基于多段式电容油水界面液位测量技术在储罐中的应用

李云

（中石油西南油气田公司川中油气矿轻烃厂，四川遂宁629000）

油井采出液经集输管线在阀组汇集后进入联合站，一般先经过换热器升温，随后进入三相分离器进行油、气、水分离，分离出来的含水油进入压力沉降罐进行一次沉降，含水体积分数低于15%左右的原油经二次换热器升温后，进常压沉降罐沉降脱水至净化油要求，再经计量后外输。其中，压力沉降罐和常压沉降罐要求沉降时间在48～72 h，沉降过程中从上往下依次形成挥发气层、油层、乳化层及水层。目前，常用的油水界面测量仪器主要有浮子式和电容式两种［1］。浮子式油水界面测量仪是通过特定密度的物质悬浮在油水界面，也就是乳化层之中，随着界面的升降，浮子产生的浮力推动导轨上的弹簧马达运动，然后转变成电信号进行显示。该方法简单方便，但在装卸油的过程中，由于原油液体的冲击容易使导轨弹簧绷断，一旦损坏，打捞也十分困难［2］。电容式油水界面测量仪是通过在储罐中插入一整根电容器，该电容器与储罐壁板形成两个极板，中间的介质作为电介质，根据不同物质介电常数的不同，计算出储罐的总电容，将总电容与油水界面高度进行转换，从而得到界面位置。该方法灵敏度好，但过于依赖单点计数，当有油污、胶质、沥青质及蜡质附着在电极上时，测量输出经常漂移，影响测量精度，需定期校准。因此，在电容式油水界面测量仪的原理基础上，运用多段微电容，通过后期的差分及滤波处理，达到相应的测量精度。

1 多段式电容传感器的测量原理

将原先一整根电容器用聚四氟乙烯包裹作为内电极，同时整个电容器的外部套铸铝做外电极来代替储罐外壁，环空充满储罐内流体（原油），作为内电极的电容器根据需要从上至下添加若干极板，分成相对独立的电容传感器，这些电容传感器相互独立，并且可引入、引出数据线，不再使用储罐外壁当极板，通过测量n个极板对之间的电容值组成的小液位计来测量整个油水界面［3］，通过多点取数，可计算出双液位甚至多液位的界面位置，分段式电容传感器结构如图1所示。

图1 分段式电容传感器结构示意

每一个电容传感器采用并联独立运行，PLC可根据需要随时提取电容数据进行处理，而传统电容传感器需接通电子选通开关，并且开关关闭后再重启需等待传感器稳定后再测量，因此采用多个独立的电容测量模块可以直接接入测量系统，减少了测量时间，提高了测量效率；还可跨极板接通，如奇数极板激励、偶数极板接受等，增加了系统的扩展性和可操作性。

对容积1×104m3，高18 m的原油储罐放入分段式电容传感器，将其插入24个极板，相邻两个极板构成一个电容，将一个极板作为激励极板，另一个为接收极板，共形成了23个极板对，其中电容值C1-C n-1对应游离水层的高度H1，C n对应乳化层的高度H2，C n+1-C23对应油层高度H3，C24及以上对应挥发气层高度。

将23个极板对测得的电容进行电压转换后，得到23个电压值U n-1（n＝1，2，…，24），同时将相邻极板之间的电压差值设为ΔU j（j＝1，2，…，22），根据系统原理，油的相对介电常数在2～3左右，水的相对介电常数在80左右，介电常数不同相邻极板之间的电压差值也不同，电压差值最大的那个极板之间就是油水界面的所在区域［4］。

2 系统结构设计

整个油水界面测量主要由传感器、逻辑判断电路、PLC采样电路、控制电路、上位机共同组成，油水界面测量系统结构如图2所示。

图2 油水界面测量系统结构示意

2.1 传感器及逻辑判断电路

首先将1对极板接入该测量系统，PLC控制正弦发生器向其中1个极板发出激励信号，另外1个极板为接收极板，通过电容/电压（C/V）转换及放大电路将电容信号转换成电压信号，将得到的电压信号和标准的正弦波信号进行耦合，通过相敏调解对信号进行解调，再经过低通滤波器进行逻辑判断将电压漂移的点位去除，提高测量精度。其中，C/V转换及放大电路是油水界面液位测量的关键，由于每个极板的间距一般为0.2～1.0 m，测量出的电容一般是10～100 p F，属于微小电容，同时杂散电容（范围在100～500 pF，主要是多路模拟开关产生的耦合电容、传感器与系统连接屏蔽电缆产生的干扰电容以及极板与聚四氟乙烯屏蔽层之间产生的分布电容）一般均大于正常电容，因此C/V转换及放大电路必须满足抗杂散、高灵敏及高信噪比的要求［5］。

常规的抑制杂散电容的转换电路方法有直流电容测量法和交流电容测量法，其中直流电容测量法可有效抗杂散电流，但缺点是通过放大器后数据经常出现漂移，主要原因是多路模拟开关也是直流输入，会影响C/V转换的性能；交流电容测量法是使用振幅为A，角频率为ω的标准正弦波激励被测电容，将其转换为交流电信号，避免了和模拟开关产生的耦合电容之间的影响，分辨率更高。因此选用交流电容测量法转换电路。

2.2 PLC采样及控制电路

PLC将采集到的电压信号通过RS-485或RS-232通信接口将模拟量上传至上位机，PLC可根据现场液位情况，发送电压控制信号，经过电压/电流转换后，发出AO模拟信号对电磁阀进行闭环自动控制，自动释放储罐底水，实现储罐油水自动分离。PLC可实现系统复位、电容传感器通道选择、电容传感器复位、逻辑判断、液位计算、参数设置等功能［6］。

2.3 上位机

上位机可收集、处理和存储采集到的电压信号，通过人机交互界面显示，并进行深度学习形成历史曲线，生成动态参数数据库，可输出查询并与中国石油油气水井生产数据管理系统A2数据库连接；可设置不同液位的报警值，实现声光报警，防止储罐出现空抽或溢罐的现象发生；上位机和PLC控制器附近设置紧急停车系统（ESD）及手动按钮，独立于整个控制系统之外，且安全级别高于控制系统，当系统出现逻辑故障或不能自动启动电磁阀门时，可手动优先，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成损失。

3 通信协议及系统主要技术指标

1）通信协议。PLC与上位机采用RS-232或RS-485通信，协议数据传输采用9个字节，其中第1～3字节为帧头，定义为62 65 67，第4～5字节为数据长度，是除头、尾、长度自身、效验和之外的数据长度，其中第4个字节为数据高8位，第5个字节为数据低8位，第6个为站点，第7～9个字节为帧尾，定义为65 6e 64。

2）系统的主要技术指标有：

a）量程：10～15 m，盲区：15 cm。

b）准确度：±0.5%FS。

c）环境温度：-30～60℃，介质温度：-40～150℃。

d）工作压力：0.1 MPa。

e）温度补偿：-40～150℃，最小分辨率：1 mm。

f）变送器安装连接方式：外直管螺纹G2 1/4。

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

4 系统调试及应用效果

首先校准电容传感器，在其中并入不同大小的电容，并测量模拟输出的极间电压值，看是否成线性关系，极间电容、电压测量曲线如图3所示。

图3 极间电容和电压测量曲线示意

由图3可知，当板间电容为0～100 p F时，被测电容与板间电压基本呈线性关系，具有良好的敏感度；大于100 pF时出现输出漂移，主要是由于C/V放大电路存在一定的非线性区间，虽然电容值不高，但输出的放大信号会失真。由于储罐内液体的电容基本均维持在100 p F以下，因此该系统可以满足测量精度的要求。

针对某联合站的3个容积1×104m3，高18 m的沉降罐分别应用浮子式、传统电容式以及多段式电容测量技术进行对比，以大罐人工检尺作为标杆基础，绝对误差分别在1.2 m，0.8 m和0.2 m，相对误差分别为24%，16%，4%，可以看出多段式电容测量的误差远低于其余两种方式，测量精度较好；同时平均沉降时间较其余两种方式分别减少了2～3 h，提高了设备应用效率及负荷率。

5 结束语

以传统电容式为基础的分段式电容测量油水界面，采用了微电容与PLC控制相结合，实现了一定时间内快速测量油水界面并联动电磁阀进行响应，可根据需求测量油水、油气双界面或多界面，通过多点测量、低通滤波和差分放大，最大限度地避免了油污对传感器的影响。但还存在以下问题：

1）测量时内部程序将乳化层的高度进行了近似模拟，默认油水界面清晰，乳化层很薄，属于界面粗算，下一步应建立适当的数学模型，进行界面精算试验。

2）由于内电极外包裹聚四氟乙烯材料进行绝缘屏蔽，该材料的相对介电常数为2.55（20℃），相对微电容测量会造成影响，下一步应在软件设计中考虑该因素，减少漂移量的影响。