伺服电机式液位计在油水界面测量领域的应用

本文作者于翔先生，E+H公司技术部产品经理。

关键词：液位计　测量　应用

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，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。


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。


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(W/O)、油包水(O/W)，甚至水/油/水(W/O/W)或油/水/油(O/W/O)分层等更为复杂的体系，正是由于存在了这一如此复杂的乳化层，使得绝大多数界面仪在遇到这种工况时无法测量，而伺服式液位计能够从多界面测量仪表中脱颖而出，成功地应用于这一极端恶劣的工况，正是由于它独特的原理，以及先进的自我维护功能。

伺服式液位计在测量油水界面时，也是基于浮力平衡的基本原理，与测量液位不同的是，在测量界面时需要首先在表里输入“上密度”和“中密度”两个值，这两个值是根据理论值以及实际应用经验相结合得出的。从理论上讲，原油的密度在0.88g/cm3~0.92g/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=W－(V－Vb)×ρ1+Vβ×ρ2

式中 T——钢丝张力

W——浮子重力

V——浮子体积

Vb——浮子平衡时浸入的下部体积

ρ1——上密度

ρ2——中密度

其中，W、V和Vβ均刻在浮子上为常数。

在实际应用中，存在着乳化层，乳化层的密度梯度为非线性，而且随时在变化。由于没有明显的界面，所以我们这时在测量界面时，实际上是通过调整ρ1和ρ2两个值来测量某一位置，该位置的密度是相对固定的，即含油与含水的百分率是相对固定的，例如，通过调整ρ1、ρ2值，我们可以找到含油、含水各50%的位置，也可以找到含油70%、含水30%的位置。伺服式液位计实际上是通过测量钢丝上的张力来测量界面的，而钢丝的张力正比于介质的密度。所以，无论浮子找到的是哪一级密度梯度，其含油(含水)百分率都是相对固定的，伺服式液位计应用于这一领域最大的优点就是它的测量值重复性非常好，这是其他类型仪表如射频导纳式界面仪所无法比拟的。

伺服式液位计与人工捞样之间的比较，优点是明显的。采用人工捞样进行化验分析这种手段，由于捞样手法、下罐进度、停留时间等一系列的原因均会造成捞样成分的改变，而在化验过程中不同的化验手段同样会引起不同的结果，从而导致了较大的系统误差；而伺服式液位计是一种高精确度的计量级仪表，测量界面时可以达到±2.7mm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，而乳化层也不是单一的层面，存在着油包水、水包油，以及化学聚合物等，所以其内部物性、理化性能均十分不稳定，再加上进料带来的扰动使得该乳化层内部互相交错，非常复杂，而射频导纳式液位计检测的是导电性发生阶跃变化的电界面，而且要求上下层的介质导电性至少相差5倍以上才能准确地进行测量，所以在介质导电性模糊不清的工况是无法很好地测量的。

在实际现场，我们在同一罐上同时使用了伺服式液位计和射频导纳式液位计，并同时送信号到控制室的微机屏幕上进行显示。结果，射频导纳式液位计的信号波动非常不稳定，波动最大超过了20cm，而伺服式液位计的测量结果非常稳定，由此我们看到伺服式液位计在测量油水界面时其稳定性和重复性是射频导纳等其他仪表所无法比拟的。

总之，在油田的采油厂使用伺服式液位计测量油水界面。其精确度、重复性、稳定性都令用户满意，并且由于它工作可靠、操作简单、易于维护，使得捞样工人从繁重的劳动中解放出来，提高了全厂的自动化水平，它值得进行推广。