智能磁性浮球液位计在线多参测量技术研究

高玲玲 （胜利油田鲁胜石油开发有限责任公司）

油田储罐目前应用了少部分浮球液位计自动流量计量表、传感器等自动化计量装置，然而其应用范围仍较少，其主要限制因素是石油自动在线计量技术尚不成熟以及仪表精度不高，自动在线计量系统的应用不仅需要较高的成本投入，而且在计量的准确度方面也没有达到石油贸易的实际需要。在研发新型智能浮球液位计在线计量技术中，应根据石油贸易的特点以及实际需要不断提高自动计量系统的准确度，并简化相关计量仪表的操作，提高自动化、信息化程度。同时随着自动在线计量系统在石油产品库存管理以及贸易交接中应用范围的扩大，自动在线计量系统的成本也将随之降低，从而进一步提高自动在线计量系统的实用价值。

1 实施背景

1.1 传统计量方法

鲁胜集输总站原油储罐液位以前一般使用油检尺和万用表检测，这种检测方法劳动强度大，误差也大。从沉降罐量油口测量油水分界面时，按万用表的指针摆动观测界面位置，需要按经验判断，判断条件不同则位置不同，另外，由于量油口套管的换液孔不是连续的，造成从透光孔直接测量和从量油口测量的界面不同；当出现雨雪及大风天气时不适宜上罐测量，造成上报数据不及时。在应用人工手动方式来对原油储罐进行计量时，对计量技术的要求比较高，且计量准确度也比较容易受到人为因素的影响。特别是对圆柱体、半圆柱体以及长方体等不同罐装容器的石油进行计量时，人工计算方法会存在较大的难度。另外，在完成测量后进行换算时，也会由于对外界因素（压力、温度等）缺乏准确的监测而影响到最终的计量结果[1]。

1.2 国内外监测原油储罐内油水界面方法

1）射频导纳式液位计的工作原理实质是把整个罐看作一个电容体，由于罐内介质的多少而引起电容的变化，从而测量出油水界面的位置。但是由于测量值随罐内温度、原油介电常数和原油的多少等因素的变化而变化，从而带来很大测量误差[2]。

3）为保障各储罐的计量，还可采取电容式液位测量、罐体重量测量、超声波测量等，但存在测量准确度不高、连续测量不稳定等缺点。

上述几种测量方法，不论是定点测量还是连续测量都无法满足含水油罐或含油水罐以及脱水罐中水位、油位、油—水过渡层、油量、水量的精确测量和定量描述，因此给脱水罐进出液量的精确控制以及提高脱水效率和脱水质量的工艺控制带来了很大的盲目性。

2 系统研发

针对上述问题，储罐计量必须不断向自动化以及智能化方向发展，以减少人为因素所产生的误差。同时在储罐计量中积极引入先进的网络信息技术，加强对石油储运计量过程的智能化监测和远程控制。为此，提出逐点阻抗测量技术，采用互联网+磁性浮球计量仪器设备智能远控计量，多家单位联合研制出智能浮球液位计在线多参计量系统。

2.1 工作原理

传感器逐点依次测量接触其外壁的介质到罐壁之间的阻抗，在油水界面处由于介质导电率快速上升，阻抗变化曲线会出现跳变，通过查找阻抗跳跃来判断油水界面的具体位置；由于在油连续相的层面内，测得的阻抗与原油含水率接近线性关系，从而依据测得的阻抗值可以描述出过渡带含水率的变化趋势和直观的油水分离程度。在液位检测时，为解决阻抗变化不明显的缺点，加装磁敏元件构成磁栅结构。参照磁致伸缩液位计原理，通过检测磁性浮球位置，由智能转换器将电阻变化转换成标准电流（4～20 mA）信号，并叠加HART 信号输出或就地液晶显示，通过电流及液位值可现场显示液位的百分比，远传供给控制室可实现液位的自动检测、控制和记录[4]。

2.2 系统构成

智能磁性浮球液位计在线多参测量系统由电脑、液位传感器用配重1 组、显示仪表1 台、液位传感器1 套（配三通接线盒）、界位传感器1 套（配两通接线盒）、浮球1 个和安装法兰2 片构成。结构简单，感应灵敏，测量准确度高，安装方便，成本低。

表1 鲁胜集输总站运行罐运行参数校对Tab.1 Calibration of operation parameters of operation tank in Lusheng gathering and transportation station

2.3 安装及运算

通信线路安装时，将室外传输数据电缆引入室内机柜内部，将蓝色与黄色通讯线和屏蔽线地线接入用于安装Model485P 接口转换器插槽的插头中（该部分一般由产品生产厂家专业人员安装），将接好通讯线的数据插头安装到Model485P 接口转换器的一端，在Model485P 接口转换器的另一端安装串口连接数据线，数据线另一端安装到电脑的串口[5]。

仪表采用传感器和仪表显示分体安装方式。现场总线在罐下接入仪表，只有本质安全的传感信号线在罐顶部连接传感器。传感器接线盒接线图见图1。24 V 供电接线是与其他仪表或设备接线；VDD、COM、GND 为仪表内部接线，一般由专业技术人员完成安装操作；+24 V、A+、B-、GND 仪表在24 V 供电的情况下，根据所测液位经计算后由RS-485 口输出相应的数字量，供其他仪表或设备使用。各端子定义如下：+24 V——仪表电源正极，范围为9-25 V；GND——仪表电源负极，即电源接地端；A+、B-——485 接口；SH——接通信线屏蔽层；VDD——传感器供电端子；COM——传感器信号端子；RESET——仪表通信参数设置；UP，DOWN ——参数调整按键[6]。

图1 传感器接线盒接线图Fig.1 Wiring diagram of sensor junction box

该仪表使用异步串行通信接口，接口采用光电隔离技术。接口电平符合RS-485 标准规定，其通信方式为主从式通信，通信距离为1 km。该通信口只负责和中控上位机通信，不参与信号采集和处理，对仪表精度没有影响。波特率：9 600 bps；数据格式： 8 位数据位，1 位起始位，1 位停止位，无奇偶校验位。16 位整型数据采集：液位（mm），地址0x0032（十进制50）；界位（mm），地址0x0033（十进制51）；罐内定点温度，地址0x0034（十进制52），1 位小数（实际数据=传输的整形数据/10），实现计量数据远程监控采集并传输的统计分析。例如：上位机发送（16进制）：01 03 00 31 00 03 54 04 ，表示：采集地址01 仪表从起始地址0x0031 开始的3 个数据，共6 个字节。54 04 是CRC 效验码；仪表响应（16 进制）：01 03 06 25 A9 18 DF 01 45 8D 61，表示：采集地址01 命令号03 数据字节数06，液位9 641 mm（0x25A9），界位6 367 mm（0x18DF），温度32.5 ℃（0x0145）。8D 61 是效验码[7]。

根据现场需求和实际工况设计，仪表液位传感和界面传感采用两套传感装置，合理测量起始点和盲区。传感器装置示意图见图2，液位传感器外套磁浮球和配重，磁性浮球直径有两种规格，分别是90 mm 和200 mm，根据现场安装环境和工况选择。连接法兰可以用DN50 mm 或DN100 mm 口径。界面传感器接线盒接地线必须和大罐本体连接，防止信号干扰，影响数据采集[8]。

柑橘缺钾症状。老叶叶尖首先发黄，叶片略呈皱缩，随缺钾程度加重叶片逐渐由扭弯、卷曲、皱缩而呈杯状。新叶一般为正常绿色，但结果后期当年生叶片叶尖也会明显发黄，在高产脐橙上尤其严重。果小、着色不好，皮薄且光滑，果食味淡。严重缺钾时，可导致叶落、梢枯、果落、果裂。

图2 传感器装置示意图Fig.2 Schematic diagram of sensor device

针对原油黏度大的情况，通过加大磁浮球体积（直径为200 mm、密度为0.5 g/cm3）来计量，当磁浮球进入油面一半的体积时，液位上升会产生大于10 kN 的浮力，带动磁浮球随液位的变化而变化。通过检测磁性浮球位置进行测量的优点是技术成熟，性能稳定，准确度高，可消除液面泡沫的影响。

2.4 油量在线计量

1）油量统计。选择系统导航菜单中的油量统计选项，打开油量统计页面，默认打开已安装监测系统的油罐的总量统计曲线，选择各罐油量、原油总量导航，可切换不同油罐的曲线画面，其中画面右上方有曲线说明，油量的体积曲线和质量曲线颜色有所不同，在画面靠下方的位置处有原油总体积和原油总质量两项数据。

2）游标定位。将游标定位到曲线上，在坐标轴上可读出曲线当前时刻的油量值，并可移动游标定位不同时间段的曲线。

3）翻页导航。曲线下方的四个翻页导航，可根据设置的时间范围，查询不同时间段的曲线。时间范围：可设置当前曲线显示的时间范围分别为1 h、2 h、8 h、24 h 四种，定位曲线显示的时间范围。

4）历史数据查询。查询指定时间段的历史油量统计曲线，在时间设置中，设置要查询的时间，然后点击查询按钮，即可转到相应时间段的历史油量统计曲线，该曲线能保存大量历史数据，方便用户以后查询或记录[9]。

2.5 优势

1） 测量仪表传感器外壁使用聚四氟乙烯材料，可测量腐蚀性介质，广泛适用于脱水罐、沉降罐、储油罐、污水罐等设备的液位测量和界面描述。

2）采用逐点阻抗测量技术，对罐中水位、油位、油—水过渡层逐段分析含水率，从而对油量、水量进行精确测量和定量描述，性能稳定，准确度高达0.2%。

3）全密封设计，可在室外长期工作；选用功能强大的微处理芯片，并配合设计优良的应用软件，防爆、防水，低功耗，可靠性高。

4）传感器通过采集对接触其外壁的介质到罐壁的阻抗，计算出液面高度，通过电流值来确定油水界面位置。自适应分段参比算法和传感器聚四氟乙烯外壁的特点，能将挂料对测量准确度的影响减少到最小。

5）信息处理中的“自我学习”系统能够自动适应不同罐内的油、气、水三相因温度、液体成分不同而造成对测量准确度的影响。通过与专有的模糊控制、自学习系统结合，可实现对单一大罐以及集输罐群的进出液量、界面高度、油—水过渡带厚度精确控制，从而大幅度提高大罐运行效率和运行质量，提高计量准确度，减轻员工的劳动强度。

6） 预置微机接口电路，可方便进行数据上传，进行人机对话，实现自动化控制，节约人力资源，提高工作效率。配套的工控软件，可方便实现数据存取、报表打印、数据传送等功能[10]。

3 现场应用

1998 年7 月胜利油田鲁胜集输总站投产，拥有5 000 m3原油储罐2 座，2 000 m3原油储罐4 座，配套2 000m3消防水罐2 座，其他储罐、压力容器22座，大型泵类设备30 台，外输油21.19×104t/a，外输水25.1×104t/a，外输含水率控制在1%以下。该站是一座集卸油、油气分离、原油脱水、污水处理、原油外输为一体的大型联合站，主要担负着鲁胜公司采油处理及外输任务。

2021 年，智能磁性浮球位计在线多参计量系统在鲁胜集输总站投产应用。采用互联网+智能化磁性浮球计量仪器在线多参测量。在线测量数据传输流程（图3）：在线监测采集数值→SCADA 服务器→数据库→生产指挥中心→直观显示在线监视屏幕上→显示如油罐名称、状态、类型、油罐体积、油罐高度、油罐空高、液面高度、水面高度、油层厚度、介质温度、原油体积、原油质量等。可将显示的内容以图、表、曲线形式展现出来，通过查看过渡带曲线、含水率变化趋势曲线，可方便进行数据对比分析，再配套工控软件，实现数据存取、报表打印、网上数据传送等功能。通过与专有的模糊控制、自学习系统结合可实现单一大罐以及集输罐群的进出液量、界面高度、油—水过渡带厚度实施精确控制。实时掌控整个集输总站所有储罐的液位、温度、界位，测量准确度0.2%。表1 为鲁胜集输总站运行罐运行参数校对结果。

图3 在线测量数据传输流程Fig.3 Transmission flow of on-line measurement data

4 效益分析

4.1 经济效益

1） 在线多参测量技术在鲁胜集输总站应用后，杜绝了冒罐、干罐等事故发生（在此技术应用前平均每年发生冒罐事故5 起），每年可减少灌区污染费及工农关系费用约86 万元；减少损失原油20 t，获效益4.4 万元。

2）与前期应用的雷达波液位计测量系统（测量准确度1.5%）对比，智能磁性浮球液位计在线多参测量技术的测量准确度提高了1.3 个百分点，若每年外输油21.1×104t, 则每年可减少原油损失2 743 t，如原油价格按照每吨2 200 元计算，可直接获得经济效益603.5 万元。

3）另外因远程测量无需人员到场监测，可直接减少5 名测油员工，节约人工成本费用48 万元。

4）智能磁性浮球液位计在线多参测量系统的在线监测网阵每年维护费约56.8 万元。

获得经济效益=污染费及工农关系费+减少冒罐损失原油费+计量误差损失原油费+减少员工费-在线监测网阵费用，年节约费用共计685 万元。

4.2 社会效益

智能磁性浮球液位计在线多参测量系统，可大幅度提高测量准确度，提高了监测效率；免除职工每天爬罐量取储油罐液面工作，杜绝爬罐伤害危险，改善工作环境，降低劳动强度，增加工人幸福指数；罐区每年减少20 t 油液泄漏造成的环境污染，保护了生态环境。

5 结论

智能磁性浮球液位计在线多参测量系统由仪表的液位传感、界面传感、温度传感器等装置采集数据，通过主从式通信方式传送至监控中心，实现全天候连续监测、采集，与现场实测数据进行对比，误差均小于0.2%，测量准确率高。可减轻员工的劳动强度，并且对数据实时统计分析，发现液位、温度、界位变化曲线波动情况时，能够及时发现储罐异常情况，准确报警、预警，避免冒罐、干罐等事故发生，构建了安全生产屏障，从而打造智能油田。