海上油田高振动液位跳变对工艺安全与优化选型研究

张奇，陈烽文

(中海石油(中国)有限公司天津分公司渤西作业公司，天津 300452)

0 引言

本文旨在通过对海上油气田高振动工况下液位跳变问题的深入研究，探究其对工艺流程安全运行的影响，并提出一系列液位跳变优化选型方案，以期为海上油气田开采提供参考和借鉴，提高工艺流程的安全性、稳定性和经济性。

1 海上油气田高振动工况下液位跳变原因分析

1.1 海上油气田高振动工况简介

海上油气田的高振动工况是指在海上的钻井平台、生产平台等设施上，由于海洋环境的复杂性，加之钻探、采油、输送等作业所引起的振动，使得设施的振动加速度远高于陆上设施。这些振动的形成有多种因素，包括海浪、风浪、平台设备的振动等。由于海洋环境的不可预知性，在油气田会发生在不同的频率和振幅的振动，因此海上油气田的高振动工况具有不确定性和随机性。

在海上油气田生产过程中存在液位跳变的问题，是由于平台振动所导致。液位跳变通常会引起生产设备的异常运行，甚至可能导致设备故障和生产事故。因此对海上油气田高振动工况下的液位跳变问题进行研究和分析，有助于提高工艺流程的稳定性和安全性，保证生产的连续性和经济性。

1.2 液位跳变原因分析

液位跳变是由于海上油气田设备振动所引起的油气液位变化。发生的原因主要有以下几个方面：首先是海浪和风浪引起的振动。海上油气田处于海洋环境中，海浪和风浪是主要的振动源之一，其频率和振幅不断变化，会对平台设备产生不同程度的振动，这种振动会传导到储油罐、管道和设备上，从而引起油气液位的变化。其次是生产设备本身的振动。生产设备在运行过程中也会产生振动，尤其是高速旋转的泵、压缩机等设备，其振动会直接影响油气液位。再次是液位控制系统失效。液位控制系统是保持油气液位稳定的关键因素，但如果系统出现故障，如控制阀门失灵、传感器损坏等，就会导致液位跳变。最后是液位变化引起的自激振动。液位变化也会对设备产生影响，如产生共振、自激振动等，进而导致液位跳变。因此，在设计和操作海上油气田生产设备时，需要综合考虑环境因素、设备振动特性、液位控制系统等因素，以降低液位跳变的发生率，提高工艺流程的稳定性和安全性。

1.3 相关工艺流程安全运行问题分析

海上油气田高振动工况下的液位跳变对工艺流程的安全运行会产生多方面的影响。首先是设备损坏和生产事故。液位跳变会影响生产设备的正常运行，如果液位控制失效或者设备自身振动过大，可能导致设备故障和生产事故的发生。其次是生产效率下降。液位跳变会导致油气液位的不稳定，这会使生产过程受到干扰，从而降低生产效率和产量。最后是能源浪费和成本增加。液位跳变会导致油气泄漏、流失等问题，这不仅浪费了有限的能源资源，还会增加生产成本。

2 高振动工况下液位跳变对工艺流程安全运行的影响

2.1 液位跳变对分离器性能的影响

在海上油气田高振动工况下，液位跳变会对分离器的性能产生影响，主要表现在：首先是分离效率降低。分离器是用于将油、气、水等不同物质进行分离的设备。当液位发生跳变时，可能会导致不同物质的相互混合，从而降低分离效率。其次是凝聚水位变化。凝聚水是指从气态水蒸气中析出的水滴，其高度与液位高度有关。当液位发生跳变时，凝聚水的高度也会发生变化，从而影响分离器中气体的纯度。再次是操作稳定性降低。分离器操作需要考虑多种参数，如进料流量、温度、压力、液位等。液位跳变会导致这些参数发生变化，从而降低操作的稳定性。最后是疲劳寿命下降。分离器内部结构会在振动环境下发生疲劳损伤，液位跳变会加剧这种损伤，从而降低分离器的寿命。因此，为了降低液位跳变对分离器性能的影响，需要采取一些有效的措施，从而保障工艺流程的安全运行[1]。

2.2 液位跳变对储罐稳定性的影响

在海上油气田高振动工况下，液位跳变还会对储罐的稳定性产生影响，主要表现在：(1)压力波动。液位跳变会导致储罐内压力的波动，从而影响储罐的稳定性。特别是当液位迅速下降时，会产生负压波，使储罐内部压力降低，如果压力过低，可能会导致储罐内的油气产生汽化和爆炸等危险。(2) 油位超限。液位跳变也可能导致储罐油位超限，这会导致储罐的稳定性下降。当油位超过储罐的设计高度时，可能会造成液体泄漏和罐体倾覆等危险。(3)机械应力。液位跳变也会引起储罐内部的机械应力变化。储罐内部的液体和气体在液位跳变时会产生剧烈的冲击和摩擦力，从而引起储罐壁和附件的机械应力变化。

2.3 液位跳变对管道运输的影响

可以通过加强管道的支撑结构和管道材料的抗振能力，提高管道的稳定性；加强管道内部液位监测和控制系统的精度和可靠性，及时掌握液位变化情况，减少液位跳变的发生，确保生产过程的顺利进行[2]。

3 液位跳变优化选型方案

3.1 液位测量技术

为了解决海上油气田高振动工况下液位跳变对工艺流程安全运行的影响，可以采用液位测量技术进行液位跳变优化选型。液位测量技术主要包括：(1) 振弦式液位计。振弦式液位计是一种基于声学原理的液位测量技术，利用声波在液体中传播的速度和回波时间来确定液位高度。振弦式液位计具有精度高、可靠性强、不受液体性质和温度变化的影响等优点，可以有效应对高振动工况下液位跳变的问题。(2) 磁翻板液位计。磁翻板液位计是一种机电式液位测量技术，该技术利用磁性翻板和磁性探头之间的磁力作用来确定液位高度。磁翻板液位计具有结构简单、维护方便、可靠性高等优点，但由于机械部件容易受到振动的影响，因此在高振动工况下可能会产生一定的误差。(3)压力式液位计。压力式液位计是一种基于压力原理的液位测量技术，该技术利用液体所产生的压力与液位高度之间的关系来确定液位高度。压力式液位计具有响应速度快、精度高、不受振动和噪音干扰的影响等优点，可以适用于高振动工况下的液位测量。

3.2 液位控制技术

解决海上油气田高振动工况下液位跳变对工艺流程安全运行的影响，可以采用液位控制技术进行液位跳变优化选型。液位控制技术主要包括以下几种：(1)反馈控制。反馈控制是一种常用的液位控制技术。该技术通过测量实际液位并与设定液位进行比较，从而产生误差信号，并通过控制系统进行调整，使实际液位逐渐趋近于设定液位。反馈控制技术可以有效地应对液位跳变的问题，但对控制系统的响应速度和准确性要求较高。(2)前馈控制。前馈控制是一种在液位变化前预先进行控制的技术。该技术通过分析液位变化趋势并进行预测，从而在液位发生变化前进行控制，以防止液位跳变的发生。前馈控制技术可以在一定程度上避免液位跳变对工艺流程的影响，但对液位变化趋势的分析和预测要求较高。(3)模糊控制。模糊控制是一种利用模糊逻辑进行控制的技术，该技术通过对液位变化和控制信号之间的关系进行模糊化处理，从而产生模糊控制信号，并通过模糊控制器进行液位控制。模糊控制技术可以有效地应对液位跳变的问题，但对模糊控制器的设计和调试要求较高。

3.3 设备选型与工艺参数优化

除了液位测量和控制技术的优化外，设备选型和工艺参数优化也是液位跳变优化的重要方面。设备选型方面，要选择适合海上油气田高振动工况下使用的设备，例如抗震性能好、耐腐蚀、可靠性高的设备。在选择设备时，还要考虑到设备的适用范围、使用寿命、运行成本等因素，以实现设备的最佳性价比。工艺参数优化方面，可以通过调整工艺流程参数，减少液位跳变对工艺流程的影响。例如，在液位变化较为剧烈的情况下，可以适当调整生产流程，缓慢调整液位，避免突然液位变化造成的影响。在设备容量有限的情况下，可以根据生产需求进行调整，优化生产效率和能耗。同时，在设备选型和工艺参数优化方面，还需要充分考虑生产安全性和环保性。例如，在设备选型时，要考虑到设备的安全性和稳定性，以及对环境的影响，在工艺参数优化时，需要考虑到生产过程中的安全隐患和环境污染问题，采取措施加以解决。

3.4 实验验证与成本效益分析

实验选取了某海上油气田的实际生产工艺流程进行模拟实验，实验采用了前馈控制技术进行液位控制，并对实验数据进行了统计分析。

在实验中，选取了一个液位变化较为明显的储罐进行液位控制，将前馈控制技术与传统的比例积分控制技术进行对比。表1 为实验数据。

表1 实验数据

从表1 中可以看出，采用前馈控制技术的液位高度变化更加平稳，且响应速度更快，相比之下传统的比例积分控制技术容易出现过冲和震荡现象。

针对实验结果，还进行了成本效益分析。统计结果显示，采用前馈控制技术的液位控制方案可以降低工艺流程安全运行风险，提高生产效率，进而实现经济效益的最大化。

在此例中，假设实验所选储罐的产量为每天1 000 t，储罐的存储时间为30 d，每吨产品的收益为1 000 元，每天的生产成本为20 000 元，液位控制系统的成本为50 000 元。在这些基础上，进行了前馈控制技术与传统比例积分控制技术的成本效益分析。

对采用前馈控制技术的液位控制方案，实验结果表明该方案可以提高生产效率，避免液位控制过程中出现过冲和震荡现象，降低了工艺流程的运行风险，进而实现经济效益的最大化。具体而言，该方案可以将每吨产品的生产成本降低约0.5 元，每天可增加生产量约10 t，相应地增加每天收益约10 000 元。因此，该方案的总收益为(1 000 t/d×30 d×1 000 元/t +10 000 元/d×30 d)-50 000 元=30 250 000 元。

相比之下，采用传统的比例积分控制技术的液位控制方案容易出现过冲和震荡现象，会导致生产效率低下和产品质量下降，进而影响经济效益。因此，该方案的总收益为(1 000 t/d×30 d×1 000 元/t)-50 000 元=29 950 000 元。

综上，采用前馈控制技术的液位控制方案可以实现更高的经济效益，因此在实际应用中具有广泛的应用前景。

4 结语

本文针对海上油气田高振动工况下液位跳变对工艺流程安全运行的影响，提出了一系列的优化选型方案。通过分析液位跳变的原因和对工艺流程安全运行的影响，本文提出了液位测量技术、液位控制技术、设备选型与工艺参数优化等方面的优化选型方案。实验结果表明，采用合适的液位控制技术和优化设备选型与工艺参数，可以有效减小液位跳变对工艺流程安全运行的影响，提高生产效率和生产质量。