石油化工行業(yè)原油儲(chǔ)罐自動(dòng)切水撬裝裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

蔡振宇 張忠敏 張中良 粟飛

摘要：伴隨國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐的加快，對(duì)油品質(zhì)量、空氣污染的控制要求越來(lái)越高，煉化企業(yè)規(guī)模越來(lái)越大，隨之儲(chǔ)罐的數(shù)量急劇增加，采用傳統(tǒng)的切水方式（人工現(xiàn)場(chǎng)脫水或機(jī)械式脫水器）已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化企業(yè)的生產(chǎn)需求。為解決目前石化企業(yè)飛速發(fā)展與原油儲(chǔ)罐切水自動(dòng)化程度落后的矛盾以及虹吸式、無(wú)回油接口儲(chǔ)罐的自動(dòng)切水問(wèn)題，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)了一種智能環(huán)保、故障安全型自動(dòng)化切水系統(tǒng)，傳感器采用冗余配置，能長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行，現(xiàn)對(duì)其設(shè)計(jì)及應(yīng)用加以介紹。

關(guān)鍵詞：原油;儲(chǔ)罐;自動(dòng)化控制;切水

0? ? 引言

在石油化工行業(yè)罐區(qū)的日常操作中，罐區(qū)油罐切水是必不可少的一項(xiàng)重要工作。原油在開(kāi)采、運(yùn)輸、裝卸過(guò)程中都會(huì)不可避免地帶進(jìn)水，需定期排放介質(zhì)中的水分，達(dá)到生產(chǎn)要求。在煉油過(guò)程中，成品油也會(huì)因加工工藝的原因，不可避免地帶水，必須切水后才能出廠銷(xiāo)售。

近年來(lái)，石油化工企業(yè)主罐區(qū)輕質(zhì)油儲(chǔ)罐的切水基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，但原油因?yàn)橛衅涮厥庑?，目前主要還靠人工完成罐區(qū)原油儲(chǔ)罐的切水工作。人工切水勞動(dòng)強(qiáng)度大，切水帶出的有毒氣體會(huì)對(duì)人體造成一定的傷害，人工切水時(shí)，需要專(zhuān)人看管，而且見(jiàn)到介質(zhì)時(shí)才知道排放干凈，對(duì)環(huán)境有一定污染，也增加了污水凈化成本，如果是易燃易爆的介質(zhì)則存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。并且油罐切水的可靠性完全建立在操作工的責(zé)任心上，滿足不了當(dāng)今石油化工行業(yè)綠色、環(huán)保、安全排放的要求。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，迫切需要一種操作可靠的原油自動(dòng)切水設(shè)備，以減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，避免有毒有害氣體對(duì)人體造成傷害等，這就催生了對(duì)原油自動(dòng)切水設(shè)備的需求。

1? ? 罐區(qū)目前切水設(shè)備的應(yīng)用現(xiàn)況

近年，隨著技術(shù)的進(jìn)步，為了實(shí)現(xiàn)石油化工行業(yè)罐區(qū)油罐的自動(dòng)化切水操作，國(guó)內(nèi)廠家研發(fā)出了各種自動(dòng)切水設(shè)備。

在罐區(qū)油罐切水中，需要檢測(cè)的是水中的油含量，自動(dòng)化切水設(shè)備能否成功應(yīng)用的最主要因素就是油、水檢測(cè)傳感器的選擇。選擇的依據(jù)是測(cè)量介質(zhì)的物理、化學(xué)性質(zhì)。成品油等輕質(zhì)油罐的油品品種單一，性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，污染小，并且油水密度相差較大，粘度小，針對(duì)這類(lèi)介質(zhì)的性質(zhì)，利用機(jī)械浮球原理設(shè)計(jì)的自動(dòng)切水設(shè)備，基本解決了成品油等輕質(zhì)油儲(chǔ)罐的自動(dòng)切水問(wèn)題。

相比之下，原油儲(chǔ)罐情況就復(fù)雜得多。原油品種多，性質(zhì)復(fù)雜，密度變化大，并且有些原油密度與水相近，用機(jī)械浮球的原理無(wú)法判斷油水界面。同時(shí)，原油粘度較大，并且原油中含有多種膠質(zhì)、雜質(zhì)，容易對(duì)檢測(cè)傳感器產(chǎn)生污染，使油水界面檢測(cè)失靈。

因此，基于油與水密度差異、電導(dǎo)率差異、介電常數(shù)差異、導(dǎo)光性能差異、導(dǎo)熱系數(shù)差異、微波吸收能力差異、比熱差異、超聲方法、熱值差異、粘度差異等原理設(shè)計(jì)的原油自動(dòng)切水設(shè)備，由于原理的局限性和結(jié)構(gòu)的缺陷，不能很好地解決罐區(qū)原油儲(chǔ)罐自動(dòng)切水問(wèn)題。石油化工行業(yè)迫切需要一種切水質(zhì)量好、可靠性高、易于操作、通用性強(qiáng)的儲(chǔ)罐自動(dòng)切水設(shè)備，不僅可以用于普通輕介質(zhì)儲(chǔ)罐，更要能適用于原油、渣油等黏稠介質(zhì)的儲(chǔ)罐，從而提高原油罐區(qū)自動(dòng)化水平，豐富管理手段，提高管理水平。

2? ? 原油儲(chǔ)罐自動(dòng)切水裝置設(shè)計(jì)目的

完全遵照現(xiàn)有石化行業(yè)防爆規(guī)范設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，油中有水自動(dòng)切，做到有效介質(zhì)零排放，只排水不排油，獨(dú)立完成切水工作。

儲(chǔ)罐設(shè)備是虹吸式排水管道的，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回油控制，不需要人工干預(yù)。

切水設(shè)備能在任何環(huán)境條件下（刮風(fēng)下雨、嚴(yán)寒酷暑、白天黑夜）工作，連續(xù)切水，切水速度快，減少原油在罐中停留時(shí)間。

切水設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試周期短。

3? ? 自動(dòng)切水撬裝裝置設(shè)計(jì)方案

罐區(qū)原油儲(chǔ)罐的自動(dòng)切水要長(zhǎng)期、有效、穩(wěn)定工作，必須解決以下兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際問(wèn)題：

（1）傳感器被污染而影響測(cè)量準(zhǔn)確性。被測(cè)原油介質(zhì)的黏稠、腐蝕等特性對(duì)傳感器的測(cè)量精度影響極大。油水識(shí)別檢測(cè)傳感器受到介質(zhì)污染，檢測(cè)精度就會(huì)隨之變化，易造成閥門(mén)誤動(dòng)作及跑油等惡性事故。本切水系統(tǒng)中，檢測(cè)傳感器采用了矩陣式微電容射頻巡檢處理和介質(zhì)溫度補(bǔ)償?shù)认冗M(jìn)技術(shù)，切水罐內(nèi)的雜質(zhì)、油泥會(huì)在切水過(guò)程中隨水一起排出，不會(huì)在切水器內(nèi)沉積，解決了傳感器被污染的問(wèn)題。

（2）回油問(wèn)題。罐區(qū)油品介質(zhì)儲(chǔ)罐的切水口形式分兩種：直排式切水口和虹吸式切水口。直排式切水口進(jìn)到切水器的油能原路返回到油罐。對(duì)于采用虹吸切水管的儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐內(nèi)的沉積水無(wú)法再次排放，自動(dòng)切水撬裝設(shè)備利用周轉(zhuǎn)罐將滯留在切水管道或切水罐內(nèi)的少量油品推回到儲(chǔ)罐內(nèi)，解決回油問(wèn)題。

3.1? ? 自動(dòng)切水撬裝裝置組成

下面介紹一套安全、智能的新型原油切水撬裝裝置的設(shè)計(jì)。撬裝裝置是設(shè)備框架和設(shè)備整體組合的一種形式，將切水所需的所有設(shè)備（容器、儀表及附件、閥門(mén)、開(kāi)關(guān)、周轉(zhuǎn)泵等為整體連接）固定在一個(gè)角鋼或工字鋼制成的底盤(pán)上，移動(dòng)、就位可以使用起重設(shè)備完成。撬裝設(shè)備是安裝好了的一個(gè)整體式集合，與儲(chǔ)罐排水口法蘭連接時(shí)，無(wú)需再在中間安裝閥門(mén)、儀表等設(shè)備，只需用管線聯(lián)通即可。

切水撬裝設(shè)備PID圖如圖1所示，其主要由檢測(cè)傳感器、切水控制系統(tǒng)、切水罐、周轉(zhuǎn)罐、氣動(dòng)切水閥、回油閥、周轉(zhuǎn)泵、電磁流量計(jì)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

切水撬裝裝置的控制系統(tǒng)由檢測(cè)儀表、PLC及電氣控制部分等組成，在北方寒冷環(huán)境下，裝置冬天需要加熱，防止油品凝結(jié)，影響脫水效果。加熱時(shí)，需控制好溫度。切水完成后，切水罐底部是水，上部是油，采用蒸汽管對(duì)水進(jìn)行加熱，溫度過(guò)高時(shí)，沸騰的水會(huì)產(chǎn)生蒸汽，對(duì)上部的油進(jìn)行“汽提”，帶走全部輕組分，剩下的重組分將會(huì)形成更多的油泥，甚至結(jié)焦;溫度過(guò)高也容易在切水罐底部產(chǎn)生結(jié)晶鹽。現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有蒸汽時(shí)，可以用電伴熱方式進(jìn)行加熱。如果罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)有90 ℃左右的熱水，用熱水加熱最合適。

自動(dòng)切水撬裝裝置中周轉(zhuǎn)回油泵的揚(yáng)程，要根據(jù)原油儲(chǔ)罐的高度換算的大氣壓力和儲(chǔ)罐切水口至切水撬裝裝置切水罐之間管道口徑、長(zhǎng)度等換算出的壓力進(jìn)行選擇。周轉(zhuǎn)泵的揚(yáng)程壓力要大于兩者壓力之和的1.3倍，以利于周轉(zhuǎn)泵將回油罐內(nèi)的介質(zhì)通過(guò)切水罐輸送回原油儲(chǔ)罐。同時(shí)，周轉(zhuǎn)泵在撬體上的安裝需要做防噪處理，保證整個(gè)切水撬裝裝置的噪聲控制在要求的80 dB之下。

撬裝裝置控制系統(tǒng)帶有防爆觸摸顯示屏，在現(xiàn)場(chǎng)可直接觀察到切水的工作狀態(tài)，可直觀顯示切水過(guò)程、所有儀表運(yùn)行參數(shù)和切水的流程狀態(tài)，在現(xiàn)場(chǎng)可用遙控器直接調(diào)整工作參數(shù)。切水實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)[1]，系統(tǒng)運(yùn)行后不需要人工干預(yù)，按預(yù)定程序完成切水工作。主要操作畫(huà)面如圖2所示。

3.2? ? 自動(dòng)切水控制邏輯

對(duì)于直排式切水口，切水罐上部安裝的傳感器判斷檢測(cè)到儲(chǔ)罐流入的介質(zhì)是水，且設(shè)定的沉降時(shí)間到，PLC發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)切水閥打開(kāi)，系統(tǒng)開(kāi)始切水;切水過(guò)程中，如傳感器檢測(cè)到是油或到達(dá)了設(shè)置的最大切水時(shí)間，切水系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)切水閥關(guān)閉，系統(tǒng)停止切水，完成切水過(guò)程。自動(dòng)切水邏輯如圖3所示。

檢測(cè)為油流程如圖4所示。

對(duì)于虹吸式切水口，撬體增加了周轉(zhuǎn)罐，通過(guò)控制周轉(zhuǎn)泵，利用周轉(zhuǎn)罐將切水過(guò)程中進(jìn)入脫水管道和二次切水罐內(nèi)的油品送回到原油儲(chǔ)罐內(nèi)。為維持周轉(zhuǎn)罐內(nèi)氣壓平衡，確保儲(chǔ)罐在超壓或真空時(shí)不被破壞，且減少罐內(nèi)介質(zhì)損耗，周轉(zhuǎn)罐上部安裝一臺(tái)阻火呼吸閥。

傳感器檢測(cè)到油，停止脫水后，啟動(dòng)回油系統(tǒng)，先將脫水器上部和虹吸管中回油口的油存儲(chǔ)在回油系統(tǒng)中，原油儲(chǔ)罐中的水再次進(jìn)入切水罐，又開(kāi)始切水。切水罐傳感器再次檢測(cè)到油，停止脫水，先將存儲(chǔ)在回油系統(tǒng)中的油打回原油儲(chǔ)罐，騰空回油系統(tǒng)，再將切水罐上部和虹吸管中的油存儲(chǔ)在回油系統(tǒng)中，油罐中的水再次進(jìn)入切水罐，又開(kāi)始切水。啟動(dòng)回油系統(tǒng)后，還是檢測(cè)不到水，說(shuō)明原油儲(chǔ)罐中的水已經(jīng)脫完。然后，每2 h（時(shí)間可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)定或系統(tǒng)自整定）控制周轉(zhuǎn)泵啟動(dòng)一次回油系統(tǒng)，檢查原油儲(chǔ)罐中是否有水。

周轉(zhuǎn)泵控制流程如圖5所示。

現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)切水撬裝裝置的控制系統(tǒng)通過(guò)RS485與罐區(qū)集控中心的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。操作人員可遠(yuǎn)程監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)的切水狀況，也可以遠(yuǎn)程控制切水閥的開(kāi)與關(guān)，同時(shí)也可根據(jù)需要，隨時(shí)對(duì)各類(lèi)參數(shù)、運(yùn)行模式進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)切水閥、切水PLC控制系統(tǒng)、傳感器、通信、失電等出現(xiàn)故障時(shí)，后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)能及時(shí)報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)處理。

切水撬裝裝置在排水口安裝了電磁流量計(jì)，將切水流量累積后發(fā)給后臺(tái)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)分析、運(yùn)算可以獲取更多原油生產(chǎn)管理的有價(jià)值信息。通信示意圖如圖6所示。

切水罐上部安裝兩個(gè)傳感器，采用二選二安全控制模式，只有在兩個(gè)傳感器均檢測(cè)到是水時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)打開(kāi)切水閥門(mén)，任何一個(gè)傳感器檢測(cè)到水中油含量超標(biāo)時(shí)，立即關(guān)閉切水閥，切水撬裝裝置為故障安全型，任何故障系統(tǒng)都會(huì)關(guān)閉閥門(mén)，停止切水并報(bào)警提示，保證系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文所述智能型儲(chǔ)罐自動(dòng)切水撬裝裝置，切水理念獨(dú)特，檢測(cè)原理更合理更完善、更具突破性，采用一體化高可靠性傳感器，可視化操作簡(jiǎn)單便捷，具備多重安全保障，在國(guó)內(nèi)外大型石化企業(yè)投用后，減輕了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了有毒有害氣體對(duì)人體的傷害，減少了原油在罐中停留時(shí)間，節(jié)約了企業(yè)的財(cái)務(wù)成本，提高了罐區(qū)自動(dòng)化水平，豐富了管理手段，提高了管理水平，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 上海輕葉工程科技有限公司.（ADS）自動(dòng)切水撬裝置說(shuō)明書(shū)[Z].2版，2017.

收稿日期：2020-05-08

作者簡(jiǎn)介：蔡振宇（1970—），男，遼寧丹東人，工程師，研究方向：自動(dòng)化。

張忠敏（1972—），男，浙江瑞安人，研究方向：機(jī)電一體化。

張中良（1968—），男，浙江瑞安人，工程師，研究方向：機(jī)械制造。