油罐中储油量的测量与计算

，　。７≠　油罐中储油量的测量与计算　黄兰　（石油大学山东省东营市２５　７０６２）Ｔ　；’／　＾　摘要　根据油、气、水介电常数的差别　ｊ来确定各相界面相对于罐的位置，并提出硐　化．因此．介电常数也仅仅是随深度变化。所以过渡　层中含水率与深度的关系是　的含水率作为过渡层内萎至　薹兰的平均含水率，　萎所　使油　ｉ罐中储油量的计量得以实现，为计算油罐中　储油量提供７新方法。　主题词油罐　储油量　介电常数　一砉　㈩　式（２）中ａ是含水率，　是过渡层的厚度，ｚ。　是由过渡层上部与油层相接触处起并向过渡层内部计　算的距离，其取值范围为０≤　。≤△　，。两者的对应关　含水率一　吖　乞　茎霉　’　煮　输进储油罐中的原油静置后．油、气、水再度分　离，形成了明显的油气界面，然而油水界面仅是具有　定厚度的油水混台层（过渡层）。但在过渡层中，却　测得过渡层内某一处的介电常数，经变换可得知与之　相应的深度。　分析图１得油罐中储油量的计算公式为　Ｑ：　Ｒ　（ｚ　一　）４－　Ｒ　（　。一　）（１—７Ｏ（３）　具有同一深度平面内含水率相同的特点，即含水率仅　随深度变化而变化。囤此计算罐内储油量的多少，首　要的问题是确定油气界面与过渡层内含水率随深度变　化的规律　１　陌　口　油、气、水介电常数有明显差别。根据这一物理　性质的变化可以分辨出油气界面与油水界面。　过渡层中油水混台液的相对介电常数是含水率的　函数，可用下式表示　式（３）中Ｒ是油罐平均内半径，ｚ　是与油气界面　相应的深度．ｚ　是油层、过渡层的界面相应的深度，ｚ　是过渡层与水层的界面相应的深度，　是过渡层内的　平均含水率。如上述分析，　可取与过渡层内等效介电　常数的平均值相对应的含水率　由表１计算得　一　２９。ｊｏ，由式（１　）计算与　相应的平均含水率　：　６１　将　代入式（３）得　Ｑ一　Ｒ。（０．３９ｘ３—０。６１ｚ２一　）（３ａ）　‘】ｒ　ｑ－‘　二—　（１００　４）　蔫　（１）　式（１）中，。是水相体积浓度（含水率）．Ｅ　是水　的相对介电常数　是油的相对介电常数，ｅ　是含水率　为ａ的油水混合液的等效相对介电常数．　是待定实　系数，由　—ｔ，Ｅ　：￡　ｕ计算。　取Ｅ．　；∞。０，Ｅ¨ｒ一２。００，由式（１）得　一０。２７Ｊ，　＃　围１相对介电常数随深度变化关系里　于是式（１）简化为　Ｅ　一２。００　４－０．３１４（１００口）。。　（１ａ）　２．　１、５Ｔ２、５Ｔ３的测量　２。１同心环平面探头　同心环平面探头是由位于同一平面内的一组径向　相距为Ｄ的　环截面半径为ｒ的导线制成的，每隔一　环互相连接（电接触）做为探头的一电极。探头产生　的缝隙电场对介质有一定的穿透能力　当电场中的介　质技生变化时，探头电容量便相应地有一变化　为增　强探头强度，用耐温胶（１　５０Ｃ）将电极封灌固定在圆　对应于不同的　值，ｅ　的计算结果如表１。　表１　与不同的含水牢　相对应的相对介电常数　（　）　ｏ　ｌ　１ｏ　ｌ　２０　３Ｏ　ｌ　４０　５ｏ　ｌ　６ｏ　ｌ　７０　ｊ　８０　ｌ　９０　介电常数是含水率的函数，而含水率仅随深度变　油气田地面工程＜ＯＧＳＥ）第１　４卷第３期（１９９５，５）　维普资讯 http://www.cqvip.com

形金属外壳内，待固化后经机械加工，使电极平面位　头与油接触时，电容量增大，振荡电路的固有频率与　激励源额率差减小，两者耦合加强，振荡电路的振荡　于离探头表面深ｈ处的胶介质内。当探头参数满足ｒ　《Ｄ，＾《Ｄ，＾《Ｈ（辐射电场作用的介质厚度）时，　介质极化电荷对电极相反的自由电荷的影响可按理想　情况处理。考虑到固定电极的介质与受电场作用的介　质相对于电场有并联又有串联，所以探头组成的测试　系统的电容量为　Ｃ一２（　—１）　￡　×　４　１　ｅ一　ｅ　］　ｎ　［、　ｎ　ｒ　卜［　ｎ业　，　］　２　￡丌　ｆ　】一．ｆ　…　２１ｎ　＋ｉｎ　Ｊ　式（４）中￡。是真空介电常数，￡　，是电极问起固定　作用的绝缘介质的相对介电常数，　受电场作用的介　质的相对介电常数，ｎ是探头电极环的数日，ｄ是电极　环的平均直径，Ｄ是相邻电极环间距，ｒ是电极导线横　截面半径，ｈ是电极离探头表面距离，Ｈ是受电场作用　的介质厚度。因为线电荷缝隙辐射电场强度随距离增　大而减弱．若视与探头表面相距１０ｒ处的场强和电极　线电荷表面处的场强相比可忽略，则Ｈ一１０ｒ。　样机所用探头参数为：　＝３．Ｏ，ｎ＝３，　一１０．５　×１０一　ｍ，Ｄ＝５．０×１０一　ｍ，１＂２　５．０×１０一　ｍ，ｈ＝０．５０　×１０一　ｍ，Ｈ一１０ｒ－－５．０×１０一。ｍ，取￡０＝８　８５×１０一”　Ｆ／ｍ进行计算，则式（４）简化为　Ｃ＝１．１　７［（Ｏ．０５５＋０．１８３　）＋　０．７５５　、　、　面丽　干　Ｊ（４ａ）　不同介质中，探头的电容量按式（４ａ）计算，结果见表　２所示。　衰２不同介质中探头的电容及其对罐的位置　Ｉ　参　敬　…｝Ｃ（ｐｆ）ｌ　（ｖ）　１（ｍ）Ｉ　ｊ２（ｒⅡ）　（ｍ）　气ｌ　０．５５　ｌ　１．６２　２．８４　Ｊ　油｝１．００　Ｉ　２．２４　ｌ　１３．７０　Ｉ　２３．２　ｌ　１３．８７　ｌ　ｌ３．９６　２．２转换电路（简介）　探头两电极经短截硬同轴线与检测电路连接，作　为振荡电路的调谐电容。探头处在空气中时，电容量　小，振荡电路的固有振荡频率远大于激励源额率，两　者失谐，振荡电路从源获取能量小，振荡电压低。探　４０　油气田地面工程（ＯＧｓＥ）　第Ｈ卷第３期（１９９５．５）　电压升高。当探头处在油水混合液的过渡层中，其电　容量随深度（含水率）的加大而变大，导致振荡电路　的振荡电压产生相应的变大。随后，探头处在垒水中，　由其电容量（最大）决定的振荡电路的固有振荡频率　与激励源频率相近，两者接近谐振状态，振荡电路的　振荡电压最大，接近了谐振峰值。振荡电压经检波电　路检渡后输出一个与探头所处的位置相应的直流电压　信号，由此检测出与各相界面对应的深度　、ｚ　、　。。　２．３测试实验　样机结构见示意图２。合理选择检测电路参数，使　探头处在全水中输出电压小于谐振峰值（供电直流电　压为１２Ｖ时，谐振峰值电压是ｌ９．７６Ｖ）。即探头在垒　水中的电容量应小于谐振时的电容值。测试结果列入　表２中（　是输出电压由１　６２Ｖ突变为２．２４Ｖ时对　应的深度。　是输出电压刚开始大于２．２４Ｖ时对应的　深度；　。是输出电压开始接近于１　３．９６Ｖ时所对应的　深度）。由式（３ａ）计算出立式圆柱型金属罐中储油量　Ｑ－－４８３５．５ｍ　（取罐平均内径Ｒ＝１ｌ　８５ｍ）。　圉２样机结构示意圉（电源引线未画）　ｌ～同心环电极　２固定电极介质３硬同轴线　４壳体　５～密封圈　６一橙测电路７一压垫环８一密封引线插孔９一　密封罩　３．讨论　（１）利用油、气、水介电常数的差别来确定各相　界面相对于罐的位置，从而使计算罐中储油量的方法　简便。　（２）同心环平面探头辐射电场对介质作用深度小，　ａｍ，克服了同轴式探头作用深度大　（约５０ｒａｍ）的缺点，提高了测量各相界面对于罐的位　置的精确度。　（３）探头与其相作用的介质层形成开放式谐振腔，　对检测微小电容及其变化有很高的灵敏度，适合监控　油气界面、油水界面等应用场合。　（４）对各相界面相对于罐顶的深度的测量方法与　（下转４２页）　仅为Ｈ一１０ｒ＝５ｒ维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｄ　点的梯度　（２）不需要给定值，而是面向系统，自动搜索出　ｇｒａｄ（Ｄ　）一　最优工作点；　（３）动态寻优只需要测定锅炉出力．所测参数简　单可靠．易于实现；　（４）直接寻优对系统参数变化或环境变化有直接　适应能力　因此，它可以取代氧化锆氧量计，以较低的成本　实现更经济更稳定的锅炉燃烧系统的自动控制。　若梯度为正，说明极值点在，）　的右边，下一步应该继　续增加Ｆ；若梯度为负，说明极值点在Ｄ　的左边，下　步应该减小，。如此不断地搜索直到晟终达到优点　Ｄ。点。若工况发生了变化，设效率曲线变为图２中的　②，此时工作点移到Ｄ。，直接寻优系统又会不断地重　复上述过程直到Ｄ　点。　ｏ　图２工况与空气过剩系数的关系　４．自寻优燃烧控制系统的设计　下面以热水炉为例来说明设计控制框图。　４．１燃料控制系统（图３）　燃料供给系统的控制，以热水炉出口水温恒定为　控制目标。　Ｌ一一。一一ｌ调节单元Ｉ——一　鲭定术沮　｝————　供给控倒信号　＿Ｊ　宴露水沮　图３燃料控制系统框图　４．２鼓风控制系统（图４）　鼓风控制系统首先以实际燃料量初步确定鼓风量　Ｆ，然后以当前锅炉出力Ｄ．与调风前锅炉出力Ｄ旧．求　出梯度　ｇｒａｄ（Ｄ）一　以该梯度进一步修正风量实现自寻优。　４．３引风控制系统（图５）　引风控制系统以锅炉设计要求的炉膛负压值为控　制目标。　５．结束语　利用锅炉热平衡关系，对燃烧系统采用动态自寻　优控制，具有以下特点：　（１）不需要精确的数学模型，只需知道被控对象　具有单峰极值特性；　４２　油气田地面工程（ＯＧＳＥ）锖１４卷第３期（１９９５．５）　Ｄ　。一一Ｄ一一　一回三　图４蚊风控制系统框图　Ｖｌ一实际燃料供应量　一实际风量信号　，ｒ风量前馈信号　Ｆ一风量控制信号ｎ】一前一　测定锅炉出力ｎ一当前测定　锅炉出力　’一锅炉循环水进出１３温差ｃ一锅炉循环东流量　ｒ————］　Ｌ一一ｏ——一Ｉ调节单元ｌ一一Ｌ　负压培定售Ｉ—Ｌ———＿＿Ｊ　引冠控斜信号　－　，————　宴舅炉ｔ负压　图５引风控制系统框图　参考文献　１张亮明等　工业锅炉自动控制．北京：中国建筑工业出版　社，１９８７　２王子才等　应用最优控制．哈尔滨ｒ啥尔滨工业大学出板　社，１９８９　３孙绍凯等．工业燃煤锅炉燃　控制的研究．黑龙江自　动化技术与应用．１　９９１．（２．　（收稿日期１９９４·０８·１３　编辑罗庆铣）　（上接４０页）装置（已由使用单位较好地解决）不做　介绍。　（５）本文提供的油水混合液等效相对介电常数的　计算方法适合于油包水型，也适合于水包油型的混合　液，因此对含水率范围（ｏ～１００％）都可适用。所以　可用相对介电常数平均值对应的含水率作为油水过渡　层内的平均含水率来计算油水过渡层内的储油量。　（收稿日期１９９４　０９　０６　编辑陆春华）