海上平台分离器油水界面测量仪器应用现状

司军辉

（中海油（中国）有限公司天津分公司，天津）

摘要:本文针对目前石油行业油水界面测量技术进行了系统介绍，对常见的几种油水界面监测技术进行了原理及技术特点总结，并进行了详细的对标分析。同时结合海上采油平台油气水分离器的多种条件的局限性处理实际应用需求，根据现有技术优劣势对比，给出了现场应用选型标准建议，对于体积受限、大处理量、多乳化层，大波动等多场景下的油水界面快速、高效分离测量意义重大。

关键词:油水界面, 浮子，雷达/超声波，射频导纳，核子，磁致伸缩， .

1背景

现代工业不断发展的今天，自动化、智能化越来越多的出现在工业生产当中，液位监测控制技术应用在工业生产的各个环节，已经成为了现在工业技术的组成之一。液位测量工艺设备的应用也愈加普及。石油、冶金、化工及核工业等工业应用领域，由于海上采油平台的特殊性，对液位测量技术的应用需求更为强烈，同时也对过程测量中的高精度，同时测量仪表如何适应高温、高压、强放射性、腐蚀性等特殊工业环境，都对现代仪表提出了更高的技术要求。石油行业中的原油开采作业环节中，油井内会产生大量的水和气，这就造成实际开采出来的液体原油，并非纯油，而是油、气、水三者的混合物，为了得到高纯度的石油，则需要通过技术活工艺手段对开采到的液体进行气、水和泥沙等杂质的去除，因为泥沙和气体的物理特性与液体油相差较大，因此这些杂志的去除是比较容易的，而其中的水，因为其形态等各方原因，使得其去除过程相对复杂，需要通过专业的油水分离技术或工艺进行油水界面测量及控制油水分离。

油水界面检测从最简单的浮子浮筒式界面检测到雷达/超声波界面检测再到射频导纳界面检测，从磁致伸缩界面检测再到核子界面检测等不断发展的检测技术，这些不断更新的技术在不同的界面测量场景中都有不同的应用，且随着工业技术的不断发展，国内外各研究机构与生产厂商仍在不断的改进产品，开发新的产品与技术。虽然油水界面测量仪器的作用均是测量油水界面，但是各类油水界面仪的工作特性、适用环境等各不相同，因此在实际使用当中，相互之间是不能完全替代的，都有自己的优点和缺点，本文就简单介绍了以上几种液位监测技术的应用原理，并根据现场实际应用的条件等给出了作业现场选型指导建议。

2油水界面特性与测量难点

2.1 油水界面特性

油水界面是指原油处理工艺中产液发生分离后原油与纯水的界面。原油在刚开采出来的时候并不纯，其中是夹杂着一部分水分的，为了提炼质量与精度更高的油产品，在加工过程中需要对原油进行油与水的分离作业。

目前，在国内采油平台上油水分离普遍通过三级分离：一级分离器、二级分离器、电脱水器，一、二级分离利用的是重力油水分离法的工作原理，开采出的原油通过工艺实现对其中气体、固体杂质的分离后，将剩余的油水混合物送入油水分离罐中，在油水分离罐中添加高效的活性剂和净水剂以及破乳剂等工艺药剂，有些情况下，还需通过加热灯手段进行辅助分离。一级油水分离器进行粗分离，使处理完的原油含水量控制在30%以内，然后再进入二级分离器进行再分离，使处理完的原油含税控制在10%以内，再进入电脱进行更细致的油水分离，使处理后的原油含税控制在3%以内，以符合外输条件，因为油井的不确定性，油井的产量和油质是不断变化的，分离器的处理效果也会随之波动，油水界面也不断波动，为达到良好的处理效果，需要根据实际的油水界面来控制分离器的水相和油相的调节阀来控制处理流程。

因为在分离器处理之前添加化学药剂的缘故，在分离器中油水处理时会出现乳化层，即油水混合液，在油层与水层中间，直接影响油水界面的测量，从而影响分离器的处理工况。油水界面的准确检测、油水分离器中油水界面状态的准确检测，对于提高油水分离效果、降低污水含油量，以及实现油田油水分离管理的自动化改造意义重大。在石油开采并处理中，能否精确地检测出油水界面是原油处理效果的重要保障。

2.2 油水界面测量难点

在原油开采后的工艺处理过程中，油和水可以以不同比例或形式构成不同状态的油水乳化液，形成界面层的乳化层，乳化带的形态以及宽度也会随着油水混合液的不断增加及生产水的适时排放进行随机变化。常见的有油包水型和水包油型乳化液。乳化液依据含水率的差别也不尽相同，当含水率越高，越接近纯水层。油水混合物通过油水分离，分离器内会根据形态特性不同逐渐形成不同的层，其层级分布如下图图 1所示。

气层

泡沫层

油层

乳化层

水层

泥沙层

图 1分离器内界面示意图

在实际油水分离过程中，不管是利用差压法,还是浮力法，都不能保证显示值的准确及持久。因为在原油的组份发生变化后,其物理特性会发生变化,形成随机误差，误差积累将造成仪表示值的偏差，并且难以捕捉规律,无法有效消除，如何减少乳化层的影响来准确判断油水界面，达到良好的分离器处理效率，成为油水界面测量的重点与难点。

3 油水界面测量技术

油水界面测量技术的发展经历了最简单的浮子，电容式传感器、以及计算机技术等现代技术，这些技术在界面检测中都得到了应用。根据测量原理分类，有浮子式、超声波式、射频导纳式、磁致伸缩式、核子式等不同的界面测量仪器，各种油水界面测量技术及仪器，均有不同的优缺点，针对不同的使用场景，其表现的特性也不尽相同，下面针对常见的油水界面测量技术进行分别详细介绍。

3.1 浮子

浮子式油水界面测量设备是将浮子与弹簧马达相连，并将浮子放在油水中，浮子位于油水界面，当油水界面发生上下波动时，浮子也跟着波动，使得与其相连的弹簧马达做出对应的正反转，通过信号处理电路，形成相应的电信号，将正反转值传送出去，通过这一过程进行油水界面高度的判断。在一些比较大的界面检测场景，还需要加装钢丝。浮子式界面测量方法的优点是方法简单、精度准，但对于原油粘度比较大的测量场景，会大大降低浮子检测的精度，对于加装了钢带的应用场景，油水界面的不断波动也极易造成钢带的断裂，形成维修难题，综上，浮子式的优点即较为简便实用，缺点为长期不易维护。

普通的磁翻板液位计也是采用浮子来测量，利用阿基米德原理，通过选定特定密度的浮子来测量油水界面的位置，并且结合磁式伸缩技术来达到信号远传的目的，来控制分离器的油水界面位置。但是乳化层的形态和宽度是不断变化的，而浮子的密度是一定的，会造成油水界面测量的误差增大，从而影响准确测量。

3.2 雷达/超声波油水界面检测仪

雷达/超声波式界面检测仪是利用脉冲-回波方式进行油水界面检测的，在工作过程中，首先通过天线向被测对象发射出较短的微波脉冲，一部分穿过介质，另外一部分在被测对象表面产生反射，反射信号由发射器接收。天线发射脉冲信号及接收脉冲信号的过程中，与被测物体表面的距离跟微波脉冲的运行时间成正比关系：

L＝c×t/2

上式中：L为发射天线与物料之间的距离；

c为脉冲传播速度；

t为脉冲运行时间。

检测过程是通过对发射波与反射波束中的每一点均进行采样采集，并通过信号处理计算发射天线与待测量物体表面的距离。如果想要提高测量的精度，就需要应用频差原理和复合脉冲雷达技术，也就是说用同一天线将一段调制过的脉冲发射并接收，并将接收到的信号与被测介质表面反射回来的脉冲信号进行比较，两者之间的频差就可以表示所测距离，据此就可以得到被测物体表面的位置。

雷达/超声波界面检测仪有着广泛的应用，适用于各种表面或界面，如高粘度液体、开闭口容器等工况场合。该仪器的各个部件无需直接接触液体，避免了浮子式、差压式等接触式测量技术存在的粘结、泄漏、清洗等应用弊端。但由于传感器仍需要安装在顶部容器内，容易受到容器内蒸汽压力的腐蚀，而温度和湿度会影响超声波的传播速度，造成误差，降低测量精度。另外，超声波液位计的安置须要有一条从换能器到被测表面的垂直、反射通道，不允许被遮挡，这对于容器内装由空冷或加热盘管的场合是不适用的。

3.3 射频导纳

射频导纳界面检测仪是利用高频电流测量检测仪探头与容器两板之间的电容值，再通过公式推导出液位值。整个油水分离器可以看成是一个充斥着高导电介质的容器，由一个浸入介质的探头和绝缘层的外壳组成一个纯电容，通过电容式或射频导纳式检测仪测量电容或电导率将测量信号转化为标准信号。它的使用条件是两种物质的介电常数存在很大的差别，在传统电容式液位计的基础上进行了改进，提高了探头根部的粘附力和抗结露能力。由射频导纳液位计测量的电容量C为：

C=ε(S/D) (1)

式中ε———电容两极板间介质的介电常数;

S———极板面积;

D———极板间距离。

从公式(1)中可以看出,介电常数的变化是影响测量的关键。

射频导纳是一种防挂料更可靠、更准确、更广泛地的一种液位测量技术，其是从电容式液位测量技术的发展过来的。射频的意思是高频无线电波谱，导纳和阻抗互为倒数，它是由电阻元件、电容元件、电感元件综合而成的。那射频导纳就可以解释为用高频无线电波谱测量导纳。导纳液位计利用油、水不同且相差很大的介电常数来区分模糊界面，包括乳化层的。

因为射频导纳测量技术还引入其他的测量参量，特别是电阻参数，使检测信号的信噪比的增加，大大提高了仪器的分辨率、精度和可靠性；各种测量参数可以有效地扩大可靠的仪器的应用领域。

3.4 核子界面仪

核接口仪器是英国研制的一种新型液位测量仪器，它比一般的液位测量仪器直观、准确，它已经广泛应用于西方发达国家的石油和石化工业。曹妃甸油田海洋石油112首次采用核界面仪测量液位。

在石油生产中，油井产生的流体通常由原油、水、天然气和一些杂质组成。不同部位的密度不同。核子界面仪是用来测量被测介质密度的仪器。

核界面探测器利用放射性源中含有放射性同位素的镅（AM）γ射线通过测量介质，在相应位置安装2探测器，对γ射线探测器进行监测分析，依据射线的不同性质就可以识别出被测介质的密度,从而转换成物位信号。辐射源和2个探测管安装在三角形位置，2个探测器可以相互冗余，从而使测量更加准确可靠。每一个放射源射线对准的仅仅是相应高度的射线探测器,辐射线在通过放射源与探测源之间的介质后会有所衰减,衰减与介质密度有一定的关系。核子界面仪结构示意图见图 2。

图 2核子界面仪结构示意图

3.5磁致伸缩式界面检测方法

磁致伸缩界面测量技术利用磁致伸缩效应的测量原理，由磁致伸缩线传感器件进行检测。该装置的工作原理是探测器和磁浮子在同一时间工作，由探测器发出低电流的脉冲，低电流脉冲能够在磁致伸缩线周围产生磁场，与此同时油水界面处内置磁铁的浮子对周边产生一外部磁场，当该磁场和低电流脉冲产生的磁场相遇时，两个磁场碰撞出一个波导扭曲的脉冲，通过探测两脉冲之间的时间就可以确定浮子的位置，达到探测油水界面检测的目的。磁致伸缩界面检测方法具有稳定性好、精度高、无损伤检测等优点，但由于其在同一测量中使用相同的浮点数作为重要元件，在应用中存在一定的缺陷，即在粘性高的测量环境下，其测量精度会大幅降低。

磁致伸缩式液位计有两种：一种为自带浮球和磁环的，可以再被测容器的内部嵌入式测量，在测量密度稳定的单一介质液位时，测量精度高，稳定性好；一种为不带浮球和磁环的，需要搭配磁翻板液位计共同使用，利用磁翻板液位计的浮球上的磁环来产生磁场，来进行液位的测量，他的优缺点和浮子式液位计是一致的，但是受设备本体振动影响较大，在高振动的场所，会出现液位计的跳变，影响测量的准确度。但在测量两种介质的界面时，需要确定两种不同介质的密度，根据密度对浮子进行特定的定制，单一浮子只能应用在相适合的工况下，比较单一，但性价比高。

3.6 技术对比分析

针对不同的应用场合，不同油水界面仪器的优缺点不同。如表1所示，对上述几种油水界面仪器进行了一些简单的比较。

表 1常见油水界面仪技术对比分析

序号	类型	优势	劣势
1	浮子式	浮子法简单易行，有一定的精度，性价比高；浮子密度不可变，测量单一介质可靠性高，测量精度高。	易被粘结，不适用于粘度大的原油，浮筒式可维护性差；介质密度变化的介质无法保证精度与稳定性；杂质多的介质易卡塞
2	雷达/超声波	适用于各类液体（如高粘度液体，界面为水平便可）、开闭口容器包括槽渠等场合，非接触式测量仪表。	安置在容器里面顶端，易被腐蚀性蒸气腐蚀，易受容器内的压力、温度以及湿度等影响，对安装容器的内部条件要求高。
3	射频导纳	防静电、防干扰、易维护、故障率低	不易调试,对测量介质的介电常数有要求；
4	核子界面仪	设备内置，免维护。	仪表拆装、调试维护以及进罐作业时风险较大，价格昂贵。
5	磁致伸缩式	抗疲劳、寿命长、稳定性好、抗干扰	插入式安装，不适用于原油等高粘度、易粘结的物质。

4 现场应用选型经验设计

实际工况下，在使用油水界面仪过程中、接触的多是55～80℃油水混合物，特别是在一级分离器的混合物，还夹杂着很多油泥等物，直接导致外部设备器件结构严重的，比如磁浮子组件因为结垢而能正常的随界面的变化而自由移动导致误差增大，随机性的乳化层，导致油水界面的测量不够准确，同样因为原油的粘附性，也会使短波、射频等界面仪探头形成一层薄油膜致使不能准确的测量出结果。

在生产过程的实践中,因为有工作状况的复杂性,如何针对不同应用工况下选择最好的测量分离方法对于增加油水分离效率、提高采油产量意义重大。比如说一级油水分离器内部加热盘管密集,不仅罐体的本身直径不大,进出分离器的液体量也很多,液位波动大,这样就造成安装带有浮子的界面仪就面临浮子波动大、安装空间狭窄、外部导管还容易结垢等问题,所以应该选用符合工况的界面仪。以下根据实际现场实际工况，给出了在液体量多,液位波动大应用场景下的应用选型。从以下几个因素考虑：

l 因现场流程控制的需要，并保证流程安全，采油平台在油水界面控制上需要两组液位变送器；

l 需要提供方便现场操作或巡视人员的现场查看；

l 测量介质的组成密度，成分组成；

l 测量容器的内部组成结构空间；

l 测量位置的确定；

l 便于维护保养，测量稳定；

l 经济适用好，性价比高；

磁翻板液位计带此时伸缩杆液位变送器和雷达/超声波组合测量：浮子液位计可提供现场操作人员进行直观的查看液位，但是浮子密度的制约性及现场工艺的随机性，会使液位的测量存在相对的误差，再加上浮子液位计是通过连通器原理外置安装，浮子腔室内的介质不能流动，造成浮子液位计乳化层与分离器内乳化层液位不一致，致使误差增大，只能作为油水界面的参考，作为液位的粗调使用，经济性好，便于维修保养，外带磁式伸缩杆的好处是减少带浮子的内置式的疲劳磨损，减少浮子卡塞造成液位计故障几率，使用寿命长，测量较稳定，为现在采油平台应用较为广泛；

除了磁翻板加磁式伸缩式液位计，对于另一组液位计的选择在雷达/超声波界面仪，射频导纳式界面仪、核子界面仪中，目前采油平台都有涉及应用，这三种的一个共性是都是属于内置式，安装在分离器的顶部，都有探测杆插入到分离器内部，属于接触式直接测量液位计，可以避免外置式的介质不流通而造成的影响误差，但都无法避免的受到乳化层的影响。雷达/超声波界面仪结构最为简单，但是受乳化层和泡沫层的影响最大，但是利于检修维护，经济性好；射频导纳式界面仪不易调试，但测量相对准确；核子界面仪测量最准，可以分别测量出多个界面的分布，准确度最高初次安装后免维护，但是日常无法检修和保养，并且价格昂贵，存在放射源泄漏的风险，综合以上考虑，分别分析三种界面仪的优缺点，对于油水界面的测量应优先选择射频导纳式界面仪。

综上所述，在海上采油平台因设备与工艺流程的局限性造成的界面不稳定的情况下，优选选择磁翻板带磁式伸缩杆液位计和射频导纳式液位计的组合测量相对最好。

5 结语

我国当前界面测量领域的研发和生产已经有了较大提高，在很多技术方面都已经达到了世界领先水平，能够很好地满足现场检测要求。但是在很多工业技术方面因为技术累计的差距，同世界先进水平存在较大差距。随着智慧工业、全自动化技术、工业机器人等新工业技术的涌现，油水界面测量技术在未来的发展方向也会向着智能化、自动化的发展。油水界面检测仪器也将因其在石油工业生产中的重要性而得到更多的重视。在未来发展方向有以下几点需要考虑，第一,现在的工业现场对流程处理的要求不断提高，致使我们对测量仪表方面的要求需要测量精度高、抗干扰能力适用性更强的仪表,尤其在油汽水分离器中的油水界面检测方面,现有的仪表都具有很大的局限性，对于随机性的变化测量不够理想,高精度、适用性，抗干扰将成为重点研究方向之一。第二,在自动化控制技术越来越普及的工业生产领域，油水界面测量仪器的单一系统化更趋于发展，并且具备和DCS通讯远传，交互成为未来发展的另一主要方面。