海上油田高振動(dòng)液位跳變對(duì)工藝安全與優(yōu)化選型研究

張奇，陳烽文

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司渤西作業(yè)公司，天津 300452)

0 引言

本文旨在通過(guò)對(duì)海上油氣田高振動(dòng)工況下液位跳變問(wèn)題的深入研究，探究其對(duì)工藝流程安全運(yùn)行的影響，并提出一系列液位跳變優(yōu)化選型方案，以期為海上油氣田開采提供參考和借鑒，提高工藝流程的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

1 海上油氣田高振動(dòng)工況下液位跳變?cè)蚍治?/h2>

1.1 海上油氣田高振動(dòng)工況簡(jiǎn)介

海上油氣田的高振動(dòng)工況是指在海上的鉆井平臺(tái)、生產(chǎn)平臺(tái)等設(shè)施上，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，加之鉆探、采油、輸送等作業(yè)所引起的振動(dòng)，使得設(shè)施的振動(dòng)加速度遠(yuǎn)高于陸上設(shè)施。這些振動(dòng)的形成有多種因素，包括海浪、風(fēng)浪、平臺(tái)設(shè)備的振動(dòng)等。由于海洋環(huán)境的不可預(yù)知性，在油氣田會(huì)發(fā)生在不同的頻率和振幅的振動(dòng)，因此海上油氣田的高振動(dòng)工況具有不確定性和隨機(jī)性。

在海上油氣田生產(chǎn)過(guò)程中存在液位跳變的問(wèn)題，是由于平臺(tái)振動(dòng)所導(dǎo)致。液位跳變通常會(huì)引起生產(chǎn)設(shè)備的異常運(yùn)行，甚至可能導(dǎo)致設(shè)備故障和生產(chǎn)事故。因此對(duì)海上油氣田高振動(dòng)工況下的液位跳變問(wèn)題進(jìn)行研究和分析，有助于提高工藝流程的穩(wěn)定性和安全性，保證生產(chǎn)的連續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性。

1.2 液位跳變?cè)蚍治?/h3>

液位跳變是由于海上油氣田設(shè)備振動(dòng)所引起的油氣液位變化。發(fā)生的原因主要有以下幾個(gè)方面：首先是海浪和風(fēng)浪引起的振動(dòng)。海上油氣田處于海洋環(huán)境中，海浪和風(fēng)浪是主要的振動(dòng)源之一，其頻率和振幅不斷變化，會(huì)對(duì)平臺(tái)設(shè)備產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)傳導(dǎo)到儲(chǔ)油罐、管道和設(shè)備上，從而引起油氣液位的變化。其次是生產(chǎn)設(shè)備本身的振動(dòng)。生產(chǎn)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，尤其是高速旋轉(zhuǎn)的泵、壓縮機(jī)等設(shè)備，其振動(dòng)會(huì)直接影響油氣液位。再次是液位控制系統(tǒng)失效。液位控制系統(tǒng)是保持油氣液位穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，但如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如控制閥門失靈、傳感器損壞等，就會(huì)導(dǎo)致液位跳變。最后是液位變化引起的自激振動(dòng)。液位變化也會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生影響，如產(chǎn)生共振、自激振動(dòng)等，進(jìn)而導(dǎo)致液位跳變。因此，在設(shè)計(jì)和操作海上油氣田生產(chǎn)設(shè)備時(shí)，需要綜合考慮環(huán)境因素、設(shè)備振動(dòng)特性、液位控制系統(tǒng)等因素，以降低液位跳變的發(fā)生率，提高工藝流程的穩(wěn)定性和安全性。

1.3 相關(guān)工藝流程安全運(yùn)行問(wèn)題分析

海上油氣田高振動(dòng)工況下的液位跳變對(duì)工藝流程的安全運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生多方面的影響。首先是設(shè)備損壞和生產(chǎn)事故。液位跳變會(huì)影響生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行，如果液位控制失效或者設(shè)備自身振動(dòng)過(guò)大，可能導(dǎo)致設(shè)備故障和生產(chǎn)事故的發(fā)生。其次是生產(chǎn)效率下降。液位跳變會(huì)導(dǎo)致油氣液位的不穩(wěn)定，這會(huì)使生產(chǎn)過(guò)程受到干擾，從而降低生產(chǎn)效率和產(chǎn)量。最后是能源浪費(fèi)和成本增加。液位跳變會(huì)導(dǎo)致油氣泄漏、流失等問(wèn)題，這不僅浪費(fèi)了有限的能源資源，還會(huì)增加生產(chǎn)成本。

2 高振動(dòng)工況下液位跳變對(duì)工藝流程安全運(yùn)行的影響

2.1 液位跳變對(duì)分離器性能的影響

在海上油氣田高振動(dòng)工況下，液位跳變會(huì)對(duì)分離器的性能產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在：首先是分離效率降低。分離器是用于將油、氣、水等不同物質(zhì)進(jìn)行分離的設(shè)備。當(dāng)液位發(fā)生跳變時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致不同物質(zhì)的相互混合，從而降低分離效率。其次是凝聚水位變化。凝聚水是指從氣態(tài)水蒸氣中析出的水滴，其高度與液位高度有關(guān)。當(dāng)液位發(fā)生跳變時(shí)，凝聚水的高度也會(huì)發(fā)生變化，從而影響分離器中氣體的純度。再次是操作穩(wěn)定性降低。分離器操作需要考慮多種參數(shù)，如進(jìn)料流量、溫度、壓力、液位等。液位跳變會(huì)導(dǎo)致這些參數(shù)發(fā)生變化，從而降低操作的穩(wěn)定性。最后是疲勞壽命下降。分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)在振動(dòng)環(huán)境下發(fā)生疲勞損傷，液位跳變會(huì)加劇這種損傷，從而降低分離器的壽命。因此，為了降低液位跳變對(duì)分離器性能的影響，需要采取一些有效的措施，從而保障工藝流程的安全運(yùn)行[1]。

2.2 液位跳變對(duì)儲(chǔ)罐穩(wěn)定性的影響

在海上油氣田高振動(dòng)工況下，液位跳變還會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在：(1)壓力波動(dòng)。液位跳變會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的波動(dòng)，從而影響儲(chǔ)罐的穩(wěn)定性。特別是當(dāng)液位迅速下降時(shí)，會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓波，使儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力降低，如果壓力過(guò)低，可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)的油氣產(chǎn)生汽化和爆炸等危險(xiǎn)。(2) 油位超限。液位跳變也可能導(dǎo)致儲(chǔ)罐油位超限，這會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐的穩(wěn)定性下降。當(dāng)油位超過(guò)儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)高度時(shí)，可能會(huì)造成液體泄漏和罐體傾覆等危險(xiǎn)。(3)機(jī)械應(yīng)力。液位跳變也會(huì)引起儲(chǔ)罐內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力變化。儲(chǔ)罐內(nèi)部的液體和氣體在液位跳變時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈的沖擊和摩擦力，從而引起儲(chǔ)罐壁和附件的機(jī)械應(yīng)力變化。

2.3 液位跳變對(duì)管道運(yùn)輸?shù)挠绊?/h3>

可以通過(guò)加強(qiáng)管道的支撐結(jié)構(gòu)和管道材料的抗振能力，提高管道的穩(wěn)定性；加強(qiáng)管道內(nèi)部液位監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)的精度和可靠性，及時(shí)掌握液位變化情況，減少液位跳變的發(fā)生，確保生產(chǎn)過(guò)程的順利進(jìn)行[2]。

3 液位跳變優(yōu)化選型方案

3.1 液位測(cè)量技術(shù)

為了解決海上油氣田高振動(dòng)工況下液位跳變對(duì)工藝流程安全運(yùn)行的影響，可以采用液位測(cè)量技術(shù)進(jìn)行液位跳變優(yōu)化選型。液位測(cè)量技術(shù)主要包括：(1) 振弦式液位計(jì)。振弦式液位計(jì)是一種基于聲學(xué)原理的液位測(cè)量技術(shù)，利用聲波在液體中傳播的速度和回波時(shí)間來(lái)確定液位高度。振弦式液位計(jì)具有精度高、可靠性強(qiáng)、不受液體性質(zhì)和溫度變化的影響等優(yōu)點(diǎn)，可以有效應(yīng)對(duì)高振動(dòng)工況下液位跳變的問(wèn)題。(2) 磁翻板液位計(jì)。磁翻板液位計(jì)是一種機(jī)電式液位測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)利用磁性翻板和磁性探頭之間的磁力作用來(lái)確定液位高度。磁翻板液位計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但由于機(jī)械部件容易受到振動(dòng)的影響，因此在高振動(dòng)工況下可能會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。(3)壓力式液位計(jì)。壓力式液位計(jì)是一種基于壓力原理的液位測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)利用液體所產(chǎn)生的壓力與液位高度之間的關(guān)系來(lái)確定液位高度。壓力式液位計(jì)具有響應(yīng)速度快、精度高、不受振動(dòng)和噪音干擾的影響等優(yōu)點(diǎn)，可以適用于高振動(dòng)工況下的液位測(cè)量。

3.2 液位控制技術(shù)

解決海上油氣田高振動(dòng)工況下液位跳變對(duì)工藝流程安全運(yùn)行的影響，可以采用液位控制技術(shù)進(jìn)行液位跳變優(yōu)化選型。液位控制技術(shù)主要包括以下幾種：(1)反饋控制。反饋控制是一種常用的液位控制技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)測(cè)量實(shí)際液位并與設(shè)定液位進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生誤差信號(hào)，并通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使實(shí)際液位逐漸趨近于設(shè)定液位。反饋控制技術(shù)可以有效地應(yīng)對(duì)液位跳變的問(wèn)題，但對(duì)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性要求較高。(2)前饋控制。前饋控制是一種在液位變化前預(yù)先進(jìn)行控制的技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)分析液位變化趨勢(shì)并進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而在液位發(fā)生變化前進(jìn)行控制，以防止液位跳變的發(fā)生。前饋控制技術(shù)可以在一定程度上避免液位跳變對(duì)工藝流程的影響，但對(duì)液位變化趨勢(shì)的分析和預(yù)測(cè)要求較高。(3)模糊控制。模糊控制是一種利用模糊邏輯進(jìn)行控制的技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)對(duì)液位變化和控制信號(hào)之間的關(guān)系進(jìn)行模糊化處理，從而產(chǎn)生模糊控制信號(hào)，并通過(guò)模糊控制器進(jìn)行液位控制。模糊控制技術(shù)可以有效地應(yīng)對(duì)液位跳變的問(wèn)題，但對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)和調(diào)試要求較高。

3.3 設(shè)備選型與工藝參數(shù)優(yōu)化

除了液位測(cè)量和控制技術(shù)的優(yōu)化外，設(shè)備選型和工藝參數(shù)優(yōu)化也是液位跳變優(yōu)化的重要方面。設(shè)備選型方面，要選擇適合海上油氣田高振動(dòng)工況下使用的設(shè)備，例如抗震性能好、耐腐蝕、可靠性高的設(shè)備。在選擇設(shè)備時(shí)，還要考慮到設(shè)備的適用范圍、使用壽命、運(yùn)行成本等因素，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的最佳性價(jià)比。工藝參數(shù)優(yōu)化方面，可以通過(guò)調(diào)整工藝流程參數(shù)，減少液位跳變對(duì)工藝流程的影響。例如，在液位變化較為劇烈的情況下，可以適當(dāng)調(diào)整生產(chǎn)流程，緩慢調(diào)整液位，避免突然液位變化造成的影響。在設(shè)備容量有限的情況下，可以根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化生產(chǎn)效率和能耗。同時(shí)，在設(shè)備選型和工藝參數(shù)優(yōu)化方面，還需要充分考慮生產(chǎn)安全性和環(huán)保性。例如，在設(shè)備選型時(shí)，要考慮到設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性，以及對(duì)環(huán)境的影響，在工藝參數(shù)優(yōu)化時(shí)，需要考慮到生產(chǎn)過(guò)程中的安全隱患和環(huán)境污染問(wèn)題，采取措施加以解決。

3.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與成本效益分析

實(shí)驗(yàn)選取了某海上油氣田的實(shí)際生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用了前饋控制技術(shù)進(jìn)行液位控制，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

在實(shí)驗(yàn)中，選取了一個(gè)液位變化較為明顯的儲(chǔ)罐進(jìn)行液位控制，將前饋控制技術(shù)與傳統(tǒng)的比例積分控制技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。表1 為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表1 中可以看出，采用前饋控制技術(shù)的液位高度變化更加平穩(wěn)，且響應(yīng)速度更快，相比之下傳統(tǒng)的比例積分控制技術(shù)容易出現(xiàn)過(guò)沖和震蕩現(xiàn)象。

針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還進(jìn)行了成本效益分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，采用前饋控制技術(shù)的液位控制方案可以降低工藝流程安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提高生產(chǎn)效率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

在此例中，假設(shè)實(shí)驗(yàn)所選儲(chǔ)罐的產(chǎn)量為每天1 000 t，儲(chǔ)罐的存儲(chǔ)時(shí)間為30 d，每噸產(chǎn)品的收益為1 000 元，每天的生產(chǎn)成本為20 000 元，液位控制系統(tǒng)的成本為50 000 元。在這些基礎(chǔ)上，進(jìn)行了前饋控制技術(shù)與傳統(tǒng)比例積分控制技術(shù)的成本效益分析。

對(duì)采用前饋控制技術(shù)的液位控制方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案可以提高生產(chǎn)效率，避免液位控制過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)沖和震蕩現(xiàn)象，降低了工藝流程的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。具體而言，該方案可以將每噸產(chǎn)品的生產(chǎn)成本降低約0.5 元，每天可增加生產(chǎn)量約10 t，相應(yīng)地增加每天收益約10 000 元。因此，該方案的總收益為(1 000 t/d×30 d×1 000 元/t +10 000 元/d×30 d)-50 000 元=30 250 000 元。

相比之下，采用傳統(tǒng)的比例積分控制技術(shù)的液位控制方案容易出現(xiàn)過(guò)沖和震蕩現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下和產(chǎn)品質(zhì)量下降，進(jìn)而影響經(jīng)濟(jì)效益。因此，該方案的總收益為(1 000 t/d×30 d×1 000 元/t)-50 000 元=29 950 000 元。

綜上，采用前饋控制技術(shù)的液位控制方案可以實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益，因此在實(shí)際應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)海上油氣田高振動(dòng)工況下液位跳變對(duì)工藝流程安全運(yùn)行的影響，提出了一系列的優(yōu)化選型方案。通過(guò)分析液位跳變的原因和對(duì)工藝流程安全運(yùn)行的影響，本文提出了液位測(cè)量技術(shù)、液位控制技術(shù)、設(shè)備選型與工藝參數(shù)優(yōu)化等方面的優(yōu)化選型方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用合適的液位控制技術(shù)和優(yōu)化設(shè)備選型與工藝參數(shù)，可以有效減小液位跳變對(duì)工藝流程安全運(yùn)行的影響，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。