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TWS1801立罐油水界面中子测量仪的研制_图文

   油田储油罐中油水界面测量方法有很多种 , 如人工目测法 、 力学法 、 电磁法 、 超声波和核方法 等 。由于油田储油立罐体积大 、 原油粘度大 、 油 水密度差异小等因素制约了界面测量技术的应 用 。目前普遍采用人工目测法 ( 即人工捞样目测 法) ,该方法劳动强度大 、 精度低 。本工作拟利用 中子背散射技术 ,研制一种立罐油水界面中子测 量仪 , 以克服以上缺点 , 达到准确测定油水界面 的目的 。

1  中子背散射技术原理

第 18 卷 第 122 期 2005 年 5 月

同    位 素
Journal of Isotopes

立罐油水界面中子测量仪的研制
高   , 张培信 , 郭宏利 , 杨   , 赵立志 翔 琪
( 中国原子能科学研究院 同位素研究所 ,北京   102413)

当快中子通过物质时 , 与原子核相碰撞 , 能 量减弱 。不同的原子核对中子的减速 ( 中子慢

收稿日期 : 2004212231 ; 修回日期 : 2005203228

作者简介 : 高翔 (1970~) ,男 ( 汉族) ,河南人 ,高级工程师 ,核技术应用专业

摘要 : 利用中子背散射技术 ,研制出一种立罐油水界面中子测量仪 。慢中子探测器和中子源组成的探头在 储油罐内升降移动 ,动态扫描不同高度的物料 ,根据气 、 油和水的慢中子计数率不同 ,测定出三相界面的高 度 ; 同时 ,利用计数率曲线可以得到含水率分布曲线 ,进而测定出立罐的总含油量 。 关键词 : 储油立罐 ; 中子背散射 ; 油水界面 ; 中子测量仪 中图分类号 : TL8161 3 ; TE1351 4    文献标识码 : A    文章编号 : 100027512 (2005) 0120220026203
( De p art ment of Isotope , Chi na I nsti t ute of A tomic Ener g y , B ei j i n g 102413 , Chi na)

Abstract : The oil2water interface neut ro n gauge fo r oil storage tank is developed by using t he neut ro n back scat tering technique. The slow neut ro n detector s move down and up in t he tank and scan dynamic ally t he material in different height . On t he basis of t he different slow neut ro n co unting rate of gas , oil and water , t he t hree2p hase interface height s are de2 termined. At t he same time , by making use of t he co unting rate curve t he water ratio dist ri2 butio n curves are gained , and t he total co ntent of oil in t he tank are determined as well . Key words : oil storage tank ; neut ro n back scat tering ; oil2water interface ; neut ro n gauge cm - 2 ) 为 ΦD [ 1 ] :
ΦD = 1 -

GAO Xiang , ZHAN G Pei2xin , GUO Ho ng2li , YAN G Qi , Zhao Li2zhi

The Development of Oil2 water Interface Neutron G auge f or Oil Storage Tank
S ( L
2 2 1

化) 效果不同 ,轻原子核对中子的减速起主要作 用 ,特别是氢 。单位体积原油和水的含氢量不 同 ,对中子的慢化效果也不同 , 利用专门的慢中 子探测器可检测出慢化后的中子数量 ,并测算出 油水比例 。 对于插入式中子探测器 ,探头内装有一个中 子源和慢中子探测器 , 探测器插入储油罐后 , 由 于氢核的减速能力比其它核大 ,根据中子的三组 理论 , 探 测 器 接 受 的 平 均 中 子 注 量 率 ( s - 1 ?
L1
2

Vol. 18   . 122 No May 2005
2

π a4 D L - L

2 2

){

L - L

2 1

[ E1 (

a ) L1

E1 ( (

( 1) 、2) 式中 : S 为源强 ( s ) , a 为探测器半 ( 长度 ( cm ) , D 为中子扩散系数 , L 为热中子扩散 长度 ( cm) , L 1 为快中子减速长度 ( cm ) , L 2 为慢 中子减速长度 ( cm ) , E1 为指数积分系数 , V eff 为 探测器有效体积系数 ,Σa , D 为吸收截面 ( cm2 ) 。
- 1 -

由于 ΦD 和Σa , D 都是含氢量的函数 , 所以探 头计数率 N 也是含氢量的函数 , 并且在一定范 围内成线性关系 。因此 , 根据测到的计数率 N 可以确定含水率 。为了检验中子背散射技术测 量油水界面的适用性 , 做了插入式中子计数实 验 ,并将样品计数率除以水的计数率 , 进行归一 化处理 , 得到相对计数率 , 实验结果列于表 1 。 由表 1 可知原油与水的相对计数率有 6 %~ 9 % 的差别 。
表1  不同物质和油样品相对计数率差别
样品名称 相对计数率
1. 00 1. 09 1. 06

利用微机处理数据并解释结果 ,即可得到油 水界面的位置和乳化带的宽度 ,还可以计算出含 水率 ,实现大罐油和水储量动态计量 。用立罐油 水界面中子测量仪在某油田进行实际测量 ,结果 示于图 1 。

  122 期           第 高翔等 : 立罐油水界面中子测量仪的研制

27

L1 L2 a a ) + ln ( )] - 2 ) - ( E1 2 [ ( E1 ( L L L2 L2 - L

2

L2 a ) + ln ( ) ]} L L
-

( 1)

由此得到探头计数率 N 为 :
N = ΦD V effΣa , D

( 2)

图1  立罐油水界面中子计数曲线图

水 辽河原油 ( 绸油) 胜利原油 ( 稀油)

   1 中用三条竖线标出气与油 、 图 油与乳化 带、 乳化带与水的界面位置 , 竖线位置正好处在 计数曲线变化较大处 。这是因为原油的成分中 , 对中子起主要慢化作用的轻原子核较多 ,含氢量 越高 , 计数率越高 , 原油的平均计数率比水高约 5 %~10 % 。而气相的中子计数率很小 , 近似为 零 。油与水之间的乳化带宽度也可根据理论模 型和实际测量数据处理得到 。在图 1 中可以看 到油相和水相之间有个下降斜坡 ,经修正后即为 乳化带宽度 。进一步分析也可以得到含水率分 布。

2  系统组成和功能

测量系统由探头 、 升降机构 、 电源控制箱 、 主 机 4 个主要部分组成 , 一个主机可以带 4 路探 头 ,系统结构示意图示于图 2 。系统主要功能包 括自动检测 、 分析和存储油气界面 、 油水界面的 高度值 、 计算乳化带宽度 、 含水率分布曲线 ( 含水 )、 率剖面 罐中油和水的储存量等 。

图2  中子测量仪系统结构示意图

28

同                       18 卷   位 素 第

3  关键技术研究
通过在大罐内插竖管的安装方式 ,使中子源 处在油和水中屏蔽射线 ,从而使罐外部的射线剂 量远低于国家规定的安全限值 。源周围水屏蔽 厚度大于 1 m 。 31 2   防爆安全技术 采用低功耗设计 ,使中子探头电源电流 < 10 ( 12 V ) 。采用特制的前置高压 , 使得高压耗 mA 电只有 4 mA 。研制小功率低速微型防爆电机 , 选用永磁低速同步电机进行改造 ,并取得防爆合 格证 。该电机功率 24 W ,体积小 ,转速低 ( 60 r/ min) ,转动惯性小 ,适合自控仪表使用 。 31 3   点源代替环状源 在环状中子源 ( 241 A m2Be) 缺货的情况下 ,可 以利用点源代替 。通过试验 ,获得替换活度对比 率 , 在同样的中子探头和同样大小的信号输出 时 ,使用点源比使用环状源活度大 1. 2 倍 。但是 由于点源对中子探头直径无限制 ,可以采用大直 径的计数管补偿计数率低的缺点 。通过实验 ,直 径 35 mm 的计数管比直径 25 mm 的计数管计 数率大 1 倍 ,可满足仪器需要 。 31 4   软件滤噪 由于核计数信号的涨落及仪器噪声信号的 影响 , 竖管法兰对中子计数的影响 , 加上原油和 水的中子计数率接近 ,所以界面测量易被噪声干 扰 。利用软件滤波和数字平滑 ,可以降低噪声对 中子计数的影响 。但是 ,软件平滑处理使测量界 面变化变缓 ,不利于界面位置的测定 ,因此 ,在计 算油水界面位置和乳化带宽度时 ,需进行还原补 偿计算 。 31 5   油水自动计量 在实际生产中 ,原油和水可能存在分离效果 不好的情况 , 即油水混合过渡带较长 。这时 , 仅 给出油水界面位置还不能满足生产需要 ,仪器含 水率测定功能可以给出更多的有用信息 。 假设水的中子计数率为 N W , 油的中子计数 率为 N O ,测量位置探头中子计数为 N X ,则可以 用 ( 3) 式求得某测量位置的含水率 W X 为 : ( 3) W X = ( NO - N X ) / ( NO - N W) 探头自上而下 , 扫描整个大罐 , 可以得到一 条含水率曲线 ,进而计算出立罐总的水和油的储 量 ,计算公式如下 : ( 4) 大罐总含水量 V W =Σ( V X ? X ) W ( 5) 大罐总含油量为 V O = V - V W ( 4) 、5) 式中 : V X 为测量层罐内体积 , V 为 ( 液体总体积 。
31 1   辐射安全防护

4  安装和调试
本测量系统在储油立罐上安装示意图示于 图 3 。安装完毕后 ,进行油罐标准校正系数曲线 的绘制 ,然后 ,系统进行自动测量 ,并调用油罐标 准校正系数曲线 ,进行自动分析 。其测量结果同 现场取样实测的数据进行对比 ,验证油罐标准校 正系数曲线 。

图3  安装示意图

5  现场实验
安装调试完成后 , 进行了现场试验 , 并同时 采用实际取样化验 、 电阻法和人工目测法测定油 罐中含水率分布 , 结果示于图 4 , 其中实际取样 化验方法为准确值 。对比图 4 中 4 种界面测量 方法 ,可以发现中子界面仪明显优于电阻法和人 工目测法 ,同实际情况相符合 。当大罐中油水混 合带很长时 ,中子界面仪得到的一条逐渐变化的 含水率曲线 , 没有明显的油水界面 , 而电阻法和 人工目测法存在较大误差 。表明中子背散射技 术测定大罐油水含量更准确 。

图4  油水界面仪的动态标定
◇—— — 中子界面仪 ; ○—— — 实际取样化验 ; △—— — 电阻法 ; □—— — 目测法  

参考文献 :
[ 1 ]   圣 康 . 中 子 物 理 [ M ] . 北 京 : 原 子 能出 版 社 , 刘 19861 223~2241


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