海洋平臺稠油工況液位儀表選型設(shè)計研究

邵海龍，杜 剛，孟祥婷，韓 超，王 濤

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

近年來，隨著熱采等開采技術(shù)的逐漸成熟，封凍已久的稠油油田開采終于提上日程。原油的物性一方面造成了開采成本的增加，另一方面也給液位測量儀表的選型設(shè)計造成了一定的技術(shù)瓶頸，所以如何解決高粘工況液位儀表選型成為稠油開采的關(guān)鍵技術(shù)。

1 現(xiàn)有測量方法

目前，海上平臺常用的液位測量儀表主要有磁翻板/磁致伸縮液位計、差壓液位計、導波雷達液位計、喇叭口雷達液位計、射頻導納液位計、核子界面儀等幾種測量方法。每種測量方法價格差異較大，且都有一定的適用范圍和條件。其中一些儀表雖然本身適用粘度范圍有限，但是經(jīng)過特殊處理或者特殊設(shè)計后，也可以獲得更廣泛的適用粘度范圍，從而避免了選擇價格更高的測量儀表。通過對海上平臺常用液位測量儀表進行詳細研究，通過合理化選型，一方面實現(xiàn)了最佳的測量效果，另一方面有效地減少了工程投資。

2 液位儀表選型原則

海洋平臺液位儀表選型主要遵循以下選型設(shè)計原則：

1）根據(jù)使用環(huán)境條件，選擇合適的液位儀表。海洋平臺環(huán)境中空氣濕度大，鹽霧腐蝕嚴重，液位儀表外殼材質(zhì)應滿足耐海洋環(huán)境鹽霧腐蝕要求，一般選擇鑄鋁加環(huán)氧樹脂涂層或316 不銹鋼材質(zhì)。

2）根據(jù)所在的危險區(qū)域劃分選擇合適的液位儀表。海洋平臺上的液位儀表一般處于危險區(qū)域，一般應滿足EXD IIB T4 要求。

3）海洋平臺上的液位儀表均為露天使用，防護等級應滿足IP56 或IP66 要求。

4）如所使用環(huán)境周邊存在振動或電磁干擾等情況，應選擇抗振動或電磁干擾的液位儀表。

5）根據(jù)測量范圍、需要的精度及測量功能來選擇合適的液位儀表。

6）根據(jù)被測介質(zhì)的物理化學性質(zhì)和狀態(tài)，如強酸性、強堿性、粘稠、臟污、易凝固結(jié)晶和氣化等工況，選擇合適的液位儀表。

7）根據(jù)操作條件，如介質(zhì)溫度、壓力、密度、介電常數(shù)等選擇合適的液位儀表。

8）根據(jù)被測對象容器的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、容器內(nèi)的設(shè)備附件及攪拌器和各種進出料管口位置等，選擇合適的液位測量儀表。

9）根據(jù)介質(zhì)腐蝕性，選擇耐測量介質(zhì)腐蝕的接液材質(zhì)。海洋平臺液位儀表最低材質(zhì)要求為316 不銹鋼材質(zhì)。

10）考慮周邊操維空間情況，如果某一測量原理的液位儀表不滿足操維空間要求，則需要考慮更換使用操維空間更小的液位儀表。

11）除了測量方法上和技術(shù)上的問題外，還要綜合考慮投資的經(jīng)濟性等因素。

3 高粘工況液位儀表選型設(shè)計研究

3.1 磁翻板/磁致伸縮測量法

磁翻板/磁致伸縮液位計是利用連通器原理，浮球內(nèi)部設(shè)置磁體，浮球置于測量腔體中。當容器內(nèi)的液位上升或下降時，測量腔體內(nèi)部的浮球也隨之上升或下降，內(nèi)部磁場的上下移動，導致外部磁翻柱或磁致伸縮線受到磁力也發(fā)生相應變化，通過判斷內(nèi)部磁場的位置，即可確定液位的位置。由于浮球置于腔體內(nèi)部，腔體尺寸一般為2"或3"，所以浮子與腔體之間縫隙較小，在介質(zhì)粘度較大時容易造成浮子卡滯導致測量不準，因此適用粘度范圍不超過1000cp。

但經(jīng)過一定的特殊處理，可以提高磁翻板/磁致伸縮液位計的粘度適用范圍，一般可以采用以下兩種方案：

1）增大腔體尺寸，由常規(guī)2"或3"腔體調(diào)整為4"腔體，從而增大腔體與浮子之間的縫隙，同時對腔體內(nèi)部進行拋光處理，或者采用內(nèi)襯特氟龍或PTFE，以防止腔體內(nèi)部掛料。經(jīng)過處理后，粘度范圍可以提升至1000cp ～1500cp 之間。

2）采用頂裝式安裝，浮子固定于一根導桿上，磁極固定于導桿頂端，浮子在浮力作用下與導桿同步上升或下降。這種安裝方式，可以有效避免浮子與腔體之間由于介質(zhì)粘度過大而造成浮子卡滯的問題，幾乎不會受到介質(zhì)粘度的影響，但該方法需要有足夠的上部操維空間。

優(yōu)點：價格便宜，精度較高。

缺點：適用的粘度范圍有限，不適用于易結(jié)晶介質(zhì)測量，抗干擾能力差，海洋平臺上的振動和電磁干擾可能會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，選型時需特別注意。

3.2 差壓測量法

差壓液位測量是根據(jù)差壓值推導液位高度的原理，即利用公式ΔP=ρgh，根據(jù)介質(zhì)密度ρ 和測量的差壓值ΔP，得出液位高度h。該測量方法對于常壓容器和帶壓容器均可實現(xiàn)液位測量。對于常壓容器，僅需測量高壓側(cè)壓力即可，即采用單接口形式。對于帶壓容器，則需采用雙接口形式進行測量。由于測量過程中需要介質(zhì)密度值作為輸入，所以該方法僅適用于介質(zhì)密度穩(wěn)定或者介質(zhì)密度變化范圍較小的工況。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，安裝空間需求小，價格便宜。

缺點：僅適用于介質(zhì)密度穩(wěn)定工況的液位測量，密度變化較大時，精度較差，不再適用。

3.3 射頻導納測量法

射頻導納液位計是基于電容原理，利用高頻電流測量導納的方法。傳感器與罐壁及被測介質(zhì)形成導納值，物位變化時，導納值相應變化，電路單元將測量導納值轉(zhuǎn)換成物位信號輸出，實現(xiàn)物位測量[1]。

由于電容電極在粘稠介質(zhì)中使用容易結(jié)垢掛料，在使用一段時間后就出現(xiàn)一個附加的電容CC0和電阻RC0，它們是由許多CC01-CC0n和RC01-RC0n組成，其掛料的附加電容和電阻的等效回路如圖1。

圖1 掛料附加電容電阻等效回路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of additional capacitance and resistance of hanging material

圖2 射頻導納液位變送器Fig.2 RF Admittance level transmitter

由于掛料導致的附加電容和附加電阻的存在，出現(xiàn)了以下兩個問題：

1）由于掛料后附加電阻RC0的存在，使得掛料阻抗消耗了部分能量，使振蕩器輸出到探頭的電壓降低，導致測量回路誤差。

2）由于掛料后附加電容CC0的存在，直接產(chǎn)生了測量誤差。

射頻導納液位計在電容液位計基礎(chǔ)上，對電路設(shè)計做了如下改進：

① 在振蕩器與測量電容橋路之間增加緩沖放大器，使掛料阻抗消耗的能量得到補充，以保證振蕩器輸出電壓的穩(wěn)定。

② 根據(jù)掛料CC0、RC0，增加一個交流驅(qū)動電路，該電路與交流變換器（或同步檢測器）一起可以分別測得測量電容CM和電阻RC0的阻抗，在掛料足夠長的情況下，物位電容為測量電容減去相當于RC0值的掛料電容值[2]。

射頻導納液位計由于采用了上述兩項電路補償技術(shù)，克服了掛料所引起的測量誤差，使得該方法不受粘度的影響，可以應用于高粘度工況。

優(yōu)點：防靜電、防干擾、故障率低。

缺點：對介電常數(shù)有一定要求，有時需要在罐體加裝導波管。

3.4 導波雷達測量法

導波雷達也稱時域反射或微功率脈沖雷達，安裝在儲罐或旁通管的頂部，有桿式和纜式兩種形式，考慮到受罐頂安裝空間的限制，海洋平臺一般選用導波纜配重錘的形式。低能脈沖微波以光速沿導波桿/纜向下發(fā)送，在導波桿/纜與液位（空氣/液體界面）的交點處，有相當大比例的微波能量通過導波桿/纜反射回變送器，變送器對發(fā)射信號和接收的回波信號之間的時間差進行測量，然后板載微處理器利用公式：距離=（光速×時間差）/ 2，即可實現(xiàn)對液面上方高度進行計算，從而得出罐內(nèi)液位值[3,4]。

圖3 導波雷達液位變送器Fig.3 Guided wave radar level transmitter

圖4 喇叭口雷達液位變送器Fig.4 Flare radar liquid level transmitter

導波雷達液位計通過在導波桿/纜上進行涂層處理，通過軟件濾除油膜覆蓋造成的干擾的方式，部分優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品可以實現(xiàn)8000cp 及以內(nèi)粘度范圍總液位的測量。在粘度較大工況下，不建議使用導波管進行限位。

優(yōu)點：對波動較大介質(zhì)的測量更穩(wěn)定，不受介電常數(shù)高低的限制，信號相對穩(wěn)定。

缺點：安裝維護不太方便，有時需要在罐體加裝導波管。

3.5 喇叭口雷達測量法

喇叭口雷達液位計是利用超高頻電磁波經(jīng)天線向被探測容器的液面照射，當電磁波碰到液面后反射回來，儀表檢測出發(fā)射波及回波的時差，從而計算出液面高度。由于喇叭口雷達天線與被測介質(zhì)互不接觸，所以可以有效避免高粘工況對測量的影響，理論上不受介質(zhì)粘度的影響。

優(yōu)點：精度較高，采用非接觸式測量，不受介質(zhì)粘度的限制，體積較小，安裝方便。

圖5 核子界面儀Fig.5 Nuclear interface instrument

缺點：天線容易沾上測量介質(zhì)、結(jié)晶或水蒸氣，需要進行定期檢查和清理。為避免漂浮物影響測量結(jié)果，需要在罐體加裝導波管。

3.6 核子界面儀測量法

核子界面儀是基于伽馬射線穿透的性質(zhì)，即伽馬射線在穿透一定密度的介質(zhì)時會衰弱，根據(jù)介質(zhì)的密度不同，衰減程度不同。密度越大，伽馬射線衰減程度越強，從而可以測量出每一段介質(zhì)的密度，通過介質(zhì)密度的變化判斷出每層液位的高度，屬于非接觸式測量，測量不受介質(zhì)粘度等因素影響。

優(yōu)點：測量范圍廣，精度高，采用非接觸式測量，不受介質(zhì)粘度的限制。

缺點：費用較高，由于存在一定輻射性，所以儀表安裝、調(diào)試維護以及進罐作業(yè)時風險較大。

4 應用舉例

以錦州23-2 油田和旅大21-2 油田為例，由于區(qū)塊特點，油田原油粘度高，采用熱采技術(shù)進行海上油田開發(fā)。針對這兩個項目特點，結(jié)合不同操作溫度、不同含水量下原油粘度值，給出錦州23-2 油田和旅大21-2 油田不同粘度下液位測量儀表選型推薦方案見表1。

5 結(jié)束語

本文研究了各種液位測量儀表對粘度的適應性，以錦州23-2 油田和旅大21-2 油田為例給出液位測量儀表選型推薦方案。通過合理化選型，一方面實現(xiàn)了最佳的測量效果，另一方面有效地減少了工程投資，對促進稠油熱采技術(shù)進一步開發(fā)具有極其重要的意義。

表1 錦州23-2油田和旅大21-2油田液位測量儀表選型推薦Table 1 Recommendations for the selection of liquid level measuring instruments in Jinzhou 23-2 Oilfield and Lvda 21-2 Oilfield