Messkonzepte und Auswahlverfahren für Wasser-in-Öl-Messungen

Messkonzepte und Auswahlverfahren für Wasser-in-Öl-Messungen

Zusammenfassung: Es gibt eine Vielzahl von Methoden zur Messung des Wassergehalts in Öl, und die geeignete Methode muss entsprechend den spezifischen Anforderungen ausgewählt werden. Auf der Grundlage einer Klärung der Begriffe sowie eines Vergleichs auf der Ebene der Prinzipien und der Anwendung wird eine relativ umfassende Analyse vorgelegt.

Einleitung

Mit der wirtschaftlichen Entwicklung, der zunehmenden technologischen Innovation und der Verfeinerung der Produktionsverfahren ist die Messung des Wassergehalts in Öl zu einer Notwendigkeit geworden. Bevor jedoch entschieden wird, welche Messmethode zum Einsatz kommen soll, ist es erforderlich, sich ein klares Bild von der Messung des Wassergehalts in Öl zu machen und die Vor- und Nachteile der verschiedenen Messmethoden zu vergleichen, um mit der am besten geeigneten Methode die besten Ergebnisse zu erzielen.

1 Grundlegendes Konzept und aktueller Stand der Wasser-in-Öl-Messung

1.1 Grundbegriffe

Zunächst müssen wir herausfinden, was „Wasser in Öl“ ist und in welcher Form Wasser in Öl vorliegt.

Wasser tritt in drei Aggregatzuständen auf: gasförmig, flüssig und fest. Im gasförmigen Zustand liegt es in Form von Wassermolekülen vor, während es im flüssigen und festen Zustand in Form von chemisch gebundenem Wasser vorliegt. Gemäß der Definition der Norm ISO 3171 tritt Wasser in Öl in Form von gelöstem Wasser, suspendiertem Wasser und freiem Wasser auf. Die Definitionen lauten wie folgt.

1) Gelöstes Wasser   Das im Öl enthaltene Wasser bildet bei der aktuellen Temperatur eine Lösung, d. h., es ist im Öl gelöst. Zu diesem Zeitpunkt liegt das Wasser in Form von Wassermolekülen vor.

2）Schwebstoffe   Wasser in Öl liegt in Form von Tröpfchen im Öl vor. Zu diesem Zeitpunkt liegt das Wasser in Form von chemisch gebundenem Wasser vor. Bei einer Änderung der Temperatur- und Druckbedingungen kann das suspendierte Wasser zu gelöstem Wasser oder freiem Wasser werden.

3）Freies Wasser   Das Wasser bildet mit dem Öl eine Schichtung und sinkt in der Regel auf den Ölboden. Das Wasser liegt an dieser Stelle in Form von hydratisiertem Wasser vor.

4）Gesamtwassermenge   Beinhaltet die Summe aller drei oben genannten Wasserformen.

Wie aus der Definition hervorgeht, muss zunächst genau ermittelt werden, um welche Art von Wasser es sich handelt, um das richtige Produkt auszuwählen.

1.2 Aktueller Stand der Wasser-in-Öl-Messung

Der gemeinhin als Wassergehalt im Rohöl bezeichnete Wert gibt den Gesamtwassergehalt im Öl an, wobei der Messbereich von 0 % bis 100 % reicht, d. h. von der kontinuierlichen Ölphase bis zur kontinuierlichen Wasserphase. Er wird hauptsächlich für die Abrechnung von Lieferungen, Materialberechnungen, vertragliche Vereinbarungen usw. verwendet. Neben Laborverfahren gibt es zahlreiche Online-Messverfahren. Was die Messung von gelöstem Wasser betrifft, so wird diese in der Regel in Schmierölsystemen, Turbinen, Transformatoren usw. angewendet. Aufgrund des geringen Wassergehalts (im ppm-Bereich) kann keine der Online-Messmethoden für den Wassergehalt diesen effektiv erfassen. Daher ist es notwendig, das Konzept der Wassermessung in diesen beiden Ölarten zu klären und die gängigen Messmethoden zu vergleichen.

2 Bestimmung des Wassergehalts von Rohöl

2.1 Grundbegriffe

Der Wassergehalt von Rohöl gibt den Gesamtwassergehalt im Rohöl an. Zu den herkömmlichen Messverfahren zählen die coulometrische Karl-Fischer-Titration, die Destillation, die Zentrifugation usw. – allesamt Labormessungen, wobei die Karl-Fischer-Methode unabhängig vom Wassergehalt eine höhere Genauigkeit aufweist als die anderen Verfahren. Allerdings hat das Laborverfahren seine Grenzen, wie beispielsweise eine geringe Repräsentativität, mangelnde Aktualität und andere Probleme [1].

Mit der technologischen Entwicklung hat sich auch die Online-Messung des Wassergehalts von Rohöl weit verbreitet. Es kommen verschiedene Messprinzipien zum Einsatz, von denen die folgenden am häufigsten verwendet werden: Kapazitätsmethode, Infrarot-Absorptionsmethode, elektromagnetische Wellen-Kapazitätsmethode, Mikrowellen-Absorptionsmethode, Mikrowellen-Resonanzmethode, Strahlungsmethode, Dichtemessung usw. Jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, und alle finden in bestimmten Anwendungsfällen Verwendung. Im Folgenden werden einige gängige Methoden analysiert und verglichen, um das Konzept zu verdeutlichen und die am besten geeignete Methode auszuwählen.

2.2 Online-Messverfahren

2.2.1 Kapazitätsverfahren

Das Kapazitätsverfahren nutzt das Prinzip, dass sich die Dielektrizitätskonstanten von Wasser und Öl stark unterscheiden, um den Wassergehalt von Rohöl zu messen. Da die Dielektrizitätskonstante von Wasser bei etwa 70 liegt und die von Rohöl bei 2 bis 3, führt bereits eine geringe Änderung des Wassergehalts zu einer starken Änderung der Gesamtdielektrizitätskonstante. Die Änderung der Dielektrizitätskonstante lässt sich als Änderung der Kapazität abbilden, und der Wassergehalt kann durch Messung des Kapazitätswerts ermittelt werden. Die Messschaltung kann aus einem kapazitiven Sensor und einer Induktivität bestehen, die parallel geschaltet sind, um einen Resonanzkreis zu bilden, und an die ein Wechselstrom-Anregungssignal mit unterschiedlicher Kapazität und unterschiedlicher Impedanz sowie unterschiedlicher Teilspannung angelegt wird. Der Wassergehalt von Rohöl wird durch Messung der Spannung ermittelt [2].

Die Messgeräte nach dem Kapazitätsprinzip sind einfach aufgebaut und leicht zu installieren. In Kombination mit Temperatur- und Dichtesensoren erzielen sie eine hohe Messgenauigkeit. Ist der Feuchtigkeitsgehalt jedoch zu hoch (>80 %), kommt es zu einem Kurzschluss zwischen der Kapazitätsmesssonde und dem Rohr, sodass der Wassergehalt nicht gemessen werden kann.

2.2.2 Infrarot-Absorptionsmethode

Das Prinzip der Infrarot-Absorptionsmethode basiert auf Absorptionsspektren im nahen Infrarotbereich. Durch die Analyse der Spektrallinien bei charakteristischen Wellenlängen im nahen Infrarotbereich lassen sich Medien wie Feuchtigkeit, Rohöl und Methanol leicht voneinander unterscheiden. Siehe die folgende Abbildung.

Der Salzgehalt des Rohöls hat keinen Einfluss auf die Messung, da nur die Wassermoleküle Infrarotlicht absorbieren und das darin enthaltene Salz keinen Einfluss auf die Absorption hat. Auch Gas absorbiert die für die Wassermessung charakteristische Wellenlänge nicht, sodass diese Methode zudem unempfindlich gegenüber Gas ist (der Gasgehalt kann bis zu 99,9 % betragen). Emulsionsschichten sowie Sand und Kies wirken sich auf die gesamte Wellenlänge aus, können jedoch als Hintergrundrauschen entfernt werden. Der Nachteil der Infrarot-Absorptionsmethode besteht darin, dass keine sehr hohe Genauigkeit erreicht werden kann – die höchste Genauigkeit liegt bei 0,2 % (Absolutwert) – und es sich um Punktmessungen handelt. Ist die Vermischung von Öl und Wasser in der Rohrleitung nicht gleichmäßig, ist die Messung nicht repräsentativ. Wassergehaltmessgeräte, die mit elektromagnetischen Wellen oder Mikrowellen arbeiten, können hingegen eine Genauigkeit von 0,05 % (Absolutwert) oder mehr erreichen.

2.2.3 Kapazitätsmessverfahren mit elektromagnetischen Wellen

Das Prinzip basiert auf der Absorption von HF-Elektromagnetwellen und der Messung der Frequenzverschiebung. Das Messmedium wird als Dielektrikum zwischen den Polen der Heterodyn-Antenne für elektromagnetische Wellen angeordnet. Die Antenne kann eine spitze, streifenförmige oder kammförmige Struktur mit Verschleißschutz aufweisen. Wird die Antenne mit Hochfrequenzenergie gespeist, dringen die gekrümmten elektromagnetischen Feldlinien in das Messmedium ein. Unterschiede im Wassergehalt des Mediums führen zu einer Veränderung des HF-Feldes. Da Wasser ein polares Molekül ist, beträgt seine relative Dielektrizitätskonstante 70, während die Dielektrizitätskonstante von Rohölparaffin bei 2,15 bis 2,2 liegt. Die Gesamtdielektrizitätskonstante ist linear proportional zum Wassergehalt und zur Kapazität C. Der Wassergehalt im Rohöl lässt sich berechnen, indem die Veränderung des HF-Feldes über den Abfrage-Transponder erfasst und anschließend eine Temperaturkompensation sowie eine Auswertung der übertragenen Daten vorgenommen wird.

Die Methode zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: integrierte Temperaturkompensation zum Ausgleich von Änderungen der Dielektrizitätskonstante aufgrund von Temperaturschwankungen; der Salzgehalt hat durch die Amplitudenregelung keinen Einfluss auf die Messung; bei einem Feststoffgehalt von <5 % hat dies keinen Einfluss auf die Messung; eingeschlossenes Gas hat bei einem Wassergehalt von weniger als 5 % keinen Einfluss auf die Messung; die Messtiefe beträgt 150 mm, und die durchschnittliche Feuchtigkeit in diesem Bereich kann gemessen werden; Es kann ein Wassergehalt von 0 bis 100 % gemessen werden; eine Dichtekompensation ist möglich.

2.2.4 Mikrowellenabsorptionsverfahren

Basierend auf dem Prinzip der Absorption von Mikrowellen durch polare Wassermoleküle. Das gemeinsame Elektronenpaar in der Mitte des Wassermoleküls ist zur Seite des Sauerstoffatoms hin verschoben, sodass die beiden Enden des Wassermoleküls eine positive bzw. negative Ladung aufweisen; das Wassermolekül ist somit ein polares Molekül. Befinden sich die polaren Wassermoleküle in einem hochfrequenten elektromagnetischen Mikrowellenfeld, ändern die Pole der Wassermoleküle ihre Ausrichtung und verschieben sich entsprechend schnell, wodurch durch gegenseitige Reibung Wärme entsteht; somit können die Wassermoleküle Mikrowellenenergie absorbieren. Bei Rohöl und anderen Kohlenwasserstoffen, bei denen es sich um unpolare Moleküle handelt, ist die Absorption von Mikrowellen hingegen sehr gering.

Durch Messung der Frequenzänderung vor und nach dem Durchgang der Mikrowellen durch das Medium lässt sich die gemischte Dielektrizitätskonstante des Mediums ermitteln. Da die Dielektrizitätskonstante von Wasser bei etwa 70 liegt und die von Rohöl bei 2, lässt sich daraus der Wassergehalt im Rohöl bestimmen. Durch Messung der Energieänderung vor und nach dem Durchgang durch das Medium lässt sich feststellen, ob es sich um eine wasserkontinuierliche oder eine ölkontinuierliche Phase handelt. Das Verfahren stellt hohe Anforderungen an die Werkskalibrierung: Die ölkontinuierliche Phase und die wasserkontinuierliche Phase sollten separat kalibriert werden, und der Einfluss von Temperatur und Salzgehalt muss ebenfalls berücksichtigt werden. Da sich die Temperatur und die gemischte Dielektrizitätskonstante umgekehrt zueinander verhalten, ist eine Kompensation erforderlich. Der Salzgehalt verursacht dielektrische Verluste und wirkt sich ebenfalls auf die gemischte Dielektrizitätskonstante aus, weshalb ebenfalls eine Kompensation berücksichtigt werden muss. Es ist auch möglich, den Wassergehalt zu berechnen, indem der Mikrowellen-Sendeantenne zusätzliche Energie zugeführt wird, wobei die Frequenz konstant gehalten wird und die Berechnung auf der Grundlage der zugeführten Energiemenge erfolgt.

Das Verfahren zur Messung der Gleichstromleitfähigkeit dient dazu, festzustellen, ob es sich um eine wasserkontinuierliche oder eine ölkontinuierliche Phase handelt. Bei dieser Art von Antenne handelt es sich in der Regel um eine Punktmessung, für die eine vollständige Vermischung von Öl und Wasser erforderlich ist. Die Messung der ölkontinuierlichen und der wasserkontinuierlichen Phase erfolgt mit zwei Antennen; die Messung der ölkontinuierlichen Phase erfolgt nach dem zuvor beschriebenen Verfahren, während die Messung der wasserkontinuierlichen Phase auf der Maxwell-Formel basiert, bei der zunächst die Leitfähigkeit gemessen und anschließend der Wassergehalt berechnet wird [3].

Maxwell-Formel: S = 2p/(3-2p) * S1

wobei

S------- ist die Leitfähigkeit von wasserhaltigem Rohöl

S1------- ist die Leitfähigkeit von Wasser

p------- ist der Wassergehalt von Rohöl

2.2.5 ist der Wassergehalt von Rohöl – Mikrowellenresonanzverfahren

Auch dieses Verfahren basiert auf dem Prinzip der Absorption von Mikrowellen durch polare Wassermoleküle. Der Unterschied zum Mikrowellenabsorptionsverfahren besteht darin, dass über das Frequenzband des Scannertisches die Mikrowellenresonanzfrequenz ermittelt wird, woraufhin die gemischte Dielektrizitätskonstante berechnet und anschließend der Wassergehalt gemäß der Bruggemann-Gleichung ermittelt wird.

Bruggemann-Gleichung:

Dabei ist: β der Wassergehalt des Rohöls, εmix die Mischdielektrizitätskonstante, εwater die Dielektrizitätskonstante von Wasser und εoil die Dielektrizitätskonstante des Rohöls. Diese Methode zeichnet sich durch die direkte Berechnung der Mischdielektrizitätskonstante anhand der Mikrowellenresonanzfrequenz aus; um genauere Messergebnisse zu erhalten, kann ein Densitometer zur iterativen Berechnung herangezogen werden. Das Densitometer wird zur Abschätzung herangezogen, wenn die kontinuierliche Phase von Wasser gemessen wird. Auch der Salzgehalt hat Einfluss auf die Messung und erfordert zur Kompensation die Einbeziehung einer Leitfähigkeitsmessfunktion.

Der Nachteil ist, dass dies kostspielig ist und ein Densitometer oder ein Massendurchflussmesser zur Messung der Dichte hinzugefügt werden muss, um eine hohe Genauigkeit zu erzielen.

2.2.6 Hochfrequenzverfahren

Die Messungen erfolgen unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten von Öl, Wasser und Gas für Strahlen. Je nach Dichte des Mediums unterscheiden sich der Absorptionskoeffizient der Strahlen und die Halbwertsschicht. Gemäß der Lambert-Bell-Formel wird die Dosisänderung der Strahlen vor und nach dem Durchgang durch das Medium gemessen und die durchschnittliche Dichte berechnet. Der Wassergehalt wird dann auf der Grundlage der durchschnittlichen Dichte, der Dichte von Rohöl und der Dichte von reinem Wasser berechnet.

Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass bei der Dosismessung der Strahlung ein statistischer Fehler auftritt, sodass die Genauigkeit nicht besonders hoch ist. Außerdem wird sie aufgrund der Strahlungsquelle sowie der zeitaufwändigen und mühsamen Wartung nicht empfohlen.

2.2.7 Dichteverfahren

Der Wassergehalt wird anhand der durchschnittlichen Dichte sowie der Dichte von Rohöl und der Dichte von reinem Wasser ermittelt. Die Strahlenmethode ist eine der Dichtemessverfahren; daneben gibt es auch Verfahren, bei denen Massendurchflussmesser oder Dichtemessgeräte zum Einsatz kommen. Das Dichtemessverfahren ist nur bei Abwesenheit von Verunreinigungen und geringem Gasgehalt anwendbar, da es andernfalls zu erheblichen Fehlern führt.

2.3 Einfluss der Installation auf die Online-Messung des Wassergehalts von Rohöl

Gemäß ISO 3171 – Automatisches Probenahmeverfahren für Erdöl-Flüssigkeitsleitungen – muss bei der Probenahme des Wassergehalts von Rohöl sichergestellt werden, dass die Flüssigkeiten homogen vermischt sind; diese Anforderung gilt auch für Online-Messungen. Da die Antenne nur die Flüssigkeit innerhalb eines bestimmten Kontaktbereichs misst, muss die Flüssigkeit homogen vermischt sein. Die Durchflussrate und die Rohrleitungskomponenten können zur Durchmischung der Flüssigkeit genutzt werden; in vielen Fällen, in denen diese Bedingungen nicht gegeben sind, müssen statische Mischer oder Leistungsmischer in Betracht gezogen werden.

2.4 Zusammenfassung

Der Messung des Wassergehalts von Rohöl wird zunehmend mehr Aufmerksamkeit geschenkt, da sie sich auf die Kostenrechnung und andere wirtschaftliche Faktoren von Unternehmen auswirkt. Da den Betriebsbedingungen und den Anforderungen an die Messgeräte zu Beginn nicht genügend Beachtung geschenkt wurde, kam es zu einer allgemein mangelhaften Anwendung. Anhand der obigen Analyse mehrerer gängiger Messverfahren sowie unter besonderer Berücksichtigung der Installationsanforderungen hoffen wir, Ihnen bei der Auswahl des geeigneten Messgeräts behilflich zu sein.

3 Fazit

Bei der Auswahl eines Messgeräts für Wasser in Öl ist es wichtig, zunächst das Messmedium und die Anforderungen zu verstehen und anschließend anhand des Messprinzips, des Messbereichs und der Einflussfaktoren eine geeignete Lösung auszuwählen. Gelöstes Wasser in Öl sowie der Wassergehalt von Rohöl sollten nicht verwechselt werden.