核子剖面儀在海洋石油分離器中的研究及應(yīng)用

王飛，吳朝暉，張偉娜

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

海上平臺(tái)石油分離器中的介質(zhì)主要有油、氣、水、固體雜質(zhì)等，一般會(huì)形成泡沫、油、乳化層、水、砂等多層介質(zhì)，各層液位界面區(qū)分不清晰，實(shí)時(shí)變化，測(cè)量困難，特別是對(duì)于重質(zhì)稠油的液位界面，由于油水比重接近，傳統(tǒng)液位計(jì)無法測(cè)量。油水界面測(cè)量不準(zhǔn)確可能導(dǎo)致大量的油水混合物進(jìn)入水處理系統(tǒng)，造成水處理系統(tǒng)負(fù)荷過重，引起污油排海的環(huán)境事故，且隨著油田產(chǎn)量提升的需求，需要更為精確的化學(xué)藥劑控制，因此必須要對(duì)石油分離器的油水界面測(cè)量進(jìn)行應(yīng)用研究。

本文以近年來海上采油平臺(tái)分離器采用的核子剖面儀為基礎(chǔ)，介紹了核子剖面儀應(yīng)用于石油分離器界面測(cè)量的應(yīng)用方式、注意事項(xiàng)和使用效果，并提出了改進(jìn)措施。

1 核子剖面儀簡(jiǎn)介

1.1 工作原理

測(cè)量最基本原理是基于伽馬射線穿透的性質(zhì)，即伽馬射線在穿透一定密度的介質(zhì)后會(huì)衰弱，根據(jù)介質(zhì)的密度不同，衰減程度不同，密度越大對(duì)于伽馬射線衰減程度越強(qiáng)。通過衰減程度測(cè)量出每一段的密度，判斷出每層液位的高度，如圖1所示。

1.2 硬件及系統(tǒng)組態(tài)

核子剖面儀主要由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表和PLC控制單元兩部分組成，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)通過光纖傳輸?shù)街锌豍LC，在上位機(jī)上顯示，不同介質(zhì)用不同的顏色進(jìn)行區(qū)分，可直觀地顯示其每層液位和界面的高度[1]。

核子剖面儀作為一套獨(dú)立的系統(tǒng)，與平臺(tái)的中控系統(tǒng)之間可以通過4mA~20mA或MODBUS/Ethernet等方式與中控通訊。

2 和常規(guī)液位儀表對(duì)比分析

2.1 精度和分離效果

傳統(tǒng)的液位儀表是用來測(cè)量單點(diǎn)而不是剖面，射頻導(dǎo)納式界面儀也僅能測(cè)量簡(jiǎn)單的油水界面，無法測(cè)量泡沫、乳化層和砂的液位，導(dǎo)致泡沫通過氣相出口流出，從而在下游火炬分液灌中堆積，而砂的沉積也減少了分離器的處理量而降低分離效率，分離效果欠佳。

圖1 核子剖面儀工作原理Fig.1 Nucleus Profi ler works

核子剖面儀可以實(shí)時(shí)測(cè)量各個(gè)介質(zhì)的液位信息，精度和分離效果明顯要高于傳統(tǒng)方式。

2.2 油品性質(zhì)影響

傳統(tǒng)的液位儀表對(duì)于高粘度的油品無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量，大量的油污附于測(cè)量板上，造成測(cè)量不準(zhǔn)確，甚至浮子卡死，而且接近的油水密度使常規(guī)液位儀表也無法滿足測(cè)量要求。

剖面儀對(duì)粘度較高的油品能完成測(cè)量，但對(duì)于油品中含有較高含量膠質(zhì)瀝青的工況下，會(huì)影響剖面儀的發(fā)射窗和接收窗，造成測(cè)量不準(zhǔn)確，在使用時(shí)可以通過提高操作溫度的方式來降低操作粘度，減少油污的附著。

2.3 環(huán)境保護(hù)

傳統(tǒng)液位儀表分離精度低，不準(zhǔn)確的分離信息造成過高濃度的油流經(jīng)水出口以及下游濾油設(shè)備的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，可能造成油膜排入大海，造成環(huán)境污染。氣相出口流出的泡沫在下游火炬分液灌中堆積，氣液從火炬系統(tǒng)排出也可能會(huì)導(dǎo)致海洋環(huán)境污染事故。

剖面儀分離效果精度高，可以對(duì)各個(gè)液位進(jìn)行有效控制，環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)小。但是要注意做好放射源的轉(zhuǎn)讓審批和衛(wèi)生防護(hù)等工作，使用時(shí)要嚴(yán)格遵循操維程序，避免產(chǎn)生放射性污染。

2.4 費(fèi)用

傳統(tǒng)液位儀表價(jià)格低，產(chǎn)品成熟，國(guó)內(nèi)外可選范圍大；剖面儀技術(shù)水平較高，可選廠家較少，多為國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格較昂貴[2]。

3 項(xiàng)目應(yīng)用及改進(jìn)措施

3.1 典型應(yīng)用方案

核子剖面儀在海上平臺(tái)上已有成功應(yīng)用，主要用在重質(zhì)稠油相關(guān)的大型中心平臺(tái)、FPSO上。應(yīng)用方式分為兩種：

在某CEP平臺(tái)上，核子剖面儀配合常規(guī)液位儀表共同使用，常規(guī)液位儀表實(shí)現(xiàn)關(guān)斷和調(diào)節(jié)功能，核子剖面儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)中控室組態(tài)畫面的結(jié)果，人為干預(yù)化學(xué)藥劑以及控制效果的調(diào)整[2]。

在某FPSO上，一臺(tái)分離器中安裝兩臺(tái)核子剖面儀，一臺(tái)用于PCS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)液位并控制液位調(diào)節(jié)閥流量，一臺(tái)用于ESD系統(tǒng)關(guān)斷。

可實(shí)現(xiàn)主要控制功能如下：

1）可和常規(guī)液位儀表配合使用，用于監(jiān)測(cè)，人為干預(yù)。

2）直接使用核子剖面儀進(jìn)行液位測(cè)量，并控制油氣水三相出口的液位調(diào)節(jié)閥，調(diào)整分離器液位，提高分離效果。

3）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)砂的高度并報(bào)警，提醒操作人員及時(shí)沖砂或清理，避免砂的沉積減少罐的處理體積，保持分離器的有效處理量。

3.2 改進(jìn)措施

乳化層、泡沫層對(duì)于分離效果影響很大，如無法測(cè)量則無法有針對(duì)性地加入化學(xué)藥劑，造成化學(xué)藥劑加量過多或不足，導(dǎo)致浪費(fèi)或者分離效果欠佳。

在化學(xué)藥劑注入量控制上，可和化學(xué)藥劑的工藝流程配合使用，在每種化學(xué)藥劑的工藝管線上增加液位調(diào)節(jié)閥或開關(guān)閥。當(dāng)乳狀液出現(xiàn)時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到的乳狀液厚度，自動(dòng)加入破乳劑，當(dāng)檢測(cè)到乳狀液消失時(shí)，自動(dòng)停止加入破乳劑，控制破乳劑的加入量，也避免了油從排水管中排出加大下游處理難度。當(dāng)泡沫出現(xiàn)時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到的泡沫層厚度，自動(dòng)加入消泡劑，當(dāng)檢測(cè)到泡沫消失時(shí)，自動(dòng)停止加入消泡劑，控制消泡劑的加入量，也避免了泡沫從排氣管中排出造成安全隱患和藥劑浪費(fèi)。

通過剖面儀監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)化學(xué)藥劑投放進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)化學(xué)藥劑添加量的自動(dòng)調(diào)整及各種藥劑的滯留時(shí)間，從而節(jié)約化學(xué)藥劑，提高分離效果，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4 實(shí)施效果及經(jīng)濟(jì)效益

在使用核子剖面儀之前，工人一般是通過在現(xiàn)場(chǎng)24h手動(dòng)取樣的方式來校準(zhǔn)液位計(jì)實(shí)測(cè)準(zhǔn)確度[3]，工作量大、效率低，且存在液位誤判導(dǎo)致調(diào)節(jié)不當(dāng)?shù)膯栴}。核子剖面儀提高了分離器內(nèi)復(fù)雜液/界面測(cè)量精度和效率，完善了油水分離的自動(dòng)控制方案，分離效率大大提升。

核子剖面儀的測(cè)量原理和測(cè)量效果很好地滿足了油水界面的測(cè)量需求，油水分離效果良好，特別是很好地解決了重質(zhì)稠油的界面測(cè)量，已成為重質(zhì)稠油界面測(cè)量的首選測(cè)量方式。

能夠有效降低化學(xué)藥劑使用量，以某CEP平臺(tái)為例，預(yù)計(jì)每年僅破乳劑一項(xiàng)節(jié)約費(fèi)用約為65萬元。

核子剖面儀地使用還大大降低了潛在的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，良好的分離效果大大減少了泡沫從氣相出口沖入火炬分液罐以及大量油水混合物進(jìn)入水處理流程的風(fēng)險(xiǎn)，更好地履行保護(hù)環(huán)境的社會(huì)責(zé)任，提升企業(yè)形象。

5 總結(jié)

本文介紹了核子剖面儀在海洋石油分離器上的應(yīng)用方案和使用效果，并提出了自動(dòng)投放化學(xué)藥劑的改進(jìn)措施。由于核子剖面儀可以實(shí)現(xiàn)石油分離器內(nèi)各種介質(zhì)完整、準(zhǔn)確的界面監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)各界面的自動(dòng)控制，分離效率大大提升，尤其對(duì)于重質(zhì)稠油有很好的分離效果，同時(shí)還能節(jié)省大量化學(xué)藥劑的費(fèi)用，有效降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，因此具有很好的推廣價(jià)值。

[1]趙軍凱,王啟明,李海文,等.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.

[2]張偉娜.石油分離器液位測(cè)量技術(shù)研究及發(fā)展應(yīng)用[J].儀表技術(shù),2014,05:48-50.

[3]楊忠良.三相分離器增加油水界面看窗改造的建議[J].中國(guó)科技博覽,2012,16:85-86.