三相分离器油水分布测量仪研究与设计

张 冲，王鑫章，孙 冰，杨 静

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津300452)

0 引 言

在油田开采过程中，产物以油气水三相混合液为主，为实现对合格产品的有效输出，通常使用三相分离器对油气水三相混合液进行分离处理。但在一些原油集输站点生产中，存在脱水效果不理想的问题，导致石油输出质量和效率都不尽如人意[1]。其中的原因之一就是在分离过程中，设备脱气效率较高但脱水稳定性不足，存在水油分离效果不佳的现象。因此三相分离器需要增加对油水混合液进行含水率测量的工艺流程，用来验证分离作业是否达到预期效果，从而提高油气水分离效率，确保油田开发建设水平，提升油田开发效益。

1 油水分布测量方法

目前，工业中测量石油含水率的常见方法有以下几种：蒸馏法、密度法、微波法、电导法、电容法、短波吸收法等[2]，分述如下。

①蒸馏法：在被测样品中加入与水不相容的试剂后，在回流条件下加热蒸馏，水和溶剂冷凝后在接收器中连续分离，分离后水沉降至接收器，溶剂保留至蒸馏烧瓶，读出接收器中水的体积，即可计算出样品的含水率[3]。蒸馏法是当下石油含水量测试的传统方法，精确程度较高，技术成熟，但该方法是取样品离线测量，成本较高、操作复杂且检测效率低，难以适用于三相分离器工艺流程。

②密度法：通过杂质与水两相模型进行含水量分布测量[4]。具有结构简单、测试成本低的优点，但缺点与蒸馏法相似，需要取样测量且自动化程度较低。

③微波法：利用水油介质在微波电场中储能系数和耗能系数的差异，通过传感器进行油品中含水量的测量。该方法能够支持在线测量、测量范围宽、精度高，部分油田正在使用微波法进行含水量监测，但造价比较昂贵，对于产量较少的油田来说，该技术附带的经济价值不高，通用性不强。

④电导法：物体表面或内部含水量变化时，会导致电阻值的减小，电导法的工作原理就是通过直流电测试物体的导电性能[5]。该方法原理简单，测试精度较低，通常用于测试易吸水的固体物质含水量，不适用于油水混合液测试。

⑤电容法：对于油水混合液来说，水的介电常数要远大于油，因此油品含水量的微小变化会引起介电常数的较大变化。电容法使用电容传感器将介电常数的变化反馈至电容储能中，通过电路测量电容值来衡量油品含水率[6]。

⑥短波吸收法：含水率不同的油品，对于短波能量的吸收能力也不相同[7]，该方法将电能以电磁波的形式辐射到以乳化状态存在的油水介质中，根据短波摄入溶液前后的能量差来检测油水乳化液的含水率。

综合考虑适用程度、实现难度和经济价值后，本文选取电容法研制三相分离器油水分布测量仪，实现油水混合液含水量测量。

2 电容法测量原理

电容法利用水和油的介电常数存在很大差别这一原理来实现混合液含水率的测量[8]。电容式传感器从原理上又可以分为两种，一种为基于正对电场效应制作的传感器，另一种是基于电场边缘效应制作的传感器。在平行极板电容中，两极板的边缘电场分布于平行极板的边缘处且电场线是弯曲的，而正对电场分布于平行极板中间且电场线是平行的[9]。一般情况下，电容的边缘效应被视为检测过程中的不利因素，虽然目前存在利用电容边缘效应而产生的新型检测方法，但其结构复杂，制作成本较高，因此本文采用基于正对电场效应制作的传感器。

3 系统设计与实验

3.1 主控板设计

本文设计的仪器电路系统采用 16位超低功耗MSP430F5529单片机作为处理器，结合外部电路设计开发了电容测量电路，电路实物如图 1所示。基于Keil软件使用 C语言编写了测试程序，实现驱动电路正常动作以及对比电容测量功能。

图1 主控板实物图Fig.1 Main control board

3.2 电容传感器设计

多极板电容传感器如图2所示。采用印刷电路方式进行极板设计，共设计出 2块三极电容板电路，单一极板尺寸为 100mm×50mm，由 3个极板构成一块多极板电路，两块多极板电路通过组合形成多极板电容传感器。

图2 多极电容板实物图Fig.2 Multipolar capacitor plate

按照不同极板间距组合形成两类多极板电容传感器，分别为 d1＝5mm、d2＝10mm，其中极板间距5mm传感器如图3所示。

图3 多极板电容传感器实物图Fig.3 Multipolar plate capacitance sensor

多极板电容传感器的工作原理是基于极板电容容量推导得出，根据极板电容公式，则有：

式中：rε代表介质的介电常数，本文取水的介电常数为 80，油的介电常数为 3～6；S为极板面积，由于极板的长和宽分别为 100、50mm，S＝0.005m2；d为极板间距。

①当极板间距d＝5mm时，则有：

当介质为水时，取rε＝80，则有Cmax1＝708.8pF；当介质为纯油时，取rε＝5，则有Cmin1＝44.3pF。因此极板间距为5mm时，使用电容传感器测试油水混合介质，极板电容的变化范围是44.3～708.8pF。

②当极板间距d＝10mm时，则有：

同上，当介质为水时，取rε＝80，则有Cmax2＝354.4pF；当介质为纯油时，取rε＝5，则有Cmin2＝22.15pF。因此极板间距为 10mm 时，使用电容传感器测试油水混合介质，极板电容的变化范围是22.15～354.4pF。

3.3 实验过程

本文采用量筒作为容器，量筒内溶液为自来水与食用油混合液，根据有关参考文献查证，自来水与油田生产水、食用油与原油的介电常数接近，能够满足实验条件。主控板与电容传感器通过接口连接，采用高性能示波器抓取采样波形，分辨油水在多极板电容测量时的不同效果。系统实验实物如图4所示。

通过示波器测试电容传感器的充放电时间，充电时间由程序控制，设置为 10ms，放电测量起始时间从控制端变为低电平开始，此时电容电压开始下降，直至为 0V。当采样电路接收到电容端的低电平信号时，处理器端口停止发出低电平信号，此时计时停止。不同的电容值对应不同的冲放电时间不同，从而可以实现电容测量。图 4示波器中的绿色波形线 L1表示极板间介质为纯水，黄色波形线 L2表示油水混合介质，曲线表示电容电压变化过程，电压下降越慢，表示电容值越大，反之亦然。因此可以通过测量电容容值 C来区分纯水、油水混合、纯油介质，与前文理论说明一致。

图4 系统实验实物图Fig.4 Experimental system

3.4 稳定性验证

根据 3.3节测试条件，对已知电容进行测试。已知电容值如表 1第一列数值所示，进行时间测量，共计 4次，单位为 µs，求取平均值，然后再求取各次测量结果与平均值之差的引用误差。

测量结果如表1所示，引用误差为：

其中，X为测量值，X0为平均值，L为平均值最长时间与最短时间之差。

表1 放电测试结果表Tab.1 Discharge test result

由表 1可知，经过多次重复测量，测量电路对电容的测量重复性较好，而且仅有的最大引用误差为0.37%，证明系统较好实现了测量稳定性和准确性。

4 结 语

本文针对石油开采过程中对油水分离程度的测试需求，通过分析水油含量常用检测方法，选择电容法进行三相分离器内部油水含量分布测试工艺设计，通过原理分析、电路硬件设计、软件调试以及实验测试研究表明，利用多极板电容作为传感器进行三相分离器内部油水分布测量的方法从理论上具备可行性。此外还模拟三相分离器水油混合液环境进行实验研究，验证了方案的实际测量效果。测量数据表明，所设计的简易多极板电容实验系统达到了验证的目的，可以进行测量仪器的设计验证工作。