储罐底层水厚度的新型电容探针检测技术

　　0　引言

　　油品中通常含有少量乳化油,常时间静置,水就会析出,在储罐底部形成底层水。罐内底层水的出现会显著影响储罐有效储存容量,使储油量下降;另外,底层水还为电化学腐蚀提供良好的环境,加速罐底板的腐蚀;对于重质油品储罐,当发生火灾事故时,由于底层水的存在,还容易发生沸溢和喷溅,导致火灾事故的扩大。因此,对储罐底层水进行实时监测,采取相应的安全措施对于储罐的高效、安全运行具有重大的意义。虽然对储罐的液位测量方法很多[1],但直接能检测出底层水厚度的测量方法却不多见。人工检尺方法是一种古老的也是至今仍被全世界广泛使用的液位测量方法,根据试水膏颜色变化的界面判断水垫层的高度[2]。人工检尺法测量方法直观、使用简单,造价低,但劳动强度大,并且无法实时监测。文献[3]提出采用电容液位计测量底层水厚度的方法,但其方法需要采用两只压力变送器配合,以测量密度,进而获得水层厚度。文献[4]提出通过在储罐底部安装静压传感器,根据测量的静压值,得到油水混合物密度,进而获得油量和水量,但需要储罐液位高度作为已知参数,而实际上储罐液位是经常波动的,认为液位固定不变必将影响测量精度。目前液位检测技术正朝着高精度、自动化方向发展,本文提出一种采用新型单丝电容探针进行储罐底层水检测的新型方法,不需要和其他仪器设备配合使用,实现了底层水厚度的实时精确监测。

　　1　单丝电容测量原理

　　与常规的电容测量法不同,单丝电容探针是采用表层绝缘的热电偶丝充当电容探针,根据随着探针接触的水层的高度不同,相应的电容值会发生变化的原理制成。

　　图1为电容探针测量水垫层高度原理图。探针材料为表层绝缘的热电偶丝。绝缘层内的金属芯是电容的一极,电容的另一极为导电液相,当探针浸入水中时,两电极之间形成一圆筒型电容器,绝缘层充当了电容器的电解质。根据文献[5],对于圆筒型电容器其电容大小可用式(1)计算:

　　式中:L为与探针接触的液膜长度;d1为金属芯的直径;d2为绝缘线外径;ε为绝缘层材料的介电常数。

　　从式(1)可以看到,当探针材料确定以后,d1、d2、ε均为定值,因此探针电容值只与探针所接触到的液膜长度成简单的线性关系,可以写成:

　　C=kL(2)

　　,为电容探针的线性系数,其大小与探针材料有关。由于绝缘层非常薄,所以式(1)中分母的值很小,即式(2)中的k值较大,这说明该电容探针具有极高的灵敏度。

　　2　单丝电容探针在储罐的结构形式

　　为了测量储罐内水垫层的高度,采用了如图2所示的结构。在储罐内布置一个直径为5mm的不锈钢管,沿钢管壁开设直径为2.5mm的小孔。单丝电容探针布置在钢管的中央,下端固定在罐底板上,上端通过布置在罐顶的测量孔伸出罐外。由于钢管周壁布置有多个小孔,钢管管内介质与钢管外介质时刻保持连通,保证了钢管内水层液位高度和油层液位高度一致。钢管直径不能过大或过小,若钢管直径过大,则会影响储罐内其他部件的布置,如果直径过小,由于毛细作用,液位会沿管壁上行,从而导致管内液位与管外储罐液位出现偏差,导致测量误差加大。