開排沉箱水處理系統液位測控方案研究

張偉剛 劉鴻雁 付勃昌 陳忠革

(海洋石油工程股份有限公司設計公司，天津 300451)

開排沉箱水處理系統是目前被廣泛應用的一種海洋石油平臺污水處理設備，開排沉箱污油水處理系統具有諸多優點，但由于其結構的特殊性，為了避免自然條件對其運行的影響，沉箱內油水液位的測量和控制成為保證系統安全運行的關鍵條件。①

筆者針對現有的系統液位測量和控制方案存在的不足，選取合適類型的液位測量儀表來準確測定沉箱內污油液位和油水界面液位，以油層厚度作為開排泵起/停控制的條件，結合實際應用中的具體要求，提出了兩種液位測量控制系統的優化方案，進一步細化和完善了開排沉箱水處理系統的液位測控方案。

1 開排沉箱污油水處理系統簡介

開排沉箱(Open Drain Caisson，ODC)也稱撇油樁或撇油排放筒(Skim Pile，SP)，是海洋石油生產平臺上常見的污水處理設備，具有污油水收集、處理及排放等多種功能。開排沉箱通常安裝于海洋石油生產平臺的導管架上，用于收集處理過生產水、來自危險區和非危險區的甲板排放水與事故工況下緊急排出的污油水[1]。

典型的開排沉箱水處理系統結構如圖1所示，沉箱頂部經放空管連通大氣；沉箱本體大部分浸沒于海水中，用以隔離箱體外海浪的影響；筒體內部以一定角度和間距設置有隔板，隔板下方形成水力靜區，以利于油、水利用重力原理進行分離，聚結的油滴沿導流管向上到達沉箱表層空間并由開排泵抽出；沉箱底部開通海孔，沙子和海水即從此孔排出。結構等方面設計良好的開排沉箱能夠去除污水中直徑大于50μm的油滴，在特定條件下，最終排至海水中的游離油分含量可低至0.005‰。

與開排罐及開排槽等常規設備相比，開排沉箱具有污水處理量大、不占用甲板面積和平臺上部模塊重量、整個系統占用動力負荷小、無需定期除沙及設備維護工作量小等顯著優點。因此，近年來隨著我國東海及南海等較深水域油氣田的開發，開排沉箱被越來越多地應用于實際生產過程中。

開排沉箱的直徑通常小于2m，細長筒體深入海面下一定深度，基本隔離了外部海浪的影響，但其下方與海水相通，沉箱內的液位高度不可避免地會受到潮汐的影響。因此沉箱內油水液位的測量和控制成為保證開排沉箱水處理系統安全運行的關鍵條件。

2 原測控方案的原理與缺陷

開排沉箱的液位測控原理是，假設沉箱內已經聚結了一定厚度的油層(沉箱內、外存在一定的液位差)，通過測量沉箱頂層液面的液位高度，結合環境條件參數——最高天文潮位(Highest Astronomical Tide，HAT)和最低天文潮位(Lowest Astronomical Tide，LAT),經公式計算后，得到設定液位高、低報警值和開排泵的起/停設定值。各參數之間的關系如圖2所示。

圖1 典型開排沉箱水處理系統結構示意圖

圖2 開排沉箱液位計算參數關系示意圖

在此不介紹詳細的計算公式和計算過程，僅將基本原理表述如下：

a. 沉箱的尺寸(主要是高度H)要能存儲平臺上特定工況下最大污油或污水的排放量，并保證在高天文潮位時污油不從頂部放空口溢出，在低天文潮位時污油不從沉箱底部通海孔流出；

b. 由于油、水密度不同因而沉箱內、外的液位高度不同，在最高天文潮位時，以設計的污油存儲量所能達到的液位最高高度為參照，確定液位高高報警值(Level Alarm High High，LAHH)；

c. 不考慮沉箱內污油含量，以沉箱外部環境海水的最高天文潮位為參照，設定液位低低報警值(Level Alarm Low Low，LALL)，確保在任何情況下不會從沉箱內泵出海水到海洋石油生產系統；

d. 以沉箱內的LAHH和LALL為基準，結合開排沉箱泵的性能參數，在LAHH和LALL之間合理設置泵的自動起/停控制點。

上述液位控制方案存在的不足之處：

a. 系統投入運行達到一個相對平穩的狀態后，因開排泵“運行停止”的設定點高于最高天文潮位，因此沉箱筒體內、外液位差始終存在，表示沉箱內部始終積聚大量浮油。如果以液位差為300mm、海水密度為1.02g/cm3、污油密度為0.85g/cm3計算，沉箱筒體內部污油層厚度始終大于2 067mm。厚油層的長期存在不但降低了沉箱的油水分離效果，還形成了安全隱患。

b. 系統以最高天文潮位和最低天文潮位為參照，設定泵的起/停控制點，然而最高天文潮位和最低天文潮位并不完全等于海洋環境的最高和最低潮水位置。如：東海某平臺附近海域的最高天文潮位與50年一遇的高水位存在0.22m的差值，與100年一遇的高水位存在0.30m的差值；最低天文潮位與50年一遇的低水位存在0.55m的差值，與100年一遇的低水位存在0.63m的差值。極端天氣條件下，由臺風引起的風暴潮亦會引起1.00～2.00m的增水[2]。因此，該方案存在污油由沉箱頂部溢出而污染環境的風險，或者由開排泵將海水吸入到生產系統，增加閉排系統的處理負擔。

3 開排沉箱液位測控系統的優化

綜合前文的分析，要將沉箱內聚集的污油及時排出，同時避免泵出過量海水，才可防止潛在的危險狀態和污染的發生。相關技術人員結合實際生產情況，確定目前最有效的優化方法就是選取合適類型的液位測量儀表，準確測定沉箱內污油液位和油水界面的液位，以油層厚度作為開排泵起/停控制的條件。

開排沉箱液位儀表測量范圍的確定：潮差是影響沉箱液位儀表測量范圍的最主要因素。我國不同海域潮差差異很大(2.0～7.0m)，同時考慮到最大2.5m的風暴潮帶來的增水量，通過合理選擇開排泵的排量，將油層厚度控制在1.0m以內。沉箱頂部預留1.0m的安全凈空，可以得出沉箱表層污油水的液位變化范圍在-1.0～-10.5m(相對于開排沉箱頂部)，此即所需液位變送器的工作量程。

開排沉箱筒體細長，且絕大部分箱體浸沒在海水中，沉箱內液位和油水界面跟隨潮位變化，污油層成分復雜，其表層還可能伴有泡沫和雜質。這就限制了很多液位測量儀表的選用。經對比分析各種類型液位測量儀表的特性后，給出了兩種可選配置方案。

3.1 磁致伸縮液位(界面)變送器和雷達液位變送器的組合使用

如圖3所示，選用磁致伸縮液位變送器作為油和海水界面的液位測量儀表。磁致伸縮液位傳感器是通過發射和接收電流脈沖來感知磁性浮子的位置的，油層密度在0.85～0.90g/cm3之間，海水密度1.02g/cm3，根據油層和海水密度不同而選擇合適比重的浮子即可測量油水界面的位置。帶重錘的撓性桿磁致伸縮液位變送器測量范圍可達22m，能夠滿足開排沉箱油水界面測量的需要。

圖3 磁致伸縮液位(界面)變送器和 雷達液位變送器的組合使用

開排沉箱接收的排放水中可能含有鐵磁性物質，污油中也存在粘性物質，長期運行有可能卡滯浮子。因此，雖然安裝兩個比重不同浮子的磁致伸縮液位變送器可以同時測量表層液位和油水界面，但增加一個浮球也就增大了浮子被卡滯的風險，因而筆者推薦只使用單一浮子的磁致伸縮液位變送器作為油水界面的測量儀表。

選用常規的非接觸式雷達液位變送器作為沉箱頂層液位的測量儀表。雷達液位計具有不受環境壓力、溫/濕度、液面泡沫及液面波動等因素的影響，而且不與被測介質接觸、無磨損、維護工作量小且精度較高的特點，特別適合測量沉箱頂層液位[3]。

3.2 導波雷達液位(界面)變送器和雷達液位變送器的組合應用

此方案中推薦選用導波雷達液位變送器用于油和海水界面的測量。如圖4所示，與常規雷達液位變送器通過空間傳遞電磁波不同，導波雷達液位(界面)變送器利用的是導波桿(纜)，電磁脈沖波沿導波桿(纜)傳遞的過程中，當遇到比先前傳導介質介電常數大的液體表面時，脈沖波會被反射，兩種介質的介電常數差值越大說明電磁波的反射越強，空氣的介電常數為1F/m，油層的介電常數為2～3F/m，海水的介電常數大于70F/m，因而可以在油/海水界面獲得清晰的反射波。同時信號沿導波桿(纜)傳播可有效避免雜散信號的干擾，選用導波雷達液位變送器可以有效測量油/海水的界面，柔性纜導波雷達液位變送器的測量范圍可達20m以上，完全能滿足開排沉箱系統液位測量的要求[4]。

圖4 導波雷達液位(界面)變送器和 雷達液位變送器的組合應用

有些導波雷達液位變送器生產廠家已經推出可以同時測量油層液位和油水界面的產品，非常適合在開排沉箱的工作環境下使用，但考慮到空氣和油層介電常數差值較小，長時間使用后可能在導桿(纜)上存在掛料的情況，進而影響表層液位測量的準確性。因而在此方案中依然推薦另外安裝一臺常規雷達液位變送器，以提供液位參比信號，用于兩臺儀表設備故障檢測，提高整個系統的可靠性。

4 結束語

開排沉箱的形式較常規設備更為特別，直徑小而筒體長，內部設置有折流板和多種管線，且應用于海水環境中，因此在系統設計和儀表選型中要考慮多種因素。針對原系統控制原理方面的不足，筆者給出了兩種優化方案，在實際應用過程中需要結合具體的環境數據、沉箱的結構形式、詳細的儀表性能及儀表安裝要求等因素，進一步細化和完善設計方案。