Измерение уровня многофазных жидкостей

Введение

Нефтеперерабатывающие заводы оснащены сложными комплексами различного технологического оборудования, предназначенного для переработки сырой нефти в такие продукты, как бензин, дизельное и реактивное топливо, а также в сырье для производства тысяч различных изделий, которыми люди пользуются каждый день. Увеличивая операционную рентабельность, нефтепереработчики доводят это оборудование до максимальной производительности. Но чтобы сделать данную процедуру безопасной и эффективной, они должны иметь в своем распоряжении инструменты для надежного контроля параметров процесса. Однако некоторые процессы в нефтеперерабатывающей промышленности представляют трудности даже для самых знающих и опытных инженеров. Как однажды сказал лорд Кельвин: «Если вы не можете это измерить, вы не можете это улучшить», а Джеймс Харрингтон развил эту мысль: «Измерение — это первый шаг, который ведет к контролю и в конечном счете к улучшению. Если вы не можете что-то измерить, вы не можете этого понять. Если вы не можете этого понять, вы не можете этим управлять. Если вы не можете этим управлять, вы не сможете это улучшить». Эти утверждения непосредственно применимы к современной нефтеперерабатывающей промышленности, где для максимизации прибыли необходимо увеличивать производительность с использованием существующего оборудования. Для безопасного и эффективного управления технологическим процессом необходимо иметь возможность надежно измерять различные параметры всего оборудования. Одним из таких процессов, значительно влияющих на рентабельность нефтепереработки, является обессоливание.

Среди всех других процессов на нефтеперерабатывающем заводе обессоливание часто упускают из виду, поскольку это относительно простая операция. Ее основная цель — отделить соли и минералы от нефти, не позволяя им попадать в другие рабочие части нефтеперерабатывающего оборудования. Не нужно быть экспертом по коррозии, чтобы понять, что соли очень вредны для металлических частей технологических установок, поскольку соли и минералы, помимо коррозии, могут вызывать и другие проблемы, такие как засорение теплообменников и труб печей, дезактивацию катализаторов, применяемых в последующих операциях, и снижение эффективности печей. При оптимизации работы установки обессоливания необходимо постоянно оценивать различные параметры, влияющие на ее производительность. К таким параметрам относятся, например, состав смеси, расход и качество промывочной воды, тип и расход подаваемых химикатов, значения температуры и напряжение на электродах. Важным контролируемым параметром, за которым следят для обеспечения максимальной эффективности работы установки обессоливания, является уровень жидкости — он не должен сильно повышаться или понижаться. Кроме всего перечисленного, национальные и местные регулирующие органы предъявляют строгие требования к составу, выходящему из обессоливателей, и это в своей работе должны учитывать технологи.

Оптимизация работающих обессоливателей

Как получить максимальную отдачу от имеющейся установки обессоливания? Во-первых, следует убедиться, что электроды работают на полную мощность и используется емкость максимального объема, что увеличивает время пребывания и обеспечивает максимальное обессоливание нефти ([1], слайд 23). Решающим в этом деле становится контроль уровня раздела фаз. Говоря об уровне раздела фаз, следует помнить, что это не строгий термин, поскольку на самом деле четкой границы раздела между сырой нефтью и минерализованным раствором (рассолом) не существует. Вместо этого имеется зона плавного перехода от сырой нефти к рассолу. Такая переходная зона не фиксирована и при определенных обстоятельствах может сильно варьироваться по высоте (толщине эмульсии, рис. 1).

Рис. 1. Слои эмульсии разной толщины

При проверке уровня раздела фаз, выполненной с помощью взятых проб, можно увидеть разницу в количестве смешанных вместе нефти и воды в зависимости от высоты отбора. Сегодня многие нефтеперерабатывающие предприятия в качестве основного метода контроля уровня раздела фаз в обессоливателе используют именно метод отбора проб. Различные методы создают разные проблемы с надежностью измерений и, следовательно, контролем уровня раздела фаз. Нефтеперерабатывающие предприятия пытаются соответствовать различным национальным, местным и корпоративным стандартам, при этом сам метод отбора проб создает риски для безопасности и вызывает опасения по поводу воздействия на окружающую среду. Что делать с жидкостью, получаемой при промывке трубок, с помощью которых пробы отбираются? Согласно экологическим нормам, эту нефтесодержащую воду необходимо собирать и очищать. Как долго и как тщательно следует промывать трубы? Неправильный выбор времени промывки может привести к увеличению количества жидкости, которую приходится собирать и очищать, а также к ошибкам, если трубопровод промыт недостаточно тщательно. Как снизить влияние человеческого фактора? Один человек может определить, что образец полностью состоит из нефти, в то время как другой — что образец представляет собой эмульсию. Кроме того, остро стоят вопросы безопасности, в том числе высокие температуры (до +150 °C), облегчающие отделение воды и солей от нефти. Поэтому линии отбора проб оснащаются охладителями, предотвращающими возможные ожоги оператора, берущего пробу. При этом, находясь рядом с технологическим оборудованием, сотрудники подвергаются воздействию таких вредных факторов, как вдыхание бензола, присутствующего в значительных количествах на объектах нефтехимического комплекса.

На современном рынке, где доступны все марки сырой нефти, важно знать, как различные марки при смешивании реагируют между собой. Если смешать несовместимые марки нефти, они образовывают эмульсии, трудно поддающиеся разделению [5]. Для обеспечения правильной работы установки обессоливания важно знать не только уровень соленой воды, но и верхний уровень слоя эмульсии. Существует несколько видов устройств, использующихся для измерения уровня жидкости в обессоливателе:

• уровнемеры, работающие по принципу перепада давления;
• радиочастотные уровнемеры;
• радиоизотопные уровнемеры.

Их можно разделить на две основные категории: реализующие методы прямого измерения (первые два метода, а также многие другие) и косвенного измерения (третий метод). Устройства прямого измерения определяют физические характеристики жидкостей (диэлектрическая проницаемость, емкость, вес и т. д.), находясь в непосредственном контакте с жидкостями. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. Они работают очень хорошо, когда имеется достаточно четкая граница раздела между двумя жидкостями, но из-за эксплуатационных характеристик обессоливателя чаще всего присутствует смешанный слой с градиентом плотности. При таком градиенте плотности наилучшим вариантом является применение радиоизотопных уровнемеров. Этот метод показывает пользователю профиль плотности жидкости, позволяющий определять, контролировать и управлять уровнями воды и эмульсии. В статье кратко объясняется, как различные типы уровнемеров (работающие по принципу перепада давления, радиочастотные и радиоизотопные уровнемеры) измеряют уровни рассола и нефти в обессоливателе, а также обсуждаются различные проблемы, возникающие при применении каждого из этих методов.

Уровнемеры, работающие по принципу перепада давления

Метод перепада давления — это экономичный способ измерения уровня в резервуарах и емкостях, он занимает второе место в секторе измерений объемов жидкостей, уступая только расходомерам. В этом методе для определения уровня используется закон Паскаля, связывающий уровень, давление и плотность жидкости: P = r × h, где P — давление (Па), r — плотность жидкости (кг/м³) и h — высота столба жидкости (м). Изменив формулу, можно получить h: h = P / r [4]. Например, резервуар с 2 м воды будет оказывать давление 2000 мм водяного столба, или 0,196 бар. Если измеряемой жидкостью является керосин с относительной плотностью 0,82 (относительно воды), то создаваемое давление составит 1640 мм водяного столба, или 0,161 бар. Как видите, плотность жидкости оказывает большое влияние на давление. Таким образом, если бы мы измеряли уровень керосина, имеющего относительную плотность 0,82, но наш прибор был бы калиброван по воде, погрешность при уровне керосина 50% составила бы 9%, то есть на выходе мы бы получили уровень всего 41% вместо фактического значения 50%.

При попытке измерения методом перепада давления уровня раздела фаз возникает погрешность, которую практически невозможно учесть, особенно если присутствуют эмульсии. Перепад измеряемых давлений представляет собой разницу между давлением, оказываемым жидкостью с более высокой плотностью и жидкостью с более низкой плотностью. Поскольку измеряются две жидкости, ошибка усугубляется при изменении плотностей этих жидкостей. Еще одним моментом, который может вызвать проблемы с таким измерением, является толщина слоя эмульсии. На рис. 1 (вверху) показана небольшая переходная зона, а на рис. 1 (внизу) — наоборот, большая переходная зона. Эмульсия — не совсем подходящий термин для использования в случае обессоливателя, поскольку «эмульсия» подразумевает жидкость постоянной плотности, но здесь мы используем данный термин для описания переходной зоны от чистой нефти к чистому минерализованному раствору. На самом деле такая зона представляет собой градиентное изменение плотности (и состава) жидкости. Уровнемер, работающий по методу перепада давления, настроен только на некую среднюю плотность, поэтому не может сообщить оператору, является ли выходной уровень нижней, средней или верхней частью этой эмульсии.

Радиочастотные уровнемеры

Другим методом, часто используемым в установках обессоливания, является применение радиочастотных уровнемеров. Такие детекторы имеют схожий с радиоизотопными уровнемерами принцип измерения, который заключается в поглощении энергии. В первом методе измеряется поглощение радиочастотной энергии, а во втором — поглощение гамма-излучения. Поглощение радиочастотной энергии обусловливается диэлектрической проницаемостью жидкости, а поглощение гамма-излучения — плотностью вещества. За исключением указанного выше общего принципа эти методы сильно разнятся. В радиочастотных системах обычно используется от двух до четырех детекторов. Минимальное количество необходимых детекторов — два, один из них устанавливается примерно на 30 см ниже электродов, работая индикатором верхнего уровня и служа для управления впрыском химических веществ. Другой детектор, устанавливаемый под углом, предназначен для управления сбросом рассола, обеспечивая таким образом контроль за высотой границы раздела. Можно использовать еще два детектора, но это необязательно. Третий обычно устанавливается в нижней части обессоливателя, выступая в качестве переключателя низкого уровня и/или для контроля накопления осадка на дне емкости.

Четвертый детектор обычно устанавливается на выпускном отверстии сброса рассола для измерения количества углеводородов, которые могут выводиться из установки вместе с рассолом [7]. Детекторы радиочастотного излучения калибруются в диапазоне 0–100% воды. Они определяют долю поглощенного окружающим материалом радиочастотного излучения. Коэффициент поглощения излучения у воды выше, чем у нефти, поэтому для измерения разницы в количестве поглощаемой энергии детекторы радиочастотного излучения должны быть откалиброваны с помощью нефти и воды. Замена марки сырой нефти может привести к ошибочным показаниям, поскольку у разных марок нефти коэффициенты поглощения различаются. Например, если РЧ-датчики откалиброваны по нефти с 26 API, а сырая нефть заменена на 16 API, РЧ-датчики могут показывать наличие 15–20% воды даже в чистой (без воды) сырой нефти. Это связано с тем, что нефть с плотностью 16 API поглощает больше радиочастотной энергии, чем нефть 26 API. Поэтому для обеспечения правильной работы обессоливателя устройство необходимо откалибровать заново. Также существуют и другие проблемы, влияющие на погрешность измерений, — это покрытие детектора отложениями и измерение поглощения радиочастотного излучения этим отложением, а не жидкостью вокруг детектора. В подобном случае для восстановления нормальной работы детекторы необходимо извлечь и очистить. Как показано на рис. 2, в установке обессоливания может накапливаться большое количество осадка.

Рис. 2. Внутренняя поверхность обессоливателя с большим количеством осадка

Детектор РЧ-излучения проводит измерения в одной локализованной области и предоставляет информацию только для конкретной высоты, на которой он установлен. Его можно использовать для контроля уровня раздела в сепараторе, если объем, занимаемый эмульсией, остается относительно небольшим. Если же слой эмульсии растет, оператор не заметит этого до тех пор, пока не возникнут другие проблемы, поскольку датчик РЧ-излучения в контрольной точке может не обнаружить никаких изменений. Например, если контрольная точка установлена на уровне 50% воды, а слой «эмульсии» увеличился с 75 до 300 мм, радиочастотный детектор все еще может показывать 50% воды, но теперь верхняя часть слоя эмульсии находится уже на 150 мм выше относительно высоты, указываемой радиочастотным датчиком. Это относится и к нижнему уровню слоя эмульсии, который теперь расположен на 150 мм ниже, чем показывает датчик. На рис. 3 изображены различные переходные зоны, все эти уровни могут содержать 50% воды, при том что верхняя граница эмульсии может находиться на разной высоте.

Рис. 3. Использование радиочастотных поглощающих зондов

Радиоизотопные уровнемеры

Нефтеперерабатывающие компании начинают все чаще использовать радиоизотопные уровнемеры, поскольку они способны дать операторам полноценную информацию о состоянии внутри установки обессоливания. Представитель одного крупного мирового нефтеперерабатывающего завода однажды заявил: «Я понимаю, что установка радиоизотопной системы измерений обходится дороже, но знаю, что она работает в 100% случаев, независимо от того, какой тип сырой нефти мы перерабатываем, в то время как другие технологии могут работать должным образом только в 85% случаев. Разница в 15% обошлась нам дороже, чем стоимость новой измерительной системы». По этой причине крупные нефтеперерабатывающие предприятия стали больше полагаться именно на радиоизотопные измерения.

В радиоизотопных системах, предназначенных для измерения плотности жидкостей внутри емкостей на различных высотах, используются источники радиоактивного излучения и детекторы, формирующие профиль плотности жидкостей, находящихся внутри емкости. Плотность определяется измерением количества излучения, получаемого детектором. Количество поглощаемого излучения предсказуемо и прямо пропорционально плотности среды, это делает измерение плотности жидкости очень надежным. Основной принцип действия радиоизотопного датчика плотности заключается в том, что различные среды ослабляют излучение по-разному, но степень поглощения можно рассчитать по закону Ламберта — Бирса (I = 1 – e^—mpt). Затем изменение количества излучения, дошедшего до детектора от радиоактивного источника, можно использовать для расчета плотности жидкости, находящейся между источником и детектором. Это изменение количества излучения, поступающего на детектор, измеряется, а затем преобразуется в значение плотности для каждой высоты. Таким образом, оператор может видеть переходные зоны в режиме реального времени по мере отделения рассола от нефти.

Новые возможности для управления уровнем в установках обессоливания

При работе с радиоизотопными системами измерения нефтеперерабатывающие заводы добиваются снижения количества сбоев в установках обессоливания с двух-четырех в год до полного их отсутствия в течение двух лет. Основной причиной такого высокого показателя является возможность автоматизации управления. Обычно оператор управляет выпускным клапаном установки обессоливания вручную, и небольшие изменения в настройке клапана могут повлечь за собой изменение уровня, длящееся до 6–7 ч. Столь существенное время задержки от принятия решения до фактического изменения уровня, как правило, приводит к значительным колебаниям уровня. Во время этого состояния может происходить перенос воды, солей и минералов. Затем оператор вручную регулирует клапан на выходе воды, и уровень возвращается в нормальное состояние (рис. 4).

Рис. 4. Типичная кривая изменения плотности при ручной регулировке

Автоматическое управление, напротив, выполняет непрерывную регулировку положения выпускного клапана, поддерживая надлежащие уровни жидкости и, следовательно, минимизируя риск переноса соли, воды и минералов (рис. 5).

Рис. 5. Типичная кривая изменения плотности при автоматической регулировке

За счет повышения эффективности обессоливателя, кроме уменьшения количества сбоев и экономии химических веществ, нефтеперерабатывающие заводы могут значительно повысить надежность оборудования, следующего по технологической цепочке после установки обессоливания, уменьшая коррозию, вызванную переносом солей, и продлевая срок службы катализатора. Таким образом, рентабельность нефтеперерабатывающего завода может быть существенно увеличена.