Измерение уровня раздела границы сред или различных фаз одной и той же среды часто производится в нефтега-зовой и нефтехимической отраслях промышленности. В то время как в технологиях измерения уровня жидких и сухих веществ были достигнуты значительные успехи, измерение уровня между отдельными фазами среды все еще остается довольно сложной задачей, которая в настоящее время не имеет надежного технологического решения.
Компания Magnetrol® осознает, что измерение раздела сред является ключевой проблемой в этих отраслях промышленности, как и во многих других. Компания Magnetrol® приняла этот фактор во внимание и разработала техническое описание, посвященное проблемам и принципам, применяемым для измерения раздела сред, и доступным на сегодняшний день технологиям для оптимизации процессов.
Основы раздела сред
В нефтегазовой и нефтехимической отраслях промыш¬ленности необходимость измерения границ раздела сред возникает в случаях, когда в одном резервуаре находятся неподдающиеся смешиванию (неспособные смешиваться) жидкости. Более легкая среда поднимается вверх, а тяже¬лая среда опускается вниз. Например, при добыче нефти для извлечения нефти из скважины используется вода или пар. Поступающие из скважины жидкости направляются в эксплуатационные сепараторы, где они разделяются на основные составляющие, а именно углеводороды, распо-ложенные над водой.
Рисунок 1: Многофазный уровень часто представляет собой углеводороды, находящиеся вверху, эмульсию (прослойка) в середине и воду внизу.
Границы раздела могут формироваться между жидкостя¬ми и твердыми веществами, жидкостями и пеной, а также жидкостями и газами. Но в данном документе основное вни¬мание уделяется границе раздела жидкость-жидкость (зача¬стую с паровоздушным пространством, расположенным над верхней/легкой жидкостью). Неподдающиеся смешиванию жидкости соприкасаются в плоскости границы раздела, где некоторая часть этих жидкостей превращается в эмульсию. Этот слой эмульсии (также называемый «прослойкой») может иметь узкие и четкие границы, но гораздо чаще он представляет собой смесь жидкостей с плавно изменяю¬щейся плотностью и толщиной. В общем случае, чем тол¬ще слой эмульсии, тем сложнее выполнить измерение.
Контроль верхнего или общего уровня жидкости важен для целей обеспечения безопасности и предотвращения переполнения резервуаров, а знание уровня раздела не¬обходимо для поддержания необходимого уровня каче¬ства продукта и эффективности технологического процес¬са. Если вследствие неудовлетворительного отделения в нефти присутствует вода (вынос воды), могут возник¬нуть проблемы в процессе переработки нефти, отказы и незапланированные остановы оборудования. Если в воде присутствует нефть (захват нефти), возникают потери продукта, налагаются штрафы за ущерб окружающей сре¬де, взыскания и принудительные остановы производства.
Из всех существующих типов реле уровня и уровнемеров лишь небольшая часть подходит для надежного измере-ния уровня границы раздела. Среди ведущих технологий измерения уровня границы раздела сред можно выделить волноводные радарные уровнемеры (GWR), уравнове¬шенные поплавковые уровнемеры, магнитострикционные уровнемеры, емкостные уровнемеры, а также уровнеме¬ры, в которых используется гамма-излучение и тепловое рассеяние. В идеальном случае технология, использу¬емая для измерения границы раздела, не должна отли¬чаться от технологии других приборов измерения уровня, установленных на производственном объекте, с которыми уже хорошо знакомы пользователи. Стандартизация тех¬нологии помогает экономить на обучении, монтаже, вводе в эксплуатацию, техническом обслуживании, а также со¬кращает время простоев. Разумеется, что все это связано с определенными затратами.
Существующие технологии измерения уровня, используемые для измерения границ раздела сред
Не существует идеальной, подходящей для всех случа¬ев технологии измерения уровня границы раздела сред. Если абстрагироваться от вопросов надежности и цены, главную роль в выборе решения для измерения границы раздела играет хорошая осведомленность пользователей об измерительных приборах. Это особенно справедли¬во для таких устоявшихся технологий, как поплавковый принцип измерения и принцип перепада давления.
Перепад давления все еще остается наиболее распро¬страненной технологией измерения уровня, что отраже¬но в отчете по исследованию рынка приборов контроля, подготовленном в марте 2017 г.1, где более 40% пользо-вателей приборов / респондентов сообщили о том, что они предпочитают и используют технологию перепада давления примерно в трети или более своих установок в процентном отношении ко всем используемым прибо-рам. Однако технология перепада давления не является предпочтительной для измерения уровня границы разде-ла сред. Она требует тщательной калибровки и основы¬вается на допущении, что плотность жидкостей и общий уровень остаются неизменными.
Использование данной технологии, как правило, выдает результат в виде прогнозируемого уровня измерения гра¬ницы раздела, находящегося примерно в середине эмуль¬сионного слоя, противопоставляя его измерению общего уровня и уровня границы раздела. Изменение толщины эмульсионного слоя влияет на плотность и, таким обра¬зом, значительно влияет на точность измерения.
Исходя из вышеупомянутого отчета по исследованию рынка приборов контроля, второй наиболее предпочти¬тельной технологией, судя по процентному использова¬нию всех приборов и установок, являются волноводные радарные уровнемеры (GWR). Более 25% респондентов приблизительно в одной трети всех своих установок пред¬почитают применять приборы GWR.
Возможность использовать уровнемеры GWR для из¬мерения общего уровня (предотвращение переполне-ния), а также уровня границы раздела сред, значитель¬но расширяет знания пользователя о приборе, позволяя правильно применять технологию при одновременном снижении времени на обучение и ввод в эксплуатацию. Конечно, технология GWR тоже имеет свои ограничения при измерении границы раздела, но они часто смягчаются за счет ввода деэмульгаторов или увеличения температу¬ры технологического процесса для облегчения сепарации тяжелой нефти.
Рисунок 2: Волноводный радарный уровнемер с распространением сигнала по зонду вниз
Магнитострикционная технология также используется для измерения границы раздела сред. Она основывается на принципе плавучести, из-за чего присутствуют погрешно¬сти, связанные с удельной плотностью жидкостей, но эта технология имеет свои преимущества, особенно в случа¬ях с толстыми и разбухающими слоями эмульсии. Также необходимо учитывать наслоение твердых веществ, на¬пример налипание парафинов или асфальтов на подвиж¬ных частях.
Рисунок 3: Измерение уровня эмульсионного слоя магнитострикционным уровнемером, непосредственно установленным в резервуаре
Остальным технологиям измерения уровня границы раз¬дела сред, например поплавковым (механическим) и ем-костным уровнемерам, в одной трети своих установок предпочтение отдают 12,6% и 8,2% респондентов соот-ветственно.
Загрузите техническое описание на interface.magnetrol.com и ознакомьтесь с таблицей СРАВНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ УРОВНЯ РАЗДЕЛА СРЕД. Таблица в сжатой форме отображает основные технологии, используемые в области раздела сред наряду с их сильными и слабыми сторонами
Также включен рисунок, который отражает важность уче¬та удельной плотности или плотности в градусах API при выборе той или иной технологии. Высокая удельная плот¬ность (низкая плотность в градусах API) тяжелой нефти влияет на эмульсионный слой и может вносить дополни¬тельные коррективы в планы технического обслуживания.
Опыт, накопленный в ходе эксплуатации систем в производственных условиях, с точки зрения оптимизации технологического процесса и увеличения времени бесперебойной работы
В нефтегазовой и нефтехимической отраслях промыш¬ленности существуют многочисленные установки, в ко-торых образуется эмульсионный слой, уровень которого необходимо измерять. Наличие надежных средств изме-рений может оказать помощь в деле оптимизации тех¬нологического процесса с одновременным увеличением времени бесперебойной работы. Далее рассматриваются примеры применения и дается практический анализ про-блем, имеющих место при измерении уровня с использо¬ванием различных технологий, а также подчеркивается важность проведения таких измерений.
Необходимо отметить, что независимо от используемой технологии, оптимальные условия монтажа окажут значи¬тельную помощь в достижении максимальной эффектив¬ности работы измерительного устройства. Например, ког¬да сырая нефть из скважины входит в сепаратор, время удержания в сепараторе, возможно, является важнейшим фактором для достижения необходимой эффективности работы измерительных приборов и, следовательно, для оптимизации технологического процесса. Другими слова¬ми, если нефть подается в горизонтальный сепаратор, оп¬тимальным местом монтажа уровнемера является точка, наиболее удаленная от входного патрубка (ближе к слив¬ной перегородке), где происходит разделение нефти и вода становится более однородной. Деэмульгаторы помогают разрушению эмульсии, но их количество можно сокра¬тить (примерно 1500–2000 долларов США за тонну), если в ходе работы обеспечить надежное измерение уровня.
При достижении максимальной эффективности уровне¬мера можно добиться более строгого контроля верхней поверхности эмульсионного слоя. Верхняя поверхность слоя эмульсии является индикатором присутствия воды в нефти. Принимая во внимание, что основное назначе¬ние сепаратора – это удаление воды из нефти, измерение уровня теперь можно производить на расстоянии ближе или дальше от сливной перегородки, что позволит опти-мизировать работу сепаратора и время удержания. Если данный сепаратор предназначен для хранения воды, на поверхности которой находится тонкий слой нефти, то бо¬лее строгий контроль уровня раздела сред также предо¬ставит более точные данные о количестве воды (только воды), находящейся в резервуаре. Это позволит более эффективно использовать автоцистерны, обеспечивая их полную загрузку во время слива воды из резервуа¬ров-хранилищ.
Такая идеальная установка не всегда может быть реали¬зована во время модернизации существующего оборудо-вания, но, с другой стороны, наилучшее место монтажа уровнемера можно выбрать во время проектирования сепаратора.
Главное, что необходимо учитывать при реализации лю¬бой системы независимо от вида измеряемого уровня (верхний уровень или граница раздела), это ее поведение при возникновении возмущений или в процессе пуска и останова.
Большинство уровнемеров может нормально работать при измерении границы раздела сред, однако при нали¬чии возмущений в следующих условиях требуется высо¬кая точность:
• когда в резервуаре находится только одна жидкость (только вода или только нефть);
• при переполнении камеры (только нефть и вода – отсут¬ствие газообразной фазы);
• в случае многофазной среды в виде нефти, воды и газа, включая предотвращение переполнения.
Первой отраслью промышленности, которая приходит в голову при обсуждении границ раздела, является пере-качка, разведка и добыча нефти и газа. Первые проблемы возникают в устьевых сепараторах и впоследствии отра¬жаются на всей оставшейся цепочке прохождения углево¬дородов. Кроме участка начальной сепарации,
