УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ПРИМЕСЕЙ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО СЕРЫ И ХЛОРИСТЫХ СОЛЕЙ, В ПОТОКЕ НЕФТИ

Полезная модель относится к области анализа материалов радиационными методами измерением вторичной эмиссии с использованием нейтронов, а более конкретно к устройствам, предназначенным для экспрессного измерения содержания примесей, преимущественно серы и хлористых солей, в потоке нефти, в том числе и на магистральных трубопроводах в полевых условиях.
Известное устройство для измерения содержания серы и хлористых солей в потоке нефти ( Salahuddin Sheikh, SPE, Arabian American Oil Co., Albert P. Richter, SPE, Texaco Inc. Nuclear Salt-in-Crude Monitor, JOURNAL OF PETROLEUM TECHNOLOGU, MAY 1983 ), принятое за прототип, включает измерительную камеру и приборную стойку. Измерительная камера представляет собой сосуд цилиндрической формы со входным и выходным патрубками для подключения к нефтепроводу. В сосуде вварены две находящиеся на расстоянии друг от друга поперечные трубы, посередине одной из которых размещен источник нейтронов, а в другой - сцинтилляционный детектор гаммаизлучения. Поступающая с детектора гамма-излучения информация обрабатывается специальной аппаратурой, расположенной в приборной стойке, а результаты измерения содержания серы и хлористых солей в нефти отображаются на табло и документируются.
Определение содержания серы и хлора производится путем регистрации захватного гамма-излучения в трех энергетических диапазонах:
в энергетическом диапазоне, содержащем, в основном, линии захватного гамма-излучения серы;
в энергетическом диапазоне, содержащем линии захватного гамма-излучения хлора;
в энергетическом диапазоне, содержащем линии захватного гамма-излучения водорода
с последующим определением из системы уравнений содержания серы и хлора в нефти, находящейся в измерительной камере. При этом измеренная плотность потока захватного гамма-излучения в энергетических диапазонах серы и хлора нормируется на плотность потока захватного гамма-излучения в энергетическом диапазоне водорода.
Измерительная камера, выполненная в виде цилиндрического сосуда со входным и выходным патрубками для подключения к нефтепроводу, заключенные в герметичные оболочки и находящиеся внутри измерительной камеры на расстоянии друг от друга радионуклидный источник нейтронов и сцинтилляционный детектор гамма-излучения, аппаратура обработки поступающей измерительной информации и средства отображения и документирования результатов измерений - признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели.
Устройство - прототип не позволяет снизить относительную погрешность измерения содержания серы и хлористых солей в нефти иначе, как путем использования
V
-иградионуклидного источника нейтронов с большим потоком нейтронов, увеличения времени измерения или увеличения числа детекторов гамма-излучения. Однако, использование радионуклидного источника нейтронов с большим потоком нейтронов лимитировано допустимой загрузкой сцинтилляционного детектора гамма-излучения, при которой еще сохраняются его спектрометрические свойства. Время измерения ограничено допустимой технологической задержкой в получении очередной информации о содержании серы и хлористых солей в транспортируемой по магистральному трубопроводу нефти. Увеличение числа детекторов гамма-излучения, равно как использование радионуклидного источника нейтронов с большим потоком нейтронов, повышает стоимость устройства в целом и усложняет его конструкцию. В то же время в устройстве-прототипе отсутствуют конструктивные элементы, которые могли бы снизить величину фоновой компоненты, воздействующей на детектор гамма-излучения, и, следовательно, уменьшить относительную погрешность измерения содержания серы и хлористых солей в нефти. Кроме того, нормирование измеренной плотности потока захватного гамма-излучения в энергетических диапазонах серы и хлора на плотность потока захватного гамма-излучения в энергетическом диапазоне водорода оправдано только лишь при постоянстве плотности нефти и содержания в в ней водорода и отсутствия в нефти сильно поглощающих нейтроны микропримесей. Поскольку в российских месторождениях нефти вариации плотности нефти и содержания в ней водорода, а также сильно поглощающих нейтроны микропримесей существенны, неучет этих факторов приведет к
-F
увеличению относительной погрешности измерения содержания серы и хлористых солей в нефти.
Нефть является и в ближайшем будущем будет оставаться основным сырьем для базовых отраслей промышленности - энергетики и химической промышленности. В условиях рыночной экономики прибыльность этой отрасли в значительной мере определяет состояние экономики страны в целом. В свою очередь прибыльность существенно зависит от качества сырья, поскольку от него зависят расходы на транспортировку и переработку нефти и доведения показателей качества конечного продукта до норм, установленных национальными или международными стандартами.
В то же время в своем источнике (скважине, промысле) показатели качества могут иметь значительные вариации, и нефть различных месторождений значительно (на порядок и более) различается как по углеводородному составу, так и по содержанию примесей. Основными примесями, определяющими товарные качества нефти, являются сера и хлористые соли хлориды натрия, калия и магния. Содержание их в нефти, поступающей на отечественные нефтеперерабатывающие заводы регламентировано ГОСТ 9965-76 Нефть. Степень подготовки для нефтеперерабатывающих предприятий. Технические условия.
Поскольку технологический процесс получения из нефти того или иного продукта зависит от класса нефти, устанавливаемого ГОСТ 9965-76 в зависимости от массовой доли серы в сырой нефти, при транспортировании ее по магистральным трубопроводам на нефтеперекачивающих станциях должно производится экспрессное определение в потоке нефти содержания серы.
- идентификация класса нефти и выбор направления транспортирования в течение установленного времени в регионы с соответствующими профилированными нефтеперерабатывающими предприятиями.
Если от содержания серы существенно зависит как цена сырой нефти, так и расходы на ее переработку, то от содержания хлористых солей зависят амортизационные расходы, связанные с коррозией нефтепроводов, железнодорожных цистерн и танков нефтеналивных судов. Согласно ГОСТ 9965-76 нефть, в зависимости от содержания в ней хлористых солей, делится на три группы.
Из изложенного следует, что оперативное и точное определение этих примесей в сырой нефти, как для поставщика, так и для потребителя, является важным элементом производственного процесса.
Таким образом, задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание устройства для экспрессного измерения содержания примесей, преимущественно серы и хлористых солей, в потоке нефти, которое обеспечивало бы повышение точности отнесения транспортируемой нефти к соответствующему классу или группе по национальным или международным стандартам в зависимости от содержания в ней серы или хлористых солей, что будет содействовать прибыльности отрасли.
При осуществлении полезной модели достигается технический результат, выражаемый в снижении относительной погрешности измерения содержания серы и хлористых солей в нефти без использования радионуклидного источника нейтронов
с повышенным потоком нейтронов, увеличения времени измерения и увеличения числа детекторов гамма-излучения.
В известном устройстве, включающем выполненную в виде цилиндрического сосуда со входным и выходным патрубками для подключения к нефтепроводу измерительную камеру, внутри которой на расстоянии друг от друга расположены заключенные в герметичные оболочки радионуклидный источник нейтронов и сцинтилляционный детектор гамма-излучения, аппаратуру обработки поступающей измерительной информации и средства отображения и документирования результатов измерений:
введен по меньшей мере один детектор тепловых нейтронов, заключенный в герметичную оболочку;
радионуклидный источник нейтронов помещен в контейнер из снижающего поток гамма-излучения материала;
сцинтиллятор детектора гамма-излучения помещен в стакан с веществом, снижающим поток тепловых нейтронов.
Отличительные от прототипа существенные признаки заявляемой полезной модели:
помещение радионуклидного источника нейтронов в контейнер из снижающего поток гамма-излучения материала;
помещение сцинтиллятора детектора гамма-излучения в стакан с веществом, снижающим поток тепловых нейтронов - обеспечивают уменьшение фоновой компоненты нейтронного и гамма-излучения, воздействующей на детектор гамма-излучения, за счет поглощения собственного гамма-излучения источника нейтронов в материале контейнера и поглощения тепловых нейтронов в веществе стакана. Это, в свою очередь, обеспечивает снижение относительной погрешности измерения
содержания серы и хлористых солей в нефти без использования радионуклидного источника нейтронов с повышенным потоком нейтронов, увеличения времени измерения и увеличения числа детекторов гамма-излучения.
Отличительный от прототипа существенный признак заявляемой полезной модели - снабжение устройства по меньшей мере одним детектором тепловых нейтронов - обеспечивает получение информации о величине плотности потока тепловых нейтронов в измерительной камере, используемой при нормировании измеренной плотности потока захватного гамма-излучения в энергетических диапазонах серы и хлора. Нормирование измеренной плотности  потока захватного гамма-излучения в энергетических диапазонах серы и хлора на плотность потока тепловых нейтронов в измерительной камере делает результаты измерения содержания серы и хлористых солей независимыми от вариаций плотности нефти и содержания в ней водорода, наличия в нефти сильно поглощающих нейтроны микропримесей. Это, в свою очередь, также обеспечивает снижение относительной погрешности измерения содержания серы и хлористых солей в нефти без использования радионуклидного источника нейтронов с повышенным потоком нейтронов, увеличения времени измерения и увеличения числа детекторов гамма-излучения.
Таким образом, вышеперечисленная совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели обеспечивает получение технического результата, заключающегося в снижении относительной погрешности измерения содержания серы и
,
хлористых солей в нефти без использования радионуклидного источника нейтронов с повышенным потоком нейтронов, увеличения времени измерения и увеличения числа детекторов гамма-излучения, во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
на фиг.1 показан общий вид измерительной камеры
устройства в разрезе;
на фиг.2 приведена схема электрическая структурная
устройства.
Устройство для измерения содержания примесей, преимущественно серы и хлористых солей, в потоке нефти содержит измерительную камеру (см.фиг.1), аппаратуру обработки поступающей измерительной информации и средства отображения и документирования результатов измерений (см.фиг.2).
Измерительная камера выполнена в виде цилиндрического сосуда 1 со входным 2 и выходным 3 патрубками для возможности подключения ее к нефтепроводу. Сосуд рассчитан на внутреннее давление, равное рабочему давлению в магистральном трубопроводе. Внутри сосуда в диаметральном направлении и на расстоянии друг от друга установлены трубы 4, 5, и 6 с заглушенными торцами со стороны внутреннего объема сосуда. Трубы закреплены в стенках сосуда путем сварки и рассчитаны на внешнее давление, равное рабочему давлению в магистральном трубопроводе. В трубе 4 расположен контейнер 7, внутрь которого помещен радионуклидный источник
У 95-/ 3У
нейтронов 8. В трубе 5 установлен детектор гамма-излучения 9, причем его чувствительный элемент 10 - сцинтиллятор - помещен в расположенный внутри трубы стакан 11 с веществом 12. В трубе 6 размещен детектор тепловых нейтронов 13. Контейнер 7, представляющий из себя цилиндр с внутренней полостью для размещения радионуклидного источника 8, выполнен из снижающего поток гамма-излучения материала. В качестве его используется свинец или висмут, причем последний более предпочтителен из-за низкого уровня захватного гамма-излучения при облучении тепловыми нейтронами. Находящееся в стакане 11 вещество 12 снижает поток тепловых нейтронов. В качестве его лучше всего использовать литиевосодержащие соединения, например, карбонат лития, фторид лития и фосфат лития из-за низкого выхода захватного гамма-излучения при радиационном захвате тепловых нейтронов литием. Материал труб 4, 5 и 6 не должен содержать элементов с большим сечением захвата тепловых нейтронов с тем, чтобы исключить большой уровень захватного гамма-излучения. В связи с этим трубы выполняются из циркониевых сплавов, стеклопластика или алюминия. Радионуклидный источник нейтронов должен обладать сравнительно мягким спектром нейтронов, низким уровнем и энергией собственного гамма-излучения, а также возможно большим периодом полураспада. Наиболее близки к этим требованиям радионуклидные источники (америций-241+бор) и калифорний-252, которые могут быть использованы в устройстве. Аппаратура обработки поступающей измерительной информации включает два дискриминатора импульсов 14 и 15 с энергетическими порогами, сответствующими порогам регистрации
захватного гамма-излучения серы и хлора, счетчики импульсов 16, 17 и 18, измеряющих количество дискретных электрических сигналов, поступающих на их входы за время измерения, и ЭВМ 19.
Средства отображения и документирования результатов измерений имеет световое показывающее табло или дисплей 21 и цифропечатающее устройство 22.
Устройство, подключенное к нефтепроводу, работает следующим образом.
Быстрые нейтроны, испускаемые радионуклидным источником 8, замедляются до тепловой энергии на ядрах водорода нефти, прокачиваемой через сосуд 1. Тепловые нейтроны захватываются ядрами элементов, содержащихся в нефти, и, в том числе, ядрами серы и хлора. При этом число захватов на ядрах данного элемента пропорционально числу ядер этого элемента в единице объема и сечению радиационного захвата. После захвата нейтрона ядром происходит мгновенное испускание гамма-излучения (захватное гамма-излучение). Спектр этого излучения линейчатый и может содержать от одной (водород) до нескольких десятков линий (тяжелые элементы). Энергия и интенсивность линий являются характеристиками элемента. Гамма-излучение регистрируется детектором гамма-излучения 9, обладающим спектральной чувствительностью. Электрические сигналы от детектора гамма-излучения 9 поступают на вход дискриминатора
14,пропускающего импульсы с амплитудой, соответствующей энергии около 4 МэВ (порог серы), и на вход дискриминатора
/  у
сигналы с выхода дискриминаторов 14 и 15 поступают на вход счетчиков импульсов 16 и 17 соответственно, измеряющих количество этих сигналов за время измерения, после чего информация в цифровом коде передается в ЭВМ 19 для обработки по заранее введенной программе. Одновременно с регистрацией гамма-излучения производится измерение величины плотности потока тепловых нейтронов в измерительной камере, которая используется при нормировании измеренной плотности потока захватного гамма-излучения в энергетических диапазонах серы и хлора. Электрические сигналы от детектора тепловых нейтронов 13 поступают на вход счетчика импульсов 18 и, далее, информация в цифровом коде передается в ЭВМ 19 для обработки совместно с информацией по регистрации захватного гамма-излучения.
Содержание серы Cs и хлора Сс1 (в г/кг) в нефти определяется из системы уравнений:
Ыэ1 - Cs.Ssl + Ccl.Scll
Ыэ2  Cs.Ss2 + Ccl.Scl2(1)
где: Ыэ1 и Мэ2 - скорость счета эффекта в энергетических
диапазонах, содержащих линии захватного гамма-излучения серы и хлора соответственно, имп/с;
Ssl и Sell - эффективность регистрации излучения серы и хлора соответственно в энергетическом диапазоне, содержащем линии захватного гамма-излучения серы,, имп.л/с.г;
и хлора соответственно в энергетическом диапазоне, содержащем линии захватного гамма-излучения хлора, имп.л/с.г.
Эффективности Ssl, Sell, Ss2 и Scl2 определяются при градуировке устройства.
Результаты обработки в виде среднего за время измерения значения величины содержания в нефти серы и хлористых солей отображаются на табло 21 и документируются при помощи цифропечатающего устройства 22.
Таким образом, измерение при помощи заявленного устройства интенсивности группы линий в определенных участках .энергетического спектра, позволяет определить содержание серы и хлора в нефти. При этом относительная погрешность измерения содержания серы и хлора определяется выражением:
S   . (  )(2)
где: А - коэффициент пропорциональности;
Q - поток нейтронов радионуклидного источника, нейтрон/с;
F - площадь поперечного сечения детектора гамма-излучения, кв.см;
Ыф - скорость счета, регистрируемая детектором гаммаизлучения от фоновой компоненты излучения, имп/с;
-Is2А Мф 0,5
QF Т
Из формулы (2) видно, что снижение относительной погрешности S без использования радионуклидного источника нейтронов с повышенным потоком нейтронов (т.е. без увеличения Q), увеличения времени измерения (т.е. без увеличения Т) и увеличения числа детекторов гамма-излучения (т.е. без увеличения F) возможно только за счет снижения фоновой компоненты излучения Ыф, воздействующей на детектор гамма-излучения.
Суммарная скорость счета, регистрируемая детектором гамма-излучения от фоновой компоненты излучения, составляет:
Ыф  N1 + N2 + N3 + N4 + N5 + N6 + N7 (3)
где: N1 - собственное гамма-излучение радионуклидного источника нейтронов;
N2 - быстрые нейтроны радионуклидного источника нейтронов;
N3 - тепловые нейтроны;
N4 - гамма-излучение, испускаемое при захвате тепловых нейтронов ядрами водорода нефти;
N5 - гамма-излучение, испускаемое при захвате тепловых нейтронов ядрами конструкционных материалов;
N6 - гамма-излучение, испускаемое при захвате тепловых нейтронов ядрами неконтролируемых примесей, содержащихся в нефти;
N7 - космическое излучение.
/j)-
удалении радионуклидного источника нейтронов 8 от детектора гамма-излучения 9. Использование для труб 4, 5, и 6 конструкционных материалов с небольшим сечением захвата тепловых нейтронов или плакирование их защитным слоем, поглощающим тепловые нейтроны, подавляет в той или иной мере компоненту фонового излучения N5. Собственное гамма-излучение радионуклидного источника нейтронов 8 (компонента N1) ослабляется висмутом или свинцом, из которого выполнен содержащий этот источник контейнер 7. И, наконец, воздействие на детектор гамма-излучения тепловых нейтронов (компонента N3), уменьшается за счет поглощения их в литиевосодержащем веществе 12, экранирующим сцинтиллятор 10 детектора гамма-излучения 9.
Следовательно, за счет уменьшения составляющих N1 и N2 обеспечивается снижение суммарной скорости счета, регистрируемой детектором гамма-излучения, от фоновой компоненты излучения Ыф, определяемой выражением (3), что, в свою очередь, приводит к уменьшению относительной погрешности измерения содержания серы и хлора s в соответствии с формулой (2).
Далее, для осуществления возможности нормирования измеренной плотности потока захватного гамма-излучения в энергетических диапазонах серы и хлора на плотность потока тепловых нейтронов в измерительной камере, необходимо произвести измерения плотности потока тепловых нейтронов по всему объему нефти, находящемуся в пространстве между радионуклидным источником нейтронов 8 и детектором гамма-излучения 9 (т.е. несколькими детекторами тепловых нейтронов), или по меньшей мере в одном, наиболее представительном месте (т.е. одним
( детектором тепловых нейтронов).
Неконтролируемые вариации свойств нефти - плотность, влияющая на коэффициент ослабления гамма-излучения, содержание водорода, влияющее на величину потока тепловых нейтронов, содержание не подвергающимся анализу элементов в нефти, влияющее как на величину потока тепловых нейтронов, так и на величину фонового излучения в анализируемом диапазоне энергий захватного гамма-излучения - могут приводить к существенному увеличению погрешности определения содержания серы и хлора.
Выполненые на предприятии расчетные оценки показали:
возможные вариации плотности нефти могут приводить к изменению плотности потока гамма-излучения в диапазоне 4 - 8 МэВ на расстоянии 40 см от источника нейтронов в пределах 7%;
возможные вариации содержания водорода в нефти могут приводить к изменению плотности потока тепловых нейтронов в углеводородной среде на расстоянии 30 см от источника нейтронов в пределах 15%;
появление в нефти заметных концентраций элементов с большим сечением поглощения тепловых нейтронов (бор, кобальт, кадмий и др.) может приводить к уменьшению плотности потока тепловых нейтронов в измерительной камере вплоть до 45%.
Однако, если произвести нормирование величин эффективности Ssl, Sell, Ss2 и Scl2, определяемых при градуировке устройства, и скорости счета эффекта Ыэ1 и Ыэ2, определяемых в процессе эксплуатации устройства, на измеренные в процессе градуировки и эксплуатации соответственно плотности
1 9S-f092-3
-i6потока тепловых нейтронов в измерительной камере, то результат измерения содержания серы и хлористых солей в нефти не будет зависить от возможных вариаций плотности нефти, содержания в ней водорода и элементов с большими сечением поглощения тепловых нейтронов. При этом снижается относительная погрешность определения содержания серы и хлора.
Таким образом, введение в заявляемое устройство по меньшей мере одного детектора тепловых нейтронов 13, размещение радионуклидного источника нейтронов 8 в контейнере 7 из снижающего поток гамма-излучения материала и помещение сцинтиллятора 10 детектора гамма-излучения 9 в стакан 11 со снижающим поток тепловых нейтронов веществом 12, обеспечивает получение технического результата - снижение относительной погрешности измерения содержания серы и хлористых солей в нефти без использования радионуклидного источника нейтронов с повышенным потоком нейтронов, увеличения времени измерения и увеличения числа детекторов гамма-излучения.
9Ь(ЗУ