油品输送中的界面跟踪--光学界面仪在西南管道的应用分析

发布时间:2013-04-30
近年来,针对成品油输送中界面跟踪问题,引入了光学界面仪以提高界面跟踪的的可靠性。本文总结了光学界面仪在西南管道中应用的一些实践经验,并为今后界面跟踪系统的进一步改进,提出了新的建议。

为了更好地完成成品油的批次切换操作,西南管道设计中在每个分输站都设置了两台光学界面仪:在站外500?m处设1台光学界面仪作为界面预警;在站场内装另1台光学界面仪与密度计一道启动油品切换。西南管道从2005年4月一期投产、2005年全线投用至今已经平稳运行7年多,光学界面仪的使用情况是有9个站场用的较好,但另外10个站场却始终无法正常工作。本文对此情况进行了分析研究,并总结了光学界面仪在西南管道工程的应用经验。

选用光学界面仪的设计依据

选用光学界面仪的主要原因是考虑到单靠密度计判断不同牌号汽油之间的混油界面有相当大的困难。汽油的标号是用辛烷值来确定的,通常有三种途径来提高汽油的辛烷值:一是选择良好的原料和改进加工工艺(例如采用催化裂化、重整等二次加工工艺);二是向产品中调入抗爆性优良的高辛烷值成分(例如异辛烷、异丙苯、烷基苯等);三是加入抗爆剂(使用较多的是一种简称MTBE的有机抗爆剂,MTBE的密度是0.7404?kg/l,与汽油的密度接近)。因此,汽油密度不能作为区别汽油标号的唯一依据(根据国家标准,汽油的密度规定在0.70~0.76?kg/l之间),辛烷值与密度之间并无直接关系。

光学界面仪应用于长输管道在国内尚属起步阶段,没有经验可以借鉴,所以慎重起见,西南管道项目35台光学界面仪同时采用了两家分别是FuelCheck和KAM 的不同品牌的产品,以便为今后二期、三期工程提供依据。这两种界面仪在西南管道项目分布如表1。


光学界面仪工作原理

KAM Control光学界面仪光学传感器工作原理


如图1,KAM Control光学界面仪光学传感器的探头主要由2根光纤构成,一根光纤引入LED光信号源,另一根光纤接收从被测液体中返回的微弱光信号,送到后面的光电转换系统转换为4~20?mA信号,为保证传感器探头的稳定工作,探头的前端表面磨得很光,避免杂质附着在探头表面,对测量信号造成影响。

如果探头一直是接触着非常干净的某种有机溶液,只要LED光源稳定,那么返回到KAM光学界面仪的光信号就一定会是一个稳定的定值;假定探头又接触另一种非常干净的有机溶液,那么返回到KAM光学界面仪的光信号就会随之变为另一个稳定的定值。

由此可知,保持KAM光学界面仪光学传感器工作稳定可靠的必要条件是,被测介质干净无杂物,而这个必要条件在目前国内的成品油管道中是无法满足的。

FuelCheck光学界面仪光学传感器工作原理

FuelCheck光学界面仪光学传感器是一个直径5?mm的蓝宝石半球面镜头,两根光纤非常精密地熔接在镜头的平面上,半球面镜头的内表面相当于一面镜子,半球面镜头利用临界角双反射原理检测油品输送过程中混油段介质折射率的变化,如图2。


根据物理学原理,光在两种不同折射率的光学介质交界面上会同时产生反射与折射现象。光从光密媒质进入光疏媒质,折射角大于入射角。入射角逐渐增大到某一角度时,使得折射角等于90°,折射光完全消失,入射光全部反回到原来的媒质中,这种现象叫做全反射。折射角等于90°时的入射角,定义为临界角。

临界角=数字1

在折射率n1固定时,临界角是被测介质折射率n2的函数。反射光和折射光的能量之和应等于入射光的能量,在入射角固定(但小于临界角)的情况下,随着临界角的逐渐增大,光强透射率逐渐变大,光强反射率逐渐减小,。

用LED提供恒定强度的光源,光束打到半球面镜头的内表面时,在蓝宝石镜头内表面发生反射与折射,光束的一部分经过内部二次反射送到光电转换模块接收端,另外一部分则穿过探头的球形表面折射出去被损失掉,使接收端的光信号相对于射入探头半球面镜头的光信号而言有所减弱。折射出去的光越多,则反射回光电转换器的光信号就越少。

探头蓝宝石镜头材质折射率约为1.762~1.770,镜头表面接触不同折射率的介质时,具有不同的临界角,致使光电转换模块接收的光信号强度相应改变,输出电压随之变化,最终反映在送至SCADA站控系统的标准4~20?mA信号上。

光学界面仪实际应用情况

实际应用中,KAM使用情况较差,而FuelCheck的光学界面仪在西南管道的应用情况良好。

与使用状况较好的FuelCheck相比,KAM主要存在3个方面的问题。

柴油过后与汽油的混油界面无法辨别,它每次都是先由大变为更大,然后再逐渐变小,操作人员很难根据它来判断油品界面的到来。图3为两种光学界面仪分辨柴油与汽油界面结果的比较。



在密度稳定的情况下KAM指示值越来越小。在同样都是柴油的情况下,分别给出都匀站使用KAM,34天(绿色表示密度,紫色和黄色是界面仪输出值)和玉林站使用FuelCheck54天(蓝色是密度,浅蓝色和浅灰色是界面仪输出值)的曲线。如图4。



KAM光学界面仪对介质中的杂质(反光)具有相当的敏感性。因此,即使是同一种油品,不同的储罐的油品切换,其罐底“杂质”含量导致信号幅度会发生很大的变化。以安顺站3月4日至3月23日KAM界面仪测量柴油以及93#汽油的反应(浅蓝色是密度,绿色是界面仪输出值)为例,11日前是柴油,11~13日是93#汽油,之后又是柴油,可以看出,同是柴油,光学界面仪的读数变化竟然比汽、柴油切换的变化还要大,如图5中a图所示。图5中b图为贵阳站3月5~14日FuelCheck界面仪测量柴油以及93#汽油的反应,(白色是密度,绿色和黄色是界面仪输出值),9日中午前是柴油,9日中午至12日是93#汽油,之后又是柴油。图5中可以看出FuelCheck基本不受杂质的影响,这是因为FuelCheck的工作原理是检测介质的折射率,而折射率并不会随着传输液体中杂质的变化而发生明显的变化。

光学界面仪使用结果分析

国内柴油中含蜡量较之国外要高出一倍以上,由于液体石蜡的流动性较差,附着力较强,它必然会在探头表面逐渐形成一定厚度的“薄膜”,影响KAM探头表面的透光性,导致即使是同一种柴油,KAM光学界面仪的信号也会逐渐变小,特别是在罐底的柴油经过探头时,柴油里的杂质会“粘在”已经形成的“薄膜”上,使得KAM探头表面的透光性更差,进而使KAM光学界面仪的信号变得更小,如图4中a图所示。

液体石蜡还会在长输管道的内表面逐渐形成一定厚度的“薄膜”,这种“薄膜”在汽油到来时就会被破坏,并且被“推”在汽、柴油之间的混油段前端,使得混油段前端反光率变高,导致KAM光学界面仪的信号此时有一个不合常理的反向变化,如图3中a图所示。

FuelCheck探头传感器的检测信号仅与探头镜头表面接触的介质折射率有关。如果被测介质比较混浊,混有少量泥沙或铁锈类的物理杂质,由于这些杂质影响不了成品油的化学特性,改变不了它们的折射率,所以从理论上讲,对测量结果不会产生明显影响。



实践证明,柴油中液体石蜡对FuelCheck探头传感器也是会产生一定影响的,只是影响没有KAM那么大而已。通过分析可以得知, 柴油中液体石蜡在FuelCheck探头表面形成一定厚度的“薄膜”,会降低探头的光强反射率,但是不会影响到探头对液体介质折射率的测量,由于“薄膜”的存在(假定此薄膜的折射率为1.48),会使介质折射率按一定的比率变小(如图6所示),解决这个问题,只需要在存在“薄膜”的情况下,把信号转换器的量程适当调大即可。

结束语

近年来,我国石油工业得到了迅猛发展,管道运输已成为未来石油运输的发展方向。而管道运输中界面跟踪的实现问题也得到越来越多的关注。光学界面仪的使用为解决这一问题提供了一种途径。

本文的工作仅仅是初步的对两种品牌的产品使用情况进行分析研究,要开发出更加可靠,更加经济的技术手段,还需在今后的工作中不断的探索。
 

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