伺服式液位计在油水界面测量领域的应用

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1、伺服式液位计在油水界面测量领域的应用

2、第1第1长期以来，油田的油水界面测量一直是工业过程测量领域的一个难题，而油水界面这一参数对于每一个采油厂都是非常重要的，其中涉及到了财务结算等关键性的问题，所以急待解决。基于这种背景，我们对这一课题进行了攻关，经过反复的实践、摸索，终于成功地利用伺服式液位计解决了这一难题。伺服式液位计一直被广泛地用于储罐液位的高精确度测量，因为它是一种多功能仪表，既可以测量液位也可以测量界面、密度和罐底等参数。伺服式液位计基于浮力平衡的原理，由微伺服电动机驱动体积较小的浮子，能精确地测出液位等参数。如图1所示，浮子用测量钢丝悬挂在仪表外壳内，而测量钢丝缠绕在精密加工

3、过的外轮鼓上；外磁铁被固定在外轮鼓内，并与固定在内轮鼓的内磁铁耦合在一起。当液位计工作时，浮子作用于细钢丝上的重力在外轮鼓的磁铁上产生力矩，从而引起磁通量的变化。轮鼓组件间的磁通量变化导致内磁铁上的电磁传感器(霍尔元件)的输出电压信号发生变化。其电压值与储存于CPU中的参考电压相比较。当浮子的位置平衡时，其差值为零。当被测介质液位变化时，使得浮子浮力发生改变。其结果是磁耦力矩被改变，使得带有温度补偿的霍尔元件的输出电压发生变化。该电压值与CPU中的参考电压的差值驱动伺服电动机转动，调整浮子上下移动重新达到平衡点。整个系统构成了一个闭环反馈回路(如图1所示)，其精确度可达±0.7mm，而且

4、，其自身带有的挂料补偿功能，能够补偿由于钢丝或浮子上附着被测介质导致的钢丝张力的改变。图1液位计系统构成测量界面的原理与伺服式液位计基本相同，即根据原油与水两种介质密度的不同导致所受浮力的不同而进行精确的界面测量。当今，世界自动化仪表行业有很多种仪表可以进行界面测量，而为什么在油田的油水界面测量方面又几乎是一个空白呢？这主要是由于这一场合不同于其他界面测量，工艺条件极其复杂。原油从油井里被打出来后，经过加热，送到采油站进行计量，再经过中转站进行分离后进入联合站。在联合站，首先经过计量、加热，而后将原油送至一级沉降罐(在一级沉降罐内原油一般常年保持在60℃左右)，经过沉降分离送至中间罐，然

5、后经过脱水泵脱水，再经过二次加热进入二级沉降罐(在二级沉降罐内原油一般常年保持在80℃左右)，最后送到成品罐，需要进行油水界面测量的是一级沉降罐和二级沉降罐。一级沉降罐和二级沉降罐的罐高一般在13m左右，罐底设有一个排水孔，罐上部大约在11m左右的位置设有一个溢流孔，原油进料口一般从底部伸到罐的中部，大约在7m左右的位置。(如图2所示)。当原油从7m左右的位置进入到罐中时，由于破乳剂及重力和浮力等因素的影响，密度较小的原油会向上升，密度较大的水会向下沉降，从理论上讲，经过一定时间的沉降可以得到一个清晰的原油与水的分界面。图2油水界面但是在实际应用中，现场工况要复杂得多。由于不同产地的原油

6、密度都不尽相同，再加上进料带来的扰动、破乳剂和沉降时间等诸多因素，从而导致了在原油层与水层中间存在着一个厚薄不一、密度梯度不定的过渡层，习惯上称之为乳化层。在这一乳化层中存在着水包油(3~0.92g/cm3左右，水的密度是一个常数，为1g/cm3，但在实际应用中即使是最上层的原油也会含少量的水，同样，最下层的水也会含少量的油，所以上层原油的密度要大于实际值，而下层水的密度在0.99g/cm3左右。在理想工况下，界面非常清晰，此时浮子处于两层之间(如图3所示)，钢丝所受张力为：T=m的精确度。伺服式液位计作为一种先进的智能仪表，可以省去大量人力，可以远距离监控。由于伺服式液位计采用的是浮力

7、平衡的原理，所以其在测量界面时只与密度的变化有关，而与其他因素无关。这样大大地提高了系统的精确度与稳定性。在现场，我们把伺服式液位计与射频导纳式液位计之间的测量进行了比较。射频导纳式液位计采用的是利用高频电流测量探头与容器两个极板之间的电容值来计算出液位，它是在传统电容式物位计的基础上进行了改进，增加了探头根部抗粘附、抗冷凝的功能。但射频导纳式液位计在这一工况的实际应用中并不理想，主要原因有两点。一是当沉降罐排水时，油水界面下降，原油层下降到罐内较低位置，经过一段时间后，由于不断的进料，水不断的沉降，使得油水界面上升，但是由于原油的附着性，在探杆表面还会附着一层油膜。射频导纳式液位计所测

8、量出的电容量为C=ε×S/D式中：ε——电容两极板间介质的介电常数；S——极板面积；D——极板间距离。由此公式可知，介质介电常数的变化是影响测量的关键。在使用射频导纳式液位计测量油水界面时，首先要进行实际标定，并且调整ε值到一适当的位置，测量才能够准确。由于界面上升后仍然存在着一层油膜附着在探杆上，使得该位置的ε值并不代表实际应检测的界面的ε值，所以会导致很大的测量误差。其二，由于在原油层与水层之间存在着厚薄不定的乳化层，而乳化层也