光学法油水分析方案.pptx

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2019/12/20,#,单击此处编辑母版标题样式,光学法油水分析方案归纳与拟定,1,汇报内容,油水分析技术背景,市场在售光学法油水分析仪简介,水中油设计方案原理简介,2,油水分析技术背景,传统检测方法：,传统,方法包括电脱法和,蒸馏法。此类,测量方法,无法实现在线连续测量，而且取样,时间长,，随机性误差和人为误差都很大，并无法避免,，很,显然无法满足油田实现自动化管理的需求,。,密度计法：,应用,密度原理,测量,原油含水,率受外界影响因素较多压力,和温度的,影响，主要,受到温度变送器和压力变送器的准确度的影响,；水质,矿化的,影响，水中,的矿化程度较高易使密度计等装置表面结垢，影响测量精度和仪器使用寿命，此现象多见于高含水的原油,；泥沙,和溶解气等杂质的,影响，主要,表现为“气增油”和“砂吃油”现象，最终会导致得出的混合密度值有误差，进而影响测量的,精度。,3,油水分析技术背景,射线法：,此,类含水分析仪调试过程比较,简单，并且可以,同时进行介质含气率的测量。缺点,是,测量精度不,高，造价高，使用,和维修,困难；内含放射源，虽然,能量强度,较低，但,也会对人体造成,伤害。,短波及微波法：,短波,法对原油的温度及含盐量,不敏感，因此温度,漂移和水矿化度对,测量精度,的影响就非常,小，同时,短波法,还具有,测量范围宽的,优点。但是,采用,微波技术，成本高，使用,和维护,困难，使,其,应用,受到了一定的,影响。并且普遍采用的二相流,体点线式的采样,不能正确,全面反映混合两相流的,情况！因而实验室,条件下测量精度能达到,要求，但在现场,工况条件下尚不能满足精度,要求。,4,油水分析技术背景,电容法：,采用,电容法研制的,仪器，具有设备简单，安装方便，价格低廉，可靠性好，维护,方便等,优点，因此,得到了广泛,应用；但是，,由于电容式传感器的电容量一般很,小，传感器的测量,电路往往受到寄生电容和环境变化的影响而难以,实现高,精度,测量，且电容,法的量程范围,小，可,调,性差，仅,适合于含水率,低于,30%,的油田。,射频法：,射频,电容法是测量油品含水率,的新方法，该,法基于射频阻抗,理论，具有测量精度高，重复性好，体积小，响应快等特点，只要,建立相应的标定,表，该传感器,同样可用于其它油品低含水率,的测量，,若在传感器探头内加入测量,电导率线路，则,可扩大其,测量范围。,实验证明，在射频约,为,10MHz,时，油和水的射频阻抗特性差别最大，故,射频一般,设计成,10MHz,。这样就造成电路复杂且成本,较大,，并受环境的影响而难以实现高精度在线检测。,5,油水分析技术背景,红外光谱法：,红外,区域水的吸收光谱如,图：,从,水的红外光谱图可以看出,在波长,1.46,m,、,1.,94,m,、,2.,92,m,等处有水的吸收带。当用这些波长的红外光,照射,被测物质时,因被测物质的水分含量不同将产生不同的,光能,量吸收,只要能从被测物中测得光能量的变化量,即可,测定,物质中的水分含量。红外水分仪在含水率低于,30%,时,一般,选用,1.94,m,作为测量波长。红外线通过水分时被有,选择,地吸收,其吸收量大小遵循,朗伯,比耳,定律。,红外辐射,经过物质后的光强与物质的浓度,(,水分含量,),之间,存在一定关系,即吸收能量随着被测物的浓度含量的,增加,而增加,而从样品反射,(,或透射,),的红外辐射能量则随着,吸收,能量的增加而减少。因此,只要测得从样品反射回来的,红外辐射,能量变化,(,衰减量,),便能完成水分含量的测量,。,试样分离、提纯通常采用分馏、萃取（四氯化碳：易挥发、有毒）、重结晶、柱层析、薄层层析等；需要标准的材料红外谱图数据库。,6,汇报内容,市场在售光学法油水分析仪简介,红眼含水测量仪,美国,PI,公司,井下流体光谱分析仪,斯伦贝谢公司,水中油在线分析仪,美国,ISI,公司,紫外荧光水中油分析仪系列,美国,Turner Designs,油水分析技术背景,水中油设计方案原理简介,7,红眼,含水测量,仪,美国,PI,公司,测量原理：含水原油中,水分子和原油成分中,的,CH,键对近红外光的吸收带是不同的,如表,1,所示。,表,1,C-H,键和水在近红外段的吸收,带,根据,光的吸收,原理，当,单色的平行光束通过,均匀,媒质,时，被,吸收的光能与吸收光的分子数,有关。即,与该物质在媒质中的浓度有关，有,I,(,)=,I,0,(,),expA(,),C L,式,中：,A(),与浓度无关的常数；,C,被测物质的浓度,mol/L,；,L,被测媒质的厚度,mm,。,C-H,H,2,O,1.691.755,1.7621.977,1.1271.27,1.3191.548,0.8450.878,1.0951.165,0.9260.978,8,红眼含水测量仪,美国,PI,公司,美国,PI,公司开发的红眼含水测量仪，就是利用上述原理设计的一种先进的含水率测量仪器。近红外光谱法的分析速度快，,2 m,内就可以完成测量；效率高，并预先建立校正模型，就可以迅速确定样品性质和组成等信息；成本低，不用对样本作预处理，能做到无损分析；对测量环境要求低，近红外光的传导特性与可见光基本类似，采用,光纤,即可实现在线现场分析。但是近红外技术的灵敏度相对较低，因为分子的非谐振吸收跃迁几率低，通常倍频吸收和组频吸收强度是基频吸收的,1/10,1/10 000,，有时不能达到组分测量所要求的,0.1%,；此外，近红外光谱法属于一种间接测量方法，模型的精度和校正方法的效率都会影响测量精度。,（吕高峰,吴 明,张金华,满立丽,.,原油,含水率测量技术现状,分析,J.,当代化工,2011,40(2):146-149.,）,9,汇报内容,市场在售光学法油水分析仪简介,红眼含水测量仪,美国,PI,公司,井下流体光谱分析仪,斯伦贝谢公司,水中油在线分析仪,美国,ISI,公司,紫外荧光水中油分析仪系列,美国,Turner Designs,油水分析技术背景,水中油设计方案原理简介,10,井下,流体光谱分析仪,斯伦贝谢公司,斯伦贝谢公司开发的井下流体光谱分析仪原理如图，该分析仪采用白光光源、专用的匹配光滤波片和探测器构成；它是由反射式气体分析和吸收式光谱分析两个检测单元组成。,本测量系统在原油含量,1%,到,25%,的测量范围内测量的绝对精度可达,2%,。,11,井下流体光谱分析仪,斯伦贝谢公司,反射式气体分析单元,气体分析采用光全反射的原理。当气泡经过光学窗口时，由于气体和原油的折射率不同，引起反射光强和折射光强的变化。通过检测到达光探测器的光强变化，即可获得在一定时间内通过该窗口的气泡的比例，从而计算出气体的含量。该方法比较适用于油井生产后期的成分检测，可以为提高油井的采收率提供有效的数据和判断依据。,吸收式光谱分析单元,由于原油、水、气、泥浆具有不同的吸收光谱，因此根据其特征吸收谱线选择相匹配的滤光片，并采用白光照明，再结合专用的成分分析方法，就可有效地检测井下原油的油气水比例。图中白光光源透过一个耐压耐高温的光学窗口，由,光纤束,均匀传输到不同滤光片上，最后由光探测器转换为电信号进行处理。,（,廖延彪,黎敏,张敏,匡武,.,光纤传感技术与应用,M.,清华大学出版社,北京,2009,第,1,版,:259-265.,刘琮,卢春辉,.,光学技术在井下流体分析中的应用,J.,内蒙古石油化工,2011(2):104-106,）,12,汇报内容,市场在售光学法油水分析仪简介,红眼含水测量仪,美国,PI,公司,井下流体光谱分析仪,斯伦贝谢公司,水中油在线分析仪,美国,ISI,公司,紫外荧光水中油分析仪系列,美国,Turner Designs,油水分析技术背景,水中油设计方案原理简介,13,水中油在线分析仪,美国,ISI,公司,BA-200,利用红外光传输和散射测量原理测量水中油的浓度。测量时探头内的活动部件往返运动，并在探头内形成真空，被测样液定量流入样品池中，水中油成分（游离态和乳化态）将对红外光线产生吸收和散射，同时在吸收光电池和散射光电池上将有电流产生，根据光电池上电流的大小便可计算出水中油的含量，测量完毕后样液排出探头并冲洗样品池。,BA-200,双光路测量系统不仅可减少水中悬浮物和空气泡的干扰，同时其测量结果还不受水温和油成份变化的影响。,K-,常数,浓度,=KS/T S-,散射光,T-,吸收光,工作原理：水中油红外检测技术的高端,14,水中油在线分析仪,美国,ISI,公司,技术参数：,测量原理：红外吸收光和散射光,测量原理,测量范围：,2,500ppm,测量精度：,100ppm 2ppm,100ppm 10ppm,重 复 性：,2ppm,测量频率：,7,次,/,分,样品流速：,0-11.4m,3,/h,样品压力：,0-3.5bar,样品温度：,0-70,，,max116,环境条件：温度小于,70,湿度小于,90,电源电压：,220V AC,，,50/60Hz,报警输出：,SPST,继电器，,3A,，,220VAC,；可实现声光报警,输 出,:,电压：,0,2V DC,（任选）,电流：,4,20mA,（任选）,尺寸大小：,401518cm,美国,ISI,公司（,Inventive Systems Inc.,）于,1980,年成立于美国马里兰州，是一家专业从事水中油在线监测仪器及系统研发、生产的专业性高科技企业，,1987,年研发成功水中油监测仪，其产品已经获得美国海岸警卫队（,U.S.CG,）、美国运输局（,ABS,）和美国海事组织（,IMO,）的质量认证。,ISI,公司迄今已销售水中油监测仪和水中油报警器超过,1400,多台，其用户遍布世界三十多个国家。,15,汇报内容,市场在售光学法油水分析仪简介,红眼含水测量仪,美国,PI,公司,井下流体光谱分析仪,斯伦贝谢公司,水中油在线分析仪,美国,ISI,公司,紫外荧光水中油分析仪系列,美国,Turner Designs,油水分析技术背景,水中油设计方案原理简介,16,紫外荧光水中油分析仪系列,美国,Turner Designs,美国特纳（,Turner Designs,）仪器公司是全球领先的碳氢化合物分析仪、水中油监测仪的研发、生产公司，在水中油分析仪领域拥有顶尖的专利技术和丰富经验。公司开发了包括油类水质在线检测仪、实验室台式测油仪和便携手持式水中油份浓度分析仪，提供了一整套完整油类水质的分析解决方案。广泛服务于石油石化、海洋钻井平台、工业企业和环境监测等部门，以优异的产品性能帮助客户提升油类水质检测技术。型号有：便携式,TD-500D,（,9.8,万,），台式,TD-3100,，在线式,TD-1000C,（,19,万,）、,TD-4100,、,TD-4100C,、,TD-4100XD,（防爆）、,TD-4100XDC,（防爆）。,17,紫外荧光水中油分析仪系列,美国,Turner Designs,TD-1000C,水中油监测仪是连续型、在线式、无溶剂的紫外荧光油类检测仪。能够触发进程控制装置停止、转移或稀释进程液流，并允许通过系统功能、样本浓度警报触点和模拟样本浓度输出进行进程控制。,TD-1000C,通过荧光性测量油类样本的碳氢化合物含量。荧光性在一分子（在该情况下为碳氢化合物分子）被电子激发后驰豫至其基态时产生。荧光碳氢化合物会吸收光,激发,在某一波长下并发光,驰豫,在更长的波长（能量更低）下。发出的光线会被过滤并转化为与样本中的荧光碳氢化合物浓度相当的电位反应。,TD-1000C,的电子器件与高灵敏度的光线探测器能够探测从百万分之一,(ppm),至十亿分之一（,ppb,）范围内的碳氢化合物，燃油、原油探测范围,:,蒸汽冷凝下为,20ppb-500ppb,。,TD-500DTM,手持式水中油测量仪，测量最低检出限：,A,通道：,50ppb B,通道：,97,空间，也就是说,I,7,的主要影响因素为气体；同理，悬浮物将光能大部分漫反射到,90,空间，,I,3,和,I,9,的主要影响因素为悬浮物,。,由上表可知气体和悬浮物的存在都会干扰含油量增大，因此，可得含油量,C,：,C,1,为油含量函数，,C,2,为气含量函数，,C,3,为悬浮物含量函数。,样品池,气泡,油滴,n,气泡,I,3,小,I,5,小,I,7,大,I,9,N,悬浮物,I,3,大,I,5,I,7,小,I,9,大,22,光吸收结合光散射检测法,水油气悬浮物理论模型：,气泡悬浮物消除采用复合滤波法（算术平均滤波法、限幅滤波法、加权滤波法等）。,第一：取检测时,D=I,5,/I,3,，在仪器正常且没有悬浮物时该值,D,0,I,5,/I,3,D,1,，悬浮物和气体较少时,D,1,I,5,/I,3,D,2,；,第二：如果,D,D,0,则说明仪器出问题，如果,D,0,D,D,1,则说明油含量值正常，如果,D,1,D,2,则说明仪器有问题或气泡悬浮物干扰过大；,第三：如果,D,1,D,D,2,，还需根据试验分别确定气泡和悬浮物的影响函数,C,2,和,C,3,值。,23,光吸收结合光散射检测法,理论模型总结：,为了避免温度的影响，该模型适用于计算体积含量。,油含量与,I,5,/I,3,相关，气体含量与,I,7,/I,3,相关，悬浮物含量与,I,9,/I,3,相关；,该模型有效的消除了样品池壁污损对含量测量造成的影响，只要样品池壁污损程度不足以致使光电探测器收不到信号情况，该模型就能正常准确测量成分含量；,该模型有效的消除了光源稳定性和光源老化的干扰。,光源,光电探测器,24,光吸收结合光散射检测法,参考商品：,美国,ISI,产品：,BA,一,200,仪表（,13,万元标配）,成本调研：,一支,860nmLED,光源（,60nm,）：,50,元（,875,或,850nm,）,四支硅光二极管：,10,元*,4=40,元 （,10,微安，线性好、响应快、体积小、价格低、温度影响小）,一个光学凸透镜：,20,元 （平行光束入射）,五个光阑：,150,*,5=750,元 （消除杂散光）,蓝宝石玻璃或,K9,玻璃：,50,元 （样品池，耐磨耐腐蚀、,850nm,透过率高）,小计：,1010,元,预计物料总成本：,3,万左右（其他结构材料、电路等）,光源,光电探测器,25,汇报内容,水中油设计方案原理简介,光吸收结合光散射检测法,色度检测法,荧光检测法,油水分析技术背景,市场在售光学法油水分析仪简介,26,荧光检测法,相关环保标准中石油类和动植物油类的浓度限值,标准名称 标准号 项目名称 浓度限值（单位：,mg/L,）,地表水环境质量标准,GB3838-2002,石油类,类,类,类,类,类,0.05,0.5,1.0,海水水质标准,GB3097-1997,石油类,类,类,类,类,0.05,0.30,0.50,生活饮用水卫生标准,GB5749-2006,石油类,0.3,渔业水质标准,GB11607-89,石油类,0.05,农田灌溉水质标准,GB5084-92,石油类水作旱作 蔬菜,5.0,10,1.0,污水综合排放标准,GB8978-1996,一级标准 二级标准 三级标准,石油类,97.12.31,前建设单位,10 10 30,98.1.1,后建设单位,5 10 20,动植物油,97.12.31,前建设单位,20 20 100,98.1.1,后建设单位,10 15 100,27,荧光检测法,28,荧光检测法,参考商品：,美国特纳产品：便携式,TD-500D,（,9.8,万元标配,），在线式,TD-1000C,（,19,万元标配,）。,成本调研：,紫外,LED,：,365nm,（适用于原油,360nm,），,3w180,元，,5w400,元，,10w500,元,255nm,（适用于轻质油,254nm,），,光电二极管：,420nm,、,350nm 200,*,2=400,元左右,一个光学凸透镜：,20,元 （平行光束入射）,三个,光阑：,150,*,3=450,元 （消除杂散光）,紫外光学玻璃：,100,元,小计：,1370,元,预计物料总成本：,3,万左右（其他结构材料、电路等）,29,荧光检测法,漏斗结构原理：,紫外光源光强,I,0,，该光源光线强度不足以达到漏斗壁（或样品池壁上的荧光不足以到达荧光探测器，该点要求该结构的设备体型较大）；光源发出的部分光被分束器传给光强探测器，其值,I,1,与光源光强,I,0,成正比；荧光探测器光强,I,2,与光源光强,I,0,和介质中油含量（芳香族化合物）成比例。因此，,I,2,/I,1,只与油含量（芳香族化合物）相关，与光源稳定性和老化程度无关，由此即可得知介质中油含量。,该结构有效的 消除了光源稳定性和老化给测量结果带来的影响；,该结构有效消除了样品池壁污损造成测量结果误差的影响；,该结构完全免除样品池的清洗手续。,I,0,I,2,I,1,30,荧光检测法,原理模型,:,紫外光源射入样品池光能损失,，样品池壁污损光能损失,，物质吸收发射荧光造成的光能损失,，荧光探测器方向荧光系数,，紫外光射出样品池壁光能损失,。根据上述假设可得：,由上式可以看出，介质中只存在油水时，,I,3,/I,5,只与芳香族化合物相关，反映了油含量；,如果有气体和悬浮物存在时，,I,7,/I,3,反映了气体含量信息，,I,9,/I,3,反映了悬浮物含量信息。此情况下水中有含量,C,：,C,1,为油含量函数，,C,2,为气含量函数，,C,3,为悬浮物含量函数。,该结构有效的 消除了光源稳定性和老化给测量结果带来的影响；,该结构有效消除了样品池壁污损造成测量结果误差的影响；,I,0,I,1,I,2,I,3,I,4,I,5,I,7,I,9,31,荧光检测法,紫外荧光法原理：,荧光是指被测油份吸收一部分光而发出更长波长光的现象。当能量较高的紫外光照射到水中矿物油时，矿物油分子吸收紫外光跃迁至高能态，高能态不稳定再跃迁回低能态发出荧光。不同种类和结构的碳氢化合物都有对应的荧光光谱，依据特殊波段荧光光谱的出现和强度大小可判断某种碳氢化合物是否存在并确定其浓度，因此荧光法对油份测量具有选择性和鉴别性。,水中油包含多种成分，只有芳香族化合物会发出,350nm,附近的荧光，所以荧光法只能检测芳香族化合物含量，但因其在水中油所占比例在特定场合一般是稳定的，所以可以根据芳香族化合物的多少来判定水中总含油量。（检测范围：,0.0220mg/L,，检出极限达,0.005mg/L,矿物油）。,邵海龙,孙艳波,平洋等,.,紫外荧光法水中油分析仪在海上平台的应用,J.,中国新技术新产品，,2012(5):16.,吴坚,曹文祺,.,荧光分析法监测水中矿物油污染的研究,J.,计量学报,2001,22(3):223-226.,32,荧光检测法,水中油产生的荧光强度,F,与吸光程度,bc,、荧光量子产率,、荧光物质浓度,c,的关系为,（,1,）,如果溶液很稀，括号内第二项以后可忽略不计，则,（,2,）,当,I,0,为常数，且浓度,c,很小时,F=Kc,（,3,）,荧光强度与荧光物质浓度成正比，据此可进行荧光物质的定量分析。溶液由两种以上组分构成时，在一定波长下总吸光度为各组分吸光度之和,A,总,=A,1,+A,2,+.=K,1,lc,1,+K,2,lc,2,+.,（,4,）,K,1,、,K,2,、,为各组分吸光系数，与物质性质、入射光波长及温度有关。,33,荧光检测法,荧光强度与溶液浓度呈线性关系仅限于稀溶液。当浓度增大到,C,max,0.05/b,时，不再满足线性关系。测某一荧光物质时，,和,b,是确定的。,c,增大时，,F,也增大；,c,很小时，与,F,成线性。浓度继续增大时，荧光强度,F,仍遵循,（,5,）,上式整理得矿物油含量,c,与荧光强度,F,的关系,（,6,）,式中：，,油种和测量仪器确定后，,A,、,B,、,C,为常数。,用一适当强度特定波长的光去激发具有一定荧光效率的物质，采用光谱滤光技术及高灵敏度光电探测器也可间接测量物质含量。,光源,探测器,荧光,34,汇报内容,水中油设计方案原理简介,光吸收结合光散射检测法,色度检测法,荧光检测法,油水分析技术背景,市场在售光学法油水分析仪简介,35,色度检测法,光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。在黑体辐射中，随着温度不同，光的颜色各不相同，黑体呈现由红,橙红,黄,黄白,白,蓝白的渐变过程。某个光源所发射的光的颜色，看起来与黑体在某一个温度下所发射的光颜色相同时，黑体的这个温度称为该光源的色温。“黑体”的温度越高，光谱中蓝色的成份则越多，而红色的成份则越少。例如，白炽灯的光色是暖白色，其色温表示为,2700K,，而日光色荧光灯的色温表示方法则是,6000K,。,模型原理,：,如图示中心光纤将白光光源,照射到观察样品表面，环周光纤采集样品表,面光信息并传输给色度计分析。,含油浓度与,色温相关,；传感探头可以做成手持式，在线,式可以做成探头阵列,（依据内窥镜原理）,。,36,色度检测法,上海海恒机电仪表有限公司,XZ-S,型 色度检测仪,2800,元,/,台,一、色度检测仪产品概述,XZ-S,色度测试仪适用于大、中、小型水厂及工矿企业、生活或工业用水的色度检测，以便控制水的色度达到规定的水质标准。,二、色度检测仪原理：,本仪表应用微电脑光电子比色检测原理取代传统的目视比色法。消除了人为误差，因此测量分辨率大大提高。测量时，当被测水样放入光电比色座，仪表会直接读数。,技术参数,测量范围,0-100mg/L(PCU),最小示值,0.01mg/L(PCU),重复性 ,2%,精度,5%FS1,个字,充电器,AC 220V 50Hz,预期缺点：对油种类有选择性；测量精度不高。,37,请指教，谢谢！,38,