在化工、石化以及油氣行業(yè)，經(jīng)常會(huì)遇到需要區(qū)分兩種介質(zhì)分界面的測(cè)量要求，對(duì)于這種工況，根據(jù)儀表測(cè)量原理的不同，許多儀表都可以不同程度的完成油水界面的檢測(cè)功能，但是在采油廠、海上鉆井平臺(tái)的原油脫水、油水分離等典型工況中，由于油水之間存在一個(gè)復(fù)雜的乳化層，以及高粘度介質(zhì)的黏附影響，使得這種工況下油水界面的測(cè)量成為油水界面測(cè)量領(lǐng)域的難題。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)和電容液位計(jì)作為化學(xué)工業(yè)中常見(jiàn)的液（界）位測(cè)量?jī)x表，在測(cè)量油水界面時(shí)有著各自的優(yōu)勢(shì)，但在測(cè)量含乳化層的油水界面時(shí)，兩種液位計(jì)均存在著自身的局限性，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)可以測(cè)量液位，但無(wú)法給出可靠的界面值，而電容液位計(jì)則恰恰相反，只能測(cè)量界位而無(wú)法給出液位值。

本文介紹的多參數(shù)油水界面儀通過(guò)融合傳感器將導(dǎo)波雷達(dá)和電容測(cè)量原理融合在一起，克服了導(dǎo)波雷達(dá)和電容單獨(dú)測(cè)量界面的局限性，充分發(fā)揮了兩種測(cè)量原理的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合先進(jìn)算法實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜工況下的界面測(cè)量，并通過(guò)實(shí)際應(yīng)用案例驗(yàn)證了多參數(shù)油水界面儀在含乳化層的油水界面應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，為自動(dòng)化領(lǐng)域的界面測(cè)量提供一種更為可靠、穩(wěn)定的解決方案。

1 測(cè)量原理

1.1 傳統(tǒng)的界面測(cè)量原理

1.1.1時(shí)域反射原理

時(shí)域反射原理是導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的基礎(chǔ)。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的電磁脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播，當(dāng)遇到被測(cè)介質(zhì)表面時(shí)，雷達(dá)液位計(jì)的部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置，發(fā)射裝置與被測(cè)介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時(shí)間成正比，經(jīng)計(jì)算得出液位高度。至介質(zhì)表面的距離(D)與脈沖信號(hào)的運(yùn)行時(shí)間(t)呈比例關(guān)系：

D=c·t/2（1）

其中，c為光速。

空標(biāo)高度(E)已知時(shí)，物位(L)的計(jì)算公式如下：

L=E-D（2）

高頻脈沖信號(hào)到達(dá)介質(zhì)表面后僅部分脈沖信號(hào)發(fā)生反射。上層介質(zhì)的介電常數(shù)DC1較小時(shí)，未發(fā)生反射的脈沖信號(hào)將沿探頭繼續(xù)向下傳播。在界面處發(fā)生二次反射(下層介質(zhì)的介電常數(shù)DC2大于上層介質(zhì)的介電常數(shù))?？紤]脈沖信號(hào)在上層介質(zhì)中傳播的延遲時(shí)間，可以測(cè)量?jī)x表至界面間的距離。

1.1.2電容原理

使用電容原理測(cè)量時(shí)，液位計(jì)探桿和罐體形成了一個(gè)電容器，上層介質(zhì)與下層介質(zhì)有著不同的介電常數(shù)，通常情況下，上層介質(zhì)介電常數(shù)較小例如油，下層介質(zhì)介電常數(shù)較大例如水。由于介電常數(shù)小的介質(zhì)產(chǎn)生的電容改變量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于介電常數(shù)大的，所以上層介質(zhì)占整體電容改變量的比例就非常小，通過(guò)電容換算出的液位值就近似等于界面值。

1.1.3傳統(tǒng)界面測(cè)量方法的弊端

采用時(shí)域反射原理的界面測(cè)量方法在遇到介質(zhì)分層處經(jīng)常出現(xiàn)乳化層的工況時(shí)，界面信號(hào)會(huì)隨著乳化層的加厚逐漸減弱甚至消失，在這種情況下，界位信號(hào)會(huì)被液位信號(hào)吞噬，從而使導(dǎo)波雷達(dá)在存在乳化層的工況下測(cè)量的界面信號(hào)不可靠，用這個(gè)信號(hào)去進(jìn)行過(guò)程控制也將變得不可能。

采用電容原理的界面測(cè)量方法優(yōu)勢(shì)在于其測(cè)量不受乳化層影響。但其劣勢(shì)是只能檢測(cè)出界面值，而無(wú)法獲知液位值。

圖1 液位測(cè)量原理

圖2 界位測(cè)量原理

1.2 多參數(shù)油水界面儀

1.2.1測(cè)量原理

多參數(shù)油水界面測(cè)量是利用融合傳感器將上述傳統(tǒng)的界面檢測(cè)方法融合在一起。導(dǎo)波雷達(dá)發(fā)射的電磁波首先在總液位處有一個(gè)反射回波代表油面高度，然后再向下傳播到油水界面處反射一個(gè)回波代表界面。由于油水界面處乳化層的存在，使得第二個(gè)反射回波被吸收，時(shí)有時(shí)無(wú)。當(dāng)被測(cè)界面由于各種原因變得不清晰時(shí)，儀表內(nèi)部的智能界面信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)會(huì)不斷評(píng)估當(dāng)前界面回波的質(zhì)量，自動(dòng)切換到電容測(cè)量原理，通過(guò)測(cè)量探頭的電容值進(jìn)行界面測(cè)量，用電容原理作為油水界面測(cè)量的驗(yàn)證和補(bǔ)充。

1.2.2多參數(shù)油水界面儀的優(yōu)勢(shì)

多參數(shù)油水界面儀在被測(cè)界面由于各種原因變得不清晰時(shí)，如出現(xiàn)乳化層時(shí)，可以利用電容測(cè)量值進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，確保持續(xù)穩(wěn)定測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)了“全工況”的界面測(cè)量。

圖3 電容測(cè)量原理

圖4 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量界位

圖5 多參數(shù)油水界面儀測(cè)量信號(hào)

2 多參數(shù)油水界面儀應(yīng)用舉例

2.1 硫磺回收裝置富液緩沖罐

2.1.1工況描述

某廠硫磺回收裝置富液緩沖罐，常溫常壓，上層介質(zhì)是污油，下層介質(zhì)是甲基二乙醇胺溶液，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)安裝位置在罐頂，罐高9米。

2.1.2原界位測(cè)量出現(xiàn)的問(wèn)題

原導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)使用傳統(tǒng)界面測(cè)量方法，界面信號(hào)經(jīng)常跳變，不能形成穩(wěn)定的測(cè)量；從趨勢(shì)圖中可明顯看到界面信號(hào)經(jīng)常性的與液位信號(hào)重合，運(yùn)行記錄表中界面值經(jīng)常與液位值一致。用戶反映由于界面測(cè)量值非常不可靠，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)玻璃管水位觀測(cè)計(jì)因堵塞失效，用戶只能依靠人工開(kāi)閥排液的方式觀察排水點(diǎn)里面是油還是水。

2.1.3多參數(shù)油水界面儀應(yīng)用效果

用戶更換為多參數(shù)油水界面儀，即使由于乳化層導(dǎo)致一個(gè)回波丟失，儀表可自動(dòng)切換到電容模式，仍可以分別測(cè)出液面和分界面高度，完美解決了用戶的問(wèn)題。使用效果如下圖。

圖6 客戶反饋原導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用效果

圖7 多參數(shù)油水界面儀在油水界面測(cè)量中的應(yīng)用

圖8 多參數(shù)油水界面儀應(yīng)用效果

2.2 MTP裝置氧化物抽提塔應(yīng)用效果

某集團(tuán)50萬(wàn)噸/年甲醇制烯烴項(xiàng)目MTP裝置氧化物抽提塔塔頂安裝有多參數(shù)油水界面儀，該儀表安裝后界面信號(hào)趨勢(shì)平穩(wěn)，沒(méi)有發(fā)生跳變，可以提供穩(wěn)定可靠的界面信號(hào)，用戶滿意度高。

3 總結(jié)

通過(guò)測(cè)量原理的分析可以看出，在測(cè)量油水界面不清晰的界面時(shí)，單獨(dú)的導(dǎo)波雷達(dá)或電容測(cè)量界面的方法已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)上越來(lái)越高的要求，而多參數(shù)油水界面儀利用融合傳感器將兩種傳統(tǒng)的界面測(cè)量原理融合在一起，使得油水界面的測(cè)量更加準(zhǔn)確。

同時(shí)由于多參數(shù)油水界面儀低廉的價(jià)格，通常是伺服液位計(jì)的三分之一甚至更低，所以在精度要求不高、上下層介質(zhì)介電常數(shù)差別很大的工況下，多參數(shù)油水界面儀不失為一種解決含乳化層油水界面測(cè)量的很好的方案。目前該儀表已經(jīng)得到眾多用戶的認(rèn)可，并在多個(gè)行業(yè)、多種工況中得到應(yīng)用，運(yùn)行良好。