長(zhǎng)期以來，油田的油水界面測(cè)量一直是工業(yè)過程測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)難題，而油水界面這一參數(shù)對(duì)于每一個(gè)采油廠都是非常重要的，其中涉及到了財(cái)務(wù)結(jié)算等關(guān)鍵性的問題，所以急待解決。基于這種背景，我們對(duì)這一課題進(jìn)行了攻關(guān)，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)踐、摸索，終于成功地利用伺服式液位計(jì)解決了這一難題。

    伺服式液位計(jì)一直被廣泛地用于儲(chǔ)罐液位的高度測(cè)量，因?yàn)樗且环N多功能儀表，既可以測(cè)量液位也可以測(cè)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)體積較小的浮子，能地測(cè)出液位等參數(shù)。如圖1所示，浮子用測(cè)量鋼絲懸掛在儀表外殼內(nèi)，而測(cè)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(hào)發(fā)生變化。其電壓值與儲(chǔ)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(cè)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(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整浮子上下移動(dòng)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(cè)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

    測(cè)量界面的原理與伺服式液位計(jì)基本相同，即根據(jù)原油與水兩種介質(zhì)密度的不同導(dǎo)致所受浮力的不同而進(jìn)行的界面測(cè)量。

    當(dāng)今，世界自動(dòng)化儀表行業(yè)有很多種儀表可以進(jìn)行界面測(cè)量，而為什么在油田的油水界面測(cè)量方面又幾乎是一個(gè)空白呢？這主要是由于這一場(chǎng)合不同于其他界面測(cè)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(jí)沉降罐(在一級(jí)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(jí)沉降罐(在二級(jí)沉降罐內(nèi)原油一般常年保持在80℃左右)，zui后送到成品罐，需要進(jìn)行油水界面測(cè)量的是一級(jí)沉降罐和二級(jí)沉降罐。一級(jí)沉降罐和二級(jí)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(huì)向上升，密度較大的水會(huì)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

    但是在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)工況要復(fù)雜得多。由于不同產(chǎn)地的原油密度都不盡相同，再加上進(jìn)料帶來的擾動(dòng)、破乳劑和沉降時(shí)間等諸多因素，從而導(dǎo)致了在原油層與水層中間存在著一個(gè)厚薄不一、密度梯度不定的過渡層，習(xí)慣上稱之為乳化層。在這一乳化層中存在著水包油(W/O)、油包水(O/W)，甚至水/油/水(W/O/W)或油/水/油(O/W/O)分層等更為復(fù)雜的體系，正是由于存在了這一如此復(fù)雜的乳化層，使得絕大多數(shù)界面儀在遇到這種工況時(shí)無法測(cè)量，而伺服式液位計(jì)能夠從多界面測(cè)量?jī)x表中脫穎而出，成功地應(yīng)用于這一惡劣的工況，正是由于它*的原理，以及先進(jìn)的自我維護(hù)功能。

    伺服式液位計(jì)在測(cè)量油水界面時(shí)，也是基于浮力平衡的基本原理，與測(cè)量液位不同的是，在測(cè)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zui上層的原油也會(huì)含少量的水，同樣，zui下層的水也會(huì)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－V_b)×ρ1+V_β×ρ2

    式中：T——鋼絲張力；
          W——浮子重力；
          V——浮子體積；
          V_b——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V_β均刻在浮子上為常數(shù)。