【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 自動(dòng)化技術(shù)中占有著重要的位置。油水界面檢測(cè)技術(shù)，在原油的開(kāi)采、加工、儲(chǔ)運(yùn)等過(guò)程中都起著重要作用。 為了滿(mǎn)足油田現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的實(shí)際需要，迫切需要結(jié)合國(guó)內(nèi)原油的特點(diǎn)和生產(chǎn)實(shí)際，將高新技術(shù)引入到原油儲(chǔ)罐內(nèi)油水界面檢測(cè)的研究開(kāi)發(fā)中，研制出新型、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好的高品質(zhì)油水界面檢測(cè)儀器，從而解決目前各 種油水界面檢測(cè)過(guò)程中存在的問(wèn)題，從根本上提高我國(guó)油水界面的檢測(cè)技術(shù)水平。 國(guó)內(nèi)外油水界面檢測(cè)技術(shù)研究 現(xiàn)狀 國(guó)外研究狀況 在 19 世紀(jì)末 20 世紀(jì)初，國(guó)外就己經(jīng)出現(xiàn)了關(guān)于油水分離的理論。 60 年代末至 80 年代初，國(guó)外主要研制和使用的是各種鋼帶浮子液位計(jì)，大多都是對(duì)每個(gè)油罐進(jìn)行獨(dú)立安裝，現(xiàn)場(chǎng)顯示，這類(lèi)儀表的主要缺點(diǎn)是機(jī)械摩擦影響了計(jì)量精度，浮子在滑動(dòng)桿上容易被敷住。隨著對(duì)計(jì)量精度要求的不斷提高，出現(xiàn)了伺服式液位計(jì)，由于其使用了伺服馬達(dá)，消除了因機(jī)械摩擦而引起的誤差，提高了靈敏度，其液位的計(jì)量精度也 得到極大地提高。這一時(shí)期的典型產(chǎn)品是美國(guó) VAREC 公司生產(chǎn)的2500 型鋼帶浮子液位計(jì)和 6500 型伺服式液位計(jì)，荷蘭 NRAF 公司的 SH 型伺服動(dòng)油水界面測(cè)量軟件設(shè)計(jì) 3 力液位計(jì)等。德國(guó)的 ENRAF 一 ONIUS 公司于 80 年代末期推出了串式電容物位測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多級(jí)串式電容液位傳感器。 90 年代中期，曼徹斯特理工大學(xué)的電子工程系成功地研制出了分段電容陣列法，這種方法的電容傳感器不但對(duì)傳感器的制作工藝要求很高，而且對(duì)安裝維護(hù)的要求也很高。近幾年，美國(guó)研制出了磁致伸縮液位計(jì)，這種傳感器同時(shí)可以測(cè)溫，具有很高的測(cè)量精度，但是它的致命缺點(diǎn)是不 適合測(cè)量粘稠的原油。 國(guó)內(nèi)研究狀況 在國(guó)內(nèi)，由于起步比較晚，油水分離技術(shù)依然處于初始的研究階段，目前依然普遍采用傳統(tǒng)的重力油水分離方法。重力分離法原理簡(jiǎn)單、成本低，目前不但在國(guó)內(nèi)，在世界上也是最主要的油水分離方法。重力法的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)在于原油與水的界面檢測(cè)技術(shù)，即油水界面檢測(cè)技術(shù)。雖然油水界面檢測(cè)技術(shù)發(fā)展了很多年。但是，由于原油與水混合物成分的復(fù)雜性，到目前為止還沒(méi)有可以十分有效地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各油田的產(chǎn)品推出。近些年隨著大慶油田等國(guó)內(nèi)大型油田都己經(jīng)臨近了枯油期，原油中的水分含量也越來(lái)越高，油田迫 切需要能有效地解決油水分離的一種技術(shù)，因此不斷地加大對(duì)該技術(shù)的資金投入，同時(shí)業(yè)內(nèi)人士們的不斷關(guān)注和油水界面檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了油水界面檢測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展。目前，已有不少可以小規(guī)模應(yīng)用于特定油田的技術(shù)出現(xiàn)，并且也相繼出現(xiàn)了一批專(zhuān)門(mén)制造這一類(lèi)檢測(cè)儀器的公司，如北京創(chuàng)新思成科技有限公司、山東力創(chuàng)、蘭州科慶儀表公司等。而且檢測(cè)手段和方法也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，目前，不但有傳統(tǒng)的電容式和浮球式等，射頻技術(shù)和光纖技術(shù)等新技術(shù)也開(kāi)嘗試應(yīng)用于油水界面的檢測(cè)，已經(jīng)取得一定成果。 界面測(cè)量?jī)x器分類(lèi) 目前油田含油廢水處理 的重要性日益受到關(guān)注與重視，污水中的油的再次分離回收以及提高污水的排放指標(biāo)已成為重要的能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題。在原油脫水與生產(chǎn)過(guò)程中，原油儲(chǔ)罐動(dòng)態(tài)油水界面的準(zhǔn)確測(cè)量關(guān)系到凈油外輸含水率的控制和聯(lián)合站盤(pán)庫(kù)系統(tǒng)的精確度。由于原油儲(chǔ)罐油和水可以組成不同形態(tài)的油水乳化液，在界面處形成一個(gè)乳化帶，乳化帶的寬度和狀態(tài)是隨機(jī)變化的，而普通的界面儀無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量油水界面和乳化帶的寬度。另外，乳化帶是一個(gè)隨機(jī)的、復(fù)雜的過(guò)渡帶，含水率、瀝青的濃度、礦物質(zhì)的含量、界面的彈性 、壓力等參數(shù)都會(huì)影響該過(guò)渡帶的穩(wěn)定性。由于上述原因，在原油生 產(chǎn)過(guò)程中，原油儲(chǔ)罐油水界面的準(zhǔn)確檢測(cè)一直油水界面測(cè)量軟件設(shè)計(jì) 4 沒(méi)有很好的方法。目前很多原油儲(chǔ)罐仍然使用手工檢測(cè)界面，通過(guò)測(cè)量電導(dǎo)率的變化確定油水界面的位置，但此方法只能大致估計(jì)油水界面的位置和乳化帶寬度。 這個(gè)問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決。 下面介紹各種界面分離儀器： （ 1） 浮子式界面檢測(cè)儀 圖 11 浮子式界面檢測(cè)儀 圖 11 所示 浮子式界面檢測(cè)儀就是將特定密度的浮子置于油水界面之上，并將浮子與容器外的彈簧、馬達(dá)等通過(guò)推挽鋼帶聯(lián)成一體。當(dāng)浮子隨著界面升降時(shí)，彈簧馬達(dá)隨之正反轉(zhuǎn)，這樣就將界面高度轉(zhuǎn)換成了馬達(dá)的轉(zhuǎn)角信號(hào) ，繼而轉(zhuǎn)變成電信號(hào)進(jìn)行處理、顯示。在大型容器中，一般還需要加裝鋼絲作為浮子的導(dǎo)向軌道。浮子法簡(jiǎn)單易行，有一定的精度。但對(duì)粘度大的原油，浮子容易被粘結(jié)，尤其當(dāng)液面劇烈波動(dòng)時(shí)，鋼帶隨之劇烈晃動(dòng)，短期內(nèi)可導(dǎo)致鋼帶的疲勞斷裂。一旦鋼帶斷裂，對(duì)大型油罐而言，其維修是極其困難的，因?yàn)椴粌H需要排空罐內(nèi)液體，進(jìn)罐維修人員還面臨有毒、缺氧、黑暗、易燃易爆等惡劣處境。一般來(lái)說(shuō)，斷帶就意味著浮子式界面檢測(cè)儀的廢棄，可 見(jiàn)其維護(hù)性是很差的。 （ 2） 差壓式界面檢測(cè)儀 差壓式界面檢測(cè)儀是根據(jù)壓力差原理工作的，不同界面高度會(huì)導(dǎo)致液體密度不同，儀表的兩個(gè)差壓變送器檢測(cè)到的壓差就不同。在兩個(gè)差壓變送器位置保持不變的情況下，檢測(cè)到的壓差與介質(zhì)的密度成正比，不同比例的油水混合物具有不同的密度值，所以通過(guò)檢測(cè)儀檢測(cè)到的壓差就可以推導(dǎo)出油水界面的位置。差壓式界面檢測(cè)儀完全在罐外安裝，易于維護(hù)。但是，罐底引壓管線(xiàn) (或介質(zhì)接觸面 )常被沉淀物、粘稠介質(zhì)堵塞，影響壓力傳遞，尤其在寒冷季節(jié)堵塞更加嚴(yán)重，必須定期排污，油水界面測(cè)量軟件設(shè)計(jì) 5 維護(hù)量大。另外，該方法屬于間接測(cè)量方法，測(cè)量精度受液體密度的影響，而分離罐中原油密度受水份、含水率、溫度及壓力的影響會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致界面檢測(cè)出現(xiàn)誤差 。所以說(shuō)差壓式界面檢測(cè)儀用在原油分離罐中是一種維護(hù)量大、精度不高的方法。利用內(nèi)含填充液 (如硅油 )的引壓管線(xiàn)，能防止引壓管線(xiàn)堵塞，但發(fā)蘭取壓面壓力膜片仍會(huì)受到高粘度、易結(jié)晶液體的粘結(jié)和沖擊等因素的不利影響而使其壽命和測(cè)量精度降低。美國(guó) Fisher— Rosemount(費(fèi)希爾一羅絲蒙特 )公司采用一種雙差壓法測(cè)量，簡(jiǎn)稱(chēng) HTG 系統(tǒng)，即利用上、中、下三點(diǎn)的靜壓求出兩個(gè)差壓，通過(guò)比較消除了密度的影響，但該方法對(duì)非勻相液體的測(cè)量是無(wú)效的。 （ 3） 電容式界面檢測(cè)儀 圖 12 容界面檢測(cè)儀 對(duì)圓柱殼金屬容器 ，在其中心豎直插入一根電極，則電極與容器壁之間就可視為一個(gè)柱型電容器。油水界面以上部分的電容器以油為電介質(zhì)，油水界面以下部分的電容器以水為電介質(zhì)，兩者并聯(lián)構(gòu)成了整個(gè)電容， 此電容進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)換，就可以得到油水界面的位置。這種方法靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好，其中電容測(cè)試轉(zhuǎn)換電路的抗干擾性能是關(guān)鍵的。它的缺點(diǎn)是容器內(nèi)工作溫度、濕度、壓力以及電極腐蝕等會(huì)影響測(cè)量精度，測(cè)量輸出經(jīng)常漂移，須定期 重新標(biāo)定，而且價(jià)格也 比其他幾種。 （ 4） 雷達(dá)／超聲波式界面檢測(cè)儀 該方法將超聲波發(fā)生器和接收器放入油罐中，利用超聲波在油和水中 傳播速度的不同來(lái)測(cè)量界面位置。其優(yōu)點(diǎn)是有效地克服了掛油問(wèn)題，但由于發(fā)送和接收距離限制使其精度下降，并且不能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油罐油量的準(zhǔn)確計(jì)量。 油水界面測(cè)量軟件設(shè)計(jì) 6 近年以微波為基礎(chǔ)的傳感器已被用于乳化液層的檢測(cè)。但此系統(tǒng)很昂貴，此外微波的高能量使得該技術(shù)不適合檢測(cè)可燃液體。因此國(guó)外提出了一種新的以超聲波為基礎(chǔ)，用于多層液面測(cè)量（ MLLM）的硬件裝置。超聲波檢測(cè)系統(tǒng)包括一對(duì)位于充滿(mǎn)硅油的 U 形管上層的超聲換能器，超聲波通過(guò)液體傳送到可移動(dòng)的不銹鋼鏡子，這個(gè)鏡子作為超聲波的反射器。該器件測(cè)試通過(guò)縱向介質(zhì)面的超聲波的傳播速度，測(cè)試的位置不同，介 質(zhì)組成也不同。相比其他技術(shù)，該方案是安全的，且不需要移動(dòng)任何構(gòu)件。不過(guò)，該設(shè)備沒(méi)有擴(kuò)展到工業(yè)儲(chǔ)油罐，因?yàn)槌暡ㄍㄟ^(guò)三種不同的介質(zhì)（如從硅油到金屬 U 型管的目標(biāo)液體）時(shí)將會(huì)嚴(yán)重的衰減。此外，頻率較高的超聲波信號(hào)用于乳化液層的檢測(cè)。在高儲(chǔ)油罐中，超聲波傳感器的角度（通常多于 3 度）所引起的誤差可以忽略不計(jì)。 多層界面檢測(cè)設(shè)備包括兩個(gè)分別位于縱向位置的超聲波傳感器（分別是發(fā)射器和接收器），分別檢測(cè)儲(chǔ)油罐內(nèi)油和水之間乳化液的高 、 低液面。兩種傳感器在同一水平面內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，提供該液面的信息。但是該系統(tǒng)不適合在相對(duì)較高的儲(chǔ)油 罐內(nèi)運(yùn)動(dòng)（即高于 3 米的油桶）。原因之一是接收超聲波的傳感器產(chǎn)生相對(duì)較弱的回波信號(hào)，如果他們的分離距離超過(guò)幾米超 聲波很難到達(dá)發(fā)射器。此外，該系統(tǒng)使用頻率相對(duì)較低的超聲波（即低于 80KHZ），從而影響測(cè)量精度并阻礙設(shè)備檢測(cè)。另一個(gè)缺點(diǎn)是傳感器和內(nèi)壁之間的連接松散，較薄的油插入他們之間，使得傳感器的不能移動(dòng)。因此儲(chǔ)油罐中經(jīng)常需要頻繁的維護(hù)。在此提出了一種可以克服上述弊端的工業(yè)樣機(jī)超聲設(shè)備。該系統(tǒng)不包括任何移動(dòng)部件，在油桶中以多種方式，在不同高度傳遞超聲波，可以檢測(cè)工業(yè)油桶乳化液中的液面。 整個(gè)系統(tǒng)是模塊化的由一維數(shù)組的超聲換能器組成，他們通過(guò)不銹鋼屏蔽線(xiàn)以鏈的方式連接到一起，嵌入式發(fā)射機(jī)是基于計(jì)算機(jī)（ RISC）處理器執(zhí)行控制，數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)模式識(shí)別任務(wù)。在夏季，這種設(shè)計(jì)的可以持續(xù)在 70 度高溫儲(chǔ)油罐內(nèi)工作。 石油領(lǐng)域中，這種設(shè)備用于過(guò)程控制，如界面檢測(cè)設(shè)備或儲(chǔ)油罐中插入具有特殊管道的乳化液檢測(cè)設(shè)備。這條管道縱向安置在儲(chǔ)油罐上，并覆蓋整個(gè)油桶的高度，包含了幾個(gè)洞，讓液體進(jìn)入其內(nèi)部。由于液體流動(dòng)使測(cè)量設(shè)備移動(dòng)，因此，這些管道內(nèi)液體將提供相應(yīng)的液位，和在儲(chǔ)油罐縱向位置的液體密度。如圖 13 為乳化液層檢測(cè)系統(tǒng)地硬件設(shè)備，這一設(shè)備被插入立罐，在縱向位置上由兩個(gè)平行的不銹鋼組成的，并且相互之間分隔 5 厘米。這里包括了 28 個(gè)高頻超聲換能器，每個(gè)傳感油水界面測(cè)量軟件設(shè)計(jì) 7 器包括感應(yīng)器和他的相應(yīng)的電子產(chǎn)品。 圖 13 乳化液層檢測(cè)系統(tǒng)硬件 在這個(gè)項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)超聲波工業(yè)設(shè)備，實(shí)施，并實(shí)時(shí)精確的檢測(cè) 6 米儲(chǔ)油罐的乳化液層。該設(shè)備易于維護(hù)和安裝，是模塊化的。該設(shè)備的所有物理部件都是不銹鋼的，可以提供更好的抗腐蝕性。該裝置由 28 個(gè)傳感器組成，它們分別單獨(dú)以多種方式被激活，以避免串?dāng)_問(wèn)題。隨著將來(lái)的工作，該設(shè)備將得到改善，以提供乳化液的液體組成，檢測(cè)油桶中存在的沙沉積物，在不同情況下改善或驗(yàn)證設(shè)備的可靠性。 （ 5） 射頻導(dǎo)納界面儀 射頻導(dǎo)納界面儀以射頻阻抗理論為基礎(chǔ)，通過(guò)被測(cè)介質(zhì)呈現(xiàn)的阻抗特性反映油水界面位置，由于其具有測(cè)量范圍大、可以克服礦化度和掛油影響等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。它是在傳統(tǒng)電容式液位計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn) ,增加了探頭根部抗黏附、抗冷凝的功能，但是該方法僅通過(guò)電導(dǎo)率一個(gè)參數(shù)很難完全反映油水乳化液的狀態(tài)，這就使射頻導(dǎo)納界面儀無(wú)法跟隨乳化帶的變化，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中其 誤差通常為幾十厘米，最大誤差可達(dá) 1 米左右，這很難滿(mǎn)足生產(chǎn)要求。圖 14 為億科儀器儀表有限公司生產(chǎn)的射頻導(dǎo)納連續(xù)液位計(jì)。 射頻導(dǎo)納物位控制技術(shù)是一種從電容式物位控制技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，防掛料性能更好，工作更可靠，測(cè)量更準(zhǔn)確，適用性更廣的物位控制技術(shù)， ―射頻導(dǎo)納 ‖中 ―導(dǎo)納 ‖由阻抗成份，容性成份，感性成份綜合而成，而 “ 射頻 ” 即高頻，所以射頻導(dǎo)納技術(shù)可以理解為用高頻電流測(cè)量導(dǎo)納的方法。高頻 正弦 振蕩器輸出一個(gè)穩(wěn)定的測(cè)量信號(hào)源，利用電橋原理，以精確測(cè)量安裝在待測(cè)量容器中的傳感器上的導(dǎo)納，在油水界面測(cè)量軟件設(shè)計(jì) 8 直接作用模式下，儀表的輸出隨物位的 升高而增加。 圖 14 頻導(dǎo)納界面儀 對(duì)一個(gè)強(qiáng)導(dǎo)電性物料的容器，由于物料是導(dǎo)電的，接地點(diǎn)可以被認(rèn)為在傳感器絕緣層的表面，對(duì)儀表傳感器來(lái)說(shuō)僅表現(xiàn)為一個(gè)電容和電阻組成的復(fù)阻抗，從而引起兩個(gè)問(wèn)題。 第一個(gè)問(wèn)題是物料本身對(duì)傳感器相當(dāng)于一個(gè)電容，它不消耗變送器的能量，（純電容不耗能），但掛料對(duì)傳感器等效電路中含有電阻，則掛料的阻抗會(huì)消耗能量，從而將振蕩器電壓拉下來(lái)，導(dǎo)致橋路輸出改變，產(chǎn)生測(cè)量誤差。我們?cè)谡袷幤髋c電橋之間增加了一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，使消耗的 能量得到補(bǔ)充因而會(huì)穩(wěn)定加在傳感器的振蕩電壓。 第二個(gè)問(wèn)題是對(duì)于導(dǎo)電物料，傳感器絕緣層表面的接地點(diǎn)覆蓋了整個(gè)物料及掛料區(qū)，使有效測(cè)量電容擴(kuò)展到掛料的頂端，這樣便產(chǎn)生掛料誤差，且導(dǎo)電性越強(qiáng)誤差越大。 但任何物料都不是完全導(dǎo)電的。從電學(xué)角度來(lái)看，掛料層相當(dāng)于一個(gè)電阻，傳感器被掛料覆蓋的部分相當(dāng)于一條由無(wú)數(shù)個(gè)無(wú)窮小的電容和電阻元件組成的傳輸線(xiàn)。根據(jù)數(shù)學(xué)理論，如果掛料足夠長(zhǎng)，則掛料的電容和電阻部分的阻抗和容抗數(shù)值相等，因此用交流鑒相采樣器可以分別測(cè)量電容和電阻 。 這些多參量的測(cè)量，是測(cè)量的基礎(chǔ)，交流鑒相采樣器是實(shí)現(xiàn)的手 段。由于使用了上述技術(shù)，使得射頻導(dǎo)納技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中展現(xiàn)出非凡的生命力。 射頻防護(hù)（內(nèi)置濾波器）：對(duì)于來(lái)自 米（ 59″）以外的其它外露傳感器，電纜油水界面測(cè)量軟件設(shè)計(jì) 9 或輸電線(xiàn)路功率為 5W 的射頻干擾，該變送器電路具有防護(hù)功能，即使在導(dǎo)電物料中精度不受影響 （ 6） 磁致伸縮式界面檢測(cè)儀 磁致伸縮式界面檢測(cè)儀的工作原理是磁致伸縮效應(yīng)，其核心的傳感部件是美國(guó)MTS 公司發(fā)明的磁致伸縮線(xiàn)。當(dāng)開(kāi)始測(cè)量時(shí)，檢測(cè)儀頭部產(chǎn)生一低電流 “ 詢(xún)問(wèn) 脈沖，此電流同時(shí)產(chǎn)生沿波導(dǎo)管內(nèi)的感應(yīng)線(xiàn)向下運(yùn)行的電流磁場(chǎng)。在檢測(cè)儀管外配有浮子，此浮子沿測(cè)量桿隨著油水界面 的波動(dòng)而上下移動(dòng)。由于浮子內(nèi)裝有一組永久磁鐵，所以浮子會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。當(dāng)電流磁場(chǎng)與此浮子磁場(chǎng)相遇時(shí)，產(chǎn)