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伺服式液位計在油水界面測量領(lǐng)域的應用
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時(shí)間：2011-04-01
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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長(cháng)期以來(lái)，油田的油水界面測量一直是工業(yè)過(guò)程測量領(lǐng)域的一個(gè)難題，而油水界面這一參數對于每一個(gè)采油廠(chǎng)都是非常重要的，其中涉及到了財務(wù)結算等關(guān)鍵性的問(wèn)題，所以急待解決?；谶@種背景，我們對這一課題進(jìn)行了攻關(guān)，經(jīng)過(guò)反復的實(shí)踐、摸索，終于成功地利用伺服式液位計解決了這一難題。
伺服式液位計一直被廣泛地用于儲罐液位的高精確度測量，因為它是一種多功能儀表，既可以測量液位也可以測量界面、密度和罐底等參數。
伺服式液位計基于浮力平衡的原理，由微伺服電動(dòng)機驅動(dòng)體積較小的浮子，能精確地測出液位等參數。如圖1所示，浮子用測量鋼絲懸掛在儀表外殼內，而測量鋼絲纏繞在精密加工過(guò)的外輪鼓上；外磁鐵被固定在外輪鼓內，并與固定在內輪鼓的內磁鐵耦合在一起。
當液位計工作時(shí)，浮子作用于細鋼絲上的重力在外輪鼓的磁鐵上產(chǎn)生力矩，從而引起磁通量的變化。輪鼓組件間的磁通量變化導致內磁鐵上的電磁傳感器(霍爾元件)的輸出電壓信號發(fā)生變化。其電壓值與儲存于CPU中的參考電壓相比較。當浮子的位置平衡時(shí)，其差值為零。當被測介質(zhì)液位變化時(shí)，使得浮子浮力發(fā)生改變。其結果是磁耦力矩被改變，使得帶有溫度補償的霍爾元件的輸出電壓發(fā)生變化。該電壓值與CPU中的參考電壓的差值驅動(dòng)伺服電動(dòng)機轉動(dòng)，調整浮子上下移動(dòng)重新達到平衡點(diǎn)。整個(gè)系統構成了一個(gè)閉環(huán)反饋回路(如圖1所示)，其精確度可達±0.7mm，而且，其自身帶有的掛料補償功能，能夠補償由于鋼絲或浮子上附著(zhù)被測介質(zhì)導致的鋼絲張力的改變。 
圖1 液位計系統構成
測量界面的原理與伺服式液位計基本相同，即根據原油與水兩種介質(zhì)密度的不同導致所受浮力的不同而進(jìn)行精確的界面測量。
當今，世界自動(dòng)化儀表行業(yè)有很多種儀表可以進(jìn)行界面測量，而為什么在油田的油水界面測量方面又幾乎是一個(gè)空白呢？這主要是由于這一場(chǎng)合不同于其他界面測量，工藝條件極其復雜。
原油從油井里被打出來(lái)后，經(jīng)過(guò)加熱，送到采油站進(jìn)行計量，再經(jīng)過(guò)中轉站進(jìn)行分離后進(jìn)入聯(lián)合站。在聯(lián)合站，首先經(jīng)過(guò)計量、加熱，而后將原油送至一級沉降罐(在一級沉降罐內原油一般常年保持在60℃左右)，經(jīng)過(guò)沉降分離送至中間罐，然后經(jīng)過(guò)脫水泵脫水，再經(jīng)過(guò)二次加熱進(jìn)入二級沉降罐(在二級沉降罐內原油一般常年保持在80℃左右)，最后送到成品罐，需要進(jìn)行油水界面測量的是一級沉降罐和二級沉降罐。一級沉降罐和二級沉降罐的罐高一般在13m左右，罐底設有一個(gè)排水孔，罐上部大約在11m左右的位置設有一個(gè)溢流孔，原油進(jìn)料口一般從底部伸到罐的中部，大約在7m左右的位置。(如圖2所示)。當原油從7m左右的位置進(jìn)入到罐中時(shí)，由于破乳劑及重力和浮力等因素的影響，密度較小的原油會(huì )向上升，密度較大的水會(huì )向下沉降，從理論上講，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的沉降可以得到一個(gè)清晰的原油與水的分界面。 
圖2 油水界面
但是在實(shí)際應用中，現場(chǎng)工況要復雜得多。由于不同產(chǎn)地的原油密度都不盡相同，再加上進(jìn)料帶來(lái)的擾動(dòng)、破乳劑和沉降時(shí)間等諸多因素，從而導致了在原油層與水層中間存在著(zhù)一個(gè)厚薄不一、密度梯度不定的過(guò)渡層，習慣上稱(chēng)之為乳化層。在這一乳化層中存在著(zhù)水包油(W/O)、油包水(O/W)，甚至水/油/水(W/O/W)或油/水/油(O/W/O)分層等更為復雜的體系，正是由于存在了這一如此復雜的乳化層，使得絕大多數界面儀在遇到這種工況時(shí)無(wú)法測量，而伺服式液位計能夠從多界面測量?jì)x表中脫穎而出，成功地應用于這一極端惡劣的工況，正是由于它獨特的原理，以及先進(jìn)的自我維護功能。
伺服式液位計在測量油水界面時(shí)，也是基于浮力平衡的基本原理，與測量液位不同的是，在測量界面時(shí)需要首先在表里輸入“上密度”和“中密度”兩個(gè)值，這兩個(gè)值是根據理論值以及實(shí)際應用經(jīng)驗相結合得出的。從理論上講，原油的密度在0.88g/cm3~0.92g/cm3左右，水的密度是一個(gè)常數，為1g/cm3，但在實(shí)際應用中即使是最上層的原油也會(huì )含少量的水，同樣，最下層的水也會(huì )含少量的油，所以上層原油的密度要大于實(shí)際值，而下層水的密度在0.99g/cm3左右。在理想工況下，界面非常清晰，此時(shí)浮子處于兩層之間(如圖3所示)，鋼絲所受張力為：
T=W－(V－Vb)×ρ1+Vβ×ρ2
式中：T——鋼絲張力；
W——浮子重力；
V——浮子體積；
Vb——浮子平衡時(shí)浸入的下部體積；
ρ1——上密度；
ρ2——中密度。
其中，W、V和Vβ均刻在浮子上為常數。 
圖3 浮子位置
在實(shí)際應用中，存在著(zhù)乳化層，乳化層的密度梯度為非線(xiàn)性，而且隨時(shí)在變化。由于沒(méi)有明顯的界面，所以我們這時(shí)在測量界面時(shí)，實(shí)際上是通過(guò)調整ρ1和ρ2兩個(gè)值來(lái)測量某一位置，該位置的密度是相對固定的，即含油與含水的百分率是相對固定的，例如，通過(guò)調整ρ1、ρ2值，我們可以找到含油、含水各50%的位置，也可以找到含油70%、含水30%的位置。伺服式液位計實(shí)際上是通過(guò)測量鋼絲上的張力來(lái)測量界面的，而鋼絲的張力正比于介質(zhì)的密度。所以，無(wú)論浮子找到的是哪一級密度梯度，其含油(含水)百分率都是相對固定的，伺服式液位計應用于這一領(lǐng)域最大的優(yōu)點(diǎn)就是它的測量值重復性非常好，這是其他類(lèi)型儀表如射頻導納式界面儀所無(wú)法比擬的。
伺服式液位計與人工撈樣之間的比較，優(yōu)點(diǎn)是明顯的。采用人工撈樣進(jìn)行化驗分析這種手段，由于撈樣手法、下罐進(jìn)度、停留時(shí)間等一系列的原因均會(huì )造成撈樣成分的改變，而在化驗過(guò)程中不同的化驗手段同樣會(huì )引起不同的結果，從而導致了較大的系統誤差；而伺服式液位計是一種高精確度的計量級儀表，測量界面時(shí)可以達到±2.7mm的精確度。伺服式液位計作為一種先進(jìn)的智能儀表，可以省去大量人力，可以遠距離監控。
由于伺服式液位計采用的是浮力平衡的原理，所以其在測量界面時(shí)只與密度的變化有關(guān)，而與其他因素無(wú)關(guān)。這樣大大地提高了系統的精確度與穩定性。
在現場(chǎng)，我們把伺服式液位計與射頻導納式液位計之間的測量進(jìn)行了比較。
射頻導納式液位計采用的是利用高頻電流測量探頭與容器兩個(gè)極板之間的電容值來(lái)計算出液位，它是在傳統電容式物位計的基礎上進(jìn)行了改進(jìn)，增加了探頭根部抗粘附、抗冷凝的功能。但射頻導納式液位計在這一工況的實(shí)際應用中并不理想，主要原因有兩點(diǎn)。一是當沉降罐排水時(shí)，油水界面下降，原油層下降到罐內較低位置，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，由于不斷的進(jìn)料，水不斷的沉降，使得油水界面上升，但是由于原油的附著(zhù)性，在探桿表面還會(huì )附著(zhù)一層油膜。射頻導納式液位計所測量出的電容量為
C=ε×S/D
式中：ε——電容兩極板間介質(zhì)的介電常數；
S——極板面積；
D——極板間距離。
由此公式可知，介質(zhì)介電常數的變化是影響測量的關(guān)鍵。
在使用射頻導納式液位計測量油水界面時(shí)，首先要進(jìn)行實(shí)際標定，并且調整ε值到一適當的位置，測量才能夠準確。由于界面上升后仍然存在著(zhù)一層油膜附著(zhù)在探桿上，使得該位置的ε值并不代表實(shí)際應檢測的界面的ε值，所以會(huì )導致很大的測量誤差。
其二，由于在原油層與水層之間存在著(zhù)厚薄不定的乳化層，而乳化層也不是單一的層面，存在著(zhù)油包水、水包油，以及化學(xué)聚合物等，所以其內部物性、理化性能均十分不穩定，再加上進(jìn)料帶來(lái)的擾動(dòng)使得該乳化層內部互相交錯，非常復雜，而射頻導納式液位計檢測的是導電性發(fā)生階躍變化的電界面，而且要求上下層的介質(zhì)導電性至少相差5倍以上才能準確地進(jìn)行測量，所以在介質(zhì)導電性模糊不清的工況是無(wú)法很好地測量的。
在實(shí)際現場(chǎng)，我們在同一罐上同時(shí)使用了伺服式液位計和射頻導納式液位計，并同時(shí)送信號到控制室的微機屏幕上進(jìn)行顯示。結果，射頻導納式液位計的信號波動(dòng)非常不穩定，波動(dòng)最大超過(guò)了20cm，而伺服式液位計的測量結果非常穩定，由此我們看到伺服式液位計在測量油水界面時(shí)其穩定性和重復性是射頻導納等其他儀表所無(wú)法比擬的。
總之，在油田的采油廠(chǎng)使用伺服式液位計測量油水界面，其精確度、重復性、穩定性都令用戶(hù)滿(mǎn)意，并且由于它工作可靠、操作簡(jiǎn)單、易于維護，使得撈樣工
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