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地下水封洞庫(kù)洞罐儀表的設(shè)計(jì)選型與裝方案分析
發(fā)布時(shí)間：2018-09-21 14:45:00??點(diǎn)擊次數(shù)：3171次
能源安全無(wú)淪是對(duì)于企業(yè)還是**來(lái)說(shuō)，都是一項(xiàng)*為重要的戰(zhàn)略。石油作為目前**主要的能源種類，對(duì)于石油的戰(zhàn)略儲(chǔ)備來(lái)說(shuō)，對(duì)于保證為實(shí)現(xiàn)**能源安全，滿足石油大容量?jī)?chǔ)存的要求具有重要的意義。從原油儲(chǔ)備的安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，**原油儲(chǔ)備的建設(shè)重點(diǎn)已轉(zhuǎn)移到水封洞庫(kù)。其特點(diǎn)有規(guī)模大、自動(dòng)化水平高、投資高、安全性要求高、工程復(fù)雜。本文通過(guò)水封洞庫(kù)的儲(chǔ)油原理簡(jiǎn)單介紹，對(duì)已建和在建水封洞庫(kù)的調(diào)研，對(duì)洞罐儀表選型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較，結(jié)合項(xiàng)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(jì)特點(diǎn)，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(kù)（以下簡(jiǎn)稱水封洞庫(kù)）具有安全性高、對(duì)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(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在瑞典、韓國(guó)、日本等**廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)存原油及其產(chǎn)品，已有成熟的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。２０世紀(jì)７０年代，中國(guó)也建成了兩座水封洞庫(kù)，儲(chǔ)存原油和柴油，但洞庫(kù)規(guī)模小，自動(dòng)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(fèi)量的不斷增長(zhǎng)、**政局的多變和對(duì)石油產(chǎn)品季節(jié)性需求量的不斷變化，增大了對(duì)石油及其產(chǎn)品大容量?jī)?chǔ)存的要求。目前國(guó)內(nèi)開(kāi)始建設(shè)大規(guī)模的戰(zhàn)略原油儲(chǔ)備基地，且已建成多處地面原油儲(chǔ)備庫(kù)，從石油儲(chǔ)備的安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，采用水封洞庫(kù)的儲(chǔ)備方式具有較大優(yōu)勢(shì)。由于國(guó)內(nèi)大規(guī)模水封洞庫(kù)的建設(shè)剛剛起步，因而工程設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)都非常少。筆者從水封洞庫(kù)的儲(chǔ)油原理入手，通過(guò)對(duì)洞罐儀表選型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析、比較，結(jié)合黃島、惠州洞庫(kù)項(xiàng)目實(shí)際情況，確定水封洞庫(kù)洞罐儀表的設(shè)計(jì)選型、安裝方案等。
１水封洞庫(kù)簡(jiǎn)介
１．１ 儲(chǔ)油原理水封洞庫(kù)通過(guò)人工在地下巖石中開(kāi)挖形成，其密封是通過(guò)地下水向洞內(nèi)滲透實(shí)現(xiàn)，即水封洞庫(kù)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(chǔ)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(kù)周圍的地下水壓力大于洞內(nèi)儲(chǔ)存介質(zhì)的壓力。正常儲(chǔ)存時(shí)，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(shí)利用油比水密度小以及油水不能混溶的特點(diǎn)，滲入洞內(nèi)的水沿洞壁匯集到洞底部形成水墊層，從而達(dá)到將所儲(chǔ)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(cè)儀表進(jìn)行檢測(cè)，待達(dá)到一定高度時(shí)，用安裝在洞內(nèi)的潛水泵將水排出洞外。水封洞庫(kù)儲(chǔ)油方法有固定水位法和變動(dòng)水位法，采用變動(dòng)水位法儲(chǔ)油新鮮水的需求量和污水處理量大，運(yùn)行費(fèi)用高，因而目前多采用固定水位法，儲(chǔ)油原理示意如圖１所示。
１．２ 特 點(diǎn)
水封洞庫(kù)洞室的高度一般設(shè)計(jì)為３０ｍ，而洞罐的埋設(shè)深度根據(jù)儲(chǔ)存油品的性質(zhì)、壓力、巖體風(fēng)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(duì)于埋深超過(guò)５０ｍ的水封洞庫(kù)，溫度計(jì)、液位計(jì)的檢測(cè)元件必須足夠長(zhǎng)才可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量。為便于儀表安裝、調(diào)試、維護(hù)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(kù)常用的檢測(cè)儀表大多難以滿足使用要求，這給洞罐儀表選型帶來(lái)困難。
２ 國(guó)外同類項(xiàng)目洞罐儀表選型
洞罐是水封洞庫(kù)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(duì)韓國(guó)、北歐已建和在建水封洞庫(kù)的調(diào)研，了解到國(guó)外水封洞庫(kù)洞罐儀表的選型思路。
２．１ 溫度儀表
溫度測(cè)量方式：
１）采用多點(diǎn)平均溫度計(jì)，安裝示意如圖２ａ）所示；
２）２）采用單點(diǎn)溫度計(jì)用組合套管安裝的方式，將幾支單點(diǎn)溫度計(jì)組合安裝在一根不銹鋼套管內(nèi)，測(cè)量不同高度油品的溫度。單點(diǎn)溫度計(jì)與液位開(kāi)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(cè)量采用伺服液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、超聲波液位計(jì)三種方式。由于受洞庫(kù)埋深的制約，采用伺服液位計(jì)的居多，采用雷達(dá)液位計(jì)和超聲波液位計(jì)的較少。
２．３ 界面儀表界面測(cè)量方式：１）采用伺服界面計(jì)，安裝示意如圖３所示；
２）采用電容式液位開(kāi)關(guān)用組合套管安裝的方式，將幾臺(tái)液位開(kāi)關(guān)組合安裝在１根不銹鋼套管內(nèi)，測(cè)量不同高度油水界面。液位開(kāi)關(guān)與單點(diǎn)溫度計(jì)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(diǎn)分析
國(guó)外同類項(xiàng)目洞罐儀表選型的優(yōu)缺點(diǎn)分析見(jiàn)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(kù)工程的運(yùn)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(cè)量，而且要實(shí)現(xiàn)洞罐進(jìn)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(hù)等功能。多點(diǎn)平均溫度計(jì)可計(jì)算出洞罐內(nèi)介質(zhì)的平均溫度，和液位計(jì)配合計(jì)算出洞罐內(nèi)介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)體積，該計(jì)算結(jié)果可與地上生產(chǎn)區(qū)流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以核對(duì)伺服液位計(jì)的測(cè)量精度。洞罐液位和界面是過(guò)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(guò)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(kù)設(shè)計(jì)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(diǎn)以及各種儀表的應(yīng)用業(yè)績(jī)，結(jié)合項(xiàng)目的具體情況，確定了黃島洞庫(kù)和惠州洞庫(kù)項(xiàng)目的洞罐儀表選型方案。
３．１ 溫度儀表
洞罐原油溫度測(cè)量
選用洞罐專用多點(diǎn)平均溫度計(jì)，用于測(cè)量地下洞罐中原油不同高度的溫度及平均溫度。
多點(diǎn)平均溫度計(jì)采用一體化集成的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，配備至少１６點(diǎn)的溫度檢測(cè)元件，任何連續(xù)測(cè)量的溫度檢測(cè)元件間的垂直距離不大于２ｍ。各溫度檢測(cè)元件單獨(dú)接線至多點(diǎn)平均溫度計(jì)的智能溫度選擇器上。
多點(diǎn)平均溫度計(jì)溫度檢測(cè)元件的參考熱電阻為Ｐｔ１００，其他測(cè)量點(diǎn)為Ｔ型熱電偶或Ｐｔ１００熱電阻，可測(cè)量液相、氣相的單點(diǎn)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(kù)液位測(cè)量?jī)x表應(yīng)用業(yè)績(jī)中，雷達(dá)液位計(jì)的*大測(cè)量液位是１００ｍ；超聲波液位計(jì)的*大測(cè)量液位是４０ｍ；伺服液位計(jì)的*大測(cè)量液位（鋼絲長(zhǎng)度）是１９０ｍ。黃島洞庫(kù)項(xiàng)目各洞罐埋深約１２０ｍ，惠州洞庫(kù)項(xiàng)目各洞罐埋深約１３０ｍ，顯然只有伺服液位計(jì)可以滿足項(xiàng)目的要求。
伺服液位計(jì)由測(cè)量浮子、鋼絲、磁鼓、伺服電機(jī)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(jī)構(gòu)的平衡來(lái)確定，伺服機(jī)構(gòu)在微處理器控制下進(jìn)行測(cè)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(cè)量浮子的浮力信號(hào)和微處理器預(yù)置
的測(cè)量要求，發(fā)出控制信號(hào)到控制器，決定伺服電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，平衡后測(cè)量浮子的位移可由伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)確定。
洞罐原油液位測(cè)量選用兩套獨(dú)立的洞罐專用伺服液位計(jì)，利用其總線信號(hào)實(shí)現(xiàn)液位檢測(cè)、高低液位報(bào)警，利用其單獨(dú)輸出的單刀雙擲繼電器開(kāi)關(guān)量信號(hào)實(shí)現(xiàn)高高液位、低低液位報(bào)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(cè)量選用兩套獨(dú)立的洞罐專用伺服界面計(jì)。為監(jiān)控洞罐中水墊層的高度，設(shè)置洞罐內(nèi)水位檢測(cè)、報(bào)警及聯(lián)鎖功能。伺服界面計(jì)的浮子始終位于油水界面處，可連續(xù)跟蹤、測(cè)量油水界面，當(dāng)油水界面達(dá)到高高、低低報(bào)警聯(lián)鎖值時(shí)，利用其單獨(dú)輸出的單刀雙擲繼電器開(kāi)關(guān)量信號(hào)實(shí)現(xiàn)報(bào)警、聯(lián)鎖功能，利用其模擬量信號(hào)或總線信號(hào)可實(shí)現(xiàn)液位（水位）檢測(cè)及高低報(bào)警功能。
４ 洞罐儀表安裝
儀表安裝應(yīng)便于儀表維護(hù)、更換及觀測(cè)，儀表的觀測(cè)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(jì)、界面計(jì)和多點(diǎn)平均溫度計(jì)的變送單元均安裝在豎井口。考慮到洞罐埋設(shè)深度及洞罐儀表檢測(cè)元件的長(zhǎng)度，為便于儀表安裝，保護(hù)洞罐儀表的檢測(cè)元件，為伺服液位計(jì)、伺服界面計(jì)及多點(diǎn)平均溫度計(jì)設(shè)置了液位計(jì)、界面計(jì)導(dǎo)向管及溫度計(jì)保護(hù)管。導(dǎo)向管、保護(hù)管安裝時(shí)，從上到下的垂直誤差一般小于導(dǎo)向管、保護(hù)管口徑的１０％，并徹底處理好導(dǎo)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(shí)，必須保證洞罐儀表與導(dǎo)向管、保護(hù)管連接法蘭的水平度，一般控制在１°之內(nèi)，伺服液位計(jì)、界面計(jì)導(dǎo)向管安裝示意如圖４所示。
圖４ 伺服液位計(jì)／界面計(jì)導(dǎo)向管安裝示意
５ 洞罐儀表的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
５．１ 儀表的易維護(hù)性
１）設(shè)計(jì)中充分考慮了儀表的易維護(hù)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(jì)、界面計(jì)，可靠性高，故障率低，具有自動(dòng)標(biāo)定功能，可本地或遠(yuǎn)程在線標(biāo)定，并具有在線維護(hù)功能，現(xiàn)場(chǎng)基本免維護(hù)。
２）采用多點(diǎn)平均溫度計(jì)和伺服界面計(jì)測(cè)量溫度和油水界面，與表１中單點(diǎn)溫度計(jì)組合套管方式和單臺(tái)液位開(kāi)關(guān)組合套管方式相比，具有以下特點(diǎn)：
ａ）變送單元均安裝在豎井口，便于觀測(cè)、調(diào)試、維護(hù)和更換。
ｂ）洞室、豎井內(nèi)無(wú)電纜，電纜均在地面敷設(shè)，簡(jiǎn)單、方便、故障率低。
ｃ）儀表均在地面安裝，簡(jiǎn)單、方便、無(wú)需進(jìn)行套管組裝。
５．２ 導(dǎo)向管及保護(hù)管的使用壽命
水封洞庫(kù)中不可維修的材料和設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命不宜小于５０ａ，而洞罐儀表導(dǎo)向管及保護(hù)管在洞庫(kù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中無(wú)法維護(hù)，因而其材質(zhì)和防腐必須滿足水封洞庫(kù)設(shè)計(jì)壽命５０ａ的使用要求。目前導(dǎo)向管及保護(hù)管的防腐通常采用以下兩種方案：
１）導(dǎo)向管及保護(hù)管采用碳鋼。根據(jù)所受內(nèi)外壓及腐蝕余量計(jì)算其厚度，并采用犧牲陽(yáng)*陰*保護(hù)法，滿足設(shè)計(jì)壽命５０ａ的使用要求。
２）若裂隙水腐蝕嚴(yán)重，位于裂隙水內(nèi)（裂隙水與原油界面以下）部分導(dǎo)向管及保護(hù)管采用雙相不銹鋼，其他部分采用碳鋼并采用犧牲陽(yáng)*陰*保護(hù)法。黃島、惠州洞庫(kù)項(xiàng)目的導(dǎo)向管及保護(hù)管的防腐采用了*一種方案。
５．３ 伺服液位計(jì)浮子類型的選擇
原油液位測(cè)量用伺服液位計(jì)采用蜘蛛型測(cè)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(duì)其粘結(jié)程度，更好地保證伺服液位計(jì)的靈敏度及精度；并可降低與導(dǎo)向管碰撞面積，減輕導(dǎo)向管垂直度對(duì)浮子的影響，避免浮子被卡住。
６ 結(jié)束語(yǔ)
洞罐是水封洞庫(kù)的核心組成部分，選擇技術(shù)先進(jìn)、安全可靠的洞罐儀表是保證過(guò)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(jì)是水封洞庫(kù)工程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)者應(yīng)給予足夠的重視。筆者通過(guò)對(duì)國(guó)外部分水封洞庫(kù)洞罐儀表選型的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析，確定了黃島、惠州洞庫(kù)項(xiàng)目洞罐儀表的選型、安裝方案，總結(jié)了安裝要求和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，供從事水封洞庫(kù)設(shè)計(jì)工作的同行參考。
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