核子界面仪在海洋石油工业中的应用.pdf

第 3 7 卷第 5期 2 0 0 8年 9月 石油化工设备 P ETRC 卜 CHE MI CAL E QUI P MENT Vo 1 ． 37 NO ． 5 Se p t ． 2 0 0 8 文 章 编 号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 0 8 0 5 0 0 8 3 0 3 核子界面仪在海洋石油工业 中的应用 赵军凯 ，王启明 ，李海 文 ，李 勇 ，聂建伟 ，李艳莉 中海油基地集 团 采油服务公 司，天津3 0 0 4 5 2 摘 要 介 绍 了一种 新型 液位测 量仪 表 核 子界 面仪 的 结构 、 组 成和工作 原理 ， 结合海 洋石油 工业 特 点 ， 对其 设计进 行 了优 化 ， 对应用过 程 中 出现 的故 障进行 了分析 。 关 键词 核子界面仪；放射源；核辐射；光纤 ； P I C ；I C S ；应用 中图分类 号 TQ 0 5 6 ． 1 6 文 献标志 码 B At o mi c Pr o f i l e r Ap p l i c a t i o n i n Of f s h o r e Oi l I n d u s t r y Z HAO J u n - k a i ，W ANG Qi mi n g ，LI Ha i we R，LI Yo n g ，NI E J i a n - we i ，LI Ya h l i CNOOC Oi l Ba s e Gr o u p OP S C，Ti a n j i n 3 0 0 4 5 2 ，Ch i n a Ab s t r a c t A b r i e f i n t r o d u c t i o n o f s t r u c t u r e a n d p r i n c i p l e o f a t o mi c p r o f i l e r wa s p r e s e n t e d ． De s i g n op t i m i z a t i o n wa s a pp l i e d i n HYS Y 1 1 2 FPS O ， ma l f u nc t i o n c a s e s we r e a na l y z e d ． I t i s a r e f e r e nc e f o r oi l a n d p e t r o c he m i c a l i n du s t r y ． Ke y wo r d s a t o mi c p r o f i l e r ；r a d i a t i o n s o u r c e ；n u c l e a r r a d i a t i o n；o p t i c a l f i b e r ；P L C；I CS；a p pl i c a t i o n 核子界 面仪是 上世纪 末本世 纪初英 国开发 的一 种新 型的液 位测量 仪 表 ， 测量 效 果 比常 见 仪表 更 直 观 、 准确 ， 已经应 用 于西 方 发达 国家石 油 石 化工 业 。 曹 妃 甸 油 田 海 洋 石 油 1 l 2号 浮 式 生 产 储 油 轮 Fl o a t i ng Pr o du c t i o n，St or a ge a n d Of f l o a d i n g U n i t ， 缩 写 F P S O 是我 国首次 应用核 子界面 仪进 行液 位测量 。 海洋 石油 1 1 2号 F P S O 上部模 块原油 处理流 程 设计为 双系列 。每 个 系列 分别 由一级 分 离 器 、 二级 分离器 和 电 脱水 器 以 及若 干换 热 器 组成 ， 在 上 述 3 级 分离器 中就安 装有核 子界 面仪 。 l 结构和工作原理 在石 油生产 中 ， 产 出流 体 通 常 由原 油 、 水 、 天然 气和部分 杂质组 成 ， 不 同部分其 密度也 不 同 ， 核子界 面仪就是 利用被 测介质 密度不 同这一 特性工 作 的。 核 子 界 面 仪 利用 放 射 源 含 有 放 射 性 同位 素 镅 Am 产 生 的 y射 线 穿 过 被测 介 质 ， 到 达 其 相对 应 位 置安装 的 2个探 测 器 ， 探 测 器对 监 测 到 的射 线进 行分 析 ， 根 据射线 的 不 同性质 来 识 别被 测 介质 的密 度， 从而转换成物位信号 。放射源和 2个探测器管 呈 三角状位 置安 装 ， 2个探 测器 可 以互作 冗 余 ， 使 其 测 量更加 准确 和可靠 。每个放 射源射线 瞄准 的只是 相 应高度 的射线 探测 器 ， 辐 射线 途 经 放射 源 与探 测 源 之 问的介 质 ， 其 衰减 与 介质 密 度 有关 。核 子界 面 仪 结构示 意 图见 图 1 。 容器主剖面图 图 1 核子界面仪结构示图 核子界面仪可提供多达上百个独立的测量点 ， 收 稿 日期 2 0 0 8 0 5 0 3 作者简介j 1 9 7 2 一 ， 男 ， 河北藁城人， 高级工程师， 硕士 ， 从事海洋石油工程和油 田生产管理工作 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 4 石油化工设备 2 0 0 8年第 3 7卷 为数众多的传感器可以产生一系列电压脉冲作为它 的输出信号。这些脉冲的频率与 y射线射入传感元 件的强度成正 比， 它取决于传感元件所处高度的工 艺液体的密度 。每个传感器产生的电压脉冲传输至 位 于浸 入管总装 上 部 的计 数 器 ， 计 数 信 息通 过 光 纤 信号传送 到位于 中央控制室 的可编程序逻 辑控制 器 ， 再经 过数学 处理 后 ， 探 测器 的输 出作为 高度 的 函 数 ， 形成 分离器 内液 体 竖 向 的密 度 轮廓 。核子 界 面 仪测量效果示意图见图 2 。 泡 沫 原 油 乳 化液 水 沙 图 2 核 子 界 面 仪 测 量 效 果 示 图 2 核子 界 面仪 在 海 洋石 油 1 1 2号 F P S O 的 设 计 和 应 用 2 ． 1 前期 设计 海洋 石油 1 】 2号 F P S O对 原油 的处 理主要 是靠 重力 沉 降和 电脱水 器 脱 水 ， 油 田生 产 液 中成 分 比较 复 杂 ， 有 沙 、 水 、 乳化 层 、 泡沫 以及天然 气 。为 了取 得 较好 的处 理效 果 ， 设 计 人 员 在 双 系列 的一 级分 离 器 和二级分离器上分别选用 了核 子界面仪来检测其 液 位 。 由于 F P S O 体积 庞 大 ， 分离 器 到 中央控 制 室 之 间的距离也比较远 ， 所 以现场核子界 面仪所采集 的 信号通过光纤信号传送至 中央控制室 ， 这在最大程 度 上减 小 了传送 过程 中信号受 到 的干扰 和失 真 。在 中央控 制 室 内 安 装 有 一 个 核 子 界 面 仪 专 用 的控 制 柜 ， 控 制柜 内安装 光纤 信号处 理 、 转换 卡件 以及可 编 程逻 辑控制 器 P L C 。在这 个 控 制 柜 内， 光 纤 中的 脉冲信号将被处理成数字信号输入 P L C， 最后 P L C 将和 I C智 能型 集散 控 制 系统 I C S 实 现互 相 通讯 。 优化 后 的核子界 面仪通 讯示 意 图见 图 3 。 图 3 优化后的核子界面仪通讯示图 2 ． 2硬件及材 料 核子界面仪 由以下部件组 成 现场检测 和传送部 件 4套， 2 4 V直流电， 光纤接线盒 4套 四芯光缆约 1 k in ， 1 1 0 V AC ／ 2 4 C d c 电源模块 8 套 每 两套 为一 组互为备用 ， 光纤信号成套转换处理卡件4套， Al l e n B r a d l e y P L C 4套 R S 4 8 5 信号 电缆大约 5 0 m 。 2 ． 3 系统软件组态与优化 根据 一 级分 离 器 和二 级分 离 器 的设 计 容量 、 每 套核子界面仪最多可采用 1 5 0个独立的测量点以及 一 级 分离 器 的流 程 特性 相 对 复 杂 的情 况 ， 在 组 态 时 对每个 分离 器都 将 采集 1 2 0个 左右 的测 量 点 ， 这样 使得测 量更 为精 确 ， 并保 留有 充 足 的测 量 通 道 可 以 作备用。在 I C S组态中， 对沙子 、 生 产水、 乳化层 、 原油 、 泡沫 以及 天然 气 这几 种 不 同密度 不 同特 性 的 介质 ， 根据 核子 界 面仪 检测 到 的密 度 信 号分 别 以不 同 的颜 色 区别开 来 ， 可 直 观 地 显示 其 界 面 在 分离 器 内的低 点 和高点 ， 也 可 以根 据需 要设 置各 种高 、 低液 位报警点 。I C S对测量到的液位信号进行 P I D等运 算处理， 送 出 4 ～2 0 mA 电流信号至现场液位控制 阀 L C V ， 形 成 闭 环 调 节 系统 ， 从 而 达 到 对 各 个 分 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 赵军凯 ． 等 核子界面仪在海洋石油工业 中的应用 8 5 离器各 相液位 的精确 控制 。截取 的 工作 画 面见 图 4 和 图 5 。 图 l 核子界面仪工作 画面 l 图 5核 子 界 面 仪工 作 画面 2 3 应 用故障 核 子 界面 仪基 本 属于 免维 护 型仪 表 ， 但需 要 定 对该软 件配置 驱 动程 序 就 可 以进 入 P L C程 序 对 系 统进行诊断。如需要则可对系统进行软复位， 操作 简单 易懂 。 另外 ， 由于原 油 中所 含 的胶质 沥 青质 在 一定 条 件 下会 析 出口 ] ， 并 可 能 和泥 沙等 杂质 一起 附 着在 核 子界 面仪 的发射 窗 和接 收 窗上 ， 因此会 影 响测 量 效 果 ， 严重 时导致 画面混乱 。这一 点应 引起 注意 。 4 结语 核 子界面仪 在海洋 石油 1 1 2号 F P S O 已经成 功 应 用 3 a多 。它 能较直 观地把 分 离器 内不 同相之 间 的界面 以 图画的形 式显 现 出来 ， 使 日常 生产 操作 更 精确 ， 并 可 以此 为依据 进行操 作参数 优化 ， 提 高分离 效率 ， 是 国内 目前常用 的液位 测量仪 表无法 比拟 的 。 核子界面仪本身属免维护仪表， 虽然放射源属 内置 ， 但 在拆 装仪表 、 调试维 护 以及 进罐作 业时风 险 较大 ， 必须严 格执行 放射性 作业许 可证制 度 ， 作业 人 员必 须持证 上 岗 J 。 ． 核子界 面 仪 的 优 、 缺 点 直 接 影 响其 应 用 前 景 。 但 只要采取 有效 的防护措 施 ， 严格 执行作 业程序 ， 将 存在的风险降低到合理可行 的范围内， 核子界面仪 的应用前 景会越来 越好 。 参 考 文 献 [ 1 ] 赵军凯 ， 张敏娟 ， 王庆华 ， 等． 渤海埕 北油 田油井解堵试验 [ J ] ． 中 国 海上 油 气 工 程 ， 2 0 0 0 ， 1 2 3 4 8 5 1 ． [ 2 ] 刘瑜珩， 赵军凯 ， 王云庆， 等． 中美合作渤 海曹妃甸油 田承包商 安全管理特 点[ J ] ．中国安全生 产科学 技术 ， 2 0 0 7 ， 3 5 1 0 0 一 ]03． 期标定 。核子 界面仪 在海洋 石油 1 1 2号 F P S O 三级 ⋯～ 分离 器 中应用 3 a的状 况表 明， 其 常 见故 障为 传 送 液位 信号 失 真 并 混 乱 ， 导 致 I CS无 法 识 别 各 相 介 质 ， 此时 一般从硬 件通讯方 面进 行故障检 查并排 除 ， 通常有 以下 几种途 径 。 1 打开控 制柜观察 硬件 ， 一般故 障都 会有 红灯 闪烁 显示报警 ， 尝 试按 确认 按 钮 去 复位 报警 。另外 需要 注意 的是 ， 因为 系统最 多可 以定 义 1 5 0个 独立 的测量 点 ， 但 并不 一定都会 用上 ， 该状 态灯 不应该视 作 为报警信 号 。 2 如 果复位 无效 则 分 别检 查现 场 电源 和 光 纤 接线 盒是 否断开 或者 虚接 故 障 ， 光纤 衰 减量 是 否 太 大 ， 电源是 否发生故 障等 ， 可用光信 号模拟 器来测 试 光缆 线路状 况 。 3 检查 P L C是 否有报 警 ， 分别检 查 P L C的输 入 、 输 出通 道是否正 常 ， 类似 于一般 电路 故 障检查 。 4 使 用故障检测 软件则更 为简单 有效 ， 只需要 新 型蒸发 式冷凝器 杜 编 ．- ．- ．- ．- ．- ．- ◆ 河北 威力 制 冷 设 备 有 限 公 司 自主研 发 出型 号 为 Z NX的 新 型 实 用蒸 发 式 冷 凝 器 专 利 产 品 ， 它 采 用 国 内外 先 进 的 管 内 外流体湍流程度更强 的波节管 ， 可广泛使用 于化工 、 医药等 行业的制冷及食品饮料 的低温加工冷藏等领域 。 该蒸发式冷凝器 主要是 利用水蒸发 时吸收热 量而使管 内的氨或氟里昂蒸 汽冷凝 。冷却水储存 于箱体底部水盘 中， 用 浮球 阀保持一定水位 。水盘 中的冷却 水用水泵 送至 喷淋 管 ， 经喷嘴喷淋在冷凝管 的外表面 上， 形成 一层水膜 。水膜 中部分水吸热后蒸发为水蒸气被空气带走 ， 未蒸发的水 仍滴 回水盘 内， 管内的制冷剂逐渐冷凝成液体 。空气从进 风格栅 被 吸人 ， 向上流 经盘管 ， 饱和热湿空 气则经过通 风机排放 到 周 围的大气 中。 除热交换性能优越 外 ， 该蒸 发式冷凝 器抗腐蚀 性能 、 抗 结垢性能也很优 良， 运行费用低廉 ， 维护工作量小 ， 使用 寿命 长 。与现有的蒸发式冷凝器 比， 该蒸发式冷凝器可提 高制冷 效率 1 5 ～2 O 。与风冷或水冷式冷凝器 比， 可节水 8 O ， 节 电 2 5 ， 节约 占地 4 O ， 节省制造用钢材 5 O ％以上 。 钱伯 章 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m