石油化工行业原油储罐自动切水撬装装置设计及应用

蔡振宇 张忠敏 张中良 粟飞

摘要：伴随国民经济发展步伐的加快，对油品质量、空气污染的控制要求越来越高，炼化企业规模越来越大，随之储罐的数量急剧增加，采用传统的切水方式（人工现场脱水或机械式脱水器）已经不能满足现代化企业的生产需求。为解决目前石化企业飞速发展与原油储罐切水自动化程度落后的矛盾以及虹吸式、无回油接口储罐的自动切水问题，突破传统设计理念，开发了一种智能环保、故障安全型自动化切水系统，传感器采用冗余配置，能长期安全、稳定运行，现对其设计及应用加以介绍。

关键词：原油;储罐;自动化控制;切水

0    引言

在石油化工行业罐区的日常操作中，罐区油罐切水是必不可少的一项重要工作。原油在开采、运输、装卸过程中都会不可避免地带进水，需定期排放介质中的水分，达到生产要求。在炼油过程中，成品油也会因加工工艺的原因，不可避免地带水，必须切水后才能出厂销售。

近年来，石油化工企业主罐区轻质油储罐的切水基本已经实现自动化操作，但原油因为有其特殊性，目前主要还靠人工完成罐区原油储罐的切水工作。人工切水劳动强度大，切水带出的有毒气体会对人体造成一定的伤害，人工切水时，需要专人看管，而且见到介质时才知道排放干净，对环境有一定污染，也增加了污水净化成本，如果是易燃易爆的介质则存在一定安全风险。并且油罐切水的可靠性完全建立在操作工的责任心上，满足不了当今石油化工行业绿色、环保、安全排放的要求。随着技术的不断进步，迫切需要一种操作可靠的原油自动切水设备，以减轻工人劳动强度，避免有毒有害气体对人体造成伤害等，这就催生了对原油自动切水设备的需求。

1    罐区目前切水设备的应用现况

近年，随着技术的进步，为了实现石油化工行业罐区油罐的自动化切水操作，国内厂家研发出了各种自动切水设备。

在罐区油罐切水中，需要检测的是水中的油含量，自动化切水设备能否成功应用的最主要因素就是油、水检测传感器的选择。选择的依据是测量介质的物理、化学性质。成品油等轻质油罐的油品品种单一，性质相对稳定，污染小，并且油水密度相差较大，粘度小，针对这类介质的性质，利用机械浮球原理设计的自动切水设备，基本解决了成品油等轻质油储罐的自动切水问题。

相比之下，原油储罐情况就复杂得多。原油品种多，性质复杂，密度变化大，并且有些原油密度与水相近，用机械浮球的原理无法判断油水界面。同时，原油粘度较大，并且原油中含有多种胶质、杂质，容易对检测传感器产生污染，使油水界面检测失灵。

因此，基于油与水密度差异、电导率差异、介电常数差异、导光性能差异、导热系数差异、微波吸收能力差异、比热差异、超声方法、热值差异、粘度差异等原理设计的原油自动切水设备，由于原理的局限性和结构的缺陷，不能很好地解决罐区原油储罐自动切水问题。石油化工行业迫切需要一种切水质量好、可靠性高、易于操作、通用性强的储罐自动切水设备，不仅可以用于普通轻介质储罐，更要能适用于原油、渣油等黏稠介质的储罐，从而提高原油罐区自动化水平，丰富管理手段，提高管理水平。

2    原油储罐自动切水装置设计目的

完全遵照现有石化行业防爆规范设计，实现自动化，油中有水自动切，做到有效介质零排放，只排水不排油，独立完成切水工作。

储罐设备是虹吸式排水管道的，实现自动回油控制，不需要人工干预。

切水设备能在任何环境条件下（刮风下雨、严寒酷暑、白天黑夜）工作，连续切水，切水速度快，减少原油在罐中停留时间。

切水设备现场施工简单，安装调试周期短。

3    自动切水撬装装置设计方案

罐区原油储罐的自动切水要长期、有效、稳定工作，必须解决以下两个现场的实际问题：

（1）传感器被污染而影响测量准确性。被测原油介质的黏稠、腐蚀等特性对传感器的测量精度影响极大。油水识别检测传感器受到介质污染，检测精度就会随之变化，易造成阀门误动作及跑油等恶性事故。本切水系统中，检测传感器采用了矩阵式微电容射频巡检处理和介质温度补偿等先进技术，切水罐内的杂质、油泥会在切水过程中随水一起排出，不会在切水器内沉积，解决了传感器被污染的问题。

（2）回油问题。罐区油品介质储罐的切水口形式分两种：直排式切水口和虹吸式切水口。直排式切水口进到切水器的油能原路返回到油罐。对于采用虹吸切水管的储罐，储罐内的沉积水无法再次排放，自动切水撬装设备利用周转罐将滞留在切水管道或切水罐内的少量油品推回到储罐内，解决回油问题。

3.1    自动切水撬装装置组成

下面介绍一套安全、智能的新型原油切水撬装装置的设计。撬装装置是设备框架和设备整体组合的一种形式，将切水所需的所有设备（容器、仪表及附件、阀门、开关、周转泵等为整体连接）固定在一个角钢或工字钢制成的底盘上，移动、就位可以使用起重设备完成。撬装设备是安装好了的一个整体式集合，与储罐排水口法兰连接时，无需再在中间安装阀门、仪表等设备，只需用管线联通即可。

切水撬装设备PID图如图1所示，其主要由检测传感器、切水控制系统、切水罐、周转罐、气动切水阀、回油阀、周转泵、电磁流量计和远程监控系统等组成。

切水撬装装置的控制系统由检测仪表、PLC及電气控制部分等组成，在北方寒冷环境下，装置冬天需要加热，防止油品凝结，影响脱水效果。加热时，需控制好温度。切水完成后，切水罐底部是水，上部是油，采用蒸汽管对水进行加热，温度过高时，沸腾的水会产生蒸汽，对上部的油进行“汽提”，带走全部轻组分，剩下的重组分将会形成更多的油泥，甚至结焦;温度过高也容易在切水罐底部产生结晶盐。现场没有蒸汽时，可以用电伴热方式进行加热。如果罐区现场有90 ℃左右的热水，用热水加热最合适。

自动切水撬装装置中周转回油泵的扬程，要根据原油储罐的高度换算的大气压力和储罐切水口至切水撬装装置切水罐之间管道口径、长度等换算出的压力进行选择。周转泵的扬程压力要大于两者压力之和的1.3倍，以利于周转泵将回油罐内的介质通过切水罐输送回原油储罐。同时，周转泵在撬体上的安装需要做防噪处理，保证整个切水撬装装置的噪声控制在要求的80 dB之下。

撬装装置控制系统带有防爆触摸显示屏，在现场可直接观察到切水的工作状态，可直观显示切水过程、所有仪表运行参数和切水的流程状态，在现场可用遥控器直接调整工作参数。切水实现全自动[1]，系统运行后不需要人工干预，按预定程序完成切水工作。主要操作画面如图2所示。

3.2    自动切水控制逻辑

对于直排式切水口，切水罐上部安装的传感器判断检测到储罐流入的介质是水，且设定的沉降时间到，PLC发出信号驱动气动切水阀打开，系统开始切水;切水过程中，如传感器检测到是油或到达了设置的最大切水时间，切水系统发出信号驱动气动切水阀关闭，系统停止切水，完成切水过程。自动切水逻辑如图3所示。

检测为油流程如图4所示。

对于虹吸式切水口，撬体增加了周转罐，通过控制周转泵，利用周转罐将切水过程中进入脱水管道和二次切水罐内的油品送回到原油储罐内。为维持周转罐内气压平衡，确保储罐在超压或真空时不被破坏，且减少罐内介质损耗，周转罐上部安装一台阻火呼吸阀。

传感器检测到油，停止脱水后，启动回油系统，先将脱水器上部和虹吸管中回油口的油存储在回油系统中，原油储罐中的水再次进入切水罐，又开始切水。切水罐传感器再次检测到油，停止脱水，先将存储在回油系统中的油打回原油储罐，腾空回油系统，再将切水罐上部和虹吸管中的油存储在回油系统中，油罐中的水再次进入切水罐，又开始切水。启动回油系统后，还是检测不到水，说明原油储罐中的水已经脱完。然后，每2 h（时间可根据现场实际情况设定或系统自整定）控制周转泵启动一次回油系统，检查原油储罐中是否有水。

周转泵控制流程如图5所示。

现场自动切水撬装装置的控制系统通过RS485与罐区集控中心的监控系统进行数据交换。操作人员可远程监视现场的切水状况，也可以远程控制切水阀的开与关，同时也可根据需要，随时对各类参数、运行模式进行调整。当切水阀、切水PLC控制系统、传感器、通信、失电等出现故障时，后台监控系统能及时报警，提醒操作人员及时处理。

切水撬装装置在排水口安装了电磁流量计，将切水流量累积后发给后台计算机监控系统，通过计算机软件对数据分析、运算可以获取更多原油生产管理的有价值信息。通信示意图如图6所示。

切水罐上部安装两个传感器，采用二选二安全控制模式，只有在两个传感器均检测到是水时，系统才会打开切水阀门，任何一个传感器检测到水中油含量超标时，立即关闭切水阀，切水撬装装置为故障安全型，任何故障系统都会关闭阀门，停止切水并报警提示，保证系统安全、可靠运行。

4    结语

本文所述智能型储罐自动切水撬装装置，切水理念独特，检测原理更合理更完善、更具突破性，采用一体化高可靠性传感器，可视化操作简单便捷，具备多重安全保障，在国内外大型石化企业投用后，减轻了现场操作人员的劳动强度，避免了有毒有害气体对人体的伤害，减少了原油在罐中停留时间，节约了企业的财务成本，提高了罐区自动化水平，丰富了管理手段，提高了管理水平，取得了良好的社会效益和经济效益。

[参考文献]

[1] 上海轻叶工程科技有限公司.（ADS）自动切水撬装置说明书[Z].2版，2017.

收稿日期：2020-05-08

作者簡介：蔡振宇（1970—），男，辽宁丹东人，工程师，研究方向：自动化。

张忠敏（1972—），男，浙江瑞安人，研究方向：机电一体化。

张中良（1968—），男，浙江瑞安人，工程师，研究方向：机械制造。