TWS1801立罐油水界面中子测量仪的研制

TWS1801立罐油水界面中子测量仪的研制 第18卷第122期2005年5月 同 位 素 JournalofIsotopes Vol.18 No.122 May2005 立罐油水界面中子测量仪的研制 高 翔,张培信,郭宏利,杨 琪,赵立志 (中国原子能科学研究院同位素研究所,北京 102413) 摘要:利用中子背散射技术,研制出一种立罐油水界面中子测量仪。储油罐内升降移动,动态扫描不同高度的物料,根据气、油和水的慢中子计数率不同,度;同时,利用计数率曲线可以得到含水率分布曲线,关键词:储油立罐;中子背散射;油水界面;中子测量仪中图分类号:TL81613;TE13514 文献标识码:)0120220026203 2waterInterface augeforOilStorageTank GAOXiang,ZHANGPei2xin,GUOHong2li,YANGQi,ZhaoLi2zhi (DepartmentofIsotope,ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,Chin a) ——————————————————————————————————————————————— Abstract:Theoil2waterinterfaceneutrongaugeforoilstoragetankisdevelopedbyusing theneutronbackscatteringtechnique.Theslowneutrondetectorsmovedownandupinthetankandscandynamicallythematerialindifferentheight.Onthebasisofthedifferentslowneutroncountingrateofgas,oilandwater,thethree2phaseinterfaceheightsarede2termined.Atthesametime,bymakinguseofthecountingratecurvethewaterratiodistri2butioncurvesaregained,andthetotalcontentofoilinthetankaredeterminedaswell.Keywords:oilstoragetank;neutronbackscattering;oil2waterinterface;neutrongauge 油田储油罐中油水界面测量方法有很多种,如人工目测法、 力学法、电磁法、超声波和核方法等。由于油田储油立罐体积大、原 油粘度大、油水密度差异小等因素制约了界面测量技术的应用。目前 普遍采用人工目测法(即人工捞样目测法),该方法劳动强度大、精度低。 本工作拟利用中子背散射技术,研制一种立罐油水界面中子测量仪,以 克服以上缺点,达到准确测定油水界面的目的。化)效果不同,轻原子核 对中子的减速起主要作用,特别是氢。单位体积原油和水的含氢量不 同,对中子的慢化效果也不同,利用专门的慢中子探测器可检测出慢化 后的中子数量,并测算出油水比例。 对于插入式中子探测器,探头内装有一个中子源和慢中子探测器, 探测器插入储油罐后,由于氢核的减速能力比其它核大,根据中子的三 组理论,探测器接受的平均中子注量率(s-1?cm ——————————————————————————————————————————————— -2 1 中子背散射技术原理 当快中子通过物质时,与原子核相碰撞,能量减弱。不同的原子核 对中子的减速(中子慢 )为ΦD[1]: - - ΦD= πDL-La4 2 1 ( 2 22 ){ L-L 21 2 2 [E1( ) -L1 ——————————————————————————————————————————————— 收稿日期:2004212231;修回日期:2005203228 作者简介:高翔(1970,),男(汉族),河南人,高级工程师,核技术应用专业 第122期 高翔等: 立罐油水界面中子测量仪的研制27 )]-2)-(E1E1()+ln(2[(E1(LLL2L2-L( )+ln()]}LL 2 (1) 由此得到探头计数率N为: N=ΦDVeffΣa,D - (2) (1)、(2)式中:S为源强(s-1),a为探测器半长度(cm),D为中子扩散系数,L为热中子扩散长度(cm),L1为快中子减速长度(cm),L2为慢中子减速长度(cm),E1为指数积分系数,Veff为探测器有效体积系数,Σa,D为吸收截面(cm2)。 由于ΦD和Σa,D都是含氢量的函数,所以探头计数率N也是含氢量的函数,并且在一定范围内成线性关系。因此,根据测到的计数率N可以确定含水率。为了检验中子背散射技术测量油水界面的适用性,验,,化处理,1。由 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 16%,9%的差别。 ——————————————————————————————————————————————— 表1 不同物质和油样品相对计数率差别 样品名称水 辽河原油(绸油)胜利原油(稀油) 相对计数率 1.001.091.06 - 图1 立罐油水界面中子计数曲线图 图、油与乳化 。这是因为原油的成分中,,含氢量越高,计数率越高,原油的平均计数率比水高约5%,10%。而气相的中子计数率很小,近似为零。油与水之间的乳化带宽度也可根据理论模型和实际测量数据处理得到。在图1中可以看到油相和水相之间有个下降斜坡,经修正后即为乳化带宽度。进一步分析也可以得到含水率分布。 2 系统组成和功能 测量系统由探头、升降机构、电源控制箱、主机4个主要部分组成,一个主机可以带4路探头,系统结构示意图示于图2。系统主要功能包括自动检测、分析和存储油气界面、油水界面的高度值、计算乳化带宽度、含水率分布曲线(含水率剖面)、罐中油和水的储存量等 。 利用微机处理数据并解释结果,即可得到油 水界面的位置和乳化带的宽度,还可以计算出含水率,实现大罐油和水储量动态计量。用立罐油水界面中子测量仪在某油田进行实际测——————————————————————————————————————————————— 量,结果示于图1 。 图2 中子测量仪系统结构示意图 28同 位 素 第18卷 3 关键技术研究 311 辐射安全防护 4 安装和调试 本测量系统在储油立罐上安装示意图示于 图3。安装完毕后,进行油罐标准校正系数曲线的绘制,然后,系统进行自动测量,并调用油罐标准校正系数曲线,进行自动分析。其测量结果同现场取样实测的数据进行对比,验证油罐标准校正系数曲线 。 通过在大罐内插竖管的安装方式,使中子源处在油和水中屏蔽射线,从而使罐外部的射线剂量远低于国家规定的安全限值。源周围水屏蔽厚度大于1m。312 防爆安全技术 采用低功耗设计,使中子探头电源电流<10mA(12V)。采用特制的前置高压,使得高压耗电只有4mA。研制小功率低速微型防爆电机,选用永磁低速同步电机进行改造,并取得防爆合格证。该电机功率24W,体积小,转速低(60r/min),转动惯性小,适合自控仪表使用。313 点源代替环状源 ——————————————————————————————————————————————— 在环状中子源(241Am2Be)缺货的情况下,可以利用点源代替。通过试验,率,时,,可以采用大直。通过实验,直径35mm的计数管比直径25mm的计数管计数率大1倍,可满足仪器需要。314 软件滤噪 由于核计数信号的涨落及仪器噪声信号的影响,竖管法兰对中子计数的影响,加上原油和水的中子计数率接近,所以界面测量易被噪声干扰。利用软件滤波和数字平滑,可以降低噪声对中子计数的影响。但是,软件平滑处理使测量界面变化变缓,不利于界面位置的测定,因此,在计算油水界面位置和乳化带宽度时,需进行还原补偿计算。315 油水自动计量 在实际生产中,原油和水可能存在分离效果不好的情况,即油水混合过渡带较长。这时,仅给出油水界面位置还不能满足生产需要,仪器含水率测定功能可以给出更多的有用信息。 假设水的中子计数率为NW,油的中子计数率为NO,测量位置探头中子计数为NX,则可以用(3)式求得某测量位置的含水率WX为: (3)WX=(NO-NX)/(NO-NW) 探头自上而下,扫描整个大罐,可以得到一条含水率曲线,进而计算出立罐总的水和油的储量,计算公式如下: (4)大罐总含水量VW=Σ(VX?WX) (5)大罐总含油量为VO=V-VW (4)、(5)式中:VX为测量层罐内体积,V为液体总体积。 图3 安装示意图 5 现场实验 ——————————————————————————————————————————————— 安装调试完成后,进行了现场试验,并同时 采用实际取样化验、电阻法和人工目测法测定油罐中含水率分布,结果示于图4,其中实际取样化验方法为准确值。对比图4中4种界面测量方法,可以发现中子界面仪明显优于电阻法和人工目测法,同实际情况相符合。当大罐中油水混合带很长时,中子界面仪得到的一条逐渐变化的含水率曲线,没有明显的油水界面,而电阻法和人工目测法存在较大误差。表明中子背散射技术测定大罐油水含量更准确 。 图4 油水界面仪的动态标定 ?———中子界面仪;?———实际取样化验; ?———电阻法;?———目测法 参考文献: [1] 刘圣康.中子物理[M].北京:原子能出版社, 19861223,2241 ———————————————————————————————————————————————