渤海某平臺斜板除油器虛假液位原因分析及改造

瞿傳寶(中海石油(中國)有限公司遼東作業(yè)公司，天津 300456)

0 引言

渤海某油田W平臺為該油田處理中心平臺，平臺設(shè)備受復(fù)雜產(chǎn)出液影響出現(xiàn)多種問題。其中平臺污水系統(tǒng)各級容器液位計(jì)高頻次出現(xiàn)假液位現(xiàn)象，造成液位顯示功能失效，監(jiān)控室系統(tǒng)長時(shí)間無法對現(xiàn)場各級容器液位實(shí)時(shí)有效監(jiān)控，在故障應(yīng)急處置時(shí)處置效率低，延長應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間，嚴(yán)重影響污水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)致下游設(shè)備處理水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，同時(shí)存在安全隱患。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，近三年來各級設(shè)備出現(xiàn)液位計(jì)顯示假液位累計(jì)達(dá)100余次，其中污水處理第一級設(shè)備斜板除油器假液位無法真實(shí)監(jiān)控情況占比達(dá)80%。準(zhǔn)確可靠的液位測量對生產(chǎn)設(shè)施的平穩(wěn)運(yùn)行起著十分重要的作用，液位計(jì)讀數(shù)不準(zhǔn)確說明了生產(chǎn)過程中假液位對設(shè)備操作帶來的危害，本文分析假液位產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的處理措施。

1 斜板除油器假液位原因分析

1.1 磁翻板式液位計(jì)監(jiān)測工作原理

該設(shè)備液位計(jì)為磁翻板式液位計(jì)，根據(jù)浮力原理和磁性耦合作用制作而成。當(dāng)被測容器中的液位升降時(shí)，液位計(jì)本體管中的磁性浮子也隨之升降，浮子的永久性磁鋼通過磁耦合傳遞到磁翻板的指示器，驅(qū)動紅、白翻柱進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)。翻板內(nèi)的紅白交界處為容器內(nèi)部液位的實(shí)際高度，從而實(shí)現(xiàn)液位清晰且真實(shí)的指示。同時(shí)在磁翻板液位計(jì)外側(cè)還捆綁液位傳感器，也根據(jù)浮子的磁性及耦合作用感知液位，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街锌厣衔粰C(jī)，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控容器內(nèi)液位的目的。

液位計(jì)監(jiān)測工作原理類似于U型管原理(如圖1所示)。在同一封閉容器內(nèi)，壓力守恒，而油水密度及液位高度存在差異，當(dāng)一側(cè)的液位高度發(fā)生變化，另一側(cè)的液位高度也隨之變化。

圖1 U型管

式 中：P為 容 器 內(nèi) 壓 力(kPa)；g為 重 力 加 速度(m3/s)；ρ為介質(zhì)密度(kg/m3)；H為介質(zhì)高度(m)。

將不同介質(zhì)代入公式得到：

根據(jù)U型管原理：P油+P水1=P水2

得出：ρ油×g×h1+ρ水×g×h2=ρ水×g×H2

由此可見：若水室頂部存在浮油的情況下，由于浮油密度小于水的密度，液位計(jì)內(nèi)部的浮子懸浮在液位計(jì)管內(nèi)的油水界面處，液位計(jì)所反應(yīng)液位低于罐內(nèi)實(shí)際液位。

1.2 假液位原因分析

通過對斜板除油器液位計(jì)假液位情況統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：液位計(jì)頂部進(jìn)油造成故障占比90%。由于污水含油值高，經(jīng)斜板除油器處理后，斜板除油器的水室依然有污油上浮至液面，因此水室上部浮油需保持長時(shí)間進(jìn)行收油作業(yè)，致使斜板除油器水室長期處在較高的收油液位。在用斜板除油器的水室收油口液位分別為：3 120 mm, 3 130 mm, 3 130 mm，為確保水質(zhì)，水室運(yùn)行液位均保持在3 200 mm，而水室液位計(jì)顯示上限為3 400 mm，即液位計(jì)頂部距離收油口僅200 mm高度。在目前的工況下，水室3 200 mm設(shè)定液位確保水室液位在3 050～3 350 mm波動，高點(diǎn)距離液位計(jì)頂部僅有50 mm高度。如果上游來液略微增大，極易造成水室頂部污油進(jìn)入液位計(jì)頂部，結(jié)合液位計(jì)工作原理，由于污油、浮子、水三者密度差的存在，液位計(jì)內(nèi)的浮子只能檢測出罐內(nèi)水的高度，頂部污油的高度無法測出，致使液位計(jì)喪失真實(shí)的檢測功能，從而影響液位計(jì)的準(zhǔn)確反饋。同時(shí)液位計(jì)頂部進(jìn)油后，油的粘連性還會影響浮子在液位計(jì)腔室內(nèi)上下浮動的靈活性，出現(xiàn)浮力≤粘滯力，浮子無法上浮[1]。

2 斜板除油器液位計(jì)改造

2.1 液位計(jì)改進(jìn)技術(shù)要求

液位計(jì)連通口通常位于容器側(cè)壁，依靠連通器原理實(shí)時(shí)反應(yīng)容器真實(shí)液位。但是由于液位計(jì)型號以及液位計(jì)適應(yīng)性的局限，導(dǎo)致液位計(jì)所監(jiān)測的液體發(fā)生改變即密度產(chǎn)生變化的情況下，往往出現(xiàn)假液位的情況。斜板除油器水室液位，在水室水質(zhì)較好，頂部無浮油聚集的情況下，可以真實(shí)反應(yīng)罐內(nèi)液位。如果水室頂部浮油較多，必須保持高液位運(yùn)行，將頂部的浮油通過收油流程排除。然而高液位運(yùn)行浮油容易通過連通口進(jìn)入液位計(jì)影響使用。因此改造必須滿足上述高液位收油且液位計(jì)頂部不進(jìn)油的使用需求[2]。

2.2 液位計(jì)改進(jìn)依據(jù)

目前斜板除油器水室喇叭形收油口平均高度為3 120 mm，水室液位計(jì)頂部高度為3 400 mm，為確保污水處理水質(zhì)，斜板除油器水室必須時(shí)刻進(jìn)行收油操作，為此需保證斜板除油器運(yùn)行液位3 150 mm，在確保斜板除油器處理液量穩(wěn)定的情況下，水室液位波動范圍為：3 080～3 230 mm。由此可以推算出：

斜板水室高點(diǎn)距離液位計(jì)頂部：

喇叭形收油口距離水室液位計(jì)頂部高度：

通過對斜板除油器水室液位進(jìn)行波動法測算浮油厚度情況為：水室液位提升至3 280 mm時(shí)通過喇叭形收油口開始出水，即浮油厚度為：

由此可以看出，在斜板除油器實(shí)際運(yùn)行中，罐內(nèi)實(shí)際液位應(yīng)為：

可以看出，斜板水室高點(diǎn)運(yùn)行液位已經(jīng)接近液位計(jì)頂部3 400 mm入口，鑒于斜板除油器水室收油的長期性，為解決液位計(jì)進(jìn)油問題，對水室液位計(jì)頂部連通管線進(jìn)行改造。斜板除油器采用天然氣作為密封氣保證操作壓力穩(wěn)定，將液位計(jì)頂部連通管線改至安全閥入口，從而提高液位計(jì)頂部連通口高度，水室液位波動高點(diǎn)遠(yuǎn)低于液位計(jì)頂部入口，極大降低了頂部進(jìn)油的可能。

2.3 液位計(jì)改進(jìn)實(shí)施方案

通過現(xiàn)場對斜板除油器進(jìn)行調(diào)研，在保障斜板除油器結(jié)構(gòu)完整性的前提下，可以從罐頂部安全閥入口管線上新增三通引至液位計(jì)頂部，保持液位計(jì)頂部與罐體內(nèi)壓力平衡，切斷原液位計(jì)頂部連通管線。

通過測算：

斜板除油器直徑4 000 mm，安全閥處引壓點(diǎn)距離罐頂400 mm，因此提高液位計(jì)引壓點(diǎn)高度為： 4 000 mm-3 400 mm+400 mm=1 000 mm，完全可以滿足水室收油情況下的使用需求。改造前后對比圖如圖2、圖3所示。

圖2 液位計(jì)改造前

圖3 液位計(jì)改造后

3 方案實(shí)施后效果

該改造項(xiàng)目自2020年實(shí)施完畢以來，斜板除油器液位設(shè)定值可調(diào)節(jié)范圍上限提升，可根據(jù)工況自行調(diào)整。水相液位計(jì)頂部進(jìn)油故障被徹底消除。同時(shí)當(dāng)上游流程出現(xiàn)波動液位計(jì)也完全不會被來液量不穩(wěn)定所影響，顯示液位依舊真實(shí)，流程波動可控能力增強(qiáng)。

同時(shí)因流程波動液位計(jì)進(jìn)油導(dǎo)致水質(zhì)不達(dá)標(biāo)情況消除，防止污油進(jìn)入下級處理設(shè)備造成污染，延長下一級設(shè)備使用壽命和清罐周期，在源頭上創(chuàng)造了污水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的環(huán)境。

改造后斜板除油器液位計(jì)檢修所消耗的成本大幅降低，預(yù)計(jì)年均可節(jié)約內(nèi)置浮子2個(gè)，節(jié)約磁翻板式液位計(jì)1個(gè)。同時(shí)節(jié)約液位計(jì)檢修與沖洗人工時(shí)，提高了員工在其他作業(yè)任務(wù)的工作效率。

流程運(yùn)行穩(wěn)定，各級處理設(shè)備出口水質(zhì)達(dá)標(biāo)，相應(yīng)加注的化學(xué)藥劑清水劑濃度也由原來的150 mg/L下降至60 mg/L。

4 結(jié)語

應(yīng)用可靠的液位儀表設(shè)計(jì)需要多專業(yè)多領(lǐng)域共同努力才能實(shí)現(xiàn)，特別是處于寒帶的海洋石油工藝專業(yè)應(yīng)提出更準(zhǔn)確的工藝操作條件，不僅是設(shè)備本身影響液位穩(wěn)定的潛在擾動因素、液位變化對后續(xù)工藝過程的影響，還要考慮環(huán)境氣候等因素對液位儀表系統(tǒng)可靠程度的影響，儀表專業(yè)應(yīng)根據(jù)工藝要求選擇最適宜的儀表及控制措施，使其充分發(fā)揮作用。

本文詳細(xì)地說明了斜板除油器假液位產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的處理措施，如在設(shè)計(jì)時(shí)要求磁翻板液位計(jì)上部連通管必須與容器內(nèi)上部密度較小的介質(zhì)實(shí)時(shí)保持連通，下部連通管必須與下部密度較大的介質(zhì)連通；此改造可為同類裝置液位儀表的設(shè)計(jì)或操作提供參考。

可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)水處理系統(tǒng)各級設(shè)備和原油處理系統(tǒng)水相液位計(jì)，有良好的適用性，能夠有效消除浮子式液位計(jì)進(jìn)油導(dǎo)致的液位顯示不準(zhǔn)確，提升流程穩(wěn)定性。