储油罐多相界面液位测控系统的研究

　　1　引　　言

　　从油井中直接采出的原油里含有大量水、泥沙和天然气,通过三相分离器的分离,就会在储油罐中形成泥沙/水、水/油、天然气/油等几种界面(如图1所示)。为了测定储油罐中的原油量,就必须首先测量出储油罐内原油的上液位和下液位。显然,为了达到这个目的,需要设计一种多项界面测控系统。而传统的电容式液位测量系统仅能检测出单一界面位置,当同时检测多相界面的位置时,仅用一对电极是无法达到目的。为此,我们设计了一种单平板分段列式电容传感器。分段阵列式电极结构具有以下特点:(1)由于电容传感器设计为单极板式,因此结构简单可靠,安装方便,不易被粘稠原油堵塞;(2)电极数N与被测界面数Ne应满足关系N≥Ne,实际上为了获得较高测量精度,一般设计为N>>Ne;(3)每组电极分别由许多小电极组成激励和接收电极,这对提高检测灵敏度十分有利,并可保证检测误差不超过(a+b)。如图2。

　　2　设计原理

　　电容式传感器是将被测非电量转换成电容量变化的一种传感器。为研究方便,取其中一组电极作为研究对象,如图2所示。根据实际结构尺寸,作如下简化:(1)由于1>>a,b,δ,故在保证足够精度条件下将实际的三维场简化为二维场处理;(2)由于电极是利用印刷板制作而成的,铜箔厚度远小于a,b,1,δ,故忽略其厚度;(3)从N组电极中利用多路选择开关选通一组接入电路,而未选通电极接地,所以未选通电极对选通电极影响忽略,将选通电极置于场中,并对该场进行剖分。

　　由此可知,域中电位分布满足拉普拉斯方程[2]:

　　根据有限元法计算其电位分布函数,进而求其场强分布函数为:

　　一组电极电容量按下式计算:

　　式中,Γs为发射极表面函数;Γd为接收极表面函数。其离散表达式:

　　由上述分析可知,对于给定的一组电极结构参数,通过改变域中各单元介电系数,即可仿真各界面处于电极不同位置的变化情况,从而求出相应的电位分布及电容量。

　　由于空气、油、水等介质介电数不同,同时其介电常数受温度/湿度等的影响很容易发生变化,因此准确测量其介电常数是困难的。然而,空气、油、水等介质的介电常数相差很大(ε空=1,ε油=3.5,ε水=80),并且我们区分其分解面时所利用的原理也并不需要测量出空气、油、水的介电常数的准确值,所以即使其介电常数随温度、湿度而变化,仍可利用不同界面物质的介电常数值的跳变来实现对原油上液面和下液面高度的准确测量。

　　3　结　　论

　　储油罐多相界面液位测控系统是针对辽河油田现场条件和状况而研究和开发的,突破了以前同类技术的设计误区,采用了全新的思维方式和设计思路,能够实现远程无人职守的、全自动定时测量,从而适时、准确地测量出储油罐的油/水界面高度,保证联合站每日盘库的准确性和可靠性,填补油田在这方面的空白。