伺服電機式液位計在油水界面測量領域的應用
發布者：fennew 發布時間：2011-04-07 08:58:53
本文作者于翔先生，E+H公司技術部產品經理。
關鍵詞：液位計 測量 應用
長期以來，油田的油水界面測量一直是工業過程測量領域的一個難題，而油水界面這一參數對于每一個采油廠都是非常重要的，其中涉及到了財務結算等關鍵性的問題，所以急待解決。基于這種背景，我們對這一課題進行了攻關，經過反復的實踐、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，由微伺服電動機驅動體積較小的浮子，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，浮子作用于細鋼絲上的重力在外輪鼓的磁鐵上產生力矩，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，其差值為零。當被測介質液位變化時，使得浮子浮力發生改變。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生變化。該電壓值與CPU中的參考電壓的差值驅動伺服電動機轉動，調整浮子上下移動重新達到平衡點。整個系統構成了一個閉環反饋回路(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被測介質導致的鋼絲張力的改變。
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密度的不同導致所受浮力的不同而進行精確的界面測量。
當今，世界自動化儀表行業有很多種儀表可以進行界面測量，而為什么在油田的油水界面測量方面又幾乎是一個空白呢？這主要是由于這一場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后，經過加熱，送到采油站進行計量，再經過中轉站進行分離后進入聯合站。在聯合站，首先經過計量、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)，經過沉降分離送至中間罐，然后經過脫水泵脫水，再經過二次加熱進入二級沉降罐(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，罐底設有一個排水孔，罐上部大約在11m左右的位置設有一個溢流孔，原油進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左右的位置進入到罐中時，由于破乳劑及重力和浮力等因素的影響，密度較小的原油會向上升，密度較大的水會向下沉降，從理論上講，經過一定時間的沉降可以得到一個清晰的原油與水的分界面。
但是在實際應用中，現場工況要復雜得多。由于不同產地的原油密度都不盡相同，再加上進料帶來的擾動、破乳劑和沉降時間等諸多因素，從而導致了在原油層與水層中間存在著一個厚薄不一、密度梯度不定的過渡層，習慣上稱之為乳化層。在這一乳化層中存在著水包油(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無法測量，而伺服式液位計能夠從多界面測量儀表中脫穎而出，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，以及先進的自我維護功能。
伺服式液位計在測量油水界面時，也是基于浮力平衡的基本原理，與測量液位不同的是，在測量界面時需要首先在表里輸入“上密度”和“中密度”兩個值，這兩個值是根據理論值以及實際應用經驗相結合得出的。從理論上講，原油的密度在0.88g/cm3~0.92g/cm3左右，水的密度是一個常數，為1g/cm3，但在實際應用中即使是最上層的原油也會含少量的水，同樣，最下層的水也會含少量的油，所以上層原油的密度要大于實際值，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。
在實際應用中，存在著乳化層，乳化層的密度梯度為非線性，而且隨時在變化。由于沒有明顯的界面，所以我們這時在測量界面時，實際上是通過調整ρ1和ρ2兩個值來測量某一位置，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。伺服式液位計實際上是通過測量鋼絲上的張力來測量界面的，而鋼絲的張力正比于介質的密度。所以，無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域最大的優點就是它的測量值重復性非常好，這是其他類型儀表如射頻導納式界面儀所無法比擬的。
伺服式液位計與人工撈樣之間的比較，優點是明顯的。采用人工撈樣進行化驗分析這種手段，由于撈樣手法、下罐進度、停留時間等一系列的原因均會造成撈樣成分的改變，而在化驗過程中不同的化驗手段同樣會引起不同的結果，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，測量界面時可以達到±2.7mm的精確度。伺服式液位計作為一種先進的智能儀表，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只與密度的變化有關，而與其他因素無關。這樣大大地提高了系統的精確度與穩定性。
在現場，我們把伺服式液位計與射頻導納式液位計之間的測量進行了比較。
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極板之間的電容值來計算出液位，它是在傳統電容式物位計的基礎上進行了改進，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際應用中并不理想，主要原因有兩點。一是當沉降罐排水時，油水界面下降，原油層下降到罐內較低位置，經過一段時間后，由于不斷的進料，水不斷的沉降，使得油水界面上升，但是由于原油的附著性，在探桿表面還會附著一層油膜。射頻導納式液位計所測量出的電容量為
C=ε×S/D。
式中 ε——電容兩極板間介質的介電常數
S——極板面積
D——極板間距離
由此公式可知，介質介電常數的變化是影響測量的關鍵。
在使用射頻導納式液位計測量油水界面時，首先要進行實際標定，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一層油膜附著在探桿上，使得該位置的ε值并不代表實際應檢測的界面的ε值，所以會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厚薄不定的乳化層，而乳化層也不是單一的層面，存在著油包水、水包油，以及化學聚合物等，所以其內部物性、理化性能均十分不穩定，再加上進料帶來的擾動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生階躍變化的電界面，而且要求上下層的介質導電性至少相差5倍以上才能準確地進行測量，所以在介質導電性模糊不清的工況是無法很好地測量的。
在實際現場，我們在同一罐上同時使用了伺服式液位計和射頻導納式液位計，并同時送信號到控制室的微機屏幕上進行顯示。結果，射頻導納式液位計的信號波動非常不穩定，波動最大超過了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其穩定性和重復性是射頻導納等其他儀表所無法比擬的。
總之，在油田的采油廠使用伺服式液位計測量油水界面。其精確度、重復性、穩定性都令用戶滿意，并且由于它工作可靠、操作簡單、易于維護，使得撈樣工人從繁重的勞動中解放出來，提高了全廠的自動化水平，它值得進行推廣。
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