多參數(shù)油水界面儀在油水界面測量中的應(yīng)用

宋 蓓，史秋華，賈玉明

（中海油石化工程有限公司，山東 青島 266100）

在化工、石化以及油氣行業(yè)，經(jīng)常會(huì)遇到需要區(qū)分兩種介質(zhì)分界面的測量要求，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)因其不受介質(zhì)、溫度、蒸汽、粉塵等的影響在界面測量領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是在采油廠、海上鉆井平臺(tái)的原油脫水、油水分離等典型工況中，由于油水之間存在一個(gè)復(fù)雜的乳化層，使得傳統(tǒng)的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在這種工況下無法給出可靠的界面值。

本文介紹的多參數(shù)油水界面儀是對傳統(tǒng)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的升級，它通過融合傳感器將導(dǎo)波雷達(dá)和電容測量原理融合在一起，克服了傳統(tǒng)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測量界面的局限性，充分發(fā)揮了導(dǎo)波雷達(dá)和電容兩種測量原理的優(yōu)勢，結(jié)合先進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜工況下的界面測量，并通過實(shí)際應(yīng)用案例驗(yàn)證了多參數(shù)油水界面儀在含乳化層的油水界面應(yīng)用中的優(yōu)勢，為自動(dòng)化領(lǐng)域的界面測量提供一種更為可靠、穩(wěn)定的解決方案。

圖1 液位測量原理Fig.1 Principle of liquid level measurement

1 傳統(tǒng)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)

1.1 測量原理

時(shí)域反射原理是導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的基礎(chǔ)。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射裝置發(fā)射的高頻電磁脈沖以光速沿導(dǎo)波桿傳播，當(dāng)遇到被測介質(zhì)表面時(shí)，部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置，發(fā)射裝置與被測介質(zhì)表面的距離(D)同脈沖在其間的傳播時(shí)間(t)成正比，經(jīng)計(jì)算得出液位高度L=E-c·t/2，其中E為空標(biāo)高度（零點(diǎn)），c為光速，t為電磁波從發(fā)射到回收經(jīng)歷的時(shí)間[1]。

高頻脈沖信號到達(dá)被測介質(zhì)表面后僅部分脈沖信號產(chǎn)生反射。上層介質(zhì)的介電常數(shù)較小時(shí)，未發(fā)生反射的脈沖信號將沿探頭繼續(xù)向下傳播。在界面處產(chǎn)生二次反射（下層介質(zhì)的介電常數(shù)大于上層介質(zhì)的介電常數(shù)）。考慮脈沖信號在上層介質(zhì)中傳播的延遲時(shí)間，可以測量儀表至界面間的距離。

1.2 傳統(tǒng)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)弊端

采用時(shí)域反射原理的界面測量方法在遇到介質(zhì)分層處經(jīng)常出現(xiàn)乳化層的工況時(shí)，界面信號會(huì)隨著乳化層的加厚逐漸減弱甚至消失，在這種情況下，界位信號會(huì)被液位信號吞噬，從而使導(dǎo)波雷達(dá)在存在乳化層的工況下測量的界面信號不可靠，用這個(gè)信號去進(jìn)行過程控制也將變得不可能。

2 多參數(shù)油水界面儀

2.1 測量原理

多參數(shù)油水界面儀是通過融合傳感器將時(shí)域反射原理和電容原理融合在一起，實(shí)現(xiàn)液位和界位測量的。

當(dāng)界面分層清晰時(shí)，液位計(jì)發(fā)射裝置發(fā)射的高頻電磁脈沖先在總液位處產(chǎn)生一個(gè)反射回波代表油面高度，然后再繼續(xù)向下傳播到油水界面處產(chǎn)生一個(gè)回波代表界面；當(dāng)被測界面由于各種原因變得不清晰時(shí)，儀表內(nèi)部的智能界面信號識(shí)別系統(tǒng)會(huì)不斷評估當(dāng)前界面回波的質(zhì)量，自動(dòng)切換到電容測量原理，通過測量探頭的電容值進(jìn)行界面測量，用電容原理作為油水界面測量的驗(yàn)證和補(bǔ)充。

圖2 傳統(tǒng)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測量界位Fig.2 Measurement boundary position of traditional guide wave radar liquid level meter

圖3 多參數(shù)油水界面儀測量信號Fig.3 Multi-parameter oil-water interface meter measuring signal

使用電容原理[2,3]測量時(shí)，液位計(jì)探桿和罐體形成了一個(gè)電容器，上層介質(zhì)與下層介質(zhì)有著不同的介電常數(shù)。通常情況下，上層介質(zhì)介電常數(shù)較小，例如油；下層介質(zhì)介電常數(shù)較大，例如水。由于介電常數(shù)小的介質(zhì)產(chǎn)生的電容改變量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于介電常數(shù)大的，所以上層介質(zhì)占整體電容改變量的比例就非常小，通過電容換算出的液位值就近似等于界面值。

2.2 優(yōu)勢

多參數(shù)油水界面儀在被測界面由于各種原因變得不清晰時(shí)，如出現(xiàn)乳化層時(shí)，可以利用電容測量值進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，確保持續(xù)穩(wěn)定測量，從而實(shí)現(xiàn)了“全工況”的界面測量。

3 多參數(shù)油水界面儀應(yīng)用舉例

某廠硫磺回收裝置富液緩沖罐，常溫常壓，上層介質(zhì)是污油，下層介質(zhì)是甲基二乙醇胺溶液，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)安裝在罐頂位置，罐高9m。

圖4 多參數(shù)油水界面儀應(yīng)用效果Fig.4 Application effect of multi-parameter oil-water interface instrument

原導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中界面信號經(jīng)常跳變，不能形成穩(wěn)定的測量，從趨勢圖中可明顯看到界面信號經(jīng)常性的與液位信號重合，運(yùn)行記錄表中界面值經(jīng)常與液位值一致。用戶反映由于界面測量值非常不可靠，導(dǎo)致現(xiàn)場玻璃管液位計(jì)因堵塞失效，用戶只能依靠人工開閥排液的方式觀察排水點(diǎn)里面是油還是水。

用戶更換為E+H公司的FMP55多參數(shù)油水界面儀后，即使由于乳化層導(dǎo)致一個(gè)回波丟失，儀表可自動(dòng)切換到電容模式，仍可以分別測出液面和分界面高度，完美解決了用戶的問題，使用效果如圖4。

4 總結(jié)

綜上，在油水界面分層不清晰時(shí)，傳統(tǒng)的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測量界位已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)上越來越高的要求，而多參數(shù)油水界面儀利用融合傳感器將導(dǎo)波雷達(dá)和電容兩種界面測量原理融合在一起，使得油水界面的測量更加準(zhǔn)確。

同時(shí)，由于多參數(shù)油水界面儀低廉的價(jià)格，通常是伺服液位計(jì)的三分之一甚至更低，所以在精度要求不高、上下層介質(zhì)介電常數(shù)差別很大的工況下，多參數(shù)油水界面儀不失為一種解決含乳化層油水界面測量的很好的方案。目前，該儀表已經(jīng)得到眾多用戶的認(rèn)可，并在多個(gè)行業(yè)、多種工況中得到應(yīng)用，運(yùn)行良好。