海洋平台稠油工况液位仪表选型设计研究

邵海龙，杜 刚，孟祥婷，韩 超，王 涛

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

近年来，随着热采等开采技术的逐渐成熟，封冻已久的稠油油田开采终于提上日程。原油的物性一方面造成了开采成本的增加，另一方面也给液位测量仪表的选型设计造成了一定的技术瓶颈，所以如何解决高粘工况液位仪表选型成为稠油开采的关键技术。

1 现有测量方法

目前，海上平台常用的液位测量仪表主要有磁翻板/磁致伸缩液位计、差压液位计、导波雷达液位计、喇叭口雷达液位计、射频导纳液位计、核子界面仪等几种测量方法。每种测量方法价格差异较大，且都有一定的适用范围和条件。其中一些仪表虽然本身适用粘度范围有限，但是经过特殊处理或者特殊设计后，也可以获得更广泛的适用粘度范围，从而避免了选择价格更高的测量仪表。通过对海上平台常用液位测量仪表进行详细研究，通过合理化选型，一方面实现了最佳的测量效果，另一方面有效地减少了工程投资。

2 液位仪表选型原则

海洋平台液位仪表选型主要遵循以下选型设计原则：

1）根据使用环境条件，选择合适的液位仪表。海洋平台环境中空气湿度大，盐雾腐蚀严重，液位仪表外壳材质应满足耐海洋环境盐雾腐蚀要求，一般选择铸铝加环氧树脂涂层或316 不锈钢材质。

2）根据所在的危险区域划分选择合适的液位仪表。海洋平台上的液位仪表一般处于危险区域，一般应满足EXD IIB T4 要求。

3）海洋平台上的液位仪表均为露天使用，防护等级应满足IP56 或IP66 要求。

4）如所使用环境周边存在振动或电磁干扰等情况，应选择抗振动或电磁干扰的液位仪表。

5）根据测量范围、需要的精度及测量功能来选择合适的液位仪表。

6）根据被测介质的物理化学性质和状态，如强酸性、强碱性、粘稠、脏污、易凝固结晶和气化等工况，选择合适的液位仪表。

7）根据操作条件，如介质温度、压力、密度、介电常数等选择合适的液位仪表。

8）根据被测对象容器的结构、形状、尺寸、容器内的设备附件及搅拌器和各种进出料管口位置等，选择合适的液位测量仪表。

9）根据介质腐蚀性，选择耐测量介质腐蚀的接液材质。海洋平台液位仪表最低材质要求为316 不锈钢材质。

10）考虑周边操维空间情况，如果某一测量原理的液位仪表不满足操维空间要求，则需要考虑更换使用操维空间更小的液位仪表。

11）除了测量方法上和技术上的问题外，还要综合考虑投资的经济性等因素。

3 高粘工况液位仪表选型设计研究

3.1 磁翻板/磁致伸缩测量法

磁翻板/磁致伸缩液位计是利用连通器原理，浮球内部设置磁体，浮球置于测量腔体中。当容器内的液位上升或下降时，测量腔体内部的浮球也随之上升或下降，内部磁场的上下移动，导致外部磁翻柱或磁致伸缩线受到磁力也发生相应变化，通过判断内部磁场的位置，即可确定液位的位置。由于浮球置于腔体内部，腔体尺寸一般为2"或3"，所以浮子与腔体之间缝隙较小，在介质粘度较大时容易造成浮子卡滞导致测量不准，因此适用粘度范围不超过1000cp。

但经过一定的特殊处理，可以提高磁翻板/磁致伸缩液位计的粘度适用范围，一般可以采用以下两种方案：

1）增大腔体尺寸，由常规2"或3"腔体调整为4"腔体，从而增大腔体与浮子之间的缝隙，同时对腔体内部进行抛光处理，或者采用内衬特氟龙或PTFE，以防止腔体内部挂料。经过处理后，粘度范围可以提升至1000cp ～1500cp 之间。

2）采用顶装式安装，浮子固定于一根导杆上，磁极固定于导杆顶端，浮子在浮力作用下与导杆同步上升或下降。这种安装方式，可以有效避免浮子与腔体之间由于介质粘度过大而造成浮子卡滞的问题，几乎不会受到介质粘度的影响，但该方法需要有足够的上部操维空间。

优点：价格便宜，精度较高。

缺点：适用的粘度范围有限，不适用于易结晶介质测量，抗干扰能力差，海洋平台上的振动和电磁干扰可能会对测量结果产生影响，选型时需特别注意。

3.2 差压测量法

差压液位测量是根据差压值推导液位高度的原理，即利用公式ΔP=ρgh，根据介质密度ρ 和测量的差压值ΔP，得出液位高度h。该测量方法对于常压容器和带压容器均可实现液位测量。对于常压容器，仅需测量高压侧压力即可，即采用单接口形式。对于带压容器，则需采用双接口形式进行测量。由于测量过程中需要介质密度值作为输入，所以该方法仅适用于介质密度稳定或者介质密度变化范围较小的工况。

优点：结构简单，安装方便，安装空间需求小，价格便宜。

缺点：仅适用于介质密度稳定工况的液位测量，密度变化较大时，精度较差，不再适用。

3.3 射频导纳测量法

射频导纳液位计是基于电容原理，利用高频电流测量导纳的方法。传感器与罐壁及被测介质形成导纳值，物位变化时，导纳值相应变化，电路单元将测量导纳值转换成物位信号输出，实现物位测量[1]。

由于电容电极在粘稠介质中使用容易结垢挂料，在使用一段时间后就出现一个附加的电容CC0和电阻RC0，它们是由许多CC01-CC0n和RC01-RC0n组成，其挂料的附加电容和电阻的等效回路如图1。

图1 挂料附加电容电阻等效回路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of additional capacitance and resistance of hanging material

图2 射频导纳液位变送器Fig.2 RF Admittance level transmitter

由于挂料导致的附加电容和附加电阻的存在，出现了以下两个问题：

1）由于挂料后附加电阻RC0的存在，使得挂料阻抗消耗了部分能量，使振荡器输出到探头的电压降低，导致测量回路误差。

2）由于挂料后附加电容CC0的存在，直接产生了测量误差。

射频导纳液位计在电容液位计基础上，对电路设计做了如下改进：

① 在振荡器与测量电容桥路之间增加缓冲放大器，使挂料阻抗消耗的能量得到补充，以保证振荡器输出电压的稳定。

② 根据挂料CC0、RC0，增加一个交流驱动电路，该电路与交流变换器（或同步检测器）一起可以分别测得测量电容CM和电阻RC0的阻抗，在挂料足够长的情况下，物位电容为测量电容减去相当于RC0值的挂料电容值[2]。

射频导纳液位计由于采用了上述两项电路补偿技术，克服了挂料所引起的测量误差，使得该方法不受粘度的影响，可以应用于高粘度工况。

优点：防静电、防干扰、故障率低。

缺点：对介电常数有一定要求，有时需要在罐体加装导波管。

3.4 导波雷达测量法

导波雷达也称时域反射或微功率脉冲雷达，安装在储罐或旁通管的顶部，有杆式和缆式两种形式，考虑到受罐顶安装空间的限制，海洋平台一般选用导波缆配重锤的形式。低能脉冲微波以光速沿导波杆/缆向下发送，在导波杆/缆与液位（空气/液体界面）的交点处，有相当大比例的微波能量通过导波杆/缆反射回变送器，变送器对发射信号和接收的回波信号之间的时间差进行测量，然后板载微处理器利用公式：距离=（光速×时间差）/ 2，即可实现对液面上方高度进行计算，从而得出罐内液位值[3,4]。

图3 导波雷达液位变送器Fig.3 Guided wave radar level transmitter

图4 喇叭口雷达液位变送器Fig.4 Flare radar liquid level transmitter

导波雷达液位计通过在导波杆/缆上进行涂层处理，通过软件滤除油膜覆盖造成的干扰的方式，部分优质产品可以实现8000cp 及以内粘度范围总液位的测量。在粘度较大工况下，不建议使用导波管进行限位。

优点：对波动较大介质的测量更稳定，不受介电常数高低的限制，信号相对稳定。

缺点：安装维护不太方便，有时需要在罐体加装导波管。

3.5 喇叭口雷达测量法

喇叭口雷达液位计是利用超高频电磁波经天线向被探测容器的液面照射，当电磁波碰到液面后反射回来，仪表检测出发射波及回波的时差，从而计算出液面高度。由于喇叭口雷达天线与被测介质互不接触，所以可以有效避免高粘工况对测量的影响，理论上不受介质粘度的影响。

优点：精度较高，采用非接触式测量，不受介质粘度的限制，体积较小，安装方便。

图5 核子界面仪Fig.5 Nuclear interface instrument

缺点：天线容易沾上测量介质、结晶或水蒸气，需要进行定期检查和清理。为避免漂浮物影响测量结果，需要在罐体加装导波管。

3.6 核子界面仪测量法

核子界面仪是基于伽马射线穿透的性质，即伽马射线在穿透一定密度的介质时会衰弱，根据介质的密度不同，衰减程度不同。密度越大，伽马射线衰减程度越强，从而可以测量出每一段介质的密度，通过介质密度的变化判断出每层液位的高度，属于非接触式测量，测量不受介质粘度等因素影响。

优点：测量范围广，精度高，采用非接触式测量，不受介质粘度的限制。

缺点：费用较高，由于存在一定辐射性，所以仪表安装、调试维护以及进罐作业时风险较大。

4 应用举例

以锦州23-2 油田和旅大21-2 油田为例，由于区块特点，油田原油粘度高，采用热采技术进行海上油田开发。针对这两个项目特点，结合不同操作温度、不同含水量下原油粘度值，给出锦州23-2 油田和旅大21-2 油田不同粘度下液位测量仪表选型推荐方案见表1。

5 结束语

本文研究了各种液位测量仪表对粘度的适应性，以锦州23-2 油田和旅大21-2 油田为例给出液位测量仪表选型推荐方案。通过合理化选型，一方面实现了最佳的测量效果，另一方面有效地减少了工程投资，对促进稠油热采技术进一步开发具有极其重要的意义。

表1 锦州23-2油田和旅大21-2油田液位测量仪表选型推荐Table 1 Recommendations for the selection of liquid level measuring instruments in Jinzhou 23-2 Oilfield and Lvda 21-2 Oilfield