核子剖面仪在海洋石油分离器中的研究及应用.pdf

第 2 2 卷第 2 期 2 0 1 5 年 4 月 仪 器仪表 用户 NS T RUM E N I ON EI C V o1 ． 2 2 2 01 5 N o ． 2 核子剖面仪在海洋石油分离器中的研究及应用 王飞，吴朝晖，张伟娜 海洋石油工程股份有 限公司 ，天津 3 0 0 4 5 1 摘要 海上平台石油分离器中存在泡沫 、油、乳化层 、水 、砂等多层介质，界面不清晰且实时变化，测量困难 ， 测量结果对于分离器的分离效果影响很大。本文以近年来海上采油平台分离器采用的核子剖面仪为基础，介绍了核 子剖面仪用于石油分离器界面测量的应用方案和使用效果，并提出了改进措施 ， 现场使用情况良 好。 关■词 石 油分 离器；核子剖面仪； 多层界面测量 中图分类号T H 8 6 1 文献标识码A 文章编号1 6 7 1 - 1 0 4 1 2 0 1 5 0 2 - 0 0 9 9 - 0 2 Re s e a r c h a n d Ap p l i c a t i o n o f Nu c l e a r P r o fi l e r Us e d i n Oi l wa t e r S e p e r a t o r o n Of f s h o r e Pl a t f o r I n Wa n gFe i ， Wu Zh a o hu i ， Zh a n g We i n a O ff s h o r e O i l E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ， T i a n j i n 3 0 0 4 5 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e o i l - wa t e r s e p e r a t o r h a s f o a m， o i l ， e mu l s i o n ， wa t e r ， s a n d e t c ， t h e i n t e r f a c e i s n o t c l e a r ． I t i s d i ffic u l t t o me a s u r e e a c h i n t e r f a c e w h i c h h a s g r e a t i n fl u e n c e t o t h e s e p e r a t i o n r e s u l t ． T h i s p a p e r i s b a s e d o n t h e n u c l e a r p r o f i l e u s e d i n o i l wa t e r s e p e r a t o r o n o ffs h o r e o i l p l a t f o r m i n r e c e n t y e a r s a n d i n t r o d u c e s a p p l i c a t i o n me t h o d s a n d r e s u l t ， a n d p r o p o s e s t h e i mp r o v e me n t me a s u r e s ， fie l d u s e we l 1 ． Ke y w o r d s o i l - w a t e r s e p e r a t o r ； n u c l e a r p rof i l e r ； i n t e r f a c e me a s u r e me n t 0 引言 海上平台石油分离器中的介质主要有油 、气、水 、固 体杂质等，一般会形成泡沫 、油、乳化层、水 、砂等多层 介质 ，各层液位界面区分不清晰，实时变化 ，测量困难 ， 特别是对于重质稠油的液位界面，由于油水比重接近 ，传 统液位计无法测量。油水界面测量不准确可能导致大量的 油水混合物进入水处理系统 ，造成水处理系统负荷过重， 引起污油排海的环境事故，且随着油 田产量提升的需求， 需要更为精确的化学药剂控制 ，因此必须要对石油分离器 的油水界面测量进行应用研究。 本文以近年来海上采油平台分离器采用的核子剖面仪 为基础 ，介绍了核子剖面仪应用于石油分离器界面测量的 应用方式、注意事项和使用效果 ，并提出了改进措施 。 1核子剖面仪简介 1 ． 1工作原理 测量最基本原理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后会衰弱，根据介质的密度 不同，衰减程度不同，密度越大对于伽马射线衰减程度越 强。通过衰减程度测量出每一段的密度 ，判断出每层液位 的高度，如图1 所示。 1 ． 2硬件及系统组态 核子剖面仪主要 由现场检测仪表和P L C 控制单元两部 分组成，现场信号通过光纤传输到中控P L C，在上位机上 显示 ，不同介质用不同的颜色进行区分 ，可直观地显示其 每层液位和界面的高度Ⅲ 。 核子剖面仪作为一套独立的系统 ，与平台的中控系统 之间可以通过4 mA 2 0 m A或MO D B U S ／ E t h e r n e t 等方式与中控 通 讯 。 2和常规液位仪表对比分析 2 ． 1精度和分离效 果 传统的液位仪表是用来测量单点而不是剖面，射频导 纳式界面仪也仅能测量简单的油水界面，无法测量泡沫、 乳化层和砂的液位，导致泡沫通过气相出口流出，从而在 下游火炬分液灌 中堆积 ，而砂的沉积也减少了分离器的处 理量而降低分离效率，分离效果欠佳。 收稿 日期 2 0 1 5 0 3 0 2 作者简介王飞 1 9 8 0 一，男，仪表工程师，硕士，主要从事海洋石油平台仪表和控制系统设计。 1 O O 仪器仪表用户I N S T R U ME N T A T I O N 第2 2 卷 图1核子剖面仪工作原理 F i g ． 1 Nu c le u s P r o fi l e r wo r k s 核子剖面仪可以实时测量各个介质的液位信息，精度 和分离效果明显要高于传统方式。 2 ． 2油品性质影 响 传统的液位仪表对于高粘度 的油品无法实现准确测 量，大量的油污附于测量板上 ，造成测量不准确 ，甚至浮 子卡死 ，而且接近的油水密度使常规液位仪表也无法满足 测量 要求 。 剖面仪对粘度较高的油品能完成测量，但对于油品中 含有较高含量胶质沥青的工况下，会影响剖面仪的发射窗 和接收窗 ，造成测量不准确 ，在使用时可以通过提高操作 温度的方式来降低操作粘度 ，减少油污的附着。 2 ． 3环境保护 传统液位仪表分离精度低 ，不准确的分离信息造成过 高浓度的油流经水出口以及下游滤油设备的超负荷运转， 可能造成油膜排人大海，造成环境污染。气相出口流出的 泡沫在下游火炬分液灌中堆积 ，气液从火炬系统排出也可 能会导致海洋环境污染事故。 剖面仪分离效果精度高 ，可以对各个液位进行有效控 制，环境污染风险小。但是要注意做好放射源的转让审批 和卫生防护等工作 ，使用时要严格遵循操维程序 ，避免产 生放射性污染。 2 ． 4 费用 传统液位仪表价格低 ，产品成熟 ，国内外可选范围 大；剖面仪技术水平较高 ，可选厂家较少，多为国外进 口 产品 ，价格较昂贵 】 。 3项 目应用及改进措施 3 ． 1典型应用方案 核子剖面仪在海上平台上已有成功应用 ，主要用在重质 稠油相关的大型中心平台、F P S O 上。应用方式分为两种 在某C E P 平台上 ，核子剖面仪配合常规液位仪表共同 使用 ，常规液位仪表实现关断和调节功能，核子剖面仪进 行监测 ，根据中控室组态画面的结果 ，人为干预化学药剂 以及 控制 效果 的调 整 ] 。 在某F P S O 上 ，一台分离器中安装两台核子剖面仪，一 台用于P C S 系统监测液位并控制液位调节阀流量，一台用于 E S D 系统关断。 可实现主要控制功能如下 1 可和常规液位仪表配合使用，用于监测，人为干预。 2直接使用核子剖面仪进行液位测量，并控制油气水 三相出口的液位调节阀，调整分离器液位，提高分离效果。 3实时监测砂的高度并报警，提醒操作人员及时冲砂 或清理 ，避免砂的沉积减少罐的处理体积，保持分离器的 有效处理量。 3 ． 2 改进措施 乳化层、泡沫层对于分离效果影响很大，如无法测量 则无法有针对性地加入化学药剂，造成化学药剂加量过多 或不足 ，导致浪费或者分离效果欠佳 。 在化学药剂注入量控制上，可和化学药剂的工艺流程 配合使用，在每种化学药剂的工艺管线上增加液位调节阀 或开关阀。当乳状液出现时，根据检测到的乳状液厚度 ， 自动加入破乳剂 ，当检测到乳状液消失时，自动停止加入 破乳剂 ，控制破乳剂的加入量，也避免了油从排水管中排 出加大下游处理难度。当泡沫出现时，根据检测到的泡沫 层厚度 ，自动加入消泡剂 ，当检测到泡沫消失时，自动停 止加入消泡剂 ，控制消泡剂的加人量 ，也避免了泡沫从排 气管中排出造成安全隐患和药剂浪费。 通过剖面仪监测 的数据对化学药剂投放进行 自动控 制，实现化学药剂添加量的自动调整及各种药剂的滞留时 间，从而节约化学药剂，提高分离效果 ，降低成本，提高 经济效益。 4实施效果及经济效益 在使用核子剖面仪之前，工人一般是通过在现场2 4 h 手 动取样的方式来校准液位计实测准确度口 ] ，工作量大、效率 低，且存在液位误判导致调节不当的问题。核子剖面仪提 高了分离器内复杂液／ 界面测量精度和效率 ，完善了油水分 离的自动控制方案，分离效率大大提升。 核子剖面仪的测量原理和测量效果很好地满足了油水 界面的测量需求 ，油水分离效果良好 ，特别是很好地解决 了重质稠油的界面测量 ，已成为重质稠油界面测量的首选 测量方式 。 能够有效降低化学药剂使用量 ，以某C E P 平台为例 ， 预计每年仅破乳剂一项节约费用约为6 5 万元。 核子剖面仪地使用还大大降低 了潜在的环境污染风 险，良好的分离效果大大减少了泡沫从气相出口冲入火炬 分液罐以及大量油水混合物进入水处理流程的风险，更好 地履行保护环境的社会责任，提升企业形象。 5 总结 本文介绍了核子剖面仪在海洋石油分离器上的应用方 案和使用效果，并提出了自动投放化学药剂的改进措施。 由于核子剖面仪可以实现石油分离器内各种介质完整、准 确的界面监测 ，实现各界面的自动控制，分离效率大大提 下转 第9 5 页 第2 期 谢象佐 天然 气能量计量修正仪的研制 9 5 图6 S GE R G- 8 8 计 算流 程 图 F i g ． 6 S GERG一 8 8 fl o w 真实相对密度 、氢气摩尔含量 、二氧化碳含量 、高位发热 量进行计算圈 。计算流程如图6 所示。 G P R S 远程无线通信上传修正仪数据到服务器中心，接 收服务器中心下传的天然气发热量和服务器中心对修正仪 的参数设置。通信协议有自定义协议，Mo d b u s R T U 协议， Mo d b u s T C P 协议。G P R S 模块工作模式可以选择 “ 长期在 线”／“ 非长期在线”模式。非长期在线模式下，可以通过 选择 “ 定时”／“ 间隔”模式以及设定相应的定时时间点或 间隔时间来确定G P R S 模块的上线时间。长期在线模式下， G P R S 模块一直在线 ， “ 定时”／“ 间隔”模式无效。 4整机最大综合误差 本修正仪采集输人的物理量有流量 、温度 、压力。温 度、压力信号采集的准确度，流量计算的准确度，很大程 度上决定了修正仪的准确度。 本修 正仪采用 的数 字式温度 、压力传感器精 度与 修正仪无关 ，传感器 自动进行非线性修正和温度系数校 正 ，在量程范围内，温度传感器的最大误差E ≤0 ． 2 ％， 压力传感器的最大误差E ≤0 ． 2 ％，流量计算和转换误 差E ≤0 ． 1 ％。在不考虑气相色谱仪气体组分分析误差 和流量计基表误差的情况下修正仪整机的最大综合误差 E ≤4 - 0 ． 5 ％，计算公式如式 3。 E c IE t I - IE p I IE c 1 式中E o - 修正仪最大综合误差 ； E ． 一 温度最大误差； E 一 压力最大误差 ； E 一 流量计算最大误差嘲。 5结束语 3 为了满足天然气计量贸易结算的发展趋势 ，设计了天 然气能量计量修正仪。本修正仪能与气体涡轮 、腰轮、旋 进旋涡、涡街等带脉冲信号输出的气体流量计配套使用 ， 采用高精度数字式温度压力传感器，同时具备多种压缩因 子数学模型，将工况体积量转换为标况体积量和能量，计 量准确度高。内嵌G P R S 、射频 、R S 4 8 5 等多种通信方式 ， 具备多种组网方式，方便与其它二次仪表或计算机联网， 一 旦国家相关能量计量政策确定后，它必将是城市燃气 、 石油、化工、冶金等行业气体流量计的理想配套仪表。 参考文献 【 1 ] 安建川， 梁光川， 天然气计量技术现状及趋势卟 内蒙古石油化 工． 2 0 0 7 1 ． [ 2 ] G B ／ T 2 2 7 2 3 - 2 0 0 8 ． 天然气能量的测定[ s 】 ． [ 3 】 G B ／ T 1 7 7 4 7 ．天然气压缩因子的计算【 s ] ． 【 4 ] 张福元． 用于计量的天然气压缩因子计算方法比较Ⅱ ] ． 天然气工 业， 2 0 0 0 ， 2 0 5 7 3 7 6 ． 5 ] 任建国． G P RS 无线通讯在 计量检测中的应用U 】 ． 计量与测试技 术， 2 0 1 2 ， 3 9 9 ． [ 6 ] 陈赓良． 天然气能量计量的不确定度评定探讨 U 】 ． 天然气 工 业． 2 0 0 9 ． 2 5 4 ． 上接 第1 0 0 页 升，尤其对于重质稠油有很好的分离效果，同时还能节省 大量化学药剂的费用 ，有效降低环境污染风险，因此具有 很好的推广价值。 参考文献 ⋯赵军凯， 王启明， 李海文， 等． 核子界面仪在海洋石油工业中的应 用[ 『 】 ．石油化工设备， 2 0 0 8 ， 3 7 5 8 3 8 5 ． [ 2 ] 张伟娜． 石油分离器液位测量技术研究及发展应用 ． 仪表技 术， 2 0 1 4 ， 0 5 4 8 - 5 0 ． [ 3 ] 杨忠良． 三相分离器增加油水界面看窗改造的建议 中国科技 博览， 2 0 1 2 ， 1 6 8 5 - 8 6 ．