原油泄漏检测与报警系统设计分析

魏振强，刘建锋，王德建

（1.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司，北京 102200；2.中国石油华北石化公司，河北 任丘 062550；3.中国石油渤海石油装备制造有限公司，天津 300272）

目前，针对采油装置的原油泄漏风险，各油田采油厂多数通过巡检制度等管理手段加以控制，作业人员每20min对井场进行巡视一次，工作量大，轻微泄漏不易发现，在夜间巡检制度更得不到有效的执行，原油泄漏时有发生。盘根固定于盘根盒内，其寿命非常有限，在盘根的使用过程中，伴随着原油对盘根的化学腐蚀程度、抽油杆的偏心运动对盘根结构造成的塑性变形等情况，盘根逐渐老化，导致原油在盘根与光杆的接触面发生缓慢的渗漏，如不及时处理，原油会在接触面发生喷射泄漏。

1 方案设计

通过调研交流和汇总分析，对原油泄漏检测与报警系统的功能流程设计如图1所示。

图1 功能流程图

微处理器采用ATMEL公司生产的高性能CMOS 8位单片机AT89C52，成本低廉，功能强大。

雨水感应器采用SONGLE公司FC-50雨水传感器模块，当雨天时，微控制器不发出声光报警指令，声光报警器无动作。

声光报警器采用正泰ND2 LED爆闪声光报警器，能够发出脉冲式红色报警光和高分贝警报。

缓冲放大器采用TL082CN双运算放大器，具有较低的输入偏置电压和偏移电流。

漏油检测传感器为自主设计元件，可以捕捉到原油泄漏激励源，缓冲放大器将传感器输出的电流信号转变为高电平或低电平信号；其次，微控制器根据高低电平信号向声光报警部件发出声光报警指令，漏油后立即发出声光警报，提示作业人员通过维修或更换盘根、临时停井等方法及时处理漏油风险；采用干电池供电，方案设计如图2所示。

图2 方案设计

缓冲放大器、微处理器、声光报警、雨水感应器和电源均集成在一个控制箱内，控制箱一侧外壳设计为圆弧形，采用磁吸附方式使其贴合在套管外侧，以实现拆装方便的目的。

2 漏油检测传感器设计

2.1 设计调查

通过对采油厂站现场条件的调查，测力传感器、光电传感器等都不适合。如应用测力传感器时，由于泄漏后的原油在光杆四周呈圆周状堆积，因此至少安装两台测力传感器才能有效捕捉漏油现象，而且还需要在两个传感器之上还需要设计一个承压平台，以实现对整个环形表面漏油信号的捕捉，既改变了采油装置原有结构，又增加了成本。如应用光电传感器时，应至少安装3组光电传感器，增加了成本；又需要在直径8cm左右的盘根盒上安装3组光电传感器，空间紧凑、安装困难；光电传感器还需要持续供电，不适于干电池供电。

2.2 结构设计

原油中含有水分子，利用水能导电的特性进行设计。传感器采用圆环结构，该圆环留有开口便于套在光杆外侧，安装在盘根盒上面。当原油在盘根与光杆的接触面发生泄漏时，原油首先会在传感器上堆积。

传感器由吸湿层、叉指金属电极和绝缘层组成，吸湿层吸收堆积原油中的水分，叉指金属电极由相互间隔1.5mm的正负电极组成，叉指金属电极镶嵌在绝缘层上。当原油泄漏时，首先堆积在吸湿层上，吸湿层吸收的水分充当正负电极之间导体，使传感器工作。微处理器接收传感器信号后，向声光报警下达指令，提示作业人员采取有效措施防止原油泄漏。解除警报后，更换吸湿层，进入下一个工作循环。如图3所示。

图3 传感器结构图

2.3 传递函数

传递函数反映了漏油检测传感器输入ρ和输出F之间的函数关系，在忽略环境温度影响的情况下，输入ρ和输出F呈现线性关系，其中I为中间变量，传递函数模型如图4所示。

图4 传递函数模型

式中，ρ是水的电阻率；S是正负电极的横截面积；L是正负电极导体长度。

3 结语

原油泄漏检测与报警系统经过3个月的试运行，现场作业人员反映该系统工作灵敏，夜间报警时发出红色光穿透性强，警示及时。原油泄漏检测与报警系统拆装简便，成本非常低，能及早发现泄漏风险，降低作业人员的巡检强度。目前该系统已应用在采油站内的16口采油装置上，持续加强验证效果，准备在全区内推广使用。