李云

（中石油西南油氣田公司川中油氣礦輕烴廠，四川遂寧629000）

油井采出液經(jīng)集輸管線在閥組匯集后進(jìn)入聯(lián)合站，一般先經(jīng)過換熱器升溫，隨后進(jìn)入三相分離器進(jìn)行油、氣、水分離，分離出來的含水油進(jìn)入壓力沉降罐進(jìn)行一次沉降，含水體積分?jǐn)?shù)低于15%左右的原油經(jīng)二次換熱器升溫后，進(jìn)常壓沉降罐沉降脫水至凈化油要求，再經(jīng)計(jì)量后外輸。其中，壓力沉降罐和常壓沉降罐要求沉降時間在48～72 h，沉降過程中從上往下依次形成揮發(fā)氣層、油層、乳化層及水層。目前，常用的油水界面測量儀器主要有浮子式和電容式兩種［1］。浮子式油水界面測量儀是通過特定密度的物質(zhì)懸浮在油水界面，也就是乳化層之中，隨著界面的升降，浮子產(chǎn)生的浮力推動導(dǎo)軌上的彈簧馬達(dá)運(yùn)動，然后轉(zhuǎn)變成電信號進(jìn)行顯示。該方法簡單方便，但在裝卸油的過程中，由于原油液體的沖擊容易使導(dǎo)軌彈簧繃斷，一旦損壞，打撈也十分困難［2］。電容式油水界面測量儀是通過在儲罐中插入一整根電容器，該電容器與儲罐壁板形成兩個極板，中間的介質(zhì)作為電介質(zhì)，根據(jù)不同物質(zhì)介電常數(shù)的不同，計(jì)算出儲罐的總電容，將總電容與油水界面高度進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而得到界面位置。該方法靈敏度好，但過于依賴單點(diǎn)計(jì)數(shù)，當(dāng)有油污、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)及蠟質(zhì)附著在電極上時，測量輸出經(jīng)常漂移，影響測量精度，需定期校準(zhǔn)。因此，在電容式油水界面測量儀的原理基礎(chǔ)上，運(yùn)用多段微電容，通過后期的差分及濾波處理，達(dá)到相應(yīng)的測量精度。

1 多段式電容傳感器的測量原理

將原先一整根電容器用聚四氟乙烯包裹作為內(nèi)電極，同時整個電容器的外部套鑄鋁做外電極來代替儲罐外壁，環(huán)空充滿儲罐內(nèi)流體（原油），作為內(nèi)電極的電容器根據(jù)需要從上至下添加若干極板，分成相對獨(dú)立的電容傳感器，這些電容傳感器相互獨(dú)立，并且可引入、引出數(shù)據(jù)線，不再使用儲罐外壁當(dāng)極板，通過測量n個極板對之間的電容值組成的小液位計(jì)來測量整個油水界面［3］，通過多點(diǎn)取數(shù)，可計(jì)算出雙液位甚至多液位的界面位置，分段式電容傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分段式電容傳感器結(jié)構(gòu)示意

每一個電容傳感器采用并聯(lián)獨(dú)立運(yùn)行，PLC可根據(jù)需要隨時提取電容數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而傳統(tǒng)電容傳感器需接通電子選通開關(guān)，并且開關(guān)關(guān)閉后再重啟需等待傳感器穩(wěn)定后再測量，因此采用多個獨(dú)立的電容測量模塊可以直接接入測量系統(tǒng)，減少了測量時間，提高了測量效率；還可跨極板接通，如奇數(shù)極板激勵、偶數(shù)極板接受等，增加了系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可操作性。

對容積1×104m3，高18 m的原油儲罐放入分段式電容傳感器，將其插入24個極板，相鄰兩個極板構(gòu)成一個電容，將一個極板作為激勵極板，另一個為接收極板，共形成了23個極板對，其中電容值C1-C n-1對應(yīng)游離水層的高度H1，C n對應(yīng)乳化層的高度H2，C n+1-C23對應(yīng)油層高度H3，C24及以上對應(yīng)揮發(fā)氣層高度。

將23個極板對測得的電容進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換后，得到23個電壓值U n-1（n＝1，2，…，24），同時將相鄰極板之間的電壓差值設(shè)為ΔU j（j＝1，2，…，22），根據(jù)系統(tǒng)原理，油的相對介電常數(shù)在2～3左右，水的相對介電常數(shù)在80左右，介電常數(shù)不同相鄰極板之間的電壓差值也不同，電壓差值最大的那個極板之間就是油水界面的所在區(qū)域［4］。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個油水界面測量主要由傳感器、邏輯判斷電路、PLC采樣電路、控制電路、上位機(jī)共同組成，油水界面測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 油水界面測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.1 傳感器及邏輯判斷電路

首先將1對極板接入該測量系統(tǒng)，PLC控制正弦發(fā)生器向其中1個極板發(fā)出激勵信號，另外1個極板為接收極板，通過電容/電壓（C/V）轉(zhuǎn)換及放大電路將電容信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，將得到的電壓信號和標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號進(jìn)行耦合，通過相敏調(diào)解對信號進(jìn)行解調(diào)，再經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行邏輯判斷將電壓漂移的點(diǎn)位去除，提高測量精度。其中，C/V轉(zhuǎn)換及放大電路是油水界面液位測量的關(guān)鍵，由于每個極板的間距一般為0.2～1.0 m，測量出的電容一般是10～100 p F，屬于微小電容，同時雜散電容（范圍在100～500 pF，主要是多路模擬開關(guān)產(chǎn)生的耦合電容、傳感器與系統(tǒng)連接屏蔽電纜產(chǎn)生的干擾電容以及極板與聚四氟乙烯屏蔽層之間產(chǎn)生的分布電容）一般均大于正常電容，因此C/V轉(zhuǎn)換及放大電路必須滿足抗雜散、高靈敏及高信噪比的要求［5］。

常規(guī)的抑制雜散電容的轉(zhuǎn)換電路方法有直流電容測量法和交流電容測量法，其中直流電容測量法可有效抗雜散電流，但缺點(diǎn)是通過放大器后數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)漂移，主要原因是多路模擬開關(guān)也是直流輸入，會影響C/V轉(zhuǎn)換的性能；交流電容測量法是使用振幅為A，角頻率為ω的標(biāo)準(zhǔn)正弦波激勵被測電容，將其轉(zhuǎn)換為交流電信號，避免了和模擬開關(guān)產(chǎn)生的耦合電容之間的影響，分辨率更高。因此選用交流電容測量法轉(zhuǎn)換電路。

2.2 PLC采樣及控制電路

PLC將采集到的電壓信號通過RS-485或RS-232通信接口將模擬量上傳至上位機(jī)，PLC可根據(jù)現(xiàn)場液位情況，發(fā)送電壓控制信號，經(jīng)過電壓/電流轉(zhuǎn)換后，發(fā)出AO模擬信號對電磁閥進(jìn)行閉環(huán)自動控制，自動釋放儲罐底水，實(shí)現(xiàn)儲罐油水自動分離。PLC可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位、電容傳感器通道選擇、電容傳感器復(fù)位、邏輯判斷、液位計(jì)算、參數(shù)設(shè)置等功能［6］。

2.3 上位機(jī)

上位機(jī)可收集、處理和存儲采集到的電壓信號，通過人機(jī)交互界面顯示，并進(jìn)行深度學(xué)習(xí)形成歷史曲線，生成動態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，可輸出查詢并與中國石油油氣水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)A2數(shù)據(jù)庫連接；可設(shè)置不同液位的報(bào)警值，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，防止儲罐出現(xiàn)空抽或溢罐的現(xiàn)象發(fā)生；上位機(jī)和PLC控制器附近設(shè)置緊急停車系統(tǒng)（ESD）及手動按鈕，獨(dú)立于整個控制系統(tǒng)之外，且安全級別高于控制系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)邏輯故障或不能自動啟動電磁閥門時，可手動優(yōu)先，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)，避免危險擴(kuò)散造成損失。

3 通信協(xié)議及系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

1）通信協(xié)議。PLC與上位機(jī)采用RS-232或RS-485通信，協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸采用9個字節(jié)，其中第1～3字節(jié)為幀頭，定義為62 65 67，第4～5字節(jié)為數(shù)據(jù)長度，是除頭、尾、長度自身、效驗(yàn)和之外的數(shù)據(jù)長度，其中第4個字節(jié)為數(shù)據(jù)高8位，第5個字節(jié)為數(shù)據(jù)低8位，第6個為站點(diǎn)，第7～9個字節(jié)為幀尾，定義為65 6e 64。

2）系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有：

a）量程：10～15 m，盲區(qū)：15 cm。

b）準(zhǔn)確度：±0.5%FS。

c）環(huán)境溫度：-30～60℃，介質(zhì)溫度：-40～150℃。

d）工作壓力：0.1 MPa。

e）溫度補(bǔ)償：-40～150℃，最小分辨率：1 mm。

f）變送器安裝連接方式：外直管螺紋G2 1/4。

g）輸出信號：4～20 m A，平均功耗：≤2 W，直流供電：24 V（18～30 V）。

4 系統(tǒng)調(diào)試及應(yīng)用效果

首先校準(zhǔn)電容傳感器，在其中并入不同大小的電容，并測量模擬輸出的極間電壓值，看是否成線性關(guān)系，極間電容、電壓測量曲線如圖3所示。

圖3 極間電容和電壓測量曲線示意

由圖3可知，當(dāng)板間電容為0～100 p F時，被測電容與板間電壓基本呈線性關(guān)系，具有良好的敏感度；大于100 pF時出現(xiàn)輸出漂移，主要是由于C/V放大電路存在一定的非線性區(qū)間，雖然電容值不高，但輸出的放大信號會失真。由于儲罐內(nèi)液體的電容基本均維持在100 p F以下，因此該系統(tǒng)可以滿足測量精度的要求。

針對某聯(lián)合站的3個容積1×104m3，高18 m的沉降罐分別應(yīng)用浮子式、傳統(tǒng)電容式以及多段式電容測量技術(shù)進(jìn)行對比，以大罐人工檢尺作為標(biāo)桿基礎(chǔ)，絕對誤差分別在1.2 m，0.8 m和0.2 m，相對誤差分別為24%，16%，4%，可以看出多段式電容測量的誤差遠(yuǎn)低于其余兩種方式，測量精度較好；同時平均沉降時間較其余兩種方式分別減少了2～3 h，提高了設(shè)備應(yīng)用效率及負(fù)荷率。

5 結(jié)束語

以傳統(tǒng)電容式為基礎(chǔ)的分段式電容測量油水界面，采用了微電容與PLC控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一定時間內(nèi)快速測量油水界面并聯(lián)動電磁閥進(jìn)行響應(yīng)，可根據(jù)需求測量油水、油氣雙界面或多界面，通過多點(diǎn)測量、低通濾波和差分放大，最大限度地避免了油污對傳感器的影響。但還存在以下問題：

1）測量時內(nèi)部程序?qū)⑷榛瘜拥母叨冗M(jìn)行了近似模擬，默認(rèn)油水界面清晰，乳化層很薄，屬于界面粗算，下一步應(yīng)建立適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型，進(jìn)行界面精算試驗(yàn)。

2）由于內(nèi)電極外包裹聚四氟乙烯材料進(jìn)行絕緣屏蔽，該材料的相對介電常數(shù)為2.55（20℃），相對微電容測量會造成影響，下一步應(yīng)在軟件設(shè)計(jì)中考慮該因素，減少漂移量的影響。