海洋平臺稠油工況液位儀表選型設計研究

邵海龍，杜 剛，孟祥婷，韓 超，王 濤

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

近年來，隨著熱采等開采技術的逐漸成熟，封凍已久的稠油油田開采終于提上日程。原油的物性一方面造成了開采成本的增加，另一方面也給液位測量儀表的選型設計造成了一定的技術瓶頸，所以如何解決高粘工況液位儀表選型成為稠油開采的關鍵技術。

1 現有測量方法

目前，海上平臺常用的液位測量儀表主要有磁翻板/磁致伸縮液位計、差壓液位計、導波雷達液位計、喇叭口雷達液位計、射頻導納液位計、核子界面儀等幾種測量方法。每種測量方法價格差異較大，且都有一定的適用范圍和條件。其中一些儀表雖然本身適用粘度范圍有限，但是經過特殊處理或者特殊設計后，也可以獲得更廣泛的適用粘度范圍，從而避免了選擇價格更高的測量儀表。通過對海上平臺常用液位測量儀表進行詳細研究，通過合理化選型，一方面實現了最佳的測量效果，另一方面有效地減少了工程投資。

2 液位儀表選型原則

海洋平臺液位儀表選型主要遵循以下選型設計原則：

1）根據使用環境條件，選擇合適的液位儀表。海洋平臺環境中空氣濕度大，鹽霧腐蝕嚴重，液位儀表外殼材質應滿足耐海洋環境鹽霧腐蝕要求，一般選擇鑄鋁加環氧樹脂涂層或316 不銹鋼材質。

2）根據所在的危險區域劃分選擇合適的液位儀表。海洋平臺上的液位儀表一般處于危險區域，一般應滿足EXD IIB T4 要求。

3）海洋平臺上的液位儀表均為露天使用，防護等級應滿足IP56 或IP66 要求。

4）如所使用環境周邊存在振動或電磁干擾等情況，應選擇抗振動或電磁干擾的液位儀表。

5）根據測量范圍、需要的精度及測量功能來選擇合適的液位儀表。

6）根據被測介質的物理化學性質和狀態，如強酸性、強堿性、粘稠、臟污、易凝固結晶和氣化等工況，選擇合適的液位儀表。

7）根據操作條件，如介質溫度、壓力、密度、介電常數等選擇合適的液位儀表。

8）根據被測對象容器的結構、形狀、尺寸、容器內的設備附件及攪拌器和各種進出料管口位置等，選擇合適的液位測量儀表。

9）根據介質腐蝕性，選擇耐測量介質腐蝕的接液材質。海洋平臺液位儀表最低材質要求為316 不銹鋼材質。

10）考慮周邊操維空間情況，如果某一測量原理的液位儀表不滿足操維空間要求，則需要考慮更換使用操維空間更小的液位儀表。

11）除了測量方法上和技術上的問題外，還要綜合考慮投資的經濟性等因素。

3 高粘工況液位儀表選型設計研究

3.1 磁翻板/磁致伸縮測量法

磁翻板/磁致伸縮液位計是利用連通器原理，浮球內部設置磁體，浮球置于測量腔體中。當容器內的液位上升或下降時，測量腔體內部的浮球也隨之上升或下降，內部磁場的上下移動，導致外部磁翻柱或磁致伸縮線受到磁力也發生相應變化，通過判斷內部磁場的位置，即可確定液位的位置。由于浮球置于腔體內部，腔體尺寸一般為2"或3"，所以浮子與腔體之間縫隙較小，在介質粘度較大時容易造成浮子卡滯導致測量不準，因此適用粘度范圍不超過1000cp。

但經過一定的特殊處理，可以提高磁翻板/磁致伸縮液位計的粘度適用范圍，一般可以采用以下兩種方案：

1）增大腔體尺寸，由常規2"或3"腔體調整為4"腔體，從而增大腔體與浮子之間的縫隙，同時對腔體內部進行拋光處理，或者采用內襯特氟龍或PTFE，以防止腔體內部掛料。經過處理后，粘度范圍可以提升至1000cp ～1500cp 之間。

2）采用頂裝式安裝，浮子固定于一根導桿上，磁極固定于導桿頂端，浮子在浮力作用下與導桿同步上升或下降。這種安裝方式，可以有效避免浮子與腔體之間由于介質粘度過大而造成浮子卡滯的問題，幾乎不會受到介質粘度的影響，但該方法需要有足夠的上部操維空間。

優點：價格便宜，精度較高。

缺點：適用的粘度范圍有限，不適用于易結晶介質測量，抗干擾能力差，海洋平臺上的振動和電磁干擾可能會對測量結果產生影響，選型時需特別注意。

3.2 差壓測量法

差壓液位測量是根據差壓值推導液位高度的原理，即利用公式ΔP=ρgh，根據介質密度ρ 和測量的差壓值ΔP，得出液位高度h。該測量方法對于常壓容器和帶壓容器均可實現液位測量。對于常壓容器，僅需測量高壓側壓力即可，即采用單接口形式。對于帶壓容器，則需采用雙接口形式進行測量。由于測量過程中需要介質密度值作為輸入，所以該方法僅適用于介質密度穩定或者介質密度變化范圍較小的工況。

優點：結構簡單，安裝方便，安裝空間需求小，價格便宜。

缺點：僅適用于介質密度穩定工況的液位測量，密度變化較大時，精度較差，不再適用。

3.3 射頻導納測量法

射頻導納液位計是基于電容原理，利用高頻電流測量導納的方法。傳感器與罐壁及被測介質形成導納值，物位變化時，導納值相應變化，電路單元將測量導納值轉換成物位信號輸出，實現物位測量[1]。

由于電容電極在粘稠介質中使用容易結垢掛料，在使用一段時間后就出現一個附加的電容CC0和電阻RC0，它們是由許多CC01-CC0n和RC01-RC0n組成，其掛料的附加電容和電阻的等效回路如圖1。

圖1 掛料附加電容電阻等效回路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of additional capacitance and resistance of hanging material

圖2 射頻導納液位變送器Fig.2 RF Admittance level transmitter

由于掛料導致的附加電容和附加電阻的存在，出現了以下兩個問題：

1）由于掛料后附加電阻RC0的存在，使得掛料阻抗消耗了部分能量，使振蕩器輸出到探頭的電壓降低，導致測量回路誤差。

2）由于掛料后附加電容CC0的存在，直接產生了測量誤差。

射頻導納液位計在電容液位計基礎上，對電路設計做了如下改進：

① 在振蕩器與測量電容橋路之間增加緩沖放大器，使掛料阻抗消耗的能量得到補充，以保證振蕩器輸出電壓的穩定。

② 根據掛料CC0、RC0，增加一個交流驅動電路，該電路與交流變換器（或同步檢測器）一起可以分別測得測量電容CM和電阻RC0的阻抗，在掛料足夠長的情況下，物位電容為測量電容減去相當于RC0值的掛料電容值[2]。

射頻導納液位計由于采用了上述兩項電路補償技術，克服了掛料所引起的測量誤差，使得該方法不受粘度的影響，可以應用于高粘度工況。

優點：防靜電、防干擾、故障率低。

缺點：對介電常數有一定要求，有時需要在罐體加裝導波管。

3.4 導波雷達測量法

導波雷達也稱時域反射或微功率脈沖雷達，安裝在儲罐或旁通管的頂部，有桿式和纜式兩種形式，考慮到受罐頂安裝空間的限制，海洋平臺一般選用導波纜配重錘的形式。低能脈沖微波以光速沿導波桿/纜向下發送，在導波桿/纜與液位（空氣/液體界面）的交點處，有相當大比例的微波能量通過導波桿/纜反射回變送器，變送器對發射信號和接收的回波信號之間的時間差進行測量，然后板載微處理器利用公式：距離=（光速×時間差）/ 2，即可實現對液面上方高度進行計算，從而得出罐內液位值[3,4]。

圖3 導波雷達液位變送器Fig.3 Guided wave radar level transmitter

圖4 喇叭口雷達液位變送器Fig.4 Flare radar liquid level transmitter

導波雷達液位計通過在導波桿/纜上進行涂層處理，通過軟件濾除油膜覆蓋造成的干擾的方式，部分優質產品可以實現8000cp 及以內粘度范圍總液位的測量。在粘度較大工況下，不建議使用導波管進行限位。

優點：對波動較大介質的測量更穩定，不受介電常數高低的限制，信號相對穩定。

缺點：安裝維護不太方便，有時需要在罐體加裝導波管。

3.5 喇叭口雷達測量法

喇叭口雷達液位計是利用超高頻電磁波經天線向被探測容器的液面照射，當電磁波碰到液面后反射回來，儀表檢測出發射波及回波的時差，從而計算出液面高度。由于喇叭口雷達天線與被測介質互不接觸，所以可以有效避免高粘工況對測量的影響，理論上不受介質粘度的影響。

優點：精度較高，采用非接觸式測量，不受介質粘度的限制，體積較小，安裝方便。

圖5 核子界面儀Fig.5 Nuclear interface instrument

缺點：天線容易沾上測量介質、結晶或水蒸氣，需要進行定期檢查和清理。為避免漂浮物影響測量結果，需要在罐體加裝導波管。

3.6 核子界面儀測量法

核子界面儀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時會衰弱，根據介質的密度不同，衰減程度不同。密度越大，伽馬射線衰減程度越強，從而可以測量出每一段介質的密度，通過介質密度的變化判斷出每層液位的高度，屬于非接觸式測量，測量不受介質粘度等因素影響。

優點：測量范圍廣，精度高，采用非接觸式測量，不受介質粘度的限制。

缺點：費用較高，由于存在一定輻射性，所以儀表安裝、調試維護以及進罐作業時風險較大。

4 應用舉例

以錦州23-2 油田和旅大21-2 油田為例，由于區塊特點，油田原油粘度高，采用熱采技術進行海上油田開發。針對這兩個項目特點，結合不同操作溫度、不同含水量下原油粘度值，給出錦州23-2 油田和旅大21-2 油田不同粘度下液位測量儀表選型推薦方案見表1。

5 結束語

本文研究了各種液位測量儀表對粘度的適應性，以錦州23-2 油田和旅大21-2 油田為例給出液位測量儀表選型推薦方案。通過合理化選型，一方面實現了最佳的測量效果，另一方面有效地減少了工程投資，對促進稠油熱采技術進一步開發具有極其重要的意義。

表1 錦州23-2油田和旅大21-2油田液位測量儀表選型推薦Table 1 Recommendations for the selection of liquid level measuring instruments in Jinzhou 23-2 Oilfield and Lvda 21-2 Oilfield