海上平臺稠油液位測量儀表選型設計及應用

王飛

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

綏中36-1油田位于渤海遼東灣南部海域，是我國海上最大的自營油田，累產原油產量已達7000萬噸。該油田原油具有密度大、粘度高、膠質瀝青含量高的特點，正常工藝流程中粘度能達到3000厘泊，屬重質稠油。近年來隨著注聚采油技術的使用，采出的原油含有部分聚合物，混合后呈現絮狀粘稠狀態，很容易出現測量儀表的工藝接口卡堵問題，冬季時由于溫度低，卡堵現象尤為嚴重，對于測量儀表的選型提出了更高的要求。

本文以綏中36-1二期新建海上采油平臺的液位儀表選型設計為基礎，介紹如何選用適合稠油的液位測量儀表，并提出改進方法。現在海上平臺已經投入使用，現場測量效果良好。

1 稠油液位測量儀表選型及應用

1.1 工作原理及選型

常用的液位測量儀表有差壓液位計、超聲波液位計、雷達液位計、磁致伸縮液位計、電容式液位計、放射式液位計等，其中用于海上平臺油面液位測量的主要有以下幾種：

1.1.1 差壓式液位計

差壓式液位計是采用差壓變送器檢測取壓位置與液位之間的差壓，通過密度轉換為液位來測量介質液位[1]，一般僅適用于介質密度穩定的液位測量，如柴油罐、淡水罐等常壓罐的液位測量。由于原油處理流程中的介質為油、水加聚合物的混合物，密度不穩定，故不適合用于稠油混合物的液位測量和控制。

1.1.2 超聲波、雷達液位計

該類液位計是通過超聲波或雷達波碰到液面后反射回波，儀表檢測出發射波及回波的時差，從而計算出液面高度[2-3]。該類液位計容易受到容器內油面上的懸浮物和泡沫影響，導致發射波被吸收和擴散，嚴重時甚至沒有回波，價格也比較昂貴。海上平臺只有在大型儲油平臺上有使用，在小型容器上與磁致伸縮液位計無明顯優勢，較少使用。

1.1.3 磁致伸縮液位計

磁致伸縮液位計是基于磁致伸縮效應工作的，主要由電脈沖發生接收器、波導管和磁性浮子組成。測量時，電流脈沖沿著波導管傳輸，形成的電磁場與浮子磁場相遇，產生螺旋型磁場，使波導絲扭曲變形, 激發扭轉彈性波，通過該彈性波計算出浮子的實際位置，測得液位[4]。磁滯伸縮原理液位儀表價格相對便宜，是平臺上行使用最多的液位儀表，不僅僅用于測量原油系統液位，還用于化學藥劑系統、生產水系統、開閉排系統等。考慮到液位計的采辦成本和維護、備件管理成本，最終選用了磁致伸縮液位計用于油面測量。

1.2 應用方案

由于稠油粘度大，且含有聚合絮狀物，必須要解決工藝連通管堵塞和浮筒中浮球的卡堵問題，下面主要從三個方面提出磁致伸縮液位計應用的解決方案：

1.2.1 磁滯伸縮液位計選型

1）針對工藝連通管堵塞的問題，選用較大管徑的連通管，一般標準型號的連通管為1/2 ～4 in，在選型設計時要盡量選擇大管徑的連通管。經海上實際使用情況反饋，至少應達到2 in才能取得較好的防堵塞效果。

2）針對液位計浮球卡堵的問題，選用較大通徑的浮筒腔體，一般標準型號的浮筒腔體內徑為2 ～4 in，建議選用3 in以上標準產品；同時需選用內襯S-Teflon等防掛料涂層的浮筒，可以大大減少浮球卡堵問題。

1.2.2 磁滯伸縮液位計安裝

1）做好保溫伴熱：由于液位計浮筒腔體內原油與容器內原油交換緩慢，導致溫差較大，導致浮筒內稠油粘度遠大于容器內的稠油粘度，現場施工時對磁致伸縮液位計的保溫伴熱要特別注意，需要嚴格按照保溫伴熱要求進行施工，伴熱帶纏繞充分。

2）增加擋風裝置

冬天風大時，雖然有保溫伴熱，但是暴露在寒風中的磁致伸縮液位計仍然存在凍堵的情況。平臺上的擋風墻僅能起到部分保護作用，由于磁致伸縮液位計安裝位置較高，還需要單獨增加擋風裝置。需根據現場空間使用情況，考慮維護空間，適當增加擋風板，以減少寒風影響。綏中36-1二期調整項目新建的四個平臺共有41臺液位計增加了擋風板，實際使用效果良好。

1.2.3 磁滯伸縮液位計維護

1）磁致伸縮液位計經長期使用后，工藝接口和浮筒內部會累積絮狀物和沉淀物，影響浮子的正常工作，務必定期進行清洗。清洗前首先關掉工藝接口閥門，排除筒體內的余留物質。清洗后按原樣裝配，浮子切忽倒置，密封墊應更換以防老化泄漏。

2）在日常維護過程中，應注意液位計讀數比對，容器上一般有兩個液位計，分別用于工藝控制和緊急關斷系統，當讀數不同時在中控室上位機上會自動報警，儀表人員應及時排查故障原因，避免出現工藝流程調節問題。

從2013年底使用情況來看，綏中36-1二期調整項目新建平臺選用的磁滯伸縮液位計沒有發生凍堵、卡堵的情況，取得了良好的效果。

2 稠油與水界面液位測量儀表選型及應用

由于該油田原油密度大，達到977.5kg/m3，油水密度差別不大，油水界面測量困難，差壓式、超聲波和雷達式液位計以及磁滯伸縮液位計均無法測量，經海上實際使用效果檢驗，適合界面測量的儀表主要有射頻導納界面儀和核子界面儀兩種：

2.1 工作原理及選型

2.1.1 核子界面儀

核子界面儀是基于伽馬射線在穿透一定密度的介質后會衰弱的特點進行界面測量，介質的密度不同，衰減程度不同，密度越大對于伽馬射線衰減程度越強，從而測量出每一段的密度并轉換為每層液位的高度。該界面儀測量精度高，并且可以測量乳化層、泡沫層等多個界面的液位，但是由于核子界面儀價格非常昂貴，帶放射源[5]，維護不方便，一般不選用。

2.1.2 射頻導納界面儀

射頻導納是一種電容式界面儀，通過電容量的變化來測量界面液位，一般為插入式，插入的探桿與容器壁之間的相對位置不變，測量時，當液位變化時，探桿與容器壁間的介質組分發生變化，導致導納值相應變化，變送器將測量到的導納值變化轉換成液位信號輸出，實現液位測量[6-7]。該原理的射頻導納界面儀已經在海上平臺上大范圍的應用，價格相對便宜，最終選用了射頻導納界面儀用于稠油水界面測量。

2.2 應用及改進方案

以綏中36-1新建CEPN平臺的電脫水撬為例，電脫水內部安裝了多層網孔電極板，不允許采用柔性探桿，必須選用硬質探桿，導致頂部安裝空間需求很大，上部甲板高度不滿足容器頂部安裝需求，因此選用了外護筒安裝的方式。由于外護筒高度低于容器高度，這種安裝方式對頂部安裝空間需求較小。

從現場實際使用情況來看，外護筒內的溫度遠低于容器內部100℃的操作溫度，導致原油粘度過大，比如在伴熱溫度40℃、含水20%時，粘度能達到6456.5 mPa?s，如表1所示，內外介質交換緩慢，導致測量結果滯后，液位調節效果不好，特別是冬季，滯后現象更為明顯。

表1 SZ36-1 II 含水原油粘度表 (mPa·s)

由表1可知，溫度對于稠油粘度的影響非常大，為了解決好溫度內外差別大的問題，應采用容器頂部安裝方式。電脫容器內操作溫度為100℃，查表1可知，在20%含水、80℃時，粘度為339mPa?s，遠低于6456.5 mPa?s，可以很好的減少探桿掛料的情況。由于平臺空間有限，單獨因為射頻導納液位計增加甲板高度成本太高，所以從以下幾個方面提出改進方案：

1）在平臺的總體布置時，注意在射頻導納液位計上部甲板對應位置預留開孔和操作、維護空間，如開孔布置不開，也可以將上層設備適當抬高安裝高度，留出一定空間，以便于液位計的提出和維護。

2）通過合理的工藝流程優化和控制，確定合適的界面測量量程，以減少探桿插入深度。

3）選擇表頭可拆卸的射頻導納液位計，可以減少200～300mm的安裝空間需求。

以綏中36-1新建CEPN平臺電脫水撬為例，容器頂部距上層甲板3300mm，射頻導納儀表長度約為4000mm，除去表頭后探桿長度為3700mm，仍缺少400mm的頂部空間。其上部甲板對應位置為油水分離器，該分離器為無底座安裝，除去保溫伴熱，分離器底部和甲板有500mm空間，滿足提取液位計所需空間，理論上采用以上措施可以實現外護筒安裝改造為容器頂部安裝，具有可實施性。

總之，對于應用于稠油界面測量的射頻導納液位計，應在設計之初就考慮好頂部安裝的空間需求，提前預留好安裝和操維空間，避免后期無法進行更換和維護。

3 結束語

本文對海上稠油液位儀表的選型設計進行了經驗總結，對于出現的問題提出了改進方法，對于類似稠油平臺的液位儀表選型提供了技術參考，具有很好的推廣意義。□

[1] 吳九輔,湯楠.現代工程檢測及儀表[M].北京:石油工業出版社,2004.[2] 韓平.超聲波液位計在液位測量中的應用[J].中國儀器儀表,2011,(3):32～34.

[3] 徐占鋒,張娟.雷達液位測量技術在海洋工程中的應用[J].船舶工程,2007, 29(5):83～85.

[4] 伍艮常.磁致伸縮式液位傳感器[J].儀表技術與傳感器,2007,(12):9-11.

[5] 趙軍凱,王啟明,李海文,李勇,聶建偉,李艷莉.核子界面儀在海洋石油工業中的應用[J].石油化工設備,2008,37(5):83～85.

[6] 穆立新,高智泉.射頻導納式物位計在石化企業的應用[J].自動化儀表,2006,27(1):52-54.

[7] 俞永江,康權,王金燕.射頻導納技術在蒸發器液位測量中的應用[J].儀器儀表用戶,2011,18(4):63-66.