多參數(shù)油水界面儀在油水界面測量中的應用

宋 蓓，史秋華，賈玉明

（中海油石化工程有限公司，山東 青島 266100）

在化工、石化以及油氣行業(yè)，經(jīng)常會遇到需要區(qū)分兩種介質(zhì)分界面的測量要求，導波雷達液位計因其不受介質(zhì)、溫度、蒸汽、粉塵等的影響在界面測量領域得到廣泛的應用。但是在采油廠、海上鉆井平臺的原油脫水、油水分離等典型工況中，由于油水之間存在一個復雜的乳化層，使得傳統(tǒng)的導波雷達液位計在這種工況下無法給出可靠的界面值。

本文介紹的多參數(shù)油水界面儀是對傳統(tǒng)導波雷達液位計的升級，它通過融合傳感器將導波雷達和電容測量原理融合在一起，克服了傳統(tǒng)導波雷達液位計測量界面的局限性，充分發(fā)揮了導波雷達和電容兩種測量原理的優(yōu)勢，結合先進算法實現(xiàn)了復雜工況下的界面測量，并通過實際應用案例驗證了多參數(shù)油水界面儀在含乳化層的油水界面應用中的優(yōu)勢，為自動化領域的界面測量提供一種更為可靠、穩(wěn)定的解決方案。

圖1 液位測量原理Fig.1 Principle of liquid level measurement

1 傳統(tǒng)導波雷達液位計

1.1 測量原理

時域反射原理是導波雷達液位計的基礎。導波雷達液位計發(fā)射裝置發(fā)射的高頻電磁脈沖以光速沿導波桿傳播，當遇到被測介質(zhì)表面時，部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置，發(fā)射裝置與被測介質(zhì)表面的距離(D)同脈沖在其間的傳播時間(t)成正比，經(jīng)計算得出液位高度L=E-c·t/2，其中E為空標高度（零點），c為光速，t為電磁波從發(fā)射到回收經(jīng)歷的時間[1]。

高頻脈沖信號到達被測介質(zhì)表面后僅部分脈沖信號產(chǎn)生反射。上層介質(zhì)的介電常數(shù)較小時，未發(fā)生反射的脈沖信號將沿探頭繼續(xù)向下傳播。在界面處產(chǎn)生二次反射（下層介質(zhì)的介電常數(shù)大于上層介質(zhì)的介電常數(shù)）。考慮脈沖信號在上層介質(zhì)中傳播的延遲時間，可以測量儀表至界面間的距離。

1.2 傳統(tǒng)導波雷達液位計弊端

采用時域反射原理的界面測量方法在遇到介質(zhì)分層處經(jīng)常出現(xiàn)乳化層的工況時，界面信號會隨著乳化層的加厚逐漸減弱甚至消失，在這種情況下，界位信號會被液位信號吞噬，從而使導波雷達在存在乳化層的工況下測量的界面信號不可靠，用這個信號去進行過程控制也將變得不可能。

2 多參數(shù)油水界面儀

2.1 測量原理

多參數(shù)油水界面儀是通過融合傳感器將時域反射原理和電容原理融合在一起，實現(xiàn)液位和界位測量的。

當界面分層清晰時，液位計發(fā)射裝置發(fā)射的高頻電磁脈沖先在總液位處產(chǎn)生一個反射回波代表油面高度，然后再繼續(xù)向下傳播到油水界面處產(chǎn)生一個回波代表界面；當被測界面由于各種原因變得不清晰時，儀表內(nèi)部的智能界面信號識別系統(tǒng)會不斷評估當前界面回波的質(zhì)量，自動切換到電容測量原理，通過測量探頭的電容值進行界面測量，用電容原理作為油水界面測量的驗證和補充。

圖2 傳統(tǒng)導波雷達液位計測量界位Fig.2 Measurement boundary position of traditional guide wave radar liquid level meter

圖3 多參數(shù)油水界面儀測量信號Fig.3 Multi-parameter oil-water interface meter measuring signal

使用電容原理[2,3]測量時，液位計探桿和罐體形成了一個電容器，上層介質(zhì)與下層介質(zhì)有著不同的介電常數(shù)。通常情況下，上層介質(zhì)介電常數(shù)較小，例如油；下層介質(zhì)介電常數(shù)較大，例如水。由于介電常數(shù)小的介質(zhì)產(chǎn)生的電容改變量遠遠小于介電常數(shù)大的，所以上層介質(zhì)占整體電容改變量的比例就非常小，通過電容換算出的液位值就近似等于界面值。

2.2 優(yōu)勢

多參數(shù)油水界面儀在被測界面由于各種原因變得不清晰時，如出現(xiàn)乳化層時，可以利用電容測量值進行自動補償，確保持續(xù)穩(wěn)定測量，從而實現(xiàn)了“全工況”的界面測量。

3 多參數(shù)油水界面儀應用舉例

某廠硫磺回收裝置富液緩沖罐，常溫常壓，上層介質(zhì)是污油，下層介質(zhì)是甲基二乙醇胺溶液，導波雷達液位計安裝在罐頂位置，罐高9m。

圖4 多參數(shù)油水界面儀應用效果Fig.4 Application effect of multi-parameter oil-water interface instrument

原導波雷達液位計在實際應用中界面信號經(jīng)常跳變，不能形成穩(wěn)定的測量，從趨勢圖中可明顯看到界面信號經(jīng)常性的與液位信號重合，運行記錄表中界面值經(jīng)常與液位值一致。用戶反映由于界面測量值非常不可靠，導致現(xiàn)場玻璃管液位計因堵塞失效，用戶只能依靠人工開閥排液的方式觀察排水點里面是油還是水。

用戶更換為E+H公司的FMP55多參數(shù)油水界面儀后，即使由于乳化層導致一個回波丟失，儀表可自動切換到電容模式，仍可以分別測出液面和分界面高度，完美解決了用戶的問題，使用效果如圖4。

4 總結

綜上，在油水界面分層不清晰時，傳統(tǒng)的導波雷達液位計測量界位已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)上越來越高的要求，而多參數(shù)油水界面儀利用融合傳感器將導波雷達和電容兩種界面測量原理融合在一起，使得油水界面的測量更加準確。

同時，由于多參數(shù)油水界面儀低廉的價格，通常是伺服液位計的三分之一甚至更低，所以在精度要求不高、上下層介質(zhì)介電常數(shù)差別很大的工況下，多參數(shù)油水界面儀不失為一種解決含乳化層油水界面測量的很好的方案。目前，該儀表已經(jīng)得到眾多用戶的認可，并在多個行業(yè)、多種工況中得到應用，運行良好。