三相分離器油水分布測量儀研究與設計

張 沖，王鑫章，孫 冰，楊 靜

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津300452)

0 引 言

在油田開采過程中，產物以油氣水三相混合液為主，為實現對合格產品的有效輸出，通常使用三相分離器對油氣水三相混合液進行分離處理。但在一些原油集輸站點生產中，存在脫水效果不理想的問題，導致石油輸出質量和效率都不盡如人意[1]。其中的原因之一就是在分離過程中，設備脫氣效率較高但脫水穩定性不足，存在水油分離效果不佳的現象。因此三相分離器需要增加對油水混合液進行含水率測量的工藝流程，用來驗證分離作業是否達到預期效果，從而提高油氣水分離效率，確保油田開發建設水平，提升油田開發效益。

1 油水分布測量方法

目前，工業中測量石油含水率的常見方法有以下幾種：蒸餾法、密度法、微波法、電導法、電容法、短波吸收法等[2]，分述如下。

①蒸餾法：在被測樣品中加入與水不相容的試劑后，在回流條件下加熱蒸餾，水和溶劑冷凝后在接收器中連續分離，分離后水沉降至接收器，溶劑保留至蒸餾燒瓶，讀出接收器中水的體積，即可計算出樣品的含水率[3]。蒸餾法是當下石油含水量測試的傳統方法，精確程度較高，技術成熟，但該方法是取樣品離線測量，成本較高、操作復雜且檢測效率低，難以適用于三相分離器工藝流程。

②密度法：通過雜質與水兩相模型進行含水量分布測量[4]。具有結構簡單、測試成本低的優點，但缺點與蒸餾法相似，需要取樣測量且自動化程度較低。

③微波法：利用水油介質在微波電場中儲能系數和耗能系數的差異，通過傳感器進行油品中含水量的測量。該方法能夠支持在線測量、測量范圍寬、精度高，部分油田正在使用微波法進行含水量監測，但造價比較昂貴，對于產量較少的油田來說，該技術附帶的經濟價值不高，通用性不強。

④電導法：物體表面或內部含水量變化時，會導致電阻值的減小，電導法的工作原理就是通過直流電測試物體的導電性能[5]。該方法原理簡單，測試精度較低，通常用于測試易吸水的固體物質含水量，不適用于油水混合液測試。

⑤電容法：對于油水混合液來說，水的介電常數要遠大于油，因此油品含水量的微小變化會引起介電常數的較大變化。電容法使用電容傳感器將介電常數的變化反饋至電容儲能中，通過電路測量電容值來衡量油品含水率[6]。

⑥短波吸收法：含水率不同的油品，對于短波能量的吸收能力也不相同[7]，該方法將電能以電磁波的形式輻射到以乳化狀態存在的油水介質中，根據短波攝入溶液前后的能量差來檢測油水乳化液的含水率。

綜合考慮適用程度、實現難度和經濟價值后，本文選取電容法研制三相分離器油水分布測量儀，實現油水混合液含水量測量。

2 電容法測量原理

電容法利用水和油的介電常數存在很大差別這一原理來實現混合液含水率的測量[8]。電容式傳感器從原理上又可以分為兩種，一種為基于正對電場效應制作的傳感器，另一種是基于電場邊緣效應制作的傳感器。在平行極板電容中，兩極板的邊緣電場分布于平行極板的邊緣處且電場線是彎曲的，而正對電場分布于平行極板中間且電場線是平行的[9]。一般情況下，電容的邊緣效應被視為檢測過程中的不利因素，雖然目前存在利用電容邊緣效應而產生的新型檢測方法，但其結構復雜，制作成本較高，因此本文采用基于正對電場效應制作的傳感器。

3 系統設計與實驗

3.1 主控板設計

本文設計的儀器電路系統采用 16位超低功耗MSP430F5529單片機作為處理器，結合外部電路設計開發了電容測量電路，電路實物如圖 1所示。基于Keil軟件使用 C語言編寫了測試程序，實現驅動電路正常動作以及對比電容測量功能。

圖1 主控板實物圖Fig.1 Main control board

3.2 電容傳感器設計

多極板電容傳感器如圖2所示。采用印刷電路方式進行極板設計，共設計出 2塊三極電容板電路，單一極板尺寸為 100mm×50mm，由 3個極板構成一塊多極板電路，兩塊多極板電路通過組合形成多極板電容傳感器。

圖2 多極電容板實物圖Fig.2 Multipolar capacitor plate

按照不同極板間距組合形成兩類多極板電容傳感器，分別為 d1＝5mm、d2＝10mm，其中極板間距5mm傳感器如圖3所示。

圖3 多極板電容傳感器實物圖Fig.3 Multipolar plate capacitance sensor

多極板電容傳感器的工作原理是基于極板電容容量推導得出，根據極板電容公式，則有：

式中：rε代表介質的介電常數，本文取水的介電常數為 80，油的介電常數為 3～6；S為極板面積，由于極板的長和寬分別為 100、50mm，S＝0.005m2；d為極板間距。

①當極板間距d＝5mm時，則有：

當介質為水時，取rε＝80，則有Cmax1＝708.8pF；當介質為純油時，取rε＝5，則有Cmin1＝44.3pF。因此極板間距為5mm時，使用電容傳感器測試油水混合介質，極板電容的變化范圍是44.3～708.8pF。

②當極板間距d＝10mm時，則有：

同上，當介質為水時，取rε＝80，則有Cmax2＝354.4pF；當介質為純油時，取rε＝5，則有Cmin2＝22.15pF。因此極板間距為 10mm 時，使用電容傳感器測試油水混合介質，極板電容的變化范圍是22.15～354.4pF。

3.3 實驗過程

本文采用量筒作為容器，量筒內溶液為自來水與食用油混合液，根據有關參考文獻查證，自來水與油田生產水、食用油與原油的介電常數接近，能夠滿足實驗條件。主控板與電容傳感器通過接口連接，采用高性能示波器抓取采樣波形，分辨油水在多極板電容測量時的不同效果。系統實驗實物如圖4所示。

通過示波器測試電容傳感器的充放電時間，充電時間由程序控制，設置為 10ms，放電測量起始時間從控制端變為低電平開始，此時電容電壓開始下降，直至為 0V。當采樣電路接收到電容端的低電平信號時，處理器端口停止發出低電平信號，此時計時停止。不同的電容值對應不同的沖放電時間不同，從而可以實現電容測量。圖 4示波器中的綠色波形線 L1表示極板間介質為純水，黃色波形線 L2表示油水混合介質，曲線表示電容電壓變化過程，電壓下降越慢，表示電容值越大，反之亦然。因此可以通過測量電容容值 C來區分純水、油水混合、純油介質，與前文理論說明一致。

圖4 系統實驗實物圖Fig.4 Experimental system

3.4 穩定性驗證

根據 3.3節測試條件，對已知電容進行測試。已知電容值如表 1第一列數值所示，進行時間測量，共計 4次，單位為 μs，求取平均值，然后再求取各次測量結果與平均值之差的引用誤差。

測量結果如表1所示，引用誤差為：

其中，X為測量值，X0為平均值，L為平均值最長時間與最短時間之差。

表1 放電測試結果表Tab.1 Discharge test result

由表 1可知，經過多次重復測量，測量電路對電容的測量重復性較好，而且僅有的最大引用誤差為0.37%，證明系統較好實現了測量穩定性和準確性。

4 結 語

本文針對石油開采過程中對油水分離程度的測試需求，通過分析水油含量常用檢測方法，選擇電容法進行三相分離器內部油水含量分布測試工藝設計，通過原理分析、電路硬件設計、軟件調試以及實驗測試研究表明，利用多極板電容作為傳感器進行三相分離器內部油水分布測量的方法從理論上具備可行性。此外還模擬三相分離器水油混合液環境進行實驗研究，驗證了方案的實際測量效果。測量數據表明，所設計的簡易多極板電容實驗系統達到了驗證的目的，可以進行測量儀器的設計驗證工作。