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、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%以內(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%以內(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%以內(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，有浮子式、超聲波式、射頻導(dǎo)納式、磁致伸縮式、核子式等，各自優(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，在磁致伸縮線周圍產(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，性價(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?，F(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)zui為簡(jiǎn)單，但是受乳化層和泡沫層的影響zui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zui準(zhǔn)，可以分別測(cè)量出多個(gè)界面的分布，準(zhǔn)確度zui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)zui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)到世界領(lǐng)先水平，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，第一，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。