界位儀在氣田含油污水管理中的應用

李 丹 ，馬俊明 ，崔達卿 ，茍景衛 ，海顯蓮 （1.西安石油大學地質工程學院，陜西西安 710065；

2.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西西安 710200）

1 污水罐液位計現狀

1.1 污水罐液位計現狀

目前第二采氣廠自營區塊管轄集氣站全年污水產液量較大。而集氣站污水測量采用的液位儀是機械式浮子液位計，此液位計只能測量罐內液位的高度不能測量油水界位，同時數據沒有傳輸到站控系統以及各級監控平臺，集氣站員工只能到現場目視液位板進行污水液位數據的查看、記錄，區部無法實現遠程監控和數據的自動錄入。由人工查看液位僅知道污水罐的液位高度，不能滿足對含油污水的有效管理，需要對多介質液位采用更加有效的監測，以便更有效的加強對含油污水的管理。

1.2 存在問題

（1）由于人工到現場測量存在人為因素誤差，不能準確的測量出污水罐真實液位。

（2）通過報表進行污水運行情況的管理，難以及時掌握運行實時現狀。

（3）含油污水管理運行不能有效結合數字化手段進行管理，難以提升到全方位管理。

2 界位儀的選擇與原理

2.1 界位儀的選擇

目前國內外在液位測量方面采用的技術和產品很多，傳統的液位傳感器按其采用的測量技術及使用方法分類多達十余種。針對污水罐的液位測量技術歸納起來主要有以下幾種（見表1）。

由表1可知，由于污水罐中同時存在凝析油和污水，使用原油界位儀可以方便的測量出污水罐內不同介質的液位。

2.2 界位儀的工作原理

在石化企業的各類原油儲罐中總是有油、水等多種介質混存、分層的現象，由于諸多因素的影響，在各類原油儲罐中存在著一個厚薄不一、含水梯度油水過渡帶或乳化層。油水過渡帶的油水含量為非線性分布，不存在清晰的物理界面。連續監測各層界面、油水過渡帶厚度及其含水率分布狀況對促進生產管理向信息化、自動化、智能化方向發展有著重要意義。

2.2.1 界位儀的功能 ACD-1DL系列液位計是采用磁致伸縮原理制造的高精度、長量程線性、絕對位置測量的液位傳感器，因此可以精確測量容罐液面、界面的位置。供電方式靈活，接線方法多種，可滿足各種測量、控制、檢測的要求；采用非接觸測量方式，解決了因磨擦、磨損等造成的使用壽命低的問題。該傳感器性能高，壽命長，有良好的環境適應性、可靠性和穩定性，安裝簡單，廣泛使用于石油、化工、水利、污水處理、食品、制藥等行業。

2.2.2 界位儀的工作原理 ACD-1DL系列液位計的傳感器工作時，傳感器的電路部分將在波導絲上激勵出脈沖電流，該電流沿波導絲傳播時會在波導絲的周圍產生脈沖電流磁場。在磁致伸縮液位計的傳感器測桿外配有一浮子，此浮子可以沿測桿隨液位的變化而上下移動。在浮子內部有一組永久磁環。當脈沖電流磁場與浮子產生的磁環磁場相遇時，浮子周圍的磁場發生改變從而使得由磁致伸縮材料做成的波導絲在浮子所在的位置產生一個扭轉波脈沖，這個脈沖以固定的速度沿波導絲傳回并由檢出機構檢出。通過測量脈沖電流與扭轉波的時間差可以精確地確定浮子所在的位置，即液面的位置。磁致伸縮液位計的技術優勢：磁致伸縮液位計適合于高精度要求的清潔液位的液位測量，精度達到1 mm，最新產品精度已經可以達到0.1 mm。磁致伸縮液位計還可應用于兩種不同液體之間的界位測量。

3 界位儀的應用

3.1 界位儀的安裝與調試

本測量系統在污水罐上安裝示意圖（見圖1）。安裝完畢后,進行油罐標準校正系數曲線的繪制，然后，系統進行自動測量，并調用油罐標準校正系數曲線，進行自動分析。其測量結果同現場取樣實測的數據進行對比，驗證油罐標準校正系數曲線。

圖1 安裝示意圖

現場污水罐是臥室圓柱形罐，管壁是圓弧形不能與傳感器平行因而不能作為探極使用。為防止污水拉運時抽水泵吸水及分離器排污對傳感器進行沖擊，從而選用金屬套管用來保護傳感器。為保護傳感器，安裝時傳感器不能觸碰到底部，需要與罐底留出空間。

此界位儀要求電磁傳感器豎直插入罐中同時和參考探極必須保持平行，一般也可用管壁作為參考探極，但污水罐是臥式圓柱形罐，管壁是圓弧型不能與傳感器平行因而不能作為探極使用，根據現場情況特制作了一個與傳感器等長的金屬套筒，將傳感器套入套筒內一起裝入污水罐中，這樣提供了參考探極也起到保護傳感器的作用，同時在套筒上每隔10 cm做了鉆孔處理，以保證套筒內液位和罐內液位快速保持一致。

使用此液位計需先計算罐內不同介質的電磁波傳導參考值。根據目前污水罐所采用的具有36個電磁脈沖傳感器（傳感器長5 cm，共1.8 m長），在探極插入污水罐后，對不同介質所測數據進行統計可以得到空氣、油、水的參考值。通過不同的檢測值可明顯觀察到各不同介質的界位值，圖2的測量中可發現空氣、油、水的交界點在第12個第23個傳感器處。

圖2 含油污水中不同介質所對應的界位值

根據不同位置檢測單元所測量的參考值作為判定依據，自測量儀底部起凡是在水介質參考值范圍內的即被認定為是水，其它類同。

界位儀根據傳感器數量、每個傳感器的數值和油水界位值這三個數據進行內部計算就可得出罐內的油水液位高度。

3.2 數據傳輸方案

由于站控數據傳輸大多采用MODBUS協議，界位儀數據傳輸依然選擇此協議，并通過RS-485接口，將儀表從罐內采集到的信號傳輸至集氣站內NPORT，由NPORT將液位計信號由兩線制信號轉化為網絡制信號，再通過網絡傳輸至集氣站BB控制器，進入集氣站數據采集系統，同時廠中心數據服務器對數據進行統一采集，從而實現在作業區部、廠調度中心都能進行實時監控的目的。液位計數據傳輸流程（見圖3）。

圖3 液位計數據傳輸流程

3.3 程序的開發

3.3.1 程序模塊 該程序模塊主要用于控制器讀取現場流量計所采集的數據。由于該液位計支持標準MODBUS協議，在程序中開發用于數據傳輸的模塊，在現場對液位計定義不同的SLAVE地址，并對讀取模式、起始地址、讀取地址數量等參數進行定義，實現BB控制器做主，液位計做從的數據讀取結構，完成對污水液位、界位數據的讀取。

為了便于所開發的程序有效推廣，采用通用性模塊化程序開發。在程序中，由BB控制器作為MODBUS數據采集的主站進行數據采集，界位儀作為提供數據的從站提供數據源。

該程序開發、測試成功后，推廣中僅在不同的集氣站對液位計定義不同的SLAVE地址，并統一讀取數據的起始地址，即可完成對污水液位、界位數據的讀取。3.3.2 程序的編寫 程序基本邏輯為：（1）開始拉運污水前操作員工在站控監控界面點擊“開始記錄”，這時程序會記錄下污水罐內當前的油位水位并分別計算出油和水的體積；（2）在污水拉運結束后操作員工再在監控界面點擊“結束記錄”這時程序會用當前的油水液位分別計算出當前的油和水體積，與拉運前的油水體積做差值計算得出油和水的拉運量；（3）拉運結束后，增加一次拉運次數并將拉運量累加到累計拉運量中。

以上程序是污水罐液位計開發主程序，程序以BB控制器作為MODBUS數據傳輸的主站，以界位儀作為從站進行數據通訊，在BB控制器程序里開發主模塊，用于讀取界位儀的油位、水位、并通過數組運算計算出實時油量、液量、拉程序里開發計算出拉運液量、拉運次數等數據，從而為氣田含油污水管理提供了有效實時數據。

4 應用效果與評價

目前在榆林南區生產污水量較大的集氣站已經投用，對于初期由于排污、拉運等因素導致液位測量上下波動的問題，調研發現主要是因為污水罐內的油在溫度較高大量時揮發造成的，通過多次修改計算參數，提高了油水液位測量的準確度和穩定性，能夠準確的反應污水罐和污水拉運情況，達到了對含油污水實時在線監控的目標。圖4為某集氣站最近幾個月拉運污水的抽樣統計圖，從圖中可以清楚的看出人工現場測量和界位儀測量差距很小，體現出界位儀的精度。

解決問題：（1）應用界位儀精準的測量出含油污水中的凝析油及水的液位，通過程序邏輯運算得出體積，畫面簡潔，操作簡單。

圖4 人工測量和界位儀測量數據對比

（2）數據遠傳功能方便作業區和廠調度中心對含油污水數據進行實時監控，提高了含油污水數字化管理水平。

（3）大大降低集氣站員工工作強度，為下一步應用推廣奠定基礎。

[1]賈春陽.幾種儲罐測量技術[J］.中國計量，1999，（4）：38-39.

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[3]李冬梅.國內外液位計量儀表技術發展動向[J］.儀器儀表用戶，2002，（3）：5-7.