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地下水封洞庫洞罐儀表的設(shè)計選型與裝方案分析
發(fā)布時間：2018-09-21 14:45:00??點擊次數(shù)：3133次
能源安全無淪是對于企業(yè)還是**來說，都是一項*為重要的戰(zhàn)略。石油作為目前**主要的能源種類，對于石油的戰(zhàn)略儲備來說，對于保證為實現(xiàn)**能源安全，滿足石油大容量儲存的要求具有重要的意義。從原油儲備的安全性、經(jīng)濟性等方面考慮，**原油儲備的建設(shè)重點已轉(zhuǎn)移到水封洞庫。其特點有規(guī)模大、自動化水平高、投資高、安全性要求高、工程復雜。本文通過水封洞庫的儲油原理簡單介紹，對已建和在建水封洞庫的調(diào)研，對洞罐儀表選型的優(yōu)缺點進行了分析比較，結(jié)合項目的具體情況，確定了洞罐儀表的選型、安裝方案，總結(jié)了安裝要求和設(shè)計特點，供各位同行參考，也希望拋磚引玉，更多的技術(shù)人員有更好的方法與大家分享。
地下水封石洞油庫（以下簡稱水封洞庫）具有安全性高、對地面環(huán)境影響小、占用耕地少、節(jié)省大量鋼材、油品損耗小、運營管理費用低等優(yōu)點，在瑞典、韓國、日本等**廣泛應(yīng)用于儲存原油及其產(chǎn)品，已有成熟的設(shè)計、建設(shè)和運營經(jīng)驗。２０世紀７０年代，中國也建成了兩座水封洞庫，儲存原油和柴油，但洞庫規(guī)模小，自動化水平低，之后近３０年未繼續(xù)建設(shè)此類工程。
隨著石油消費量的不斷增長、**政局的多變和對石油產(chǎn)品季節(jié)性需求量的不斷變化，增大了對石油及其產(chǎn)品大容量儲存的要求。目前國內(nèi)開始建設(shè)大規(guī)模的戰(zhàn)略原油儲備基地，且已建成多處地面原油儲備庫，從石油儲備的安全性、經(jīng)濟性等方面考慮，采用水封洞庫的儲備方式具有較大優(yōu)勢。由于國內(nèi)大規(guī)模水封洞庫的建設(shè)剛剛起步，因而工程設(shè)計、建設(shè)、運營經(jīng)驗都非常少。筆者從水封洞庫的儲油原理入手，通過對洞罐儀表選型的優(yōu)缺點進行分析、比較，結(jié)合黃島、惠州洞庫項目實際情況，確定水封洞庫洞罐儀表的設(shè)計選型、安裝方案等。
１水封洞庫簡介
１．１ 儲油原理水封洞庫通過人工在地下巖石中開挖形成，其密封是通過地下水向洞內(nèi)滲透實現(xiàn)，即水封洞庫必須建在穩(wěn)定的地下水位線以下一定的深度，洞罐的埋深與洞室儲存介質(zhì)的*大工作壓力、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、穩(wěn)定的地下水位等因素有關(guān)，其埋深應(yīng)保證洞庫周圍的地下水壓力大于洞內(nèi)儲存介質(zhì)的壓力。正常儲存時，洞外部地下水壓力大于洞內(nèi)介質(zhì)壓力，地下水只能向洞內(nèi)滲透，而洞內(nèi)介質(zhì)不能向洞外滲漏，同時利用油比水密度小以及油水不能混溶的特點，滲入洞內(nèi)的水沿洞壁匯集到洞底部形成水墊層，從而達到將所儲介質(zhì)封在洞內(nèi)的目的。滲入洞內(nèi)的水可由油水界面檢測儀表進行檢測，待達到一定高度時，用安裝在洞內(nèi)的潛水泵將水排出洞外。水封洞庫儲油方法有固定水位法和變動水位法，采用變動水位法儲油新鮮水的需求量和污水處理量大，運行費用高，因而目前多采用固定水位法，儲油原理示意如圖１所示。
１．２ 特 點
水封洞庫洞室的高度一般設(shè)計為３０ｍ，而洞罐的埋設(shè)深度根據(jù)儲存油品的性質(zhì)、壓力、巖體風化程度和地下水位的高低等因素確定，從幾十米至一百米以上不等。對于埋深超過５０ｍ的水封洞庫，溫度計、液位計的檢測元件必須足夠長才可以實現(xiàn)測量。為便于儀表安裝、調(diào)試、維護和維修，洞罐儀表的變送單元應(yīng)安裝在豎井操作區(qū)，而工藝裝置和地面油庫常用的檢測儀表大多難以滿足使用要求，這給洞罐儀表選型帶來困難。
２ 國外同類項目洞罐儀表選型
洞罐是水封洞庫的核心單元，洞罐儀表主要包括溫度儀表、液位儀表和界面儀表，根據(jù)對韓國、北歐已建和在建水封洞庫的調(diào)研，了解到國外水封洞庫洞罐儀表的選型思路。
２．１ 溫度儀表
溫度測量方式：
１）采用多點平均溫度計，安裝示意如圖２ａ）所示；
２）２）采用單點溫度計用組合套管安裝的方式，將幾支單點溫度計組合安裝在一根不銹鋼套管內(nèi)，測量不同高度油品的溫度。單點溫度計與液位開關(guān)合用１根套管，安裝示意如圖２ｂ）所示。
２．２ 液位儀表
液位測量采用伺服液位計、雷達液位計、超聲波液位計三種方式。由于受洞庫埋深的制約，采用伺服液位計的居多，采用雷達液位計和超聲波液位計的較少。
２．３ 界面儀表界面測量方式：１）采用伺服界面計，安裝示意如圖３所示；
２）采用電容式液位開關(guān)用組合套管安裝的方式，將幾臺液位開關(guān)組合安裝在１根不銹鋼套管內(nèi)，測量不同高度油水界面。液位開關(guān)與單點溫度計合用１根套管，安裝示意如圖２ｂ）所示。
２．４ 儀表選型的優(yōu)缺點分析
國外同類項目洞罐儀表選型的優(yōu)缺點分析見表１所列。
３ 洞罐儀表選型方案的確定
洞罐儀表在水封洞庫工程的運行管理中起著重要作用，不僅要完成介質(zhì)溫度、液位和界面測量，而且要實現(xiàn)洞罐進油、出油控制，主要設(shè)備潛油泵、潛水泵的啟停、聯(lián)鎖和保護等功能。多點平均溫度計可計算出洞罐內(nèi)介質(zhì)的平均溫度，和液位計配合計算出洞罐內(nèi)介質(zhì)的標準體積，該計算結(jié)果可與地上生產(chǎn)區(qū)流量計的計量結(jié)果進行比對，以核對伺服液位計的測量精度。洞罐液位和界面是過程控制和安全聯(lián)鎖的重要參數(shù)，液位儀表和界面儀表的可靠性是保證過程控制和安全聯(lián)鎖可靠性和安全性的關(guān)鍵。因此，選擇安全、可靠、適宜的洞罐儀表是水封洞庫設(shè)計中非常重要的工作?！?/div>
綜合考慮表１中液位、界面及溫度儀表的優(yōu)缺點以及各種儀表的應(yīng)用業(yè)績，結(jié)合項目的具體情況，確定了黃島洞庫和惠州洞庫項目的洞罐儀表選型方案。
３．１ 溫度儀表
洞罐原油溫度測量
選用洞罐專用多點平均溫度計，用于測量地下洞罐中原油不同高度的溫度及平均溫度。
多點平均溫度計采用一體化集成的設(shè)計結(jié)構(gòu)，配備至少１６點的溫度檢測元件，任何連續(xù)測量的溫度檢測元件間的垂直距離不大于２ｍ。各溫度檢測元件單獨接線至多點平均溫度計的智能溫度選擇器上。
多點平均溫度計溫度檢測元件的參考熱電阻為Ｐｔ１００，其他測量點為Ｔ型熱電偶或Ｐｔ１００熱電阻，可測量液相、氣相的單點溫度及原油的平均溫度。
３．２ 液位儀表
調(diào)研收集到的水封洞庫液位測量儀表應(yīng)用業(yè)績中，雷達液位計的*大測量液位是１００ｍ；超聲波液位計的*大測量液位是４０ｍ；伺服液位計的*大測量液位（鋼絲長度）是１９０ｍ。黃島洞庫項目各洞罐埋深約１２０ｍ，惠州洞庫項目各洞罐埋深約１３０ｍ，顯然只有伺服液位計可以滿足項目的要求。
伺服液位計由測量浮子、鋼絲、磁鼓、伺服電機系統(tǒng)、高精度力傳感器、控制器和微處理器等組成。浮子在介質(zhì)中的位置由伺服機構(gòu)的平衡來確定，伺服機構(gòu)在微處理器控制下進行測量。鋼絲、磁鼓和力傳感器以杠桿滑輪原理構(gòu)成力平衡，高精度力傳感器判斷測量浮子的浮力信號和微處理器預置
的測量要求，發(fā)出控制信號到控制器，決定伺服電機系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動方向，平衡后測量浮子的位移可由伺服電機的轉(zhuǎn)動步數(shù)確定。
洞罐原油液位測量選用兩套獨立的洞罐專用伺服液位計，利用其總線信號實現(xiàn)液位檢測、高低液位報警，利用其單獨輸出的單刀雙擲繼電器開關(guān)量信號實現(xiàn)高高液位、低低液位報警、聯(lián)鎖功能。
３．３ 界面儀表
與液位儀表原因相同，油水界面測量選用兩套獨立的洞罐專用伺服界面計。為監(jiān)控洞罐中水墊層的高度，設(shè)置洞罐內(nèi)水位檢測、報警及聯(lián)鎖功能。伺服界面計的浮子始終位于油水界面處，可連續(xù)跟蹤、測量油水界面，當油水界面達到高高、低低報警聯(lián)鎖值時，利用其單獨輸出的單刀雙擲繼電器開關(guān)量信號實現(xiàn)報警、聯(lián)鎖功能，利用其模擬量信號或總線信號可實現(xiàn)液位（水位）檢測及高低報警功能。
４ 洞罐儀表安裝
儀表安裝應(yīng)便于儀表維護、更換及觀測，儀表的觀測面應(yīng)朝向操作通道，周圍不應(yīng)有妨礙維修儀表的物件，因而洞罐液位計、界面計和多點平均溫度計的變送單元均安裝在豎井口?？紤]到洞罐埋設(shè)深度及洞罐儀表檢測元件的長度，為便于儀表安裝，保護洞罐儀表的檢測元件，為伺服液位計、伺服界面計及多點平均溫度計設(shè)置了液位計、界面計導向管及溫度計保護管。導向管、保護管安裝時，從上到下的垂直誤差一般小于導向管、保護管口徑的１０％，并徹底處理好導向管通液孔的毛刺；焊接必須采用套焊，焊縫必須清理干凈；安裝時，必須保證洞罐儀表與導向管、保護管連接法蘭的水平度，一般控制在１°之內(nèi)，伺服液位計、界面計導向管安裝示意如圖４所示。
圖４ 伺服液位計／界面計導向管安裝示意
５ 洞罐儀表的設(shè)計特點
５．１ 儀表的易維護性
１）設(shè)計中充分考慮了儀表的易維護性。洞罐液位／界面儀表選用基于微處理器的電子控制設(shè)備，采用多功能模塊化結(jié)構(gòu)；液位、界面儀表選用伺服液位計、界面計，可靠性高，故障率低，具有自動標定功能，可本地或遠程在線標定，并具有在線維護功能，現(xiàn)場基本免維護。
２）采用多點平均溫度計和伺服界面計測量溫度和油水界面，與表１中單點溫度計組合套管方式和單臺液位開關(guān)組合套管方式相比，具有以下特點：
ａ）變送單元均安裝在豎井口，便于觀測、調(diào)試、維護和更換。
ｂ）洞室、豎井內(nèi)無電纜，電纜均在地面敷設(shè)，簡單、方便、故障率低。
ｃ）儀表均在地面安裝，簡單、方便、無需進行套管組裝。
５．２ 導向管及保護管的使用壽命
水封洞庫中不可維修的材料和設(shè)備的設(shè)計壽命不宜小于５０ａ，而洞罐儀表導向管及保護管在洞庫運營過程中無法維護，因而其材質(zhì)和防腐必須滿足水封洞庫設(shè)計壽命５０ａ的使用要求。目前導向管及保護管的防腐通常采用以下兩種方案：
１）導向管及保護管采用碳鋼。根據(jù)所受內(nèi)外壓及腐蝕余量計算其厚度，并采用犧牲陽*陰*保護法，滿足設(shè)計壽命５０ａ的使用要求。
２）若裂隙水腐蝕嚴重，位于裂隙水內(nèi)（裂隙水與原油界面以下）部分導向管及保護管采用雙相不銹鋼，其他部分采用碳鋼并采用犧牲陽*陰*保護法。黃島、惠州洞庫項目的導向管及保護管的防腐采用了*一種方案。
５．３ 伺服液位計浮子類型的選擇
原油液位測量用伺服液位計采用蜘蛛型測量浮子，與傳統(tǒng)的圓錐型浮子相比，可減小與介質(zhì)的接觸面積，降低原油對其粘結(jié)程度，更好地保證伺服液位計的靈敏度及精度；并可降低與導向管碰撞面積，減輕導向管垂直度對浮子的影響，避免浮子被卡住。
６ 結(jié)束語
洞罐是水封洞庫的核心組成部分，選擇技術(shù)先進、安全可靠的洞罐儀表是保證過程控制和安全聯(lián)鎖可靠性和安全性的關(guān)鍵。因此，洞罐儀表的選型設(shè)計是水封洞庫工程設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計者應(yīng)給予足夠的重視。筆者通過對國外部分水封洞庫洞罐儀表選型的優(yōu)缺點進行比較分析，確定了黃島、惠州洞庫項目洞罐儀表的選型、安裝方案，總結(jié)了安裝要求和設(shè)計特點，供從事水封洞庫設(shè)計工作的同行參考。
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