電容式油水界面儀的設計與應用

劉闖，張照，彭正輝，朱今祥，吳燕民，葛薇

(中國電波傳播研究所，山東 青島 266580)

原油站庫的原油交接計量直接關系到油田的成本核算，區(qū)塊的產油累計,地質開采方案編制等多方面。但由于油水密度的不同及受強電場、溫度、壓力等因素的影響，導致無法測得油罐內準確的油水界面,從而影響油罐盤庫計量準確度。通常情況下，從罐頂到罐底，物質的分布規(guī)律分別為氣體、原油、油水乳化液、水、污泥層。油罐中的油和水可以組成不同形態(tài)的油水乳化液，在界面處形成乳化帶，準確地測量出乳化帶的位置和寬度，就能確定油水界面的位置，進而計算出儲罐中原油和水的體積。

在原油生產過程中，很多儲罐仍然采用人工方法檢測儲罐的油水界面的位置，測量誤差較大，操作不便，而且受取樣和測定周期的影響。因此，本文設計了一種電容式油水界面儀，可以實現原油罐的油水界面長時間動態(tài)的在線監(jiān)測。

1 油水界面儀的工作原理與系統(tǒng)構成

1.1 工作原理

油水界面的位置可以通過監(jiān)測浸在其中2個極板的電容值差異后計算得到，原理如圖1所示。

圖1 板間電容原理示意

電容的計算如式(1)所示：

C=εrε0S/d

(1)

式中：C——電容值；εr——被測介質的相對介電常數；ε0——常溫空氣的介電常數；S——極板的正對面積；d——極板距離。由此可見，當兩極板的相對位置確定后，影響C的只有εr，因此C和εr之間的線性關系如式(2)所示：

C=aεr+b

(2)

式中：a,b——常數

1.2 測量系統(tǒng)構成

電容式油水界面儀主要由電容測量傳感器，檢測控制主機和上位機PC構成，其中電容測量傳感器置于油罐內部，可以單根工作，也可以根據實際油罐的高度多根級聯工作；檢測控制主機位于油罐外，主要用于上位機PC和電容測量傳感器之間的數據交互，實現對電容測量傳感器的控制；上位機PC主要實現數據的處理和圖形化顯示等。測量系統(tǒng)構成如圖2所示。

圖2 測量系統(tǒng)構成示意

1.2.1電容測量傳感器

電容測量傳感器的工作原理如圖3所示，主要由單片機MSP430，多路開關CD4051B，電容控制處理器AD7143，收發(fā)傳感器及外圍電路構成。其中MSP430產生100 MHz的方波信號源，通過CD4051B加載到發(fā)射傳感器端，激發(fā)電場經過被測介質到達接收傳感器，接收到的信號通過AD7143后傳輸到檢測控制主機進行融合等進一步處理。

圖3 電容傳感器電路示意

1.2.2檢測控制主機

檢測控制主機實現對多級電容測量傳感器的實時控制、故障檢測和數據傳輸，利用微處理器MCU完成數據融合處理和分析，并且實現輸入電源的電壓轉換，包括DC-DC及LDO單元。檢測控制主機和上位機PC的數據交互采用RS-485通信接口，保證數據的遠距離傳輸需求。

1.2.3管理軟件

油水界面管理軟件運行于計算機系統(tǒng)中，通過RS-485工業(yè)現場總線可對遠程的多個檢測儀進行監(jiān)控和報警指示，管理軟件的功能包括： 介質層高度顯示、工作狀態(tài)指示、主機開關控制及超閾值報警四部分，其中介質層高度顯示的主要功能是顯示介質層高度，即顯示油罐內氣、油、油水混合區(qū)、水四種介質層高度的實時數據；工作狀態(tài)功能用來顯示儀器是否正常工作，硬件連接是否正常等；主機開關控制可以對每個級聯的電容測量傳感器的工作狀態(tài)實現單獨控制；過閾值報警功能可方便用戶設定介質層閾值，并做出相應的報警指示。

1.2.4數據處理

實際生產過程中，由于受到溫度、黏度、電場強度等因素的影響，油水界面通常是厚薄不均、含水不均的過渡帶，界面過渡帶的復雜性，還有周圍環(huán)境的隨機干擾，都增加了油水界面檢測的難度。采用自適應濾波、自適應背景對消等處理方法抑制隨機干擾信號、剔除背景噪聲，凸顯油水混合界面的微弱信號，采用差值、平滑、標準化等處理方法校正實時曲線，采用區(qū)間擬合技術實現油水界面的精確檢測定位，具體處理流程如圖4所示。

圖4 數據處理流程示意

2 室內和現場實驗

2.1 實驗室實驗

室內測試環(huán)境中，利用1.2 m×0.5 m×0.5 m的玻璃缸模擬油罐,下層注入高為80 cm的自來水,上部注入高為15 cm的油層,最上方為空氣層，利用鋼尺作為參照標準。將1根電容傳感器垂直放入到模擬油罐內，在不同深度處，分別進行數據采集和存儲工作，通過上位機軟件顯示，可以觀察到在不同位置處傳感器的不同測量值。室內實驗數據處理結果如圖5所示，橫坐標為電容傳感器(簡稱油尺)通道，縱坐標為歸一化電性參數反演值。從圖5中可見，電容傳感器的21～36通道位置處電性參數反應值最高，處于第一臺階，第21通道以上為空氣層，處于第二臺階位置，第36通道以下為水層，可見各個液體層界面比較明顯，分層清晰易識別，并且與鋼尺指示的位置一致，同時油水過渡帶可以清晰地判別出來。

圖5 室內實驗數據處理結果示意

同理，鋼尺位置不變，手動控制電容傳感器在油罐的不同位置，通過重復實驗、觀察測試結果，多組實驗結果如圖6所示。在4次測試中，均有空氣-原油界面有顯著的臺階式升高，油水界面臺階式下降，實驗1曲線抬升區(qū)為11～26通道，實驗2曲線抬升區(qū)為21～36通道，實驗3曲線抬升區(qū)為29～44通道，實驗4曲線抬升區(qū)為44～56通道，在每一種液體介質中，反演的電性參數較一致，不會出現較大波動，4次實驗抬升厚度均為15 cm，測量穩(wěn)定。通過實驗室環(huán)境測試結果表明： 油水界面檢測儀具有很好的穩(wěn)定性和較高的準確度。

圖6 多組實驗結果示意

2.2 現場實驗

2017年5月9—10日在某油田現場測試采油井，模擬油罐尺寸為1.5 m×0.5 m×0.5 m，試驗用的液體為該采油井現場采出液。

用鋼卷尺測量玻璃儲罐各界面高度并記錄，用油水界面儀樣機測試各界面，對比兩種方法的測量結果進行指標驗證，結果見表1所列。由表1可知，鋼卷尺記錄值和油水界面儀測量的油層厚度誤差均在1.0 cm以內，精度較高。

表1 現場試驗數據記錄 cm

3 結論

1)在油罐內，油層、水層、油水過渡帶的電容不同，通過算法處理后可以清晰地看到3個層位的曲線。

2)室內實驗中，在同一種環(huán)境，油水界面儀放置在不同位置均可獲得完整的油層、油水過渡帶、水層的差異曲線，效果穩(wěn)定。

3)基于不同介質電容不同的原理，該油水界面儀可以精確地測量油層的厚度，精度在±1.0 cm以內。

4 結束語

本文介紹了電容式油水界面儀的工作原理和系統(tǒng)構成，系統(tǒng)采用電容式傳感器可以根據油和水的介電常數差異實現油層、水層及油水過渡帶的測量，通過RS-485工業(yè)總線可以實現遠程安全控制及顯示，經過室內實驗和現場實驗驗證，表明測量效果穩(wěn)定，精度高，具有較高的使用價值。