海上平臺(tái)稠油液位測量儀表選型設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王飛

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

綏中36-1油田位于渤海遼東灣南部海域，是我國海上最大的自營油田，累產(chǎn)原油產(chǎn)量已達(dá)7000萬噸。該油田原油具有密度大、粘度高、膠質(zhì)瀝青含量高的特點(diǎn)，正常工藝流程中粘度能達(dá)到3000厘泊，屬重質(zhì)稠油。近年來隨著注聚采油技術(shù)的使用，采出的原油含有部分聚合物，混合后呈現(xiàn)絮狀粘稠狀態(tài)，很容易出現(xiàn)測量儀表的工藝接口卡堵問題，冬季時(shí)由于溫度低，卡堵現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，對于測量儀表的選型提出了更高的要求。

本文以綏中36-1二期新建海上采油平臺(tái)的液位儀表選型設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，介紹如何選用適合稠油的液位測量儀表，并提出改進(jìn)方法。現(xiàn)在海上平臺(tái)已經(jīng)投入使用，現(xiàn)場測量效果良好。

1 稠油液位測量儀表選型及應(yīng)用

1.1 工作原理及選型

常用的液位測量儀表有差壓液位計(jì)、超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)、電容式液位計(jì)、放射式液位計(jì)等，其中用于海上平臺(tái)油面液位測量的主要有以下幾種：

1.1.1 差壓式液位計(jì)

差壓式液位計(jì)是采用差壓變送器檢測取壓位置與液位之間的差壓，通過密度轉(zhuǎn)換為液位來測量介質(zhì)液位[1]，一般僅適用于介質(zhì)密度穩(wěn)定的液位測量，如柴油罐、淡水罐等常壓罐的液位測量。由于原油處理流程中的介質(zhì)為油、水加聚合物的混合物，密度不穩(wěn)定，故不適合用于稠油混合物的液位測量和控制。

1.1.2 超聲波、雷達(dá)液位計(jì)

該類液位計(jì)是通過超聲波或雷達(dá)波碰到液面后反射回波，儀表檢測出發(fā)射波及回波的時(shí)差，從而計(jì)算出液面高度[2-3]。該類液位計(jì)容易受到容器內(nèi)油面上的懸浮物和泡沫影響，導(dǎo)致發(fā)射波被吸收和擴(kuò)散，嚴(yán)重時(shí)甚至沒有回波，價(jià)格也比較昂貴。海上平臺(tái)只有在大型儲(chǔ)油平臺(tái)上有使用，在小型容器上與磁致伸縮液位計(jì)無明顯優(yōu)勢，較少使用。

1.1.3 磁致伸縮液位計(jì)

磁致伸縮液位計(jì)是基于磁致伸縮效應(yīng)工作的，主要由電脈沖發(fā)生接收器、波導(dǎo)管和磁性浮子組成。測量時(shí)，電流脈沖沿著波導(dǎo)管傳輸，形成的電磁場與浮子磁場相遇，產(chǎn)生螺旋型磁場，使波導(dǎo)絲扭曲變形, 激發(fā)扭轉(zhuǎn)彈性波，通過該彈性波計(jì)算出浮子的實(shí)際位置，測得液位[4]。磁滯伸縮原理液位儀表價(jià)格相對便宜，是平臺(tái)上行使用最多的液位儀表，不僅僅用于測量原油系統(tǒng)液位，還用于化學(xué)藥劑系統(tǒng)、生產(chǎn)水系統(tǒng)、開閉排系統(tǒng)等?？紤]到液位計(jì)的采辦成本和維護(hù)、備件管理成本，最終選用了磁致伸縮液位計(jì)用于油面測量。

1.2 應(yīng)用方案

由于稠油粘度大，且含有聚合絮狀物，必須要解決工藝連通管堵塞和浮筒中浮球的卡堵問題，下面主要從三個(gè)方面提出磁致伸縮液位計(jì)應(yīng)用的解決方案：

1.2.1 磁滯伸縮液位計(jì)選型

1）針對工藝連通管堵塞的問題，選用較大管徑的連通管，一般標(biāo)準(zhǔn)型號的連通管為1/2 ～4 in，在選型設(shè)計(jì)時(shí)要盡量選擇大管徑的連通管。經(jīng)海上實(shí)際使用情況反饋，至少應(yīng)達(dá)到2 in才能取得較好的防堵塞效果。

2）針對液位計(jì)浮球卡堵的問題，選用較大通徑的浮筒腔體，一般標(biāo)準(zhǔn)型號的浮筒腔體內(nèi)徑為2 ～4 in，建議選用3 in以上標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品；同時(shí)需選用內(nèi)襯S-Teflon等防掛料涂層的浮筒，可以大大減少浮球卡堵問題。

1.2.2 磁滯伸縮液位計(jì)安裝

1）做好保溫伴熱：由于液位計(jì)浮筒腔體內(nèi)原油與容器內(nèi)原油交換緩慢，導(dǎo)致溫差較大，導(dǎo)致浮筒內(nèi)稠油粘度遠(yuǎn)大于容器內(nèi)的稠油粘度，現(xiàn)場施工時(shí)對磁致伸縮液位計(jì)的保溫伴熱要特別注意，需要嚴(yán)格按照保溫伴熱要求進(jìn)行施工，伴熱帶纏繞充分。

2）增加擋風(fēng)裝置

冬天風(fēng)大時(shí)，雖然有保溫伴熱，但是暴露在寒風(fēng)中的磁致伸縮液位計(jì)仍然存在凍堵的情況。平臺(tái)上的擋風(fēng)墻僅能起到部分保護(hù)作用，由于磁致伸縮液位計(jì)安裝位置較高，還需要單獨(dú)增加擋風(fēng)裝置。需根據(jù)現(xiàn)場空間使用情況，考慮維護(hù)空間，適當(dāng)增加擋風(fēng)板，以減少寒風(fēng)影響。綏中36-1二期調(diào)整項(xiàng)目新建的四個(gè)平臺(tái)共有41臺(tái)液位計(jì)增加了擋風(fēng)板，實(shí)際使用效果良好。

1.2.3 磁滯伸縮液位計(jì)維護(hù)

1）磁致伸縮液位計(jì)經(jīng)長期使用后，工藝接口和浮筒內(nèi)部會(huì)累積絮狀物和沉淀物，影響浮子的正常工作，務(wù)必定期進(jìn)行清洗。清洗前首先關(guān)掉工藝接口閥門，排除筒體內(nèi)的余留物質(zhì)。清洗后按原樣裝配，浮子切忽倒置，密封墊應(yīng)更換以防老化泄漏。

2）在日常維護(hù)過程中，應(yīng)注意液位計(jì)讀數(shù)比對，容器上一般有兩個(gè)液位計(jì)，分別用于工藝控制和緊急關(guān)斷系統(tǒng)，當(dāng)讀數(shù)不同時(shí)在中控室上位機(jī)上會(huì)自動(dòng)報(bào)警，儀表人員應(yīng)及時(shí)排查故障原因，避免出現(xiàn)工藝流程調(diào)節(jié)問題。

從2013年底使用情況來看，綏中36-1二期調(diào)整項(xiàng)目新建平臺(tái)選用的磁滯伸縮液位計(jì)沒有發(fā)生凍堵、卡堵的情況，取得了良好的效果。

2 稠油與水界面液位測量儀表選型及應(yīng)用

由于該油田原油密度大，達(dá)到977.5kg/m3，油水密度差別不大，油水界面測量困難，差壓式、超聲波和雷達(dá)式液位計(jì)以及磁滯伸縮液位計(jì)均無法測量，經(jīng)海上實(shí)際使用效果檢驗(yàn)，適合界面測量的儀表主要有射頻導(dǎo)納界面儀和核子界面儀兩種：

2.1 工作原理及選型

2.1.1 核子界面儀

核子界面儀是基于伽馬射線在穿透一定密度的介質(zhì)后會(huì)衰弱的特點(diǎn)進(jìn)行界面測量，介質(zhì)的密度不同，衰減程度不同，密度越大對于伽馬射線衰減程度越強(qiáng)，從而測量出每一段的密度并轉(zhuǎn)換為每層液位的高度。該界面儀測量精度高，并且可以測量乳化層、泡沫層等多個(gè)界面的液位，但是由于核子界面儀價(jià)格非常昂貴，帶放射源[5]，維護(hù)不方便，一般不選用。

2.1.2 射頻導(dǎo)納界面儀

射頻導(dǎo)納是一種電容式界面儀，通過電容量的變化來測量界面液位，一般為插入式，插入的探桿與容器壁之間的相對位置不變，測量時(shí)，當(dāng)液位變化時(shí)，探桿與容器壁間的介質(zhì)組分發(fā)生變化，導(dǎo)致導(dǎo)納值相應(yīng)變化，變送器將測量到的導(dǎo)納值變化轉(zhuǎn)換成液位信號輸出，實(shí)現(xiàn)液位測量[6-7]。該原理的射頻導(dǎo)納界面儀已經(jīng)在海上平臺(tái)上大范圍的應(yīng)用，價(jià)格相對便宜，最終選用了射頻導(dǎo)納界面儀用于稠油水界面測量。

2.2 應(yīng)用及改進(jìn)方案

以綏中36-1新建CEPN平臺(tái)的電脫水撬為例，電脫水內(nèi)部安裝了多層網(wǎng)孔電極板，不允許采用柔性探桿，必須選用硬質(zhì)探桿，導(dǎo)致頂部安裝空間需求很大，上部甲板高度不滿足容器頂部安裝需求，因此選用了外護(hù)筒安裝的方式。由于外護(hù)筒高度低于容器高度，這種安裝方式對頂部安裝空間需求較小。

從現(xiàn)場實(shí)際使用情況來看，外護(hù)筒內(nèi)的溫度遠(yuǎn)低于容器內(nèi)部100℃的操作溫度，導(dǎo)致原油粘度過大，比如在伴熱溫度40℃、含水20%時(shí)，粘度能達(dá)到6456.5 mPa?s，如表1所示，內(nèi)外介質(zhì)交換緩慢，導(dǎo)致測量結(jié)果滯后，液位調(diào)節(jié)效果不好，特別是冬季，滯后現(xiàn)象更為明顯。

表1 SZ36-1 II 含水原油粘度表 (mPa·s)

由表1可知，溫度對于稠油粘度的影響非常大，為了解決好溫度內(nèi)外差別大的問題，應(yīng)采用容器頂部安裝方式。電脫容器內(nèi)操作溫度為100℃，查表1可知，在20%含水、80℃時(shí)，粘度為339mPa?s，遠(yuǎn)低于6456.5 mPa?s，可以很好的減少探桿掛料的情況。由于平臺(tái)空間有限，單獨(dú)因?yàn)樯漕l導(dǎo)納液位計(jì)增加甲板高度成本太高，所以從以下幾個(gè)方面提出改進(jìn)方案：

1）在平臺(tái)的總體布置時(shí)，注意在射頻導(dǎo)納液位計(jì)上部甲板對應(yīng)位置預(yù)留開孔和操作、維護(hù)空間，如開孔布置不開，也可以將上層設(shè)備適當(dāng)抬高安裝高度，留出一定空間，以便于液位計(jì)的提出和維護(hù)。

2）通過合理的工藝流程優(yōu)化和控制，確定合適的界面測量量程，以減少探桿插入深度。

3）選擇表頭可拆卸的射頻導(dǎo)納液位計(jì)，可以減少200～300mm的安裝空間需求。

以綏中36-1新建CEPN平臺(tái)電脫水撬為例，容器頂部距上層甲板3300mm，射頻導(dǎo)納儀表長度約為4000mm，除去表頭后探桿長度為3700mm，仍缺少400mm的頂部空間。其上部甲板對應(yīng)位置為油水分離器，該分離器為無底座安裝，除去保溫伴熱，分離器底部和甲板有500mm空間，滿足提取液位計(jì)所需空間，理論上采用以上措施可以實(shí)現(xiàn)外護(hù)筒安裝改造為容器頂部安裝，具有可實(shí)施性。

總之，對于應(yīng)用于稠油界面測量的射頻導(dǎo)納液位計(jì)，應(yīng)在設(shè)計(jì)之初就考慮好頂部安裝的空間需求，提前預(yù)留好安裝和操維空間，避免后期無法進(jìn)行更換和維護(hù)。

3 結(jié)束語

本文對海上稠油液位儀表的選型設(shè)計(jì)進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對于出現(xiàn)的問題提出了改進(jìn)方法，對于類似稠油平臺(tái)的液位儀表選型提供了技術(shù)參考，具有很好的推廣意義?！?/p>

[1] 吳九輔,湯楠.現(xiàn)代工程檢測及儀表[M].北京:石油工業(yè)出版社,2004.[2] 韓平.超聲波液位計(jì)在液位測量中的應(yīng)用[J].中國儀器儀表,2011,(3):32～34.

[3] 徐占鋒,張娟.雷達(dá)液位測量技術(shù)在海洋工程中的應(yīng)用[J].船舶工程,2007, 29(5):83～85.

[4] 伍艮常.磁致伸縮式液位傳感器[J].儀表技術(shù)與傳感器,2007,(12):9-11.

[5] 趙軍凱,王啟明,李海文,李勇,聶建偉,李艷莉.核子界面儀在海洋石油工業(yè)中的應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備,2008,37(5):83～85.

[6] 穆立新,高智泉.射頻導(dǎo)納式物位計(jì)在石化企業(yè)的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2006,27(1):52-54.

[7] 俞永江,康權(quán),王金燕.射頻導(dǎo)納技術(shù)在蒸發(fā)器液位測量中的應(yīng)用[J].儀器儀表用戶,2011,18(4):63-66.