原油沉降罐在線改造中油水界位測量儀表的選型探討

藺權(quán)權(quán),張小平，陽思遠(yuǎn)

(1. 中國石油工程建設(shè)有限公司 俄羅斯分公司，北京 100101；2. 中油國際尼羅河公司，北京 100034)

隨著油田開發(fā)時(shí)間的推進(jìn)，井口采出的原油含水率也會(huì)逐年遞增，繼續(xù)使用調(diào)節(jié)水箱進(jìn)行油水界面調(diào)節(jié)，無法使集油站內(nèi)沉降罐生產(chǎn)水中的含油量和原油含水率滿足設(shè)計(jì)要求，直接影響著下游外輸原油和生產(chǎn)水的進(jìn)一步處理過程。通過油水界面檢測與沉降罐產(chǎn)出水管線上調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖，將油水界面維持在一定的范圍內(nèi)，可以顯著地增加沉降效果，保證油水出口的產(chǎn)品指標(biāo)滿足技術(shù)要求。以某油田集油站原油沉降罐在線改造為例，介紹了工藝流程，對(duì)油水界位測量儀表選型進(jìn)行了論述，給出了單法蘭差壓液位變送器在投油沉降罐油水界位測量中的應(yīng)用及評(píng)價(jià)。

1 工藝概述

原油自油田井口開采出來之后，通過集油管道進(jìn)入集油站進(jìn)行油氣水的分離。在集油站內(nèi)部，進(jìn)站原油首先經(jīng)過三相分離器進(jìn)行一級(jí)分離，產(chǎn)出的含水原油流入原油沉降罐在破乳劑的參與下進(jìn)行重力沉降，完成二級(jí)分離。沉降罐產(chǎn)出的原油需滿足含水率低于10%的技術(shù)要求，然后通過外輸泵輸送到下一級(jí)站場。該集油站內(nèi)原有的沉降罐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 沉降罐結(jié)構(gòu)示意

在沉降罐建造之前，通常會(huì)根據(jù)油水介質(zhì)密度、處理量等工藝參數(shù)計(jì)算出收水系統(tǒng)的沿程摩阻，然后合理設(shè)置調(diào)節(jié)水箱的高度來對(duì)油水界面進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而使沉降罐產(chǎn)出的含水原油達(dá)到外輸?shù)囊?。某油田運(yùn)行一段時(shí)間后，原油含水率達(dá)到了一個(gè)很高的水平，原油沉降罐的調(diào)節(jié)水箱已經(jīng)不能很好地進(jìn)行油水界面調(diào)節(jié)，沉降罐產(chǎn)出物的質(zhì)量不再滿足規(guī)定要求，因而需要對(duì)沉降罐進(jìn)行局部改造。

由于含水率與油水界面存在一定的關(guān)系[1]，可以通過測量儲(chǔ)罐油水界面高度，將其與儲(chǔ)罐排水線新增調(diào)節(jié)閥進(jìn)行聯(lián)鎖，調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度來控制油水界面高度，進(jìn)而控制沉降罐出口原油的含水率。該集油站在線改造沉降罐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)及工藝條件見表1所列。

表1 沉降罐設(shè)計(jì)參數(shù)及工藝條件

圖1中頂部安裝有伺服液位變送器來測量大罐液位，該伺服液位變送器與緊急停車系統(tǒng)聯(lián)鎖可防止冒罐事故的發(fā)生。此外，罐頂和底部均有備用DN80的法蘭口可供油水界位儀表使用。

2 油水界面儀表選型

由于油水密度不同，在化學(xué)藥劑及重力的作用下，沉降罐經(jīng)過一段時(shí)間后可以得到一個(gè)清晰的油水分界面。油水界面測量儀表的選型主要考慮如下幾個(gè)方面的內(nèi)容： 是否適用于漸變密度界面測量、是否受氣泡影響、是否受介質(zhì)高黏度和介電常數(shù)變化的影響、儀表的測量精度等[2]。對(duì)于原有的沉降罐在線改造，還要考慮安裝和維護(hù)的方便性。用于油水界面測量的儀表通常有導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)、伺服液位計(jì)、射頻導(dǎo)納液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)和和差壓液位計(jì)等。

1) 雷達(dá)液位計(jì)。雷達(dá)波可以部分穿透液位表面，并在兩種介質(zhì)的界面上產(chǎn)生反射，通過測量雷達(dá)波反射時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出界面的高度[3-4]。雷達(dá)液位計(jì)可測量液位及界面高度，用于界面測量時(shí)需保證液-液有清晰的界面。雷達(dá)液位計(jì)一般安裝在罐頂，需要安裝導(dǎo)向管，對(duì)于投產(chǎn)的油罐需要進(jìn)行清罐、動(dòng)火焊接。從表1中可以看出，油水密度差僅有82.8 kg/m3左右，密度差小，油水界面不清晰，同時(shí)現(xiàn)場反映介質(zhì)伴有氣泡產(chǎn)生，容易造成雷達(dá)波的閃射，因此不建議采用雷達(dá)液位計(jì)。

2) 伺服液位計(jì)?；诟×ζ胶庠恚珜?shí)際上是通過測量鋼絲上的張力來測量界面，由于鋼絲的張力與介質(zhì)的密度成正比，因而在測量界面時(shí)只需測量密度的變化即可。伺服液位計(jì)由浮子、鋼絲和伺服變送器組成，伺服變送器通過內(nèi)部的伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)體積較小的浮子，進(jìn)而可以精確測量液位及界面高度。目前伺服液位計(jì)測量油水界面技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在各大油田、石化行業(yè)新建項(xiàng)目上得到廣泛應(yīng)用[5-6]。伺服液位計(jì)通常在沉降罐頂部安裝，為保證測量效果，穩(wěn)定油水界面，需安裝在直徑不小于DN200的導(dǎo)向管內(nèi)。對(duì)于已投產(chǎn)的進(jìn)液儲(chǔ)罐，需要進(jìn)行停產(chǎn)、清罐、動(dòng)火焊接并安裝導(dǎo)向管。

3) 射頻導(dǎo)納液位計(jì)。主要利用高頻無線電波測量導(dǎo)納，進(jìn)而測量液位及界面高度[7]。儀表工作時(shí)，儀表的傳感器與罐壁及被測介質(zhì)形成導(dǎo)納值，物位變化時(shí)，導(dǎo)納值也相應(yīng)變化，電路單元將測量的導(dǎo)納值轉(zhuǎn)換為物位信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)物位的測量。測量界面時(shí)要求兩種介質(zhì)的介電常數(shù)有一定的差異，同時(shí)射頻導(dǎo)納液位計(jì)測量界面對(duì)上層介質(zhì)的厚度以及界面的清晰度有要求。射頻導(dǎo)納液位計(jì)通常垂直液面安裝，油水界位測量時(shí)需安裝導(dǎo)向管，對(duì)于投產(chǎn)油罐需要進(jìn)行清罐，動(dòng)火焊接。陳子琦通過在同一罐上同時(shí)使用了射頻導(dǎo)納液位計(jì)和伺服液位計(jì)，發(fā)現(xiàn)射頻導(dǎo)納式液位計(jì)的信號(hào)波動(dòng)非常不穩(wěn)定，波動(dòng)最大超過了20 cm，而伺服液位計(jì)的測量結(jié)果卻非常穩(wěn)定[8]。本次改造的沉降罐油水介質(zhì)密度差較小，界面不夠清晰，因此不建議選用射頻導(dǎo)納液位計(jì)。

4) 磁致伸縮液位計(jì)。磁致伸縮液位計(jì)由浮球、內(nèi)置脈沖發(fā)生器和接收器的變送器、裝有磁致伸縮線的不銹鋼測量管構(gòu)成[9]。正常工作時(shí)，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的電流脈沖沿導(dǎo)波管進(jìn)行傳輸并形成相應(yīng)的電磁場，在其與浮子磁場相遇后，便形成了螺旋形磁場，導(dǎo)致波導(dǎo)絲發(fā)生扭曲，從而形成對(duì)扭轉(zhuǎn)彈性波的激發(fā)，通過該彈性波實(shí)現(xiàn)了對(duì)浮子位置的計(jì)算并獲得液位的準(zhǔn)確位置。磁致伸縮液位計(jì)不適用于黏稠性液體的液位測量，容易造成浮子卡頓。對(duì)于已經(jīng)投產(chǎn)的原油沉降罐，可采用頂裝式磁致伸縮液位計(jì)測量油水界位，但需要安裝導(dǎo)向管、清罐、動(dòng)火焊接等工作。

5) 差壓液位計(jì)。通過測量容器兩端的差壓得到液位，當(dāng)沉降罐的油水界位發(fā)生變化時(shí)，油水界面對(duì)沉降罐底部的靜壓差也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。聶華等對(duì)差壓式液位計(jì)取壓方法進(jìn)行了深入的研究[10]，對(duì)于壓力容器，通常采用兩點(diǎn)取壓的方式測量液位的高度。對(duì)于微正壓操作下的原油沉降罐，可以采用單法蘭差壓液位變送器來近似測量油水界面的高度。與伺服液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)相比，差壓液位計(jì)需要通過壓差及介質(zhì)密度來推算液位，精度相對(duì)較差，但其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，不受罐體內(nèi)部介質(zhì)黏度、懸浮物的影響。對(duì)于已經(jīng)投油生產(chǎn)的沉降罐，差壓液位計(jì)不需要清罐、安裝導(dǎo)向管及動(dòng)火焊接等操作。

根據(jù)以上的選型分析，現(xiàn)場改造沉降罐界位測量可以使用伺服液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)或單法蘭差壓液位計(jì)。伺服液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)可以獲得精度較高的油水界面測量，但需要關(guān)停上下游關(guān)鍵的工藝單元，會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成較大的影響。相比之下，盡管差壓液位計(jì)精度較低，但不需要停產(chǎn)清罐和動(dòng)火焊接安裝導(dǎo)向管，安裝和操作維護(hù)方便，改造成本較低。經(jīng)過分析和考慮，現(xiàn)場最終采取了單法蘭差壓液位變送器來進(jìn)行在線沉降罐油水界面的測量。

3 單法蘭差壓液位變送器應(yīng)用及評(píng)價(jià)

根據(jù)工藝參數(shù)、電氣防爆等要求，現(xiàn)場采購并安裝了精度為0.075%的單法蘭差壓液位變送器，安裝在沉降罐底部備用的DN80法蘭接口處。由表1可知，沉降罐操作在微正壓工況下，可以通過如下公式計(jì)算沉降罐油水界面的近似位置：

p=ρ水g(h-d)+ρ油g(H-h)

(1)

h=(p+ρ水gd-ρ油gH)/(ρ水-ρ油)g

(2)

式中：p——單法蘭差壓液位變送器測量壓力，kPa；ρ水——沉降罐中水的密度，kg/m3；g——重力加速度，kg/m2；h——油水界面高度，m；d——變送器安裝高度，m；ρ油——沉降罐中油的密度，kg/m3；H——沉降罐液位，m，H由沉降罐原有伺服液位變送器可以測得，油水密度參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)更新。

為了將油水界位維持在一定范圍內(nèi)，在沉降罐水線出口新增1臺(tái)控制閥，與單法蘭差壓液位變送器聯(lián)鎖調(diào)節(jié)油水界面的高度，沉降罐油水界位控制方案如圖2所示。

圖2 沉降罐油水界位控制方案示意

到目前為止，現(xiàn)場生產(chǎn)運(yùn)行已經(jīng)1年多時(shí)間，集油站操作工反饋單法蘭差壓液位變送器維護(hù)方便、運(yùn)行正常，通過與水線調(diào)節(jié)閥構(gòu)成聯(lián)鎖控制回路，可以將沉降罐油水界面維持在一定范圍內(nèi)，下游產(chǎn)品滿足了技術(shù)要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)束語

隨著采出原油含水率的升高，集油站沉降罐的調(diào)節(jié)水箱已經(jīng)逐漸不能保證下游產(chǎn)品的指標(biāo)要求。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，通過單法蘭差壓液位變送器與出水管線調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖控制沉降罐油水界面，在精度允許的情況下可以使通往下游單元的含水原油及含油污水達(dá)到滿意的水平。

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