油中微量水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 油中溶解水的测量

2.1 基本概念

       任何液体均能溶解一部分水。最大可溶解的量与其饱和点有关。一旦达到饱和点，水分将析出成为游离水。由于大部分的油的密度均小于水的密度，游离水将与油分层并沉淀在油下面。

       油的饱和点与许多因素有关，如油的基本组分（矿物油或合成油）、添加剂、乳化剂、氧化剂的种类等。除此之外，作为工作流体的油的饱和点在其使用周期内也会发生变化。温度的变化是影响饱和点的主要因素之一。另一个主要的因素是动态油系统中化学成分的变化。

       传统的油中水的测量单位是ppm（百万分之一），表示的是油中微量水与油的比例的绝对值（体积或质量）。通过测量ppm 值，可以确定微量水的绝对值。

       但是，ppm 测量有其局限性，它不能反映油中水的饱和点。即，在一个动态的油系统中，油的饱和点处于波动状态，ppm 测量将不能提供油中微量水是否已接近其饱和点的信息。当含水量接近饱和点，游离水将很可能析出，对于绝大多数油系统来说，游离水会造成破坏性的污染。

       为避免上述问题，可采用测量水分活度的方法。水分活度表示当前温度下介质中溶解水分与同样温度下该介质可溶解的最大水分的比值。

aw =  p  ∕  p0

式中：

p‐‐‐‐‐‐表示当前温度下介质中的水分分压

p0‐‐‐‐‐‐表示当前温度下纯水的饱和蒸汽压

       可见aw既是饱和点的函数，也是油中的实际水分的函数。即aw将始终提供油中水分的饱和裕度。对任何油品都可以得到aw与ppm 之间的对应关系，这个对应关系将随着时间的推移发生变化。由于化学反应导致的组分变化将会影响到饱和点，同时也会影响到其与aw的对应关系。

2.2 几种在线测量方法

2.1.1 直接测量ppm

       油中水分子被一个对湿度非常敏感的电子组件捕获，该组件由两层导电层和一层吸湿敏感层组成湿度传感器，其导电能力与水含量相关。仅仅在水分子进入传感器的电子组件后才能提升传感器的导电能力。传感器利用这一特性进行校准储存。

       标定时由湿度传感器，温度传感器及卡尔费休滴定法形成标定曲线，内置于仪表中。测量时根据湿度传感器测量值，温度值再调用内部的3 维曲线得到实际的ppm 值。

       该测量方法的特点是直接测量ppm 值，根据实际使用的油品进行标定。缺点是不能判断油中水的饱和裕度。

2.2.2 直接测量水分活度aw

       传感器由上下电极及之间的绝缘物质形成电容。中间的介电物质吸收及释放水分子导致介电常数的变化，从而引起电容变化。水分子的吸收与水分活度成比例关系。

       标定过程直接用aw标准表来标定，同时辅以温度补偿。

       该方法的优点是直接测量油中水的饱和裕度，与饱和点的实际值无关。有利于提前采取预防措施防止游离水的出现。缺点是若需要测量ppm值，其能提供的精度不高。

2.2.3 用露点仪间接测量ppm

       通常情况下露点仪用于测量气体中的微量水，但也可以测量非极性液体中的水分。湿敏探头的微小空隙只允许气体进入，而不允许液体进入。根据亨利定律，溶解于液体中气体的摩尔浓度，在温度一定的条件下和与之平衡的蒸气分压成正比。

       对于含有微量水分的非极性液体，可以用湿敏探头测得的水蒸汽分压计算出溶解于液体中水的物质的量浓度，即

Cw=Kpw

式中：

Cw‐‐‐‐‐‐液体中水的物质的量浓度

pw‐‐‐‐‐‐湿敏元件测得的水蒸汽分压

K‐‐‐‐‐‐‐‐亨利常数，以相应量纲为单位

       亨利定律常数的值可由已知溶液的水饱和浓度和水的饱和蒸汽分压算出

K=Cs/ps

式中：

Cs‐‐‐‐‐‐‐在测量温度下液体中的水的饱和浓度

ps‐‐‐‐‐‐‐在测量温度下水的饱和蒸汽分压

       该方法的优点是直接用露点仪测量，易于理解；有防爆选项，可测量汽油、石脑油等炼油成品或中间产品中的溶解水。缺点是不同介质的饱和常数K 是不同的，而且随温度变化，造成测量的不确定性。有些厂家只提供几种标准溶液的K 值，若不是标准溶液，则需要用户提供。另有厂家提供现场采样，用卡尔费休滴定法测量确定饱和常数，但价格昂贵，不利于推广。另外露点仪探头的老化和零点漂移问题是始终存在的，只能通过定期校准解决。

2.3 小结

       油中溶解水的测量方法各有优劣，均遵循亨利定律。若需要严格控制游离水的析出，建议测量水分活度。若油品固定，建议直接用油品标定，精度可以得到保证。若需要防爆，可考虑用露点仪间接测量。

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。