原油沉降罐在線改造中油水界位測量儀表的選型探討

 

隨著油田開發(fā)時間的推進，井口采出的原油含水率也會逐年遞增，繼續(xù)使用調(diào)節(jié)水箱進行油水界面調(diào)節(jié)，無法使集油站內(nèi)沉降罐生產(chǎn)水中的含油量和原油含水率滿足設(shè)計要求，直接影響著下游外輸原油和生產(chǎn)水的進一步處理過程。通過油水界面檢測與沉降罐產(chǎn)出水管線上調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖，將油水界面維持在一定的范圍內(nèi)，可以顯著地增加沉降效果，保證油水出口的產(chǎn)品指標滿足技術(shù)要求。以某油田集油站原油沉降罐在線改造為例，介紹了工藝流程，對油水界位測量儀表選型進行了論述，給出了單法蘭差壓液位變送器在投油沉降罐油水界位測量中的應(yīng)用及評價。

 

１　工藝概述

原油自油田井口開采出來之后，通過集油管道進入集油站進行油氣水的分離。在集油站內(nèi)部，進站原油shou先經(jīng)過三相分離器進行一級分離，產(chǎn)出的含水原油流入原油沉降罐在破乳劑的參與下進行重力沉降，完成二級分離。沉降罐產(chǎn)出的原油需滿足含水率低于１０％的技術(shù)要求，然后通過外輸泵輸送到下一級站場。該集油站內(nèi)原有的沉降罐結(jié)構(gòu)如圖１所示。

在沉降罐建造之前，通常會根據(jù)油水介質(zhì)密度、處理量等工藝參數(shù)計算出收水系統(tǒng)的沿程摩阻，然后合理設(shè)置調(diào)節(jié)水箱的高度來對油水界面進行調(diào)節(jié)，從而使沉降罐產(chǎn)出的含水原油達到外輸?shù)囊�求。某油田運行一段時間后，原油含水率達到了一個很高的水平，原油沉降罐的調(diào)節(jié)水箱已經(jīng)不能很好地進行油水界面調(diào)節(jié)，沉降罐產(chǎn)出物的質(zhì)量不再滿足規(guī)定要求，因而需要對沉降罐進行局部改造。

 

由于含水率與油水界面存在一定的關(guān)系［１］，可以通過測量儲罐油水界面高度，將其與儲罐排水線新增調(diào)節(jié)閥進行聯(lián)鎖，調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度來控制油水界面高度，進而控制沉降罐出口原油的含水率。該集油站在線改造沉降罐的主要設(shè)計參數(shù)及工藝條件見表１所列。

圖１中頂部安裝有伺服液位變送器來測量大罐液位，該伺服液位變送器與緊急停車系統(tǒng)聯(lián)鎖可防止冒罐事故的發(fā)生。此外，罐頂和底部均有備用ＤＮ８０的法蘭口可供油水界位儀表使用。

 

２　油水界面儀表選型

由于油水密度不同，在化學藥劑及重力的作用下，沉降罐經(jīng)過一段時間后可以得到一個清晰的油水分界面。油水界面測量儀表的選型主要考慮如下幾個方面的內(nèi)容：是否適用于漸變密度界面測量、是否受氣泡影響、是否受介質(zhì)高黏度和介電常數(shù)變化的影響、儀表的測量精度等［２］。對于原有的沉降罐在線改造，還要考慮安裝和維護的方便性。用于油水界面測量的儀表通常有導(dǎo)波雷達液位計、伺服液位計、射頻導(dǎo)納液位計、磁致伸縮液位計和和差壓液位計等。

 

１）雷達液位計。雷達波可以部分穿透液位表面，并在兩種介質(zhì)的界面上產(chǎn)生反射，通過測量雷達波反射時間，進而計算出界面的高度［３－４］。雷達液位計可測量液位及界面高度，用于界面測量時需保證液－液有清晰的界面。雷達液位計一般安裝在罐頂，需要安裝導(dǎo)向管，對于投產(chǎn)的油罐需要進行清罐、動火焊接。從表１中可以看出，油水密度差僅有８２．８ｋｇ／ｍ３左右，密度差小，油水界面不清晰，同時現(xiàn)場反映介質(zhì)伴有氣泡產(chǎn)生，容易造成雷達波的閃射，因此不建議采用雷達液位計。

 

２）伺服液位計�；�于浮力平衡原理，但實際上是通過測量鋼絲上的張力來測量界面，由于鋼絲的張力與介質(zhì)的密度成正比，因而在測量界面時只需測量密度的變化即可。伺服液位計由浮子、鋼絲和伺服變送器組成，伺服變送器通過內(nèi)部的伺服馬達驅(qū)動體積較小的浮子，進而可以精que測量液位及界面高度。目前伺服液位計測量油水界面技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在各大油田、石化行業(yè)新建項目上得到廣泛應(yīng)用［５－６］。伺服液位計通常在沉降罐頂部安裝，為保證測量效果，穩(wěn)定油水界面，需安裝在直徑不小于ＤＮ２００的導(dǎo)向管內(nèi)。對于已投產(chǎn)的進液儲罐，需要進行停產(chǎn)、清罐、動火焊接并安裝導(dǎo)向管。

 

３）射頻導(dǎo)納液位計。主要利用高頻無線電波測量導(dǎo)納，進而測量液位及界面高度［７］。儀表工作時，儀表的傳感器與罐壁及被測介質(zhì)形成導(dǎo)納值，物位變化時，導(dǎo)納值也相應(yīng)變化，電路單元將測量的導(dǎo)納值轉(zhuǎn)換為物位信號輸出，實現(xiàn)物位的測量。測量界面時要求兩種介質(zhì)的介電常數(shù)有一定的差異，同時射頻導(dǎo)納液位計測量界面對上層介質(zhì)的厚度以及界面的清晰度有要求。射頻導(dǎo)納液位計通常垂直液面安裝，油水界位測量時需安裝導(dǎo)向管，對于投產(chǎn)油罐需要進行清罐，動火焊接。陳子琦通過在同一罐上同時使用了射頻導(dǎo)納液位計和伺服液位計，發(fā)現(xiàn)射頻導(dǎo)納式液位計的信號波動非常不穩(wěn)定，波動#大超過了２０ｃｍ，而伺服液位計的測量結(jié)果卻非常穩(wěn)定［８］。本次改造的沉降罐油水介質(zhì)密度差較小，界面不夠清晰，因此不建議選用射頻導(dǎo)納液位計。

 

４）磁致伸縮液位計。磁致伸縮液位計由浮球、內(nèi)置脈沖發(fā)生器和接收器的變送器、裝有磁致伸縮線的不銹鋼測量管構(gòu)成［９］。正常工作時，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的電流脈沖沿導(dǎo)波管進行傳輸并形成相應(yīng)的電磁場，在其與浮子磁場相遇后，便形成了螺旋形磁場，導(dǎo)致波導(dǎo)絲發(fā)生扭曲，從而形成對扭轉(zhuǎn)彈性波的激發(fā)，通過該彈性波實現(xiàn)了對浮子位置的計算并獲得液位的準確位置。磁致伸縮液位計不適用于黏稠性液體的液位測量，容易造成浮子卡頓。對于已經(jīng)投產(chǎn)的原油沉降罐，可采用頂裝式磁致伸縮液位計測量油水界位，但需要安裝導(dǎo)向管、清罐、動火焊接等工作。

 

５）差壓液位計。通過測量容器兩端的差壓得到液位，當沉降罐的油水界位發(fā)生變化時，油水界面對沉降罐底部的靜壓差也會發(fā)生相應(yīng)的變化。聶華等對差壓式液位計取壓方法進行了深入的研究［１０］，對于壓力容器，通常采用兩點取壓的方式測量液位的高度。對于微正壓操作下的原油沉降罐，可以采用單法蘭差壓液位變送器來近似測量油水界面的高度。與伺服液位計、磁致伸縮液位計相比，差壓液位計需要通過壓差及介質(zhì)密度來推算液位，精度相對較差，但其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，不受罐體內(nèi)部介質(zhì)黏度、懸浮物的影響。對于已經(jīng)投油生產(chǎn)的沉降罐，差壓液位計不需要清罐、安裝導(dǎo)向管及動火焊接等操作。

 

根據(jù)以上的選型分析，現(xiàn)場改造沉降罐界位測量可以使用伺服液位計、磁致伸縮液位計或單法蘭差壓液位計。伺服液位計、磁致伸縮液位計可以獲得精度較高的油水界面測量，但需要關(guān)停上下游關(guān)鍵的工藝單元，會對生產(chǎn)造成較大的影響。相比之下，盡管差壓液位計精度較低，但不需要停產(chǎn)清罐和動火焊接安裝導(dǎo)向管，安裝和操作維護方便，改造成本較低。經(jīng)過分析和考慮，現(xiàn)場#終采取了單法蘭差壓液位變送器來進行在線沉降罐油水界面的測量。

 

３　單法蘭差壓液位變送器應(yīng)用及評價

根據(jù)工藝參數(shù)、電氣防爆等要求，現(xiàn)場采購并安裝了精度為０．０７５％的單法蘭差壓液位變送器，安裝在沉降罐底部備用的ＤＮ８０法蘭接口處。由表１可知，沉降罐操作在微正壓工況下，可以通過如下公式計算沉降罐油水界面的近似位置：

式中：ｐ———單法蘭差壓液位變送器測量壓力，ｋＰａ；

ρ水———沉降罐中水的密度，ｋｇ／ｍ３；

ｇ———重力加速度，ｋｇ／ｍ２；

ｈ———油水界面高度，ｍ；ｄ———變送器安裝高度，ｍ；

ρ油———沉降罐中油的密度，ｋｇ／ｍ３；

Ｈ———沉降罐液位，ｍ，Ｈ由沉降罐原有伺服液位變送器可以測得，油水密度參數(shù)需要根據(jù)現(xiàn)場實際運行狀況實時更新。

 

為了將油水界位維持在一定范圍內(nèi)，在沉降罐水線出口新增１臺控制閥，與單法蘭差壓液位變送器聯(lián)鎖調(diào)節(jié)油水界面的高度，沉降罐油水界位控制方案如圖２所示。

到目前為止，現(xiàn)場生產(chǎn)運行已經(jīng)１年多時間，集油站操作工反饋單法蘭差壓液位變送器維護方便、運行正常，通過與水線調(diào)節(jié)閥構(gòu)成聯(lián)鎖控制回路，可以將沉降罐油水界面維持在一定范圍內(nèi)，下游產(chǎn)品滿足了技術(shù)要求，達到了預(yù)期效果。

 

４　結(jié)束語

隨著采出原油含水率的升高，集油站沉降罐的調(diào)節(jié)水箱已經(jīng)逐漸不能保證下游產(chǎn)品的指標要求。經(jīng)過現(xiàn)場實際應(yīng)用結(jié)果表明，通過單法蘭差壓液位變送器與出水管線調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖控制沉降罐油水界面，在精度允許的情況下可以使通往下游單元的含水原油及含油污水達到滿意的水平。