海上油田高振動液位跳變對工藝安全與優化選型研究

張奇，陳烽文

(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤西作業公司，天津 300452)

0 引言

本文旨在通過對海上油氣田高振動工況下液位跳變問題的深入研究，探究其對工藝流程安全運行的影響，并提出一系列液位跳變優化選型方案，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、穩定性和經濟性。

1 海上油氣田高振動工況下液位跳變原因分析

1.1 海上油氣田高振動工況簡介

海上油氣田的高振動工況是指在海上的鉆井平臺、生產平臺等設施上，由于海洋環境的復雜性，加之鉆探、采油、輸送等作業所引起的振動，使得設施的振動加速度遠高于陸上設施。這些振動的形成有多種因素，包括海浪、風浪、平臺設備的振動等。由于海洋環境的不可預知性，在油氣田會發生在不同的頻率和振幅的振動，因此海上油氣田的高振動工況具有不確定性和隨機性。

在海上油氣田生產過程中存在液位跳變的問題，是由于平臺振動所導致。液位跳變通常會引起生產設備的異常運行，甚至可能導致設備故障和生產事故。因此對海上油氣田高振動工況下的液位跳變問題進行研究和分析，有助于提高工藝流程的穩定性和安全性，保證生產的連續性和經濟性。

1.2 液位跳變原因分析

液位跳變是由于海上油氣田設備振動所引起的油氣液位變化。發生的原因主要有以下幾個方面：首先是海浪和風浪引起的振動。海上油氣田處于海洋環境中，海浪和風浪是主要的振動源之一，其頻率和振幅不斷變化，會對平臺設備產生不同程度的振動，這種振動會傳導到儲油罐、管道和設備上，從而引起油氣液位的變化。其次是生產設備本身的振動。生產設備在運行過程中也會產生振動，尤其是高速旋轉的泵、壓縮機等設備，其振動會直接影響油氣液位。再次是液位控制系統失效。液位控制系統是保持油氣液位穩定的關鍵因素，但如果系統出現故障，如控制閥門失靈、傳感器損壞等，就會導致液位跳變。最后是液位變化引起的自激振動。液位變化也會對設備產生影響，如產生共振、自激振動等，進而導致液位跳變。因此，在設計和操作海上油氣田生產設備時，需要綜合考慮環境因素、設備振動特性、液位控制系統等因素，以降低液位跳變的發生率，提高工藝流程的穩定性和安全性。

1.3 相關工藝流程安全運行問題分析

海上油氣田高振動工況下的液位跳變對工藝流程的安全運行會產生多方面的影響。首先是設備損壞和生產事故。液位跳變會影響生產設備的正常運行，如果液位控制失效或者設備自身振動過大，可能導致設備故障和生產事故的發生。其次是生產效率下降。液位跳變會導致油氣液位的不穩定，這會使生產過程受到干擾，從而降低生產效率和產量。最后是能源浪費和成本增加。液位跳變會導致油氣泄漏、流失等問題，這不僅浪費了有限的能源資源，還會增加生產成本。

2 高振動工況下液位跳變對工藝流程安全運行的影響

2.1 液位跳變對分離器性能的影響

在海上油氣田高振動工況下，液位跳變會對分離器的性能產生影響，主要表現在：首先是分離效率降低。分離器是用于將油、氣、水等不同物質進行分離的設備。當液位發生跳變時，可能會導致不同物質的相互混合，從而降低分離效率。其次是凝聚水位變化。凝聚水是指從氣態水蒸氣中析出的水滴，其高度與液位高度有關。當液位發生跳變時，凝聚水的高度也會發生變化，從而影響分離器中氣體的純度。再次是操作穩定性降低。分離器操作需要考慮多種參數，如進料流量、溫度、壓力、液位等。液位跳變會導致這些參數發生變化，從而降低操作的穩定性。最后是疲勞壽命下降。分離器內部結構會在振動環境下發生疲勞損傷，液位跳變會加劇這種損傷，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行[1]。

2.2 液位跳變對儲罐穩定性的影響

在海上油氣田高振動工況下，液位跳變還會對儲罐的穩定性產生影響，主要表現在：(1)壓力波動。液位跳變會導致儲罐內壓力的波動，從而影響儲罐的穩定性。特別是當液位迅速下降時，會產生負壓波，使儲罐內部壓力降低，如果壓力過低，可能會導致儲罐內的油氣產生汽化和爆炸等危險。(2) 油位超限。液位跳變也可能導致儲罐油位超限，這會導致儲罐的穩定性下降。當油位超過儲罐的設計高度時，可能會造成液體泄漏和罐體傾覆等危險。(3)機械應力。液位跳變也會引起儲罐內部的機械應力變化。儲罐內部的液體和氣體在液位跳變時會產生劇烈的沖擊和摩擦力，從而引起儲罐壁和附件的機械應力變化。

2.3 液位跳變對管道運輸的影響

可以通過加強管道的支撐結構和管道材料的抗振能力，提高管道的穩定性；加強管道內部液位監測和控制系統的精度和可靠性，及時掌握液位變化情況，減少液位跳變的發生，確保生產過程的順利進行[2]。

3 液位跳變優化選型方案

3.1 液位測量技術

為了解決海上油氣田高振動工況下液位跳變對工藝流程安全運行的影響，可以采用液位測量技術進行液位跳變優化選型。液位測量技術主要包括：(1) 振弦式液位計。振弦式液位計是一種基于聲學原理的液位測量技術，利用聲波在液體中傳播的速度和回波時間來確定液位高度。振弦式液位計具有精度高、可靠性強、不受液體性質和溫度變化的影響等優點，可以有效應對高振動工況下液位跳變的問題。(2) 磁翻板液位計。磁翻板液位計是一種機電式液位測量技術，該技術利用磁性翻板和磁性探頭之間的磁力作用來確定液位高度。磁翻板液位計具有結構簡單、維護方便、可靠性高等優點，但由于機械部件容易受到振動的影響，因此在高振動工況下可能會產生一定的誤差。(3)壓力式液位計。壓力式液位計是一種基于壓力原理的液位測量技術，該技術利用液體所產生的壓力與液位高度之間的關系來確定液位高度。壓力式液位計具有響應速度快、精度高、不受振動和噪音干擾的影響等優點，可以適用于高振動工況下的液位測量。

3.2 液位控制技術

解決海上油氣田高振動工況下液位跳變對工藝流程安全運行的影響，可以采用液位控制技術進行液位跳變優化選型。液位控制技術主要包括以下幾種：(1)反饋控制。反饋控制是一種常用的液位控制技術。該技術通過測量實際液位并與設定液位進行比較，從而產生誤差信號，并通過控制系統進行調整，使實際液位逐漸趨近于設定液位。反饋控制技術可以有效地應對液位跳變的問題，但對控制系統的響應速度和準確性要求較高。(2)前饋控制。前饋控制是一種在液位變化前預先進行控制的技術。該技術通過分析液位變化趨勢并進行預測，從而在液位發生變化前進行控制，以防止液位跳變的發生。前饋控制技術可以在一定程度上避免液位跳變對工藝流程的影響，但對液位變化趨勢的分析和預測要求較高。(3)模糊控制。模糊控制是一種利用模糊邏輯進行控制的技術，該技術通過對液位變化和控制信號之間的關系進行模糊化處理，從而產生模糊控制信號，并通過模糊控制器進行液位控制。模糊控制技術可以有效地應對液位跳變的問題，但對模糊控制器的設計和調試要求較高。

3.3 設備選型與工藝參數優化

除了液位測量和控制技術的優化外，設備選型和工藝參數優化也是液位跳變優化的重要方面。設備選型方面，要選擇適合海上油氣田高振動工況下使用的設備，例如抗震性能好、耐腐蝕、可靠性高的設備。在選擇設備時，還要考慮到設備的適用范圍、使用壽命、運行成本等因素，以實現設備的最佳性價比。工藝參數優化方面，可以通過調整工藝流程參數，減少液位跳變對工藝流程的影響。例如，在液位變化較為劇烈的情況下，可以適當調整生產流程，緩慢調整液位，避免突然液位變化造成的影響。在設備容量有限的情況下，可以根據生產需求進行調整，優化生產效率和能耗。同時，在設備選型和工藝參數優化方面，還需要充分考慮生產安全性和環保性。例如，在設備選型時，要考慮到設備的安全性和穩定性，以及對環境的影響，在工藝參數優化時，需要考慮到生產過程中的安全隱患和環境污染問題，采取措施加以解決。

3.4 實驗驗證與成本效益分析

實驗選取了某海上油氣田的實際生產工藝流程進行模擬實驗，實驗采用了前饋控制技術進行液位控制，并對實驗數據進行了統計分析。

在實驗中，選取了一個液位變化較為明顯的儲罐進行液位控制，將前饋控制技術與傳統的比例積分控制技術進行對比。表1 為實驗數據。

表1 實驗數據

從表1 中可以看出，采用前饋控制技術的液位高度變化更加平穩，且響應速度更快，相比之下傳統的比例積分控制技術容易出現過沖和震蕩現象。

針對實驗結果，還進行了成本效益分析。統計結果顯示，采用前饋控制技術的液位控制方案可以降低工藝流程安全運行風險，提高生產效率，進而實現經濟效益的最大化。

在此例中，假設實驗所選儲罐的產量為每天1 000 t，儲罐的存儲時間為30 d，每噸產品的收益為1 000 元，每天的生產成本為20 000 元，液位控制系統的成本為50 000 元。在這些基礎上，進行了前饋控制技術與傳統比例積分控制技術的成本效益分析。

對采用前饋控制技術的液位控制方案，實驗結果表明該方案可以提高生產效率，避免液位控制過程中出現過沖和震蕩現象，降低了工藝流程的運行風險，進而實現經濟效益的最大化。具體而言，該方案可以將每噸產品的生產成本降低約0.5 元，每天可增加生產量約10 t，相應地增加每天收益約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，采用傳統的比例積分控制技術的液位控制方案容易出現過沖和震蕩現象，會導致生產效率低下和產品質量下降，進而影響經濟效益。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，采用前饋控制技術的液位控制方案可以實現更高的經濟效益，因此在實際應用中具有廣泛的應用前景。

4 結語

本文針對海上油氣田高振動工況下液位跳變對工藝流程安全運行的影響，提出了一系列的優化選型方案。通過分析液位跳變的原因和對工藝流程安全運行的影響，本文提出了液位測量技術、液位控制技術、設備選型與工藝參數優化等方面的優化選型方案。實驗結果表明，采用合適的液位控制技術和優化設備選型與工藝參數，可以有效減小液位跳變對工藝流程安全運行的影響，提高生產效率和生產質量。