摘要:針對(duì)海上采油平臺(tái)油氣水分離器局限性及實(shí)際應(yīng)用需求,對(duì)標(biāo)分析現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì),給出了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用選型標(biāo)準(zhǔn)建議,對(duì)于體積受限、大處理量、多乳化層,大波動(dòng)等多場(chǎng)景下的油水界面快速、高效分離測(cè)量意義重大。
油水界面測(cè)量技術(shù)綜述與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用選型設(shè)計(jì)
1 背景
自動(dòng)化、智能化越來(lái)越多的出現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中,海上采油平臺(tái)的高溫、高壓、腐蝕、設(shè)備局限性等特殊工業(yè)環(huán)境對(duì)現(xiàn)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(duì)復(fù)雜,需要通過(guò)工藝進(jìn)行油水界面測(cè)量及控制。目前常見(jiàn)的油水界面檢測(cè)技術(shù)主要有浮子浮筒式、雷達(dá)/超聲波、射頻導(dǎo)納料位開(kāi)關(guān)、磁致伸縮、核子界面檢測(cè)等。油水界面測(cè)量?jī)x器的作用是測(cè)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(dāng)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(cè)技術(shù)的應(yīng)用原理,并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用條件給出了作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)選型指導(dǎo)建議。
2 油水界面特性與測(cè)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(guó)內(nèi)采油平臺(tái)上油水分離普遍通過(guò)三級(jí)分離:一級(jí)分離器、二級(jí)分離器、電脫水器,其中一、二級(jí)分離利用的是重力油水分離法。一級(jí)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)?nèi),進(jìn)入二級(jí)分離器進(jìn)行再分離,使處理完的原油含水控制在10%以?xún)?nèi),而后進(jìn)入更細(xì)致的電脫分離,使處理后的原油含水控制在3%以?xún)?nèi),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(dá)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(cè)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(gòu)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)隨著油水混合液的增加及生產(chǎn)水的適時(shí)排放隨機(jī)變化,出現(xiàn)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(nèi)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(guī)律隨機(jī)誤差,誤差積累將造成儀表示值的偏差,導(dǎo)致實(shí)際油水分離中無(wú)法保證顯示值的準(zhǔn)確。如何減少乳化層影響來(lái)準(zhǔn)確判斷油水界面,達(dá)到良好分離處理效率,成為油水界面測(cè)量的重點(diǎn)與難點(diǎn)。
3 油水界面測(cè)量技術(shù)
油水界面測(cè)量技術(shù)根據(jù)測(cè)量原理分類(lèi),有浮子式、超聲波式、射頻導(dǎo)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(duì)常見(jiàn)技術(shù)分別詳細(xì)介紹。
3.1 浮子
浮子式油水界面測(cè)量設(shè)備(普通的磁翻板液位計(jì))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(jié)合磁致伸縮技術(shù)進(jìn)行信號(hào)遠(yuǎn)傳。該方法操作簡(jiǎn)單、單一介質(zhì)測(cè)量時(shí)精度準(zhǔn),但在分離器的油水界面應(yīng)用時(shí),乳化層的形態(tài)和寬度是不斷變化的,會(huì)造成測(cè)量誤差增大,且安裝方式為外置,液位計(jì)腔室內(nèi)液位流動(dòng)性差,從而影響準(zhǔn)確測(cè)量。
3.2 雷達(dá)/超聲波油水界面檢測(cè)儀
雷達(dá)/超聲波式界面檢測(cè)儀利用頻差原理和復(fù)合脈沖雷達(dá)技術(shù),即用同一天線將一段調(diào)制過(guò)的脈沖發(fā)射并接收,將接收到的信號(hào)與被測(cè)介質(zhì)表面反射回來(lái)的脈沖信號(hào)進(jìn)行比較,利用兩者頻差計(jì)算所測(cè)距離,據(jù)此得到被測(cè)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(cè),避免了因接觸造成的粘結(jié)、泄漏、清洗等應(yīng)用弊端,但易受到容器內(nèi)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(cè)量精度,且安裝不允許被遮擋,對(duì)于容器內(nèi)裝有空冷或加熱盤(pán)管的場(chǎng)合不適用。
3.3 射頻導(dǎo)納
射頻導(dǎo)納界面檢測(cè)儀利用高頻無(wú)線電波譜測(cè)量導(dǎo)納,利用油、水相差很大的介電常數(shù)區(qū)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)充斥著高導(dǎo)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(cè)量電容或電導(dǎo)率將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。該技術(shù)通過(guò)引入其他測(cè)量參量,如電阻參數(shù),使檢測(cè)信號(hào)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(cè)量介質(zhì)密度實(shí)現(xiàn)界面測(cè)量。利用放射性源中含有放射性同位素镅(AM)γ射線測(cè)量介質(zhì),在相應(yīng)位置安裝2個(gè)探測(cè)器,對(duì)γ射線探測(cè)器進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析,依據(jù)射線的不同性質(zhì)就可以識(shí)別出被測(cè)介質(zhì)的密度,從而轉(zhuǎn)換成物理信號(hào),2個(gè)探測(cè)器可以相互冗余,從而使測(cè)量更加準(zhǔn)確可靠。每一個(gè)放射源射線對(duì)準(zhǔn)的僅僅是相應(yīng)高度的射線探測(cè)器,輻射線在通過(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(cè)方法
磁致伸縮界面測(cè)量技術(shù)利用磁致伸縮效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量,探測(cè)器發(fā)出低電流脈沖,在磁致伸縮線周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng),同時(shí)內(nèi)置磁鐵的浮子對(duì)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(dǎo)扭曲的脈沖,通過(guò)探測(cè)兩脈沖時(shí)間差確定浮子位置,實(shí)現(xiàn)油水界面檢測(cè)。磁致伸縮式液位計(jì)有兩種:①自帶浮球和磁環(huán),在被測(cè)容器的內(nèi)部嵌入式測(cè)量,單一介質(zhì)液位精度高,穩(wěn)定性好;②不帶浮球和磁環(huán),需要搭配磁翻板液位計(jì)共同使用,利用磁翻板液位計(jì)浮球上的磁環(huán)產(chǎn)生磁場(chǎng)進(jìn)行液位測(cè)量,優(yōu)缺點(diǎn)和浮子式液位計(jì)一致,同時(shí)受設(shè)備本體振動(dòng)影響較大,高振動(dòng)場(chǎng)所會(huì)出現(xiàn)液位計(jì)的跳變,影響測(cè)量準(zhǔn)確度。
3.6 技術(shù)對(duì)比分析
針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合,對(duì)上述幾種油水界面儀器進(jìn)行了一些優(yōu)劣勢(shì)分析,如表1所示。
4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用選型經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)
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(fù)雜性,也會(huì)影響設(shè)備測(cè)量準(zhǔn)確性,導(dǎo)致內(nèi)部設(shè)備結(jié)垢嚴(yán)重;化學(xué)藥劑導(dǎo)致的隨機(jī)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(dǎo)管還容易結(jié)垢等問(wèn)題。以下根據(jù)實(shí)際工況,給出了在液體量多、液位波動(dòng)大應(yīng)用場(chǎng)景下,應(yīng)用選型考量因素:①結(jié)合現(xiàn)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(xiàn)場(chǎng)操作或巡視人員現(xiàn)場(chǎng)查看的安裝環(huán)境;③測(cè)量介質(zhì)的組成密度、成分組成;④測(cè)量容器的內(nèi)部組成、結(jié)構(gòu)空間;⑤測(cè)量位置的確定;⑥便于維護(hù)保養(yǎng),測(cè)量穩(wěn)定;⑦經(jīng)濟(jì)適用好,性?xún)r(jià)比高。
磁翻板液位計(jì)帶磁致伸縮桿液位變送器和雷達(dá)/超聲波組合測(cè)量:浮子液位計(jì)可確保現(xiàn)場(chǎng)操作人員直觀查看,但浮子密度的制約性及現(xiàn)場(chǎng)工藝的隨機(jī)性,會(huì)使液位的測(cè)量存在相對(duì)誤差,再加上浮子液位計(jì)是通過(guò)連通器原理外置安裝,浮子腔室內(nèi)的介質(zhì)不能流動(dòng),造成浮子液位計(jì)乳化層與分離器內(nèi)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(diào)使用;外帶磁式伸縮桿的好處是減少帶浮子的內(nèi)置式疲勞磨損,減少浮子卡塞造成液位計(jì)故障幾率,使用壽命長(zhǎng),測(cè)量較穩(wěn)定,現(xiàn)在采油平臺(tái)應(yīng)用較為廣泛。
另一組液位計(jì)從雷達(dá)/超聲波界面儀、射頻導(dǎo)納式界面儀、核子界面儀中選擇,目前采油平臺(tái)都有涉及應(yīng)用。這三種的共性是都屬于內(nèi)置式,安裝在分離器頂部,都有探測(cè)桿插入到分離器內(nèi)部,屬于接觸式直接測(cè)量液位計(jì),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(dá)/超聲波界面儀結(jié)構(gòu)#為簡(jiǎn)單,但是受乳化層和泡沫層的影響#大,利于檢修維護(hù),經(jīng)濟(jì)性好;射頻導(dǎo)納式界面儀不易調(diào)試,但測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確;核子界面儀測(cè)量#準(zhǔn),可以分別測(cè)量出多個(gè)界面的分布,準(zhǔn)確度#高初次安裝后免維護(hù),但是日常無(wú)法檢修和保養(yǎng),并且價(jià)格昂貴,存在放射源泄漏風(fēng)險(xiǎn),綜合以上考慮,對(duì)于油水界面的測(cè)量應(yīng)優(yōu)先選擇射頻導(dǎo)納式界面儀。綜上所述,在海上采油平臺(tái)因設(shè)備與工藝流程的局限性造成的界面不穩(wěn)定情況下,優(yōu)選選擇磁翻板帶磁式伸縮桿液位計(jì)和射頻導(dǎo)納式液位計(jì)的組合測(cè)量相對(duì)#好。
5 結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)當(dāng)前界面測(cè)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(dá)到shijielingxian水平,能夠很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求。隨著智慧工業(yè)、全自動(dòng)化技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人等新工業(yè)技術(shù)的涌現(xiàn),油水界面測(cè)量技術(shù)在未來(lái)的發(fā)展方向也會(huì)向著智能化、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(cè)量?jī)x表的測(cè)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(cè)量?jī)x器的系統(tǒng)化發(fā)展,并且具備和DCS通訊遠(yuǎn)傳、交互能力,將成為未來(lái)發(fā)展的另一主要方面。