原油含水率测量概念及选型方法研究
摘 要： 测量油中水的方法有很多种，需要根据具体的要求选择合适的方法。通过对概念的澄清，同时从原理、应用层面进行比较，对油中水的测量方法进行分析。
Water In Oil Measurement Concepts And Selection Methods
Abstract: There are a variety of methods to measure the water in oil and the appropriate method need to be selected according to the specific requirements. Based on the clarification of the concept and comparison from principle and application level, a relatively complete analysis is provided.
0 引言
随着我国国民经济的发展及技术革新的深化，生产企业在各方面的精细化管理已经提上了日程，对于油中水的测量也提出了要求。但是在决定采用何种测量方式之前，有必要对油中水测量有个清晰的概念，并对各种测量方法的优劣进行比较，以采用最合适的方法获得最好的效果。
1 油中水测量基本概念和现状
1.1 基本概念
首先要弄清什么是油中水，水在油中存在的形态。
水有气态，液态、固态三种形态。在气态时以水分子的形态存在，而在液态及固态时以化合水的形态寸在。根据ISO3171 的定义，油中水的存在形式有溶解水、悬浮水、游离水。定义如下：
1）溶解水 在当前温度下油中包含的水形成溶液，即溶解在油中。此时的水以水分子形态存在。
2）悬浮水 油中水作为液滴悬浮在油中。此时的水以化合水形态存在。随着温度及压力条件的变化，悬浮水可能变成溶解水也可能变成游离水。
3）游离水 水与油形成分层，通常沉在油底部。此时的水以化合水形态存在。
4）总含水 包括上述三种形式的所有水的总和。
根据定义可以看出，首先要了解所测的究竟是那种水，才能选择合适的产品。
1.2 油中水测量现状
通常所讲的原油含水率测量的是油中总含水，测量范围为0%~100%，即从油连续相到水连续相。主要是针对计量交接，物料计算，合同约定等场合。测量方法除了实验室方法外，还有众多在线方法。而对于溶解水的测量，通常用在润滑油系统、汽轮机、变压器等场合，因其水含量很低（ppm 级），含水率的在线测量方法均不能有效测量。因此有必要对这两种油中水的测量概念进行澄清，并对常用的测量方法进行比较。
2 原油含水率的测量
2.1 基本概念
原油含水率测量的是原油中的总含水。传统的测量方法有卡尔费休库仑滴定法、蒸馏法、离心法等，均为实验室测量，其中卡尔费休法的精度无论含水率高低均要好于其他方法。但是实验室方法有其局限性，如代表性、时效性差等问题［1］。
随着技术的发展，原油含水率的在线测量也得到了广泛的应用。各种原理的测量方法均有使用，其中应用最为广泛的有：电容法、红外吸收法，电磁波电容法、微波吸收法、微波谐振法、射线法、密度法等，各种方法各有优劣，均有其应用的场合。下面将对上述几种常用的方法进行分析比较，以清晰概念，选择最合适的方法。
2.2 几种在线测量方法
2.2.1 电容法
电容法利用水和油介电常数相差很大的原理测量原油含水率。由于水的介电常数接近70，而原油的介电常数为2~3，所以含水率的微小变化会引起总的介电常数的较大变化。介电常数的变化可反映为电容的变化，通过测量电容值就可得到含水率。测量电路可通过电容传感器和电感组成，通过并联构成谐振电路，加载交流激励信号，电容不同，阻抗不同，其上的分压也不同。通过测量电压得到原油含水率［2］。
电容法仪器设备简单、安装方便，与温度、密度等传感器结合使用后，精度会很高，但是若水分含量过高(>80%)，电容测量探头将与管道短路，无法测量含水率。
2.2.2 红外吸收法
红外吸收法原理基于近红外吸收光谱。通过对近红外特征波长谱线的分析，可以很容易的区分水分、原油、甲醇等介质。见下图。
由于只是水分子吸收红外线，其中的盐对吸收没有任何影响，因此原油的盐度对测量没有影响。气体对测水的特征波长也没有吸收，因此此方法对气体亦不敏感（可测含气量达99.9%）。乳化层及砂石对全波长均有影响，可作为背景噪声去除。红外吸收法的缺点是精度不能做的很高，最高精度达0.2%（绝对值），而且均是点测量，若管道中油水混合不均匀，测量将没有代表性。而电磁波和微波法的含水率仪均能达到0.05%（绝对值）以上。
2.2.3 电磁波电容法
基于电磁波射频吸收及频移测量原理。测量介质作为介电物质置于电磁波杂散场天线极板之间。天线的结构可能为尖状、条状或梳状，并带磨损防护。如果在天线上提供高频能量，弧形的电磁波场线将穿透测量介质。介质中水含量的不同将会引起射频场的改变。由于水为极性分子，其相对介电常数为70，原油石蜡介电常数为2.15~2.2。总介电常数与水含量及电容C 存在线性比例关系。通过互感器检测射频场的变化，再经温度补偿、数据传输评价可以计算出原油中的含水率。
该方法的特点在于：内置温度补偿，补偿温度变化引起的介电常数变化；通过幅值控制，盐度对测量没有影响；固体含量<5%时，对测量没有影响；当含水率低于5%时，夹带气体对测量没有影响；测量深度为150mm，可测该范围内的平均水分；可测量0~100%水含量；可进行密度补偿。
2.2.4 微波吸收法
基于极性水分子对微波的吸收原理。水分子中间的共用电子对偏向于氧原子一方，使水分子的两端分别带有正负电荷，所以水分子是极性分子。当极性水分子处于高频的微波电磁场中时，水分子的两极就会相应快速改变方向和变换位置，从而相互摩擦产生热量，因此水分子可以吸收微波能。而原油等碳氢化合物为非极性分子，对微波的吸收很少。
通过测量微波经过介质前后频率的变化，可以得到介质的混合介电常数，由于水的介电常数接近70，原油介电常数为2，可推出原油中的含水率。通过测量经过介质前后能量的变化，可判断是水连续相还是油连续相。该方法对于出厂标定要求高，油连续相和水连续相要分别标定，同时还要考虑温度及盐度的影响。由于温度与混合介电常数成反向变化，因此需要进行补偿。而盐度会造成介电损耗，同样对混合介电常数产生影响，也需要考虑补偿。也可以通过给微波发射天线补充能量的方法，保持频率不变，根据补充的能量多少来计算含水率。
用加载直流电的方法判断水连续相还是油连续相。这种形式的天线一般为点测量，需要油水充分混合。油连续相和水连续相测量采用两根天线，测油连续相与前述方法相同，测水连续相则根据Maxwell 公式，测量电导率再计算含水率[3]。
Maxwell 公式：S = 2p/(3-2p) * S1
式中：
S‐‐‐‐‐‐‐为含水原油电导率
S1‐‐‐‐‐‐‐为水的电导率
p‐‐‐‐‐‐‐是原油含水率
2.2.5 微波谐振法
也是基于极性水分子对微波的吸收原理。与微波吸收法所不同的是通过扫描仪表频段，确定微波共振频率，然后通过计算得出混合介电常数，再根据伯格曼方程（Bruggemann equation）计算含水率。
伯格曼方程：
其中：β为原油含水率，εmix为混合介电常数，εwater为水介电常数，εoil为原油介电常数。此方法的特点是直接由微波共振频率计算混合介电常数，若要得到更精确的测量结果可接入密度计进行迭代计算。测量水连续相时用密度计估算。盐度同样对测量有影响，需要增加测电导率功能进行补偿。
缺点是价格昂贵，需要增加密度计或质量流量计测密度才能得到高精度。
2.2.6 射线法
根据油、水、气对射线的吸收系数不同进行测量。介质的密度不同，对射线的吸收系数不同，半衰层不同。根据兰伯特‐贝尔公式，测量通过介质前后射线的剂量变化，计算平均密度。再根据平均密度，原油密度，纯水密度计算含水率。
该方法的缺点在于射线的剂量测量存在统计误差，因此精度不高。同时由于有辐射源，维护费时费力，不建议采用。
2.2.7 密度法
根据平均密度，以及原油密度、纯水密度推算含水率。射线法就是密度法的一种，也有采用质量流量计或密度计的方法。密度法只适用于没有杂质，含气量小的场合，否则将会造成很大误差。
2.3 安装对原油含水率在线测量的影响
根据ISO3171‐石油液体管线自动取样法，原油含水率采样必须保证液体均匀混合，此要求同样对在线测量具有指导意义。天线只测量与之接触的一定范围内的液体，因此液体必须是混合均匀的。可利用流速、管道组件对液体进行混合，在诸多条件不具备的情况下，需考虑采用静态混合器或动力混合器。
2.4 小结
原油含水率的测量因其影响到企业的成本核算等经济因素，已越来越受到重视。由于在其使用初期对工况及仪表的使用要求等未给予足够的重视，导致普遍使用不好。根据上面对几种常用测量方式的分析，以及特别要注意的对安装的要求，希望能对仪表的选择使用有所帮助。
3 结束语
在选择油中水测量仪表时，首先要了解测量的介质、要求，然后根据原理、测量范围、影响因素等选择合适的方案。油中溶解水以及原油含水率不能混为一谈。
参考文献：
[1] 张乃禄，薛朝妹，徐竞天，张家田.原油含水率测量技术及其进展[J].石油工业技术监督,2005，21（11）.
[2] 张国军,申龙涉,齐瑞，等.原油含水率测量技术现状与发展[J].当代化工,2012.01：59-62.
[3]刘雷,何道清，周小玲.微波检测原油含水率研究[J].中国仪器仪表，2009（4）：60-62