原油沉降罐在線改造中油水界位測量儀表的選型探討

藺權權,張小平，陽思遠

(1. 中國石油工程建設有限公司 俄羅斯分公司，北京 100101；2. 中油國際尼羅河公司，北京 100034)

隨著油田開發時間的推進，井口采出的原油含水率也會逐年遞增，繼續使用調節水箱進行油水界面調節，無法使集油站內沉降罐生產水中的含油量和原油含水率滿足設計要求，直接影響著下游外輸原油和生產水的進一步處理過程。通過油水界面檢測與沉降罐產出水管線上調節閥聯鎖，將油水界面維持在一定的范圍內，可以顯著地增加沉降效果，保證油水出口的產品指標滿足技術要求。以某油田集油站原油沉降罐在線改造為例，介紹了工藝流程，對油水界位測量儀表選型進行了論述，給出了單法蘭差壓液位變送器在投油沉降罐油水界位測量中的應用及評價。

1 工藝概述

原油自油田井口開采出來之后，通過集油管道進入集油站進行油氣水的分離。在集油站內部，進站原油首先經過三相分離器進行一級分離，產出的含水原油流入原油沉降罐在破乳劑的參與下進行重力沉降，完成二級分離。沉降罐產出的原油需滿足含水率低于10%的技術要求，然后通過外輸泵輸送到下一級站場。該集油站內原有的沉降罐結構如圖1所示。

圖1 沉降罐結構示意

在沉降罐建造之前，通常會根據油水介質密度、處理量等工藝參數計算出收水系統的沿程摩阻，然后合理設置調節水箱的高度來對油水界面進行調節，從而使沉降罐產出的含水原油達到外輸的要求。某油田運行一段時間后，原油含水率達到了一個很高的水平，原油沉降罐的調節水箱已經不能很好地進行油水界面調節，沉降罐產出物的質量不再滿足規定要求，因而需要對沉降罐進行局部改造。

由于含水率與油水界面存在一定的關系[1]，可以通過測量儲罐油水界面高度，將其與儲罐排水線新增調節閥進行聯鎖，調整調節閥開度來控制油水界面高度，進而控制沉降罐出口原油的含水率。該集油站在線改造沉降罐的主要設計參數及工藝條件見表1所列。

表1 沉降罐設計參數及工藝條件

圖1中頂部安裝有伺服液位變送器來測量大罐液位，該伺服液位變送器與緊急停車系統聯鎖可防止冒罐事故的發生。此外，罐頂和底部均有備用DN80的法蘭口可供油水界位儀表使用。

2 油水界面儀表選型

由于油水密度不同，在化學藥劑及重力的作用下，沉降罐經過一段時間后可以得到一個清晰的油水分界面。油水界面測量儀表的選型主要考慮如下幾個方面的內容： 是否適用于漸變密度界面測量、是否受氣泡影響、是否受介質高黏度和介電常數變化的影響、儀表的測量精度等[2]。對于原有的沉降罐在線改造，還要考慮安裝和維護的方便性。用于油水界面測量的儀表通常有導波雷達液位計、伺服液位計、射頻導納液位計、磁致伸縮液位計和和差壓液位計等。

1) 雷達液位計。雷達波可以部分穿透液位表面，并在兩種介質的界面上產生反射，通過測量雷達波反射時間，進而計算出界面的高度[3-4]。雷達液位計可測量液位及界面高度，用于界面測量時需保證液-液有清晰的界面。雷達液位計一般安裝在罐頂，需要安裝導向管，對于投產的油罐需要進行清罐、動火焊接。從表1中可以看出，油水密度差僅有82.8 kg/m3左右，密度差小，油水界面不清晰，同時現場反映介質伴有氣泡產生，容易造成雷達波的閃射，因此不建議采用雷達液位計。

2) 伺服液位計。基于浮力平衡原理，但實際上是通過測量鋼絲上的張力來測量界面，由于鋼絲的張力與介質的密度成正比，因而在測量界面時只需測量密度的變化即可。伺服液位計由浮子、鋼絲和伺服變送器組成，伺服變送器通過內部的伺服馬達驅動體積較小的浮子，進而可以精確測量液位及界面高度。目前伺服液位計測量油水界面技術已經比較成熟，在各大油田、石化行業新建項目上得到廣泛應用[5-6]。伺服液位計通常在沉降罐頂部安裝，為保證測量效果，穩定油水界面，需安裝在直徑不小于DN200的導向管內。對于已投產的進液儲罐，需要進行停產、清罐、動火焊接并安裝導向管。

3) 射頻導納液位計。主要利用高頻無線電波測量導納，進而測量液位及界面高度[7]。儀表工作時，儀表的傳感器與罐壁及被測介質形成導納值，物位變化時，導納值也相應變化，電路單元將測量的導納值轉換為物位信號輸出，實現物位的測量。測量界面時要求兩種介質的介電常數有一定的差異，同時射頻導納液位計測量界面對上層介質的厚度以及界面的清晰度有要求。射頻導納液位計通常垂直液面安裝，油水界位測量時需安裝導向管，對于投產油罐需要進行清罐，動火焊接。陳子琦通過在同一罐上同時使用了射頻導納液位計和伺服液位計，發現射頻導納式液位計的信號波動非常不穩定，波動最大超過了20 cm，而伺服液位計的測量結果卻非常穩定[8]。本次改造的沉降罐油水介質密度差較小，界面不夠清晰，因此不建議選用射頻導納液位計。

4) 磁致伸縮液位計。磁致伸縮液位計由浮球、內置脈沖發生器和接收器的變送器、裝有磁致伸縮線的不銹鋼測量管構成[9]。正常工作時，脈沖發生器產生的電流脈沖沿導波管進行傳輸并形成相應的電磁場，在其與浮子磁場相遇后，便形成了螺旋形磁場，導致波導絲發生扭曲，從而形成對扭轉彈性波的激發，通過該彈性波實現了對浮子位置的計算并獲得液位的準確位置。磁致伸縮液位計不適用于黏稠性液體的液位測量，容易造成浮子卡頓。對于已經投產的原油沉降罐，可采用頂裝式磁致伸縮液位計測量油水界位，但需要安裝導向管、清罐、動火焊接等工作。

5) 差壓液位計。通過測量容器兩端的差壓得到液位，當沉降罐的油水界位發生變化時，油水界面對沉降罐底部的靜壓差也會發生相應的變化。聶華等對差壓式液位計取壓方法進行了深入的研究[10]，對于壓力容器，通常采用兩點取壓的方式測量液位的高度。對于微正壓操作下的原油沉降罐，可以采用單法蘭差壓液位變送器來近似測量油水界面的高度。與伺服液位計、磁致伸縮液位計相比，差壓液位計需要通過壓差及介質密度來推算液位，精度相對較差，但其結構簡單、安裝方便，不受罐體內部介質黏度、懸浮物的影響。對于已經投油生產的沉降罐，差壓液位計不需要清罐、安裝導向管及動火焊接等操作。

根據以上的選型分析，現場改造沉降罐界位測量可以使用伺服液位計、磁致伸縮液位計或單法蘭差壓液位計。伺服液位計、磁致伸縮液位計可以獲得精度較高的油水界面測量，但需要關停上下游關鍵的工藝單元，會對生產造成較大的影響。相比之下，盡管差壓液位計精度較低，但不需要停產清罐和動火焊接安裝導向管，安裝和操作維護方便，改造成本較低。經過分析和考慮，現場最終采取了單法蘭差壓液位變送器來進行在線沉降罐油水界面的測量。

3 單法蘭差壓液位變送器應用及評價

根據工藝參數、電氣防爆等要求，現場采購并安裝了精度為0.075%的單法蘭差壓液位變送器，安裝在沉降罐底部備用的DN80法蘭接口處。由表1可知，沉降罐操作在微正壓工況下，可以通過如下公式計算沉降罐油水界面的近似位置：

p=ρ水g(h-d)+ρ油g(H-h)

(1)

h=(p+ρ水gd-ρ油gH)/(ρ水-ρ油)g

(2)

式中：p——單法蘭差壓液位變送器測量壓力，kPa；ρ水——沉降罐中水的密度，kg/m3；g——重力加速度，kg/m2；h——油水界面高度，m；d——變送器安裝高度，m；ρ油——沉降罐中油的密度，kg/m3；H——沉降罐液位，m，H由沉降罐原有伺服液位變送器可以測得，油水密度參數需要根據現場實際運行狀況實時更新。

為了將油水界位維持在一定范圍內，在沉降罐水線出口新增1臺控制閥，與單法蘭差壓液位變送器聯鎖調節油水界面的高度，沉降罐油水界位控制方案如圖2所示。

圖2 沉降罐油水界位控制方案示意

到目前為止，現場生產運行已經1年多時間，集油站操作工反饋單法蘭差壓液位變送器維護方便、運行正常，通過與水線調節閥構成聯鎖控制回路，可以將沉降罐油水界面維持在一定范圍內，下游產品滿足了技術要求，達到了預期效果。

4 結束語

隨著采出原油含水率的升高，集油站沉降罐的調節水箱已經逐漸不能保證下游產品的指標要求。經過現場實際應用結果表明，通過單法蘭差壓液位變送器與出水管線調節閥聯鎖控制沉降罐油水界面，在精度允許的情況下可以使通往下游單元的含水原油及含油污水達到滿意的水平。

參考文獻：

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