油水界面測量技術綜述與現(xiàn)場應用選型設計

自動化儀表四廠針對海上采油平臺油氣水分離器局限性及實際應用需求，對標分析現(xiàn)有技術的優(yōu)劣勢，給出了現(xiàn)場應用選型標準建議，對于體積受限、大處理量大波動等多場景下的油水界面快速、高效分離測量意義重大。

1 背景

自動化、智能化越來越多的出現(xiàn)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(xiàn)代儀表提出了更高的技術要求。原除過程相對復雜，需要通過工藝進行油水界面測量及控制。目前常見的油水界面檢測技術主要有浮子浮筒式、雷達/超聲波、射頻導納料位開關磁致伸縮、核子界面檢測等。油水界面測量儀器的作用是測量油水界面，各類油水界面儀的工作特性、適相同，因此在實際使用當中，相互之間是不能完全替代的，本文簡單介紹了以上幾種液位檢測技術的應用原理，并結合實際應用條件給出了作業(yè)現(xiàn)場選型

2 油水界面特性與測量難點

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三級分離：一級分離器、二級分離器、電一、二級分離利用的是重力油水分離法。一級油水分離器進行粗分離，使處理完的原油含水量控制在30%以內，進入二級分離器進行再分離，使處理完的在10%以內，而后進入更細致的電脫分離，使處理后的原油含水控制在3%以內，以符合外輸條件。油井的產(chǎn)量和油質是不斷變化的，油水界面也不斷波好處理效果，需要控制實際的油水界面位置來控制處理流程。

2.2 油水界面測量難點

在原油開采后的工藝處理過程中，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)及寬度會隨著油水混合液的增加時排放隨機變化，出現(xiàn)油包水型和水包油型乳化液。油水混合物通過油水分離在分離器內會形成不同的層。

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

3 油水界面測量技術

油水界面測量技術根據(jù)測量原理分類，有浮子式、超聲波式、射頻導納式、磁致伸縮式、核子式等，各自優(yōu)缺點不同，在不同使用場景下的特性也不盡相常見技術分別詳細介紹。

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，通過懸浮在油水界面中間的特定密度浮子，進高度的判斷，并結合磁致伸縮技術進行信號遠傳。該方法操作簡單、單一介質測量時精度準，但在分離器的油水界面應用時，乳化層的形態(tài)和寬度是不斷成測量誤差增大，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，即用同一天線將一段調制過的脈沖發(fā)射并接收，將接收到的信號與被測介質表面反射回來行比較，利用兩者頻差計算所測距離，據(jù)此得到被測物體表面位置。該儀器適用于各種表面或界面，無接觸檢測，避免了因接觸造成的粘結、泄漏、清洗但易受到容器內蒸汽壓力腐蝕。同時，溫度和濕度會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不適用。

3.3 射頻導納

射頻導納界面檢測儀利用高頻無線電波譜測量導納，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。整個油水分離器可以看成是一個充斥著容器，由一個浸入介質的探頭和絕緣層外殼組成一個純電容，通過測量電容或電導率將測量信號轉化為標準信號。該技術通過引入其他測量參量，如電阻信號的信噪比增加，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）組成密度的不同，測量介質密度實現(xiàn)界面測量。利用放射性源中含有放射性同位γ射線測量介質，在相應位置安裝2個探測器，對γ射線探測器進行監(jiān)測分析，依據(jù)射線的不同性質就可以識別出被測介質的密度，從而轉換成物理信號，以相互冗余，從而使測量更加準確可靠。每一個放射源射線對準的僅僅是相應高度的射線探測器，輻射線在通過介質后會有所衰減，衰減與介質密度有一

3.5 磁致伸縮式界面檢測方法

磁致伸縮界面測量技術利用磁致伸縮效應進行測量，探測器發(fā)出低電流脈沖，在磁致伸縮線周圍產(chǎn)生磁場，同時內置磁鐵的浮子對周邊產(chǎn)生一外部磁場，碰撞出一個波導扭曲的脈沖，通過探測兩脈沖時間差確定浮子位置，實現(xiàn)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)，在被測容器的內量，單一介質液位精度高，穩(wěn)定性好；②不帶浮球和磁環(huán)，需要搭配磁翻板液位計共同使用，利用磁翻板液位計浮球上的磁環(huán)產(chǎn)生磁場進行液位測量，優(yōu)液位計一致，同時受設備本體振動影響較大，高振動場所會出現(xiàn)液位計的跳變，影響測量準確度。

3.6 技術對比分析

針對不同的應用場合，對上述幾種油水界面儀器進行了一些優(yōu)劣勢分析。

4 現(xiàn)場應用選型經(jīng)驗設計

實際工況下，油水界面多是55～80℃油水混合物，并夾雜油泥等物，同時工狀的復雜性，也會影響設備測量準確性，導致內部設備結垢嚴重；化學藥劑乳化層，原油的粘附性，會使短波、射頻等界面儀探頭形成一層薄油膜，罐體本身直徑小，進出分離器的液體量多，液位波動大，造成帶有浮子的界面儀空間狹窄、外部導管還容易結垢等問題。以下根據(jù)實際工況，給出了在液體量多、液位波動大應用場景下，應用選型考量因素：①結合現(xiàn)場流程控制需要采用冗余液位變送器；②提供方便現(xiàn)場操作或巡視人員現(xiàn)場查看的安裝環(huán)境；③測量介質的組成密度、成分組成；④測量容器的內部組成、結構空間；⑤定；⑥便于維護保養(yǎng)，測量穩(wěn)定；⑦經(jīng)濟適用好，性價比高。

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：浮子液位計可確保現(xiàn)場操作人員直觀查看，但浮子密度的制約性及現(xiàn)場工藝的隨機性，量存在相對誤差，再加上浮子液位計是通過連通器原理外置安裝，浮子腔室內的介質不能流動，造成浮子液位計乳化層與分離器內乳化層液位不一致，致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，測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不流通造成的影響誤差，但都無法避免受到乳化層的影響。雷達/超聲為簡單，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，可以分別面的分布，準確度#高初次安裝后免維護，但是日常無法檢修和保養(yǎng)，并且價格昂貴，存在放射源泄漏風險，綜合以上考慮，對于油水界面的測量應優(yōu)先式界面儀。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(wěn)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好。

5 結束語

我國當前界面測量領域的研發(fā)和生產(chǎn)已經(jīng)有了較大提高，在很多技術方面都已達到shijielingxian水平，自動化儀表四廠能夠很好地滿足現(xiàn)場檢測要求。隨著智慧工業(yè)、全術、工業(yè)機器人等新工業(yè)技術的涌現(xiàn)，油水界面測量技術在未來的發(fā)展方向也會向著智能化、自動化發(fā)展。在未來發(fā)展方向有以下幾點需要考慮，地衣，量精度、抗干擾能力、適用性等將成為重點研究方向之一；第二，油水界面測量儀器的系統(tǒng)化發(fā)展，并且具備和DCS通訊遠傳、交互能力，將成為未來發(fā)方面。