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。
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。