伺服式液位計(jì)在油水界面測量領(lǐng)域的應(yīng)用
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伺服式液位計(jì)一直被廣泛地用于儲罐液位的高精確度測量，因?yàn)樗且环N多功能儀表，既可以測量液位也可以測量界面、密度和罐底等參數(shù)。
伺服式液位計(jì)基于浮力平衡的原理，由微伺服電動機(jī)驅(qū)動體積較小的浮子，能精確地測出液位等參數(shù)。如圖1所示，浮子用測量鋼絲懸掛在儀表外殼內(nèi)，而測量鋼絲纏繞在精密加工過的外輪鼓上；外磁鐵被固定在外輪鼓內(nèi)，并與固定在內(nèi)輪鼓的內(nèi)磁鐵耦合在一起。
當(dāng)液位計(jì)工作時(shí)，浮子作用于細(xì)鋼絲上的重力在外輪鼓的磁鐵上產(chǎn)生力矩，從而引起磁通量的變化。輪鼓組件間的磁通量變化導(dǎo)致內(nèi)磁鐵上的電磁傳感器(霍爾元件)的輸出電壓信號發(fā)生變化。其電壓值與儲存于CPU中的參考電壓相比較。當(dāng)浮子的位置平衡時(shí)，其差值為零。當(dāng)被測介質(zhì)液位變化時(shí)，使得浮子浮力發(fā)生改變。其結(jié)果是磁耦力矩被改變，使得帶有溫度補(bǔ)償?shù)幕魻栐妮敵鲭妷喊l(fā)生變化。該電壓值與CPU中的參考電壓的差值驅(qū)動伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動，調(diào)整浮子上下移動重新達(dá)到平衡點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)反饋回路(如圖1所示)，其精確度可達(dá)±0.7mm，而且，其自身帶有的掛料補(bǔ)償功能，能夠補(bǔ)償由于鋼絲或浮子上附著被測介質(zhì)導(dǎo)致的鋼絲張力的改變。
圖1 液位計(jì)系統(tǒng)構(gòu)成
當(dāng)今，世界自動化儀表行業(yè)有很多種儀表可以進(jìn)行界面測量，而為什么在油田的油水界面測量方面又幾乎是一個(gè)空白呢？這主要是由于這一場合不同于其他界面測量，工藝條件極其復(fù)雜。
原油從油井里被打出來后，經(jīng)過加熱，送到采油站進(jìn)行計(jì)量，再經(jīng)過中轉(zhuǎn)站進(jìn)行分離后進(jìn)入聯(lián)合站。在聯(lián)合站，首先經(jīng)過計(jì)量、加熱，而后將原油送至一級沉降罐(在一級沉降罐內(nèi)原油一般常年保持在60℃左右)，經(jīng)過沉降分離送至中間罐，然后經(jīng)過脫水泵脫水，再經(jīng)過二次加熱進(jìn)入二級沉降罐(在二級沉降罐內(nèi)原油一般常年保持在80℃左右)，最后送到成品罐，需要進(jìn)行油水界面測量的是一級沉降罐和二級沉降罐。一級沉降罐和二級沉降罐的罐高一般在13m左右，罐底設(shè)有一個(gè)排水孔，罐上部大約在11m左右的位置設(shè)有一個(gè)溢流孔，原油進(jìn)料口一般從底部伸到罐的中部，大約在7m左右的位置。(如圖2所示)。當(dāng)原油從7m左右的位置進(jìn)入到罐中時(shí)，由于破乳劑及重力和浮力等因素的影響，密度較小的原油會向上升，密度較大的水會向下沉降，從理論上講，經(jīng)過一定時(shí)間的沉降可以得到一個(gè)清晰的原油與水的分界面。
圖2 油水界面
伺服式液位計(jì)在測量油水界面時(shí)，也是基于浮力平衡的基本原理，與測量液位不同的是，在測量界面時(shí)需要首先在表里輸入“上密度”和“中密度”兩個(gè)值，這兩個(gè)值是根據(jù)理論值以及實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合得出的。從理論上講，原油的密度在0.88g/cm3~0.92g/cm3左右，水的密度是一個(gè)常數(shù)，為1g/cm3，但在實(shí)際應(yīng)用中即使是最上層的原油也會含少量的水，同樣，最下層的水也會含少量的油，所以上層原油的密度要大于實(shí)際值，而下層水的密度在0.99g/cm3左右。在理想工況下，界面非常清晰，此時(shí)浮子處于兩層之間(如圖3所示)，鋼絲所受張力為：
T=W－(V－Vb)×ρ1+Vβ×ρ2
式中：T——鋼絲張力；
W——浮子重力；
V——浮子體積；
Vb——浮子平衡時(shí)浸入的下部體積；
ρ1——上密度；
ρ2——中密度。
其中，W、V和Vβ均刻在浮子上為常數(shù)。
圖3 浮子位置
伺服式液位計(jì)與人工撈樣之間的比較，優(yōu)點(diǎn)是明顯的。采用人工撈樣進(jìn)行化驗(yàn)分析這種手段，由于撈樣手法、下罐進(jìn)度、停留時(shí)間等一系列的原因均會造成撈樣成分的改變，而在化驗(yàn)過程中不同的化驗(yàn)手段同樣會引起不同的結(jié)果，從而導(dǎo)致了較大的系統(tǒng)誤差；而伺服式液位計(jì)是一種高精確度的計(jì)量級儀表，測量界面時(shí)可以達(dá)到±2.7mm的精確度。伺服式液位計(jì)作為一種先進(jìn)的智能儀表，可以省去大量人力，可以遠(yuǎn)距離監(jiān)控。
由于伺服式液位計(jì)采用的是浮力平衡的原理，所以其在測量界面時(shí)只與密度的變化有關(guān)，而與其他因素?zé)o關(guān)。這樣大大地提高了系統(tǒng)的精確度與穩(wěn)定性。
在現(xiàn)場，我們把伺服式液位計(jì)與射頻導(dǎo)納式液位計(jì)之間的測量進(jìn)行了比較。
射頻導(dǎo)納式液位計(jì)采用的是利用高頻電流測量探頭與容器兩個(gè)極板之間的電容值來計(jì)算出液位，它是在傳統(tǒng)電容式物位計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，增加了探頭根部抗粘附、抗冷凝的功能。但射頻導(dǎo)納式液位計(jì)在這一工況的實(shí)際應(yīng)用中并不理想，主要原因有兩點(diǎn)。一是當(dāng)沉降罐排水時(shí)，油水界面下降，原油層下降到罐內(nèi)較低位置，經(jīng)過一段時(shí)間后，由于不斷的進(jìn)料，水不斷的沉降，使得油水界面上升，但是由于原油的附著性，在探桿表面還會附著一層油膜。射頻導(dǎo)納式液位計(jì)所測量出的電容量為
C=ε×S/D
式中：ε——電容兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；
S——極板面積；
D——極板間距離。
由此公式可知，介質(zhì)介電常數(shù)的變化是影響測量的關(guān)鍵。
在使用射頻導(dǎo)納式液位計(jì)測量油水界面時(shí)，首先要進(jìn)行實(shí)際標(biāo)定，并且調(diào)整ε值到一適當(dāng)?shù)奈恢?，測量才能夠準(zhǔn)確。由于界面上升后仍然存在著一層油膜附著在探桿上，使得該位置的ε值并不代表實(shí)際應(yīng)檢測的界面的ε值，所以會導(dǎo)致很大的測量誤差。
其二，由于在原油層與水層之間存在著厚薄不定的乳化層，而乳化層也不是單一的層面，存在著油包水、水包油，以及化學(xué)聚合物等，所以其內(nèi)部物性、理化性能均十分不穩(wěn)定，再加上進(jìn)料帶來的擾動使得該乳化層內(nèi)部互相交錯(cuò)，非常復(fù)雜，而射頻導(dǎo)納式液位計(jì)檢測的是導(dǎo)電性發(fā)生階躍變化的電界面，而且要求上下層的介質(zhì)導(dǎo)電性至少相差5倍以上才能準(zhǔn)確地進(jìn)行測量，所以在介質(zhì)導(dǎo)電性模糊不清的工況是無法很好地測量的。
在實(shí)際現(xiàn)場，我們在同一罐上同時(shí)使用了伺服式液位計(jì)和射頻導(dǎo)納式液位計(jì)，并同時(shí)送信號到控制室的微機(jī)屏幕上進(jìn)行顯示。結(jié)果，射頻導(dǎo)納式液位計(jì)的信號波動非常不穩(wěn)定，波動最大超過了20cm，而伺服式液位計(jì)的測量結(jié)果非常穩(wěn)定，由此我們看到伺服式液位計(jì)在測量油水界面時(shí)其穩(wěn)定性和重復(fù)性是射頻導(dǎo)納等其他儀表所無法比擬的。
總之，在油田的采油廠使用伺服式液位計(jì)測量油水界面，其精確度、重復(fù)性、穩(wěn)定性都令用戶滿意，并且由于它工作可靠、操作簡單、易于維護(hù)，使得撈樣工
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