技术
实时监测管道结垢现象
发布时间:2014-10-20 16:55

石油公司预防或去除石蜡沉淀的成本很高,现在这种新型仪器设备,配备一个关键单元,就能够利用电容层析成像技术帮助解决这个耗资昂贵的问题。

石油公司去除或提取悬浮状石蜡主要是从化工企业购买阻垢剂和抗沉淀剂,而每个油井所用的试剂配方基本上都需要按实际情况来进行配比,这是一个调整配方到较为精确的过程,需要反复调试和修改,才能够达到最佳效果。但是调试中的一个重要问题是,管道中没有装置能够把试剂的使用效果反馈给石油公司或者调配人员。现在,一种使用电容层析成像技术的管道装置,能够实时反映传感器附近内壁的沉积图像。因此,石油公司能够亲自验证每次投放试剂的效果,并且该装置还能够监控沉积物沉积速率和未被沉积物覆盖的有效管径。因此,这种装置能够帮助油井公司优化流程并降低试剂成本。

各行业用途的管道、储罐和反应釜中物料性质和分布情况的截面或3D图像体积测量技术,统称过程层析成像,它利用电气、X射线或超声波等多种断层成像技术,通常应用于监测不同的搅拌和沉淀过程,以及多相流动的物料浓度和分布。断层成像技术的重要特点是在不影响反应过程的基础上,通过特殊设计的传感器在被监测物边缘进行监测。断层成像技术实现了非侵入式监测,对生产流程系统进行全面监测,进而优化流程和过程控制。

电容层析成像技术

层析成像技术的基本原理是对被测物体施加适当刺激,然后根据其性质在目标值间测量被测物体的反应。比如,在使用X射线层析成像技术时,用X射线从不同角度照射被测物体,沿射线测量强度衰减得到衰减系数曲线。而电子层析成像技术则通过对被测物体发出合适的激振信号后,根据物体性质测量其输出信号,例如电导率和电势分布,最后,用特殊的计算法,计算出实际物料性质分布的最接近值。

电容层析成像技术是一种在兴趣范围内测定电介质的电势分布的成像技术。美国能源部、美国摩根敦能源技术中心、英国曼彻斯特大学科学技术院等机构率先进行了这项技术的研究,正是它们取得的各方面的研究成果促成了这项技术的发展。

电容层析成像技术基于一个由一组安装在被测物体边缘一周的电极组成的传感器。在固定的传感器结构中,每对电极的电容量取决于传感器中物质的介电常数分布。电容测量的过程是先向其中一个电极施加激励电压,同时将其它电极及结构做成绝缘。因此,传感器中的电势分布形成一个电场,基层的介电常数分布影响电场的形状,或者可以这样解释,物质的介电常数越高,放置在外部电场的物体自身的电场就越弱。空间介电常数变化引起电势变化,这个现象的视觉图像在图一里可以看到。由于形成电场,电荷向被绝缘电极活动,间接地也可通过测量电流可以得知。电容则可以通过其基本定义Ci=Qi/V计算,Qi代表第i个电极上的电荷,V代表激励电压。轮流用每一个电极做激励电极,剩余其它电极作测量电极,就获得了整套的测量结果。

即使在某些情况下,能够凭经验给出定性说明,但是光凭电容数据,并不能清楚的表示实际的电势分布。因此,为了能够充分使用电容层析成像技术,必须预估待测物体的电势分布。需要用现实数据模型来模拟一定电势分布下的电容测定。这个模型可以根据构成电磁场理论的麦克斯韦方程来实现,即用与实际电容层析成像测量一致的数据进行图像重建,从而观察得到电势分布。概括地说,电容数据测量方法是有限的,但是图像重建却能够从反面,用类似电容层析成像技术的方法,无限次地测量被测区域的介电常数分布。为了确定一种稳定的测量方法,必须给出一定的限定条件,如果预先了解电势分布的一些情况,就可以在质或者量的方面设定条件。需注意,不同结构情况需要设定不同条件以达到最佳的测量结果。总之,电容层析成像是一个非线性量化问题,它的图像是由最初合理推测的电势分布和数据模型逐渐测量,优化迭代得出的。 这个过程可参见图2。

电容层析成像技术尤其适用于电绝缘物体的成像,也可用于测量电导率可忽略不计的物体。在这种测量情况下,物体的电容量是一个复数,图像重建的关键在于呈现实际和假想的电势分布。为此,系统必须能够测量电极上的电荷,以及电荷和激励电压间的相位移动。

图2下方显示的是实际电势和测量数据的曲线,迭代测试最开始得到的数据是一个均值,通过一次次的迭代测试,模拟数据越来越接近测试数据,同时实际电势分布的图形通过模拟逐渐显现。

结垢监测仪

枫诺结垢监测仪可以如同排气套管一样安装在管道上,传感器外壳内部装配核心部件,电极里的电流随着管道里的物料情况流动。如管道工艺方所关注,这台监视器正如带法兰的排气套管一样,易于安装,基本适用于所有管道。监视器的金属部件如果和工艺管道的材料一致或接近的话则更为理想。如果金属部件使用不同于管道的材料,那么物料沉积率与其在管道中沉积的实际情况可能会有偏差。

结垢监测仪由电容层析成像传感器和电气控制柜构成,电气控制柜里的计算系统生成测量信息,控制柜里面是一台工业控制用计算机,需要接入电压120V或240V的电源,计算机将图像信息以4~20mA的信号发送到集散控制系统

目前传感器的尺寸分为1~16号,但实际需要多大尺寸都可以订做。而且如果需要多个传感器近距离集中放置,还可以仅配备一个能够控制多个传感器的控制柜,一个控制柜控制传感器数量的上限是10台。在非防爆环境中,控制柜需安装在距离传感器300英尺(约91.44m)内,而在防爆环境则缩短至150英尺(45.72m)。

石油公司在管道控制和监测的设备上往往耗费巨资,在管道的上段、中段和下段全程监测物料的流量和温度,然而直至这项新技术出现之前,对于油气阶段的结垢监测一直比较落后。当然,还有一些其它设备也能用于监测管道结垢,如超声波检测。但是在管道内形成少量(通常是几毫米)结垢后,超声波检测就很难检测进一步的结垢情况。枫诺的结垢监测仪,在管道中结垢量高达95%甚至100%堵塞的情况下,仍可以用图像的方式,形象地展示管道中的结垢情况。

结垢监测仪的使用范围并非仅限于油和气的方面。这种技术还能够监测管道中的碳酸钙结垢情况,以及其它物料的结垢情况。例如,用于监测海上石油钻机某一段结垢严重的管道,这样的管道中不仅有生产料液,还有海水。在很多行业中,干净的工艺用水会流经体积大且价钱昂贵的泵体内的机械密封,如果在这些地方发生结垢,那么很可能需要花高价来维修受损的泵。因此,这项技术可用于监测各种结垢和沉淀的情况。

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