核子剖面儀在海洋石油分離器中的研究及應用

王飛，吳朝暉，張偉娜

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

海上平臺石油分離器中的介質主要有油、氣、水、固體雜質等，一般會形成泡沫、油、乳化層、水、砂等多層介質，各層液位界面區分不清晰，實時變化，測量困難，特別是對于重質稠油的液位界面，由于油水比重接近，傳統液位計無法測量。油水界面測量不準確可能導致大量的油水混合物進入水處理系統，造成水處理系統負荷過重，引起污油排海的環境事故，且隨著油田產量提升的需求，需要更為精確的化學藥劑控制，因此必須要對石油分離器的油水界面測量進行應用研究。

本文以近年來海上采油平臺分離器采用的核子剖面儀為基礎，介紹了核子剖面儀應用于石油分離器界面測量的應用方式、注意事項和使用效果，并提出了改進措施。

1 核子剖面儀簡介

1.1 工作原理

測量最基本原理是基于伽馬射線穿透的性質，即伽馬射線在穿透一定密度的介質后會衰弱，根據介質的密度不同，衰減程度不同，密度越大對于伽馬射線衰減程度越強。通過衰減程度測量出每一段的密度，判斷出每層液位的高度，如圖1所示。

1.2 硬件及系統組態

核子剖面儀主要由現場檢測儀表和PLC控制單元兩部分組成，現場信號通過光纖傳輸到中控PLC，在上位機上顯示，不同介質用不同的顏色進行區分，可直觀地顯示其每層液位和界面的高度[1]。

核子剖面儀作為一套獨立的系統，與平臺的中控系統之間可以通過4mA~20mA或MODBUS/Ethernet等方式與中控通訊。

2 和常規液位儀表對比分析

2.1 精度和分離效果

傳統的液位儀表是用來測量單點而不是剖面，射頻導納式界面儀也僅能測量簡單的油水界面，無法測量泡沫、乳化層和砂的液位，導致泡沫通過氣相出口流出，從而在下游火炬分液灌中堆積，而砂的沉積也減少了分離器的處理量而降低分離效率，分離效果欠佳。

圖1 核子剖面儀工作原理Fig.1 Nucleus Profi ler works

核子剖面儀可以實時測量各個介質的液位信息，精度和分離效果明顯要高于傳統方式。

2.2 油品性質影響

傳統的液位儀表對于高粘度的油品無法實現準確測量，大量的油污附于測量板上，造成測量不準確，甚至浮子卡死，而且接近的油水密度使常規液位儀表也無法滿足測量要求。

剖面儀對粘度較高的油品能完成測量，但對于油品中含有較高含量膠質瀝青的工況下，會影響剖面儀的發射窗和接收窗，造成測量不準確，在使用時可以通過提高操作溫度的方式來降低操作粘度，減少油污的附著。

2.3 環境保護

傳統液位儀表分離精度低，不準確的分離信息造成過高濃度的油流經水出口以及下游濾油設備的超負荷運轉，可能造成油膜排入大海，造成環境污染。氣相出口流出的泡沫在下游火炬分液灌中堆積，氣液從火炬系統排出也可能會導致海洋環境污染事故。

剖面儀分離效果精度高，可以對各個液位進行有效控制，環境污染風險小。但是要注意做好放射源的轉讓審批和衛生防護等工作，使用時要嚴格遵循操維程序，避免產生放射性污染。

2.4 費用

傳統液位儀表價格低，產品成熟，國內外可選范圍大；剖面儀技術水平較高，可選廠家較少，多為國外進口產品，價格較昂貴[2]。

3 項目應用及改進措施

3.1 典型應用方案

核子剖面儀在海上平臺上已有成功應用，主要用在重質稠油相關的大型中心平臺、FPSO上。應用方式分為兩種：

在某CEP平臺上，核子剖面儀配合常規液位儀表共同使用，常規液位儀表實現關斷和調節功能，核子剖面儀進行監測，根據中控室組態畫面的結果，人為干預化學藥劑以及控制效果的調整[2]。

在某FPSO上，一臺分離器中安裝兩臺核子剖面儀，一臺用于PCS系統監測液位并控制液位調節閥流量，一臺用于ESD系統關斷。

可實現主要控制功能如下：

1）可和常規液位儀表配合使用，用于監測，人為干預。

2）直接使用核子剖面儀進行液位測量，并控制油氣水三相出口的液位調節閥，調整分離器液位，提高分離效果。

3）實時監測砂的高度并報警，提醒操作人員及時沖砂或清理，避免砂的沉積減少罐的處理體積，保持分離器的有效處理量。

3.2 改進措施

乳化層、泡沫層對于分離效果影響很大，如無法測量則無法有針對性地加入化學藥劑，造成化學藥劑加量過多或不足，導致浪費或者分離效果欠佳。

在化學藥劑注入量控制上，可和化學藥劑的工藝流程配合使用，在每種化學藥劑的工藝管線上增加液位調節閥或開關閥。當乳狀液出現時，根據檢測到的乳狀液厚度，自動加入破乳劑，當檢測到乳狀液消失時，自動停止加入破乳劑，控制破乳劑的加入量，也避免了油從排水管中排出加大下游處理難度。當泡沫出現時，根據檢測到的泡沫層厚度，自動加入消泡劑，當檢測到泡沫消失時，自動停止加入消泡劑，控制消泡劑的加入量，也避免了泡沫從排氣管中排出造成安全隱患和藥劑浪費。

通過剖面儀監測的數據對化學藥劑投放進行自動控制，實現化學藥劑添加量的自動調整及各種藥劑的滯留時間，從而節約化學藥劑，提高分離效果，降低成本，提高經濟效益。

4 實施效果及經濟效益

在使用核子剖面儀之前，工人一般是通過在現場24h手動取樣的方式來校準液位計實測準確度[3]，工作量大、效率低，且存在液位誤判導致調節不當的問題。核子剖面儀提高了分離器內復雜液/界面測量精度和效率，完善了油水分離的自動控制方案，分離效率大大提升。

核子剖面儀的測量原理和測量效果很好地滿足了油水界面的測量需求，油水分離效果良好，特別是很好地解決了重質稠油的界面測量，已成為重質稠油界面測量的首選測量方式。

能夠有效降低化學藥劑使用量，以某CEP平臺為例，預計每年僅破乳劑一項節約費用約為65萬元。

核子剖面儀地使用還大大降低了潛在的環境污染風險，良好的分離效果大大減少了泡沫從氣相出口沖入火炬分液罐以及大量油水混合物進入水處理流程的風險，更好地履行保護環境的社會責任，提升企業形象。

5 總結

本文介紹了核子剖面儀在海洋石油分離器上的應用方案和使用效果，并提出了自動投放化學藥劑的改進措施。由于核子剖面儀可以實現石油分離器內各種介質完整、準確的界面監測，實現各界面的自動控制，分離效率大大提升，尤其對于重質稠油有很好的分離效果，同時還能節省大量化學藥劑的費用，有效降低環境污染風險，因此具有很好的推廣價值。

[1]趙軍凱,王啟明,李海文,等.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.

[2]張偉娜.石油分離器液位測量技術研究及發展應用[J].儀表技術,2014,05:48-50.

[3]楊忠良.三相分離器增加油水界面看窗改造的建議[J].中國科技博覽,2012,16:85-86.