測接觸介質(zhì)的狀態(tài)變化相對應(yīng)，即可以通過檢測各層的含油濃度變化作為檢測油水界面的關(guān)鍵依據(jù)。

3.2 近紅外檢測傳感器油水實(shí)驗(yàn)

通過分析油罐油水分層與油分濃度的關(guān)系，可以得到近紅外檢測油水界面的關(guān)鍵在于找到一個(gè)合適的油水分界點(diǎn)，有效減少油水乳化帶的影響。利用設(shè)計(jì)的近紅外檢測傳感器分別在油、水和不同含油濃度的油水混合液中測試，為了直觀地觀測、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將探頭的測量結(jié)果通過串口通信方式在上位機(jī)上顯示。

如圖5所示，在介質(zhì)水中不斷加入油，可以觀測到，隨著油濃度的不斷增大，近紅外檢測傳感器接收端接收到的光強(qiáng)度(直射值)不斷減少，而且變化明顯，從開始的591到最后的540。

圖5 含油濃度不斷增大的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

利用近紅外檢測傳感器分別檢測純水和純油，采集到的數(shù)據(jù)如圖6所示。在純水中接收到的直射值是584，在純油中接收到的值在320左右，從水到油的過程數(shù)值變化明顯，結(jié)合油罐內(nèi)部各層含油濃度分析，油水分界點(diǎn)可以近似設(shè)在584和320的中間值，即450左右。

圖6 在純水和純油中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，基于近紅外吸收原理的近紅外檢測傳感器可以準(zhǔn)確檢測油罐內(nèi)部各區(qū)域的含油濃度，檢測到的油濃度反映了介質(zhì)區(qū)域狀態(tài)，因此根據(jù)所測介質(zhì)狀態(tài)的變化，可以確定一個(gè)有效的油水分界點(diǎn)，減少油水乳化帶的影響。

3.3 基于近紅外光譜吸收原理的油水界面檢測系統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

構(gòu)建如圖2所示的油水界面檢測系統(tǒng)，手持控制端與檢測探頭通過特制的卷尺相連，卷尺內(nèi)部含有導(dǎo)線，探頭內(nèi)部裝有近紅外檢測傳感器，當(dāng)探頭處于空氣、油或水等不同介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)送不同的電信號給手持控制端，手持控制端記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)用油和實(shí)驗(yàn)用水按圖7規(guī)定分別混合成12種實(shí)驗(yàn)樣液，每種實(shí)驗(yàn)樣液在容器內(nèi)按油、水比例為1∶8混合，每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)需待油水界面完全清晰后進(jìn)行，用標(biāo)準(zhǔn)長度尺測量油水界面的實(shí)際位置，然后用手持端控制探頭以不大于10mm/s的速度向下移動(dòng)，所記錄的測量結(jié)果與實(shí)際值如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

分析圖7可知，基于近紅外光譜吸收原理的油水界面檢測系統(tǒng)對柴油和汽油的檢測結(jié)果較理想，測量誤差不大于3mm，反應(yīng)時(shí)間不大于1.0s；對濃度較高的2號原油和180cst燃料油相對測量誤差較大，7mm左右，反應(yīng)時(shí)間2.0s左右。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)基本滿足設(shè)計(jì)要求，測量精度比傳統(tǒng)方法(不大于10mm)高，且通過后續(xù)的軟硬件修改，測量精度會(huì)進(jìn)一步提高。

4 結(jié)束語

基于近紅外光譜吸收原理的油水界面檢測系統(tǒng)通過不同介質(zhì)對近紅外光吸收強(qiáng)度的不同，可有效確定油罐內(nèi)部介質(zhì)的狀態(tài)，通過介質(zhì)狀態(tài)的變化，有效確定油水分界點(diǎn)，減少了油水乳化帶的影響，進(jìn)而準(zhǔn)確檢測油水分界面位置。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該油水界面檢測系統(tǒng)的測量精度滿足了設(shè)計(jì)要求，且比傳統(tǒng)的測量方法有所提高。

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