1  背景

自動(dòng)化、智能化越來(lái)越多的出現在工業(yè)生產(chǎn)當中，海上采油平臺的高溫、高壓、腐蝕、設備局限性等特殊工業(yè)環(huán)境對現代儀表提出了更高的技術(shù)要求。原油中含水的去除過(guò)程相對復雜，需要通過(guò)工藝進(jìn)行油水界面測量及控制。目前常見(jiàn)的油水界面檢測技術(shù)主要有浮子浮筒式、雷達/超聲波、射頻導納料位開(kāi)關(guān)、磁致伸縮、核子界面檢測等。油水界面測量?jì)x器的作用是測量油水界面，各類(lèi)油水界面儀的工作特性、適用環(huán)境等各不相同，因此在實(shí)際使用當中，相互之間是不能完全替代的，本文簡(jiǎn)單介紹了以上幾種液位檢測技術(shù)的應用原理，并結合實(shí)際應用條件給出了作業(yè)現場(chǎng)選型指導建議。

 

2  油水界面特性與測量難點(diǎn)

2.1  油水界面特性

油水界面是指原油處理工藝中產(chǎn)液發(fā)生分離后原油與生產(chǎn)水的界面。目前，在國內采油平臺上油水分離普遍通過(guò)三級分離：一級分離器、二級分離器、電脫水器，其中一、二級分離利用的是重力油水分離法。一級油水分離器進(jìn)行粗分離，使處理完的原油含水量控制在30%以?xún)�，進(jìn)入二級分離器進(jìn)行再分離，使處理完的原油含水控制在10%以?xún)�，而后進(jìn)入更細致的電脫分離，使處理后的原油含水控制在3%以?xún)�，以符合外輸條件。油井的產(chǎn)量和油質(zhì)是不斷變化的，油水界面也不斷波動(dòng)，為達到良好處理效果，需要控制實(shí)際的油水界面位置來(lái)控制處理流程。

 

2.2  油水界面測量難點(diǎn)

在原油開(kāi)采后的工藝處理過(guò)程中，油和水以不同比例或形式構成不同狀態(tài)的油水乳化液，形成界面乳化層，乳化帶的形態(tài)及寬度會(huì )隨著(zhù)油水混合液的增加及生產(chǎn)水的適時(shí)排放隨機變化，出現油包水型和水包油型乳化液。油水混合物通過(guò)油水分離在分離器內會(huì )形成不同的層，如圖 1所示。

由于原油組分變化及物理特性變化造成的無(wú)規律隨機誤差，誤差積累將造成儀表示值的偏差，導致實(shí)際油水分離中無(wú)法保證顯示值的準確。如何減少乳化層影響來(lái)準確判斷油水界面，達到良好分離處理效率，成為油水界面測量的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

3  油水界面測量技術(shù)

油水界面測量技術(shù)根據測量原理分類(lèi)，有浮子式、超聲波式、射頻導納式、磁致伸縮式、核子式等，各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)不同，在不同使用場(chǎng)景下的特性也不盡相同，下面針對常見(jiàn)技術(shù)分別詳細介紹。

3.1  浮子

浮子式油水界面測量設備（普通的磁翻板液位計）利用阿基米德原理，通過(guò)懸浮在油水界面中間的特定密度浮子，進(jìn)行油水界面高度的判斷，并結合磁致伸縮技術(shù)進(jìn)行信號遠傳。該方法操作簡(jiǎn)單、單一介質(zhì)測量時(shí)精度準，但在分離器的油水界面應用時(shí)，乳化層的形態(tài)和寬度是不斷變化的，會(huì )造成測量誤差增大，且安裝方式為外置，液位計腔室內液位流動(dòng)性差，從而影響準確測量。

3.2  雷達/超聲波油水界面檢測儀

雷達/超聲波式界面檢測儀利用頻差原理和復合脈沖雷達技術(shù)，即用同一天線(xiàn)將一段調制過(guò)的脈沖發(fā)射并接收，將接收到的信號與被測介質(zhì)表面反射回來(lái)的脈沖信號進(jìn)行比較，利用兩者頻差計算所測距離，據此得到被測物體表面位置。該儀器適用于各種表面或界面，無(wú)接觸檢測，避免了因接觸造成的粘結、泄漏、清洗等應用弊端，但易受到容器內蒸汽壓力腐蝕。同時(shí)，溫度和濕度會(huì )影響超聲波的傳播速度，造成誤差，降低測量精度，且安裝不允許被遮擋，對于容器內裝有空冷或加熱盤(pán)管的場(chǎng)合不適用。

3.3  射頻導納

射頻導納界面檢測儀利用高頻無(wú)線(xiàn)電波譜測量導納，利用油、水相差很大的介電常數區分模糊界面，包括乳化層。整個(gè)油水分離器可以看成是一個(gè)充斥著(zhù)高導電介質(zhì)的容器，由一個(gè)浸入介質(zhì)的探頭和絕緣層外殼組成一個(gè)純電容，通過(guò)測量電容或電導率將測量信號轉化為標準信號。該技術(shù)通過(guò)引入其他測量參量，如電阻參數，使檢測信號的信噪比增加，大大提高了儀器的分辨率、精度和可靠性。

3.4  核子界面儀

核接口儀器利用油井產(chǎn)生的流體（通常由原油、水、天然氣和一些雜質(zhì)）組成密度的不同，測量介質(zhì)密度實(shí)現界面測量。利用放射性源中含有放射性同位素镅（AM）γ射線(xiàn)測量介質(zhì)，在相應位置安裝2個(gè)探測器，對γ射線(xiàn)探測器進(jìn)行監測分析，依據射線(xiàn)的不同性質(zhì)就可以識別出被測介質(zhì)的密度，從而轉換成物理信號，2個(gè)探測器可以相互冗余，從而使測量更加準確可靠。每一個(gè)放射源射線(xiàn)對準的僅僅是相應高度的射線(xiàn)探測器，輻射線(xiàn)在通過(guò)介質(zhì)后會(huì )有所衰減，衰減與介質(zhì)密度有一定的關(guān)系。

 

3.5  磁致伸縮式界面檢測方法

磁致伸縮界面測量技術(shù)利用磁致伸縮效應進(jìn)行測量，探測器發(fā)出低電流脈沖，在磁致伸縮線(xiàn)周?chē)�產(chǎn)生磁場(chǎng)，同時(shí)內置磁鐵的浮子對周邊產(chǎn)生一外部磁場(chǎng)，兩種磁場(chǎng)相遇碰撞出一個(gè)波導扭曲的脈沖，通過(guò)探測兩脈沖時(shí)間差確定浮子位置，實(shí)現油水界面檢測。磁致伸縮式液位計有兩種：①自帶浮球和磁環(huán)，在被測容器的內部嵌入式測量，單一介質(zhì)液位精度高，穩定性好；②不帶浮球和磁環(huán)，需要搭配磁翻板液位計共同使用，利用磁翻板液位計浮球上的磁環(huán)產(chǎn)生磁場(chǎng)進(jìn)行液位測量，優(yōu)缺點(diǎn)和浮子式液位計一致，同時(shí)受設備本體振動(dòng)影響較大，高振動(dòng)場(chǎng)所會(huì )出現液位計的跳變，影響測量準確度。

 

3.6  技術(shù)對比分析

針對不同的應用場(chǎng)合，對上述幾種油水界面儀器進(jìn)行了一些優(yōu)劣勢分析，如表1所示。

4  現場(chǎng)應用選型經(jīng)驗設計

實(shí)際工況下，油水界面多是55～80℃油水混合物，并夾雜油泥等物，同時(shí)工狀的復雜性，也會(huì )影響設備測量準確性，導致內部設備結垢嚴重；化學(xué)藥劑導致的隨機性乳化層，原油的粘附性，會(huì )使短波、射頻等界面儀探頭形成一層薄油膜，罐體本身直徑小，進(jìn)出分離器的液體量多，液位波動(dòng)大，造成帶有浮子的界面儀波動(dòng)大、安裝空間狹窄、外部導管還容易結垢等問(wèn)題。以下根據實(shí)際工況，給出了在液體量多、液位波動(dòng)大應用場(chǎng)景下，應用選型考量因素：①結合現場(chǎng)流程控制需要及安全，建議采用冗余液位變送器；②提供方便現場(chǎng)操作或巡視人員現場(chǎng)查看的安裝環(huán)境；③測量介質(zhì)的組成密度、成分組成；④測量容器的內部組成、結構空間；⑤測量位置的確定；⑥便于維護保養，測量穩定；⑦經(jīng)濟適用好，性?xún)r(jià)比高。

 

磁翻板液位計帶磁致伸縮桿液位變送器和雷達/超聲波組合測量：浮子液位計可確�，F場(chǎng)操作人員直觀(guān)查看，但浮子密度的制約性及現場(chǎng)工藝的隨機性，會(huì )使液位的測量存在相對誤差，再加上浮子液位計是通過(guò)連通器原理外置安裝，浮子腔室內的介質(zhì)不能流動(dòng)，造成浮子液位計乳化層與分離器內乳化層液位不一致，致使誤差增大，只能作為油水界面的參考，作為粗調使用；外帶磁式伸縮桿的好處是減少帶浮子的內置式疲勞磨損，減少浮子卡塞造成液位計故障幾率，使用壽命長(cháng)，測量較穩定，現在采油平臺應用較為廣泛。

 

另一組液位計從雷達/超聲波界面儀、射頻導納式界面儀、核子界面儀中選擇，目前采油平臺都有涉及應用。這三種的共性是都屬于內置式，安裝在分離器頂部，都有探測桿插入到分離器內部，屬于接觸式直接測量液位計，可以避免外置式由于介質(zhì)不流通造成的影響誤差，但都無(wú)法避免受到乳化層的影響。雷達/超聲波界面儀結構#為簡(jiǎn)單，但是受乳化層和泡沫層的影響#大，利于檢修維護，經(jīng)濟性好；射頻導納式界面儀不易調試，但測量相對準確；核子界面儀測量#準，可以分別測量出多個(gè)界面的分布，準確度#高初次安裝后免維護，但是日常無(wú)法檢修和保養，并且價(jià)格昂貴，存在放射源泄漏風(fēng)險，綜合以上考慮，對于油水界面的測量應優(yōu)先選擇射頻導納式界面儀。綜上所述，在海上采油平臺因設備與工藝流程的局限性造成的界面不穩定情況下，優(yōu)選選擇磁翻板帶磁式伸縮桿液位計和射頻導納式液位計的組合測量相對#好。

 

5  結束語(yǔ)

我國當前界面測量領(lǐng)域的研發(fā)和生產(chǎn)已經(jīng)有了較大提高，在很多技術(shù)方面都已達到shijielingxian水平，能夠很好地滿(mǎn)足現場(chǎng)檢測要求。隨著(zhù)智慧工業(yè)、全自動(dòng)化技術(shù)、工業(yè)機器人等新工業(yè)技術(shù)的涌現，油水界面測量技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展方向也會(huì )向著(zhù)智能化、自動(dòng)化發(fā)展。在未來(lái)發(fā)展方向有以下幾點(diǎn)需要考慮，地衣，測量?jì)x表的測量精度、抗干擾能力、適用性等將成為重點(diǎn)研究方向之一；第二，油水界面測量?jì)x器的系統化發(fā)展，并且具備和DCS通訊遠傳、交互能力，將成為未來(lái)發(fā)展的另一主要方面。