伺服電機(jī)式液位計(jì)在油水界面測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用

本文作者于翔先生，E+H公司技術(shù)部產(chǎn)品經(jīng)理。

關(guān)鍵詞：液位計(jì)　測(cè)量　應(yīng)用

長(zhǎng)期以來(lái)，油田的油水界面測(cè)量一直是工業(yè)過(guò)程測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)難題，而油水界面這一參數(shù)對(duì)于每一個(gè)采油廠都是非常重要的，其中涉及到了財(cái)務(wù)結(jié)算等關(guān)鍵性的問(wèn)題，所以急待解決?；谶@種背景，我們對(duì)這一課題進(jìn)行了攻關(guān)，經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)踐、摸索，終于成功地利用伺服式液位計(jì)解決了這一難題。

伺服式液位計(jì)一直被廣泛地用于儲(chǔ)罐液位的高精確度測(cè)量，因?yàn)樗且环N多功能儀表，既可以測(cè)量液位也可以測(cè)量界面、密度和罐底等參數(shù)。

伺服式液位計(jì)基于浮力平衡的原理，由微伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)體積較小的浮子，能精確地測(cè)出液位等參數(shù)。如圖1所示，浮子用測(cè)量鋼絲懸掛在儀表外殼內(nèi)，而測(cè)量鋼絲纏繞在精密加工過(guò)的外輪鼓上；外磁鐵被固定在外輪鼓內(nèi)，并與固定在內(nèi)輪鼓的內(nèi)磁鐵耦合在一起。

當(dāng)液位計(jì)工作時(shí)，浮子作用于細(xì)鋼絲上的重力在外輪鼓的磁鐵上產(chǎn)生力矩，從而引起磁通量的變化。輪鼓組件間的磁通量變化導(dǎo)致內(nèi)磁鐵上的電磁傳感器(霍爾元件)的輸出電壓信號(hào)發(fā)生變化。其電壓值與儲(chǔ)存于CPU中的參考電壓相比較。當(dāng)浮子的位置平衡時(shí)，其差值為零。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)液位變化時(shí)，使得浮子浮力發(fā)生改變。其結(jié)果是磁耦力矩被改變，使得帶有溫度補(bǔ)償?shù)幕魻栐妮敵鲭妷喊l(fā)生變化。該電壓值與CPU中的參考電壓的差值驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整浮子上下移動(dòng)重新達(dá)到平衡點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)反饋回路(如圖1所示)，其精確度可達(dá)±0.7mm，而且，其自身帶有的掛料補(bǔ)償功能，能夠補(bǔ)償由于鋼絲或浮子上附著被測(cè)介質(zhì)導(dǎo)致的鋼絲張力的改變。


測(cè)量界面的原理與伺服式液位計(jì)基本相同，即根據(jù)原油與水兩種介質(zhì)密度的不同導(dǎo)致所受浮力的不同而進(jìn)行精確的界面測(cè)量。

當(dāng)今，世界自動(dòng)化儀表行業(yè)有很多種儀表可以進(jìn)行界面測(cè)量，而為什么在油田的油水界面測(cè)量方面又幾乎是一個(gè)空白呢？這主要是由于這一場(chǎng)合不同于其他界面測(cè)量，工藝條件極其復(fù)雜。

原油從油井里被打出來(lái)后，經(jīng)過(guò)加熱，送到采油站進(jìn)行計(jì)量，再經(jīng)過(guò)中轉(zhuǎn)站進(jìn)行分離后進(jìn)入聯(lián)合站。在聯(lián)合站，首先經(jīng)過(guò)計(jì)量、加熱，而后將原油送至一級(jí)沉降罐(在一級(jí)沉降罐內(nèi)原油一般常年保持在60℃左右)，經(jīng)過(guò)沉降分離送至中間罐，然后經(jīng)過(guò)脫水泵脫水，再經(jīng)過(guò)二次加熱進(jìn)入二級(jí)沉降罐(在二級(jí)沉降罐內(nèi)原油一般常年保持在80℃左右)，最后送到成品罐，需要進(jìn)行油水界面測(cè)量的是一級(jí)沉降罐和二級(jí)沉降罐。一級(jí)沉降罐和二級(jí)沉降罐的罐高一般在13m左右，罐底設(shè)有一個(gè)排水孔，罐上部大約在11m左右的位置設(shè)有一個(gè)溢流孔，原油進(jìn)料口一般從底部伸到罐的中部，大約在7m左右的位置。(如圖2所示)。當(dāng)原油從7m左右的位置進(jìn)入到罐中時(shí)，由于破乳劑及重力和浮力等因素的影響，密度較小的原油會(huì)向上升，密度較大的水會(huì)向下沉降，從理論上講，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的沉降可以得到一個(gè)清晰的原油與水的分界面。


但是在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)工況要復(fù)雜得多。由于不同產(chǎn)地的原油密度都不盡相同，再加上進(jìn)料帶來(lái)的擾動(dòng)、破乳劑和沉降時(shí)間等諸多因素，從而導(dǎo)致了在原油層與水層中間存在著一個(gè)厚薄不一、密度梯度不定的過(guò)渡層，習(xí)慣上稱(chēng)之為乳化層。在這一乳化層中存在著水包油(W/O)、油包水(O/W)，甚至水/油/水(W/O/W)或油/水/油(O/W/O)分層等更為復(fù)雜的體系，正是由于存在了這一如此復(fù)雜的乳化層，使得絕大多數(shù)界面儀在遇到這種工況時(shí)無(wú)法測(cè)量，而伺服式液位計(jì)能夠從多界面測(cè)量?jī)x表中脫穎而出，成功地應(yīng)用于這一極端惡劣的工況，正是由于它獨(dú)特的原理，以及先進(jìn)的自我維護(hù)功能。

伺服式液位計(jì)在測(cè)量油水界面時(shí)，也是基于浮力平衡的基本原理，與測(cè)量液位不同的是，在測(cè)量界面時(shí)需要首先在表里輸入“上密度”和“中密度”兩個(gè)值，這兩個(gè)值是根據(jù)理論值以及實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合得出的。從理論上講，原油的密度在0.88g/cm3~0.92g/cm3左右，水的密度是一個(gè)常數(shù)，為1g/cm3，但在實(shí)際應(yīng)用中即使是最上層的原油也會(huì)含少量的水，同樣，最下層的水也會(huì)含少量的油，所以上層原油的密度要大于實(shí)際值，而下層水的密度在0.99g/cm3左右。在理想工況下，界面非常清晰，此時(shí)浮子處于兩層之間(如圖3所示)，鋼絲所受張力為：


T=W－(V－Vb)×ρ1+Vβ×ρ2

式中 T——鋼絲張力

W——浮子重力

V——浮子體積

Vb——浮子平衡時(shí)浸入的下部體積

ρ1——上密度

ρ2——中密度

其中，W、V和Vβ均刻在浮子上為常數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用中，存在著乳化層，乳化層的密度梯度為非線(xiàn)性，而且隨時(shí)在變化。由于沒(méi)有明顯的界面，所以我們這時(shí)在測(cè)量界面時(shí)，實(shí)際上是通過(guò)調(diào)整ρ1和ρ2兩個(gè)值來(lái)測(cè)量某一位置，該位置的密度是相對(duì)固定的，即含油與含水的百分率是相對(duì)固定的，例如，通過(guò)調(diào)整ρ1、ρ2值，我們可以找到含油、含水各50%的位置，也可以找到含油70%、含水30%的位置。伺服式液位計(jì)實(shí)際上是通過(guò)測(cè)量鋼絲上的張力來(lái)測(cè)量界面的，而鋼絲的張力正比于介質(zhì)的密度。所以，無(wú)論浮子找到的是哪一級(jí)密度梯度，其含油(含水)百分率都是相對(duì)固定的，伺服式液位計(jì)應(yīng)用于這一領(lǐng)域最大的優(yōu)點(diǎn)就是它的測(cè)量值重復(fù)性非常好，這是其他類(lèi)型儀表如射頻導(dǎo)納式界面儀所無(wú)法比擬的。

伺服式液位計(jì)與人工撈樣之間的比較，優(yōu)點(diǎn)是明顯的。采用人工撈樣進(jìn)行化驗(yàn)分析這種手段，由于撈樣手法、下罐進(jìn)度、停留時(shí)間等一系列的原因均會(huì)造成撈樣成分的改變，而在化驗(yàn)過(guò)程中不同的化驗(yàn)手段同樣會(huì)引起不同的結(jié)果，從而導(dǎo)致了較大的系統(tǒng)誤差；而伺服式液位計(jì)是一種高精確度的計(jì)量級(jí)儀表，測(cè)量界面時(shí)可以達(dá)到±2.7mm的精確度。伺服式液位計(jì)作為一種先進(jìn)的智能儀表，可以省去大量人力，可以遠(yuǎn)距離監(jiān)控。

由于伺服式液位計(jì)采用的是浮力平衡的原理，所以其在測(cè)量界面時(shí)只與密度的變化有關(guān)，而與其他因素?zé)o關(guān)。這樣大大地提高了系統(tǒng)的精確度與穩(wěn)定性。

在現(xiàn)場(chǎng)，我們把伺服式液位計(jì)與射頻導(dǎo)納式液位計(jì)之間的測(cè)量進(jìn)行了比較。

射頻導(dǎo)納式液位計(jì)采用的是利用高頻電流測(cè)量探頭與容器兩個(gè)極板之間的電容值來(lái)計(jì)算出液位，它是在傳統(tǒng)電容式物位計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加了探頭根部抗粘附、抗冷凝的功能。但射頻導(dǎo)納式液位計(jì)在這一工況的實(shí)際應(yīng)用中并不理想，主要原因有兩點(diǎn)。一是當(dāng)沉降罐排水時(shí)，油水界面下降，原油層下降到罐內(nèi)較低位置，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，由于不斷的進(jìn)料，水不斷的沉降，使得油水界面上升，但是由于原油的附著性，在探桿表面還會(huì)附著一層油膜。射頻導(dǎo)納式液位計(jì)所測(cè)量出的電容量為

C=ε×S/D。

式中 ε——電容兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)

S——極板面積

D——極板間距離

由此公式可知，介質(zhì)介電常數(shù)的變化是影響測(cè)量的關(guān)鍵。

在使用射頻導(dǎo)納式液位計(jì)測(cè)量油水界面時(shí)，首先要進(jìn)行實(shí)際標(biāo)定，并且調(diào)整ε值到一適當(dāng)?shù)奈恢?，測(cè)量才能夠準(zhǔn)確。由于界面上升后仍然存在著一層油膜附著在探桿上，使得該位置的ε值并不代表實(shí)際應(yīng)檢測(cè)的界面的ε值，所以會(huì)導(dǎo)致很大的測(cè)量誤差。

其二，由于在原油層與水層之間存在著厚薄不定的乳化層，而乳化層也不是單一的層面，存在著油包水、水包油，以及化學(xué)聚合物等，所以其內(nèi)部物性、理化性能均十分不穩(wěn)定，再加上進(jìn)料帶來(lái)的擾動(dòng)使得該乳化層內(nèi)部互相交錯(cuò)，非常復(fù)雜，而射頻導(dǎo)納式液位計(jì)檢測(cè)的是導(dǎo)電性發(fā)生階躍變化的電界面，而且要求上下層的介質(zhì)導(dǎo)電性至少相差5倍以上才能準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量，所以在介質(zhì)導(dǎo)電性模糊不清的工況是無(wú)法很好地測(cè)量的。

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，我們?cè)谕还奚贤瑫r(shí)使用了伺服式液位計(jì)和射頻導(dǎo)納式液位計(jì)，并同時(shí)送信號(hào)到控制室的微機(jī)屏幕上進(jìn)行顯示。結(jié)果，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(guò)了20cm，而伺服式液位計(jì)的測(cè)量結(jié)果非常穩(wěn)定，由此我們看到伺服式液位計(jì)在測(cè)量油水界面時(shí)其穩(wěn)定性和重復(fù)性是射頻導(dǎo)納等其他儀表所無(wú)法比擬的。

總之，在油田的采油廠使用伺服式液位計(jì)測(cè)量油水界面。其精確度、重復(fù)性、穩(wěn)定性都令用戶(hù)滿(mǎn)意，并且由于它工作可靠、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)，使得撈樣工人從繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)，提高了全廠的自動(dòng)化水平，它值得進(jìn)行推廣。