开排沉箱水处理系统液位测控方案研究

张伟刚 刘鸿雁 付勃昌 陈忠革

(海洋石油工程股份有限公司设计公司，天津 300451)

开排沉箱水处理系统是目前被广泛应用的一种海洋石油平台污水处理设备，开排沉箱污油水处理系统具有诸多优点，但由于其结构的特殊性，为了避免自然条件对其运行的影响，沉箱内油水液位的测量和控制成为保证系统安全运行的关键条件。①

笔者针对现有的系统液位测量和控制方案存在的不足，选取合适类型的液位测量仪表来准确测定沉箱内污油液位和油水界面液位，以油层厚度作为开排泵起/停控制的条件，结合实际应用中的具体要求，提出了两种液位测量控制系统的优化方案，进一步细化和完善了开排沉箱水处理系统的液位测控方案。

1 开排沉箱污油水处理系统简介

开排沉箱(Open Drain Caisson，ODC)也称撇油桩或撇油排放筒(Skim Pile，SP)，是海洋石油生产平台上常见的污水处理设备，具有污油水收集、处理及排放等多种功能。开排沉箱通常安装于海洋石油生产平台的导管架上，用于收集处理过生产水、来自危险区和非危险区的甲板排放水与事故工况下紧急排出的污油水[1]。

典型的开排沉箱水处理系统结构如图1所示，沉箱顶部经放空管连通大气；沉箱本体大部分浸没于海水中，用以隔离箱体外海浪的影响；筒体内部以一定角度和间距设置有隔板，隔板下方形成水力静区，以利于油、水利用重力原理进行分离，聚结的油滴沿导流管向上到达沉箱表层空间并由开排泵抽出；沉箱底部开通海孔，沙子和海水即从此孔排出。结构等方面设计良好的开排沉箱能够去除污水中直径大于50μm的油滴，在特定条件下，最终排至海水中的游离油分含量可低至0.005‰。

与开排罐及开排槽等常规设备相比，开排沉箱具有污水处理量大、不占用甲板面积和平台上部模块重量、整个系统占用动力负荷小、无需定期除沙及设备维护工作量小等显著优点。因此，近年来随着我国东海及南海等较深水域油气田的开发，开排沉箱被越来越多地应用于实际生产过程中。

开排沉箱的直径通常小于2m，细长筒体深入海面下一定深度，基本隔离了外部海浪的影响，但其下方与海水相通，沉箱内的液位高度不可避免地会受到潮汐的影响。因此沉箱内油水液位的测量和控制成为保证开排沉箱水处理系统安全运行的关键条件。

2 原测控方案的原理与缺陷

开排沉箱的液位测控原理是，假设沉箱内已经聚结了一定厚度的油层(沉箱内、外存在一定的液位差)，通过测量沉箱顶层液面的液位高度，结合环境条件参数——最高天文潮位(Highest Astronomical Tide，HAT)和最低天文潮位(Lowest Astronomical Tide，LAT),经公式计算后，得到设定液位高、低报警值和开排泵的起/停设定值。各参数之间的关系如图2所示。

图1 典型开排沉箱水处理系统结构示意图

图2 开排沉箱液位计算参数关系示意图

在此不介绍详细的计算公式和计算过程，仅将基本原理表述如下：

a. 沉箱的尺寸(主要是高度H)要能存储平台上特定工况下最大污油或污水的排放量，并保证在高天文潮位时污油不从顶部放空口溢出，在低天文潮位时污油不从沉箱底部通海孔流出；

b. 由于油、水密度不同因而沉箱内、外的液位高度不同，在最高天文潮位时，以设计的污油存储量所能达到的液位最高高度为参照，确定液位高高报警值(Level Alarm High High，LAHH)；

c. 不考虑沉箱内污油含量，以沉箱外部环境海水的最高天文潮位为参照，设定液位低低报警值(Level Alarm Low Low，LALL)，确保在任何情况下不会从沉箱内泵出海水到海洋石油生产系统；

d. 以沉箱内的LAHH和LALL为基准，结合开排沉箱泵的性能参数，在LAHH和LALL之间合理设置泵的自动起/停控制点。

上述液位控制方案存在的不足之处：

a. 系统投入运行达到一个相对平稳的状态后，因开排泵“运行停止”的设定点高于最高天文潮位，因此沉箱筒体内、外液位差始终存在，表示沉箱内部始终积聚大量浮油。如果以液位差为300mm、海水密度为1.02g/cm3、污油密度为0.85g/cm3计算，沉箱筒体内部污油层厚度始终大于2 067mm。厚油层的长期存在不但降低了沉箱的油水分离效果，还形成了安全隐患。

b. 系统以最高天文潮位和最低天文潮位为参照，设定泵的起/停控制点，然而最高天文潮位和最低天文潮位并不完全等于海洋环境的最高和最低潮水位置。如：东海某平台附近海域的最高天文潮位与50年一遇的高水位存在0.22m的差值，与100年一遇的高水位存在0.30m的差值；最低天文潮位与50年一遇的低水位存在0.55m的差值，与100年一遇的低水位存在0.63m的差值。极端天气条件下，由台风引起的风暴潮亦会引起1.00～2.00m的增水[2]。因此，该方案存在污油由沉箱顶部溢出而污染环境的风险，或者由开排泵将海水吸入到生产系统，增加闭排系统的处理负担。

3 开排沉箱液位测控系统的优化

综合前文的分析，要将沉箱内聚集的污油及时排出，同时避免泵出过量海水，才可防止潜在的危险状态和污染的发生。相关技术人员结合实际生产情况，确定目前最有效的优化方法就是选取合适类型的液位测量仪表，准确测定沉箱内污油液位和油水界面的液位，以油层厚度作为开排泵起/停控制的条件。

开排沉箱液位仪表测量范围的确定：潮差是影响沉箱液位仪表测量范围的最主要因素。我国不同海域潮差差异很大(2.0～7.0m)，同时考虑到最大2.5m的风暴潮带来的增水量，通过合理选择开排泵的排量，将油层厚度控制在1.0m以内。沉箱顶部预留1.0m的安全净空，可以得出沉箱表层污油水的液位变化范围在-1.0～-10.5m(相对于开排沉箱顶部)，此即所需液位变送器的工作量程。

开排沉箱筒体细长，且绝大部分箱体浸没在海水中，沉箱内液位和油水界面跟随潮位变化，污油层成分复杂，其表层还可能伴有泡沫和杂质。这就限制了很多液位测量仪表的选用。经对比分析各种类型液位测量仪表的特性后，给出了两种可选配置方案。

3.1 磁致伸缩液位(界面)变送器和雷达液位变送器的组合使用

如图3所示，选用磁致伸缩液位变送器作为油和海水界面的液位测量仪表。磁致伸缩液位传感器是通过发射和接收电流脉冲来感知磁性浮子的位置的，油层密度在0.85～0.90g/cm3之间，海水密度1.02g/cm3，根据油层和海水密度不同而选择合适比重的浮子即可测量油水界面的位置。带重锤的挠性杆磁致伸缩液位变送器测量范围可达22m，能够满足开排沉箱油水界面测量的需要。

图3 磁致伸缩液位(界面)变送器和 雷达液位变送器的组合使用

开排沉箱接收的排放水中可能含有铁磁性物质，污油中也存在粘性物质，长期运行有可能卡滞浮子。因此，虽然安装两个比重不同浮子的磁致伸缩液位变送器可以同时测量表层液位和油水界面，但增加一个浮球也就增大了浮子被卡滞的风险，因而笔者推荐只使用单一浮子的磁致伸缩液位变送器作为油水界面的测量仪表。

选用常规的非接触式雷达液位变送器作为沉箱顶层液位的测量仪表。雷达液位计具有不受环境压力、温/湿度、液面泡沫及液面波动等因素的影响，而且不与被测介质接触、无磨损、维护工作量小且精度较高的特点，特别适合测量沉箱顶层液位[3]。

3.2 导波雷达液位(界面)变送器和雷达液位变送器的组合应用

此方案中推荐选用导波雷达液位变送器用于油和海水界面的测量。如图4所示，与常规雷达液位变送器通过空间传递电磁波不同，导波雷达液位(界面)变送器利用的是导波杆(缆)，电磁脉冲波沿导波杆(缆)传递的过程中，当遇到比先前传导介质介电常数大的液体表面时，脉冲波会被反射，两种介质的介电常数差值越大说明电磁波的反射越强，空气的介电常数为1F/m，油层的介电常数为2～3F/m，海水的介电常数大于70F/m，因而可以在油/海水界面获得清晰的反射波。同时信号沿导波杆(缆)传播可有效避免杂散信号的干扰，选用导波雷达液位变送器可以有效测量油/海水的界面，柔性缆导波雷达液位变送器的测量范围可达20m以上，完全能满足开排沉箱系统液位测量的要求[4]。

图4 导波雷达液位(界面)变送器和 雷达液位变送器的组合应用

有些导波雷达液位变送器生产厂家已经推出可以同时测量油层液位和油水界面的产品，非常适合在开排沉箱的工作环境下使用，但考虑到空气和油层介电常数差值较小，长时间使用后可能在导杆(缆)上存在挂料的情况，进而影响表层液位测量的准确性。因而在此方案中依然推荐另外安装一台常规雷达液位变送器，以提供液位参比信号，用于两台仪表设备故障检测，提高整个系统的可靠性。

4 结束语

开排沉箱的形式较常规设备更为特别，直径小而筒体长，内部设置有折流板和多种管线，且应用于海水环境中，因此在系统设计和仪表选型中要考虑多种因素。针对原系统控制原理方面的不足，笔者给出了两种优化方案，在实际应用过程中需要结合具体的环境数据、沉箱的结构形式、详细的仪表性能及仪表安装要求等因素，进一步细化和完善设计方案。