海上油田高振動液位跳變對工藝安全與優(yōu)化選型研究

張奇，陳烽文

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤西作業(yè)公司，天津 300452)

0 引言

本文旨在通過對海上油氣田高振動工況下液位跳變問題的深入研究，探究其對工藝流程安全運行的影響，并提出一系列液位跳變優(yōu)化選型方案，以期為海上油氣田開采提供參考和借鑒，提高工藝流程的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

1 海上油氣田高振動工況下液位跳變原因分析

1.1 海上油氣田高振動工況簡介

海上油氣田的高振動工況是指在海上的鉆井平臺、生產(chǎn)平臺等設(shè)施上，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，加之鉆探、采油、輸送等作業(yè)所引起的振動，使得設(shè)施的振動加速度遠(yuǎn)高于陸上設(shè)施。這些振動的形成有多種因素，包括海浪、風(fēng)浪、平臺設(shè)備的振動等。由于海洋環(huán)境的不可預(yù)知性，在油氣田會發(fā)生在不同的頻率和振幅的振動，因此海上油氣田的高振動工況具有不確定性和隨機(jī)性。

在海上油氣田生產(chǎn)過程中存在液位跳變的問題，是由于平臺振動所導(dǎo)致。液位跳變通常會引起生產(chǎn)設(shè)備的異常運行，甚至可能導(dǎo)致設(shè)備故障和生產(chǎn)事故。因此對海上油氣田高振動工況下的液位跳變問題進(jìn)行研究和分析，有助于提高工藝流程的穩(wěn)定性和安全性，保證生產(chǎn)的連續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性。

1.2 液位跳變原因分析

液位跳變是由于海上油氣田設(shè)備振動所引起的油氣液位變化。發(fā)生的原因主要有以下幾個方面：首先是海浪和風(fēng)浪引起的振動。海上油氣田處于海洋環(huán)境中，海浪和風(fēng)浪是主要的振動源之一，其頻率和振幅不斷變化，會對平臺設(shè)備產(chǎn)生不同程度的振動，這種振動會傳導(dǎo)到儲油罐、管道和設(shè)備上，從而引起油氣液位的變化。其次是生產(chǎn)設(shè)備本身的振動。生產(chǎn)設(shè)備在運行過程中也會產(chǎn)生振動，尤其是高速旋轉(zhuǎn)的泵、壓縮機(jī)等設(shè)備，其振動會直接影響油氣液位。再次是液位控制系統(tǒng)失效。液位控制系統(tǒng)是保持油氣液位穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，但如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如控制閥門失靈、傳感器損壞等，就會導(dǎo)致液位跳變。最后是液位變化引起的自激振動。液位變化也會對設(shè)備產(chǎn)生影響，如產(chǎn)生共振、自激振動等，進(jìn)而導(dǎo)致液位跳變。因此，在設(shè)計和操作海上油氣田生產(chǎn)設(shè)備時，需要綜合考慮環(huán)境因素、設(shè)備振動特性、液位控制系統(tǒng)等因素，以降低液位跳變的發(fā)生率，提高工藝流程的穩(wěn)定性和安全性。

1.3 相關(guān)工藝流程安全運行問題分析

海上油氣田高振動工況下的液位跳變對工藝流程的安全運行會產(chǎn)生多方面的影響。首先是設(shè)備損壞和生產(chǎn)事故。液位跳變會影響生產(chǎn)設(shè)備的正常運行，如果液位控制失效或者設(shè)備自身振動過大，可能導(dǎo)致設(shè)備故障和生產(chǎn)事故的發(fā)生。其次是生產(chǎn)效率下降。液位跳變會導(dǎo)致油氣液位的不穩(wěn)定，這會使生產(chǎn)過程受到干擾，從而降低生產(chǎn)效率和產(chǎn)量。最后是能源浪費和成本增加。液位跳變會導(dǎo)致油氣泄漏、流失等問題，這不僅浪費了有限的能源資源，還會增加生產(chǎn)成本。

2 高振動工況下液位跳變對工藝流程安全運行的影響

2.1 液位跳變對分離器性能的影響

在海上油氣田高振動工況下，液位跳變會對分離器的性能產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在：首先是分離效率降低。分離器是用于將油、氣、水等不同物質(zhì)進(jìn)行分離的設(shè)備。當(dāng)液位發(fā)生跳變時，可能會導(dǎo)致不同物質(zhì)的相互混合，從而降低分離效率。其次是凝聚水位變化。凝聚水是指從氣態(tài)水蒸氣中析出的水滴，其高度與液位高度有關(guān)。當(dāng)液位發(fā)生跳變時，凝聚水的高度也會發(fā)生變化，從而影響分離器中氣體的純度。再次是操作穩(wěn)定性降低。分離器操作需要考慮多種參數(shù)，如進(jìn)料流量、溫度、壓力、液位等。液位跳變會導(dǎo)致這些參數(shù)發(fā)生變化，從而降低操作的穩(wěn)定性。最后是疲勞壽命下降。分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)會在振動環(huán)境下發(fā)生疲勞損傷，液位跳變會加劇這種損傷，從而降低分離器的壽命。因此，為了降低液位跳變對分離器性能的影響，需要采取一些有效的措施，從而保障工藝流程的安全運行[1]。

2.2 液位跳變對儲罐穩(wěn)定性的影響

在海上油氣田高振動工況下，液位跳變還會對儲罐的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在：(1)壓力波動。液位跳變會導(dǎo)致儲罐內(nèi)壓力的波動，從而影響儲罐的穩(wěn)定性。特別是當(dāng)液位迅速下降時，會產(chǎn)生負(fù)壓波，使儲罐內(nèi)部壓力降低，如果壓力過低，可能會導(dǎo)致儲罐內(nèi)的油氣產(chǎn)生汽化和爆炸等危險。(2) 油位超限。液位跳變也可能導(dǎo)致儲罐油位超限，這會導(dǎo)致儲罐的穩(wěn)定性下降。當(dāng)油位超過儲罐的設(shè)計高度時，可能會造成液體泄漏和罐體傾覆等危險。(3)機(jī)械應(yīng)力。液位跳變也會引起儲罐內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力變化。儲罐內(nèi)部的液體和氣體在液位跳變時會產(chǎn)生劇烈的沖擊和摩擦力，從而引起儲罐壁和附件的機(jī)械應(yīng)力變化。

2.3 液位跳變對管道運輸?shù)挠绊?/h3>

可以通過加強(qiáng)管道的支撐結(jié)構(gòu)和管道材料的抗振能力，提高管道的穩(wěn)定性；加強(qiáng)管道內(nèi)部液位監(jiān)測和控制系統(tǒng)的精度和可靠性，及時掌握液位變化情況，減少液位跳變的發(fā)生，確保生產(chǎn)過程的順利進(jìn)行[2]。

3 液位跳變優(yōu)化選型方案

3.1 液位測量技術(shù)

為了解決海上油氣田高振動工況下液位跳變對工藝流程安全運行的影響，可以采用液位測量技術(shù)進(jìn)行液位跳變優(yōu)化選型。液位測量技術(shù)主要包括：(1) 振弦式液位計。振弦式液位計是一種基于聲學(xué)原理的液位測量技術(shù)，利用聲波在液體中傳播的速度和回波時間來確定液位高度。振弦式液位計具有精度高、可靠性強(qiáng)、不受液體性質(zhì)和溫度變化的影響等優(yōu)點，可以有效應(yīng)對高振動工況下液位跳變的問題。(2) 磁翻板液位計。磁翻板液位計是一種機(jī)電式液位測量技術(shù)，該技術(shù)利用磁性翻板和磁性探頭之間的磁力作用來確定液位高度。磁翻板液位計具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、可靠性高等優(yōu)點，但由于機(jī)械部件容易受到振動的影響，因此在高振動工況下可能會產(chǎn)生一定的誤差。(3)壓力式液位計。壓力式液位計是一種基于壓力原理的液位測量技術(shù)，該技術(shù)利用液體所產(chǎn)生的壓力與液位高度之間的關(guān)系來確定液位高度。壓力式液位計具有響應(yīng)速度快、精度高、不受振動和噪音干擾的影響等優(yōu)點，可以適用于高振動工況下的液位測量。

3.2 液位控制技術(shù)

解決海上油氣田高振動工況下液位跳變對工藝流程安全運行的影響，可以采用液位控制技術(shù)進(jìn)行液位跳變優(yōu)化選型。液位控制技術(shù)主要包括以下幾種：(1)反饋控制。反饋控制是一種常用的液位控制技術(shù)。該技術(shù)通過測量實際液位并與設(shè)定液位進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生誤差信號，并通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使實際液位逐漸趨近于設(shè)定液位。反饋控制技術(shù)可以有效地應(yīng)對液位跳變的問題，但對控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性要求較高。(2)前饋控制。前饋控制是一種在液位變化前預(yù)先進(jìn)行控制的技術(shù)。該技術(shù)通過分析液位變化趨勢并進(jìn)行預(yù)測，從而在液位發(fā)生變化前進(jìn)行控制，以防止液位跳變的發(fā)生。前饋控制技術(shù)可以在一定程度上避免液位跳變對工藝流程的影響，但對液位變化趨勢的分析和預(yù)測要求較高。(3)模糊控制。模糊控制是一種利用模糊邏輯進(jìn)行控制的技術(shù)，該技術(shù)通過對液位變化和控制信號之間的關(guān)系進(jìn)行模糊化處理，從而產(chǎn)生模糊控制信號，并通過模糊控制器進(jìn)行液位控制。模糊控制技術(shù)可以有效地應(yīng)對液位跳變的問題，但對模糊控制器的設(shè)計和調(diào)試要求較高。

3.3 設(shè)備選型與工藝參數(shù)優(yōu)化

除了液位測量和控制技術(shù)的優(yōu)化外，設(shè)備選型和工藝參數(shù)優(yōu)化也是液位跳變優(yōu)化的重要方面。設(shè)備選型方面，要選擇適合海上油氣田高振動工況下使用的設(shè)備，例如抗震性能好、耐腐蝕、可靠性高的設(shè)備。在選擇設(shè)備時，還要考慮到設(shè)備的適用范圍、使用壽命、運行成本等因素，以實現(xiàn)設(shè)備的最佳性價比。工藝參數(shù)優(yōu)化方面，可以通過調(diào)整工藝流程參數(shù)，減少液位跳變對工藝流程的影響。例如，在液位變化較為劇烈的情況下，可以適當(dāng)調(diào)整生產(chǎn)流程，緩慢調(diào)整液位，避免突然液位變化造成的影響。在設(shè)備容量有限的情況下，可以根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化生產(chǎn)效率和能耗。同時，在設(shè)備選型和工藝參數(shù)優(yōu)化方面，還需要充分考慮生產(chǎn)安全性和環(huán)保性。例如，在設(shè)備選型時，要考慮到設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，以及對環(huán)境的影響，在工藝參數(shù)優(yōu)化時，需要考慮到生產(chǎn)過程中的安全隱患和環(huán)境污染問題，采取措施加以解決。

3.4 實驗驗證與成本效益分析

實驗選取了某海上油氣田的實際生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行模擬實驗，實驗采用了前饋控制技術(shù)進(jìn)行液位控制，并對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析。

在實驗中，選取了一個液位變化較為明顯的儲罐進(jìn)行液位控制，將前饋控制技術(shù)與傳統(tǒng)的比例積分控制技術(shù)進(jìn)行對比。表1 為實驗數(shù)據(jù)。

表1 實驗數(shù)據(jù)

從表1 中可以看出，采用前饋控制技術(shù)的液位高度變化更加平穩(wěn)，且響應(yīng)速度更快，相比之下傳統(tǒng)的比例積分控制技術(shù)容易出現(xiàn)過沖和震蕩現(xiàn)象。

針對實驗結(jié)果，還進(jìn)行了成本效益分析。統(tǒng)計結(jié)果顯示，采用前饋控制技術(shù)的液位控制方案可以降低工藝流程安全運行風(fēng)險，提高生產(chǎn)效率，進(jìn)而實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

在此例中，假設(shè)實驗所選儲罐的產(chǎn)量為每天1 000 t，儲罐的存儲時間為30 d，每噸產(chǎn)品的收益為1 000 元，每天的生產(chǎn)成本為20 000 元，液位控制系統(tǒng)的成本為50 000 元。在這些基礎(chǔ)上，進(jìn)行了前饋控制技術(shù)與傳統(tǒng)比例積分控制技術(shù)的成本效益分析。

對采用前饋控制技術(shù)的液位控制方案，實驗結(jié)果表明該方案可以提高生產(chǎn)效率，避免液位控制過程中出現(xiàn)過沖和震蕩現(xiàn)象，降低了工藝流程的運行風(fēng)險，進(jìn)而實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。具體而言，該方案可以將每噸產(chǎn)品的生產(chǎn)成本降低約0.5 元，每天可增加生產(chǎn)量約10 t，相應(yīng)地增加每天收益約10 000 元。因此，該方案的總收益為(1 000 t/d×30 d×1 000 元/t +10 000 元/d×30 d)-50 000 元=30 250 000 元。

相比之下，采用傳統(tǒng)的比例積分控制技術(shù)的液位控制方案容易出現(xiàn)過沖和震蕩現(xiàn)象，會導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下和產(chǎn)品質(zhì)量下降，進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)效益。因此，該方案的總收益為(1 000 t/d×30 d×1 000 元/t)-50 000 元=29 950 000 元。

綜上，采用前饋控制技術(shù)的液位控制方案可以實現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益，因此在實際應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

本文針對海上油氣田高振動工況下液位跳變對工藝流程安全運行的影響，提出了一系列的優(yōu)化選型方案。通過分析液位跳變的原因和對工藝流程安全運行的影響，本文提出了液位測量技術(shù)、液位控制技術(shù)、設(shè)備選型與工藝參數(shù)優(yōu)化等方面的優(yōu)化選型方案。實驗結(jié)果表明，采用合適的液位控制技術(shù)和優(yōu)化設(shè)備選型與工藝參數(shù)，可以有效減小液位跳變對工藝流程安全運行的影響，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。