Selezione e configurazione dei trasmettitori di livello per separatori di greggio soggetti a schiuma ed emulsioni

Il livello in un separatore trifase è la lettura che più probabilmente non concorda con ciò che il recipiente sta effettivamente facendo. La schiuma sulla superficie gas-olio e un cuscinetto di emulsione tra olio e acqua possono far sì che un trasmettitore mostri un livello pulito e costante che il recipiente non ha. I risultati sono problemi comuni: trascinamento di acqua nell'uscita dell'olio, olio nell'acqua prodotta, trascinamento di liquido nella linea del gas e operatori che smettono di fidarsi dell'anello di livello e lo impostano in manuale. Un trasmettitore migliore raramente risolve il problema da solo. Ciò che funziona è una tecnologia adatta al fluido, installata dove vede condizioni rappresentative e messa in servizio sulla base delle proprietà reali del fluido invece dei valori della scheda tecnica.

Contesto normativo e requisiti

Gli strumenti di livello del separatore svolgono due compiti e i requisiti per ciascuno differiscono.

• Il livello di controllo di processo mantiene il recipiente all'interno della sua finestra operativa e stabilisce l'interfaccia olio-acqua per il trattamento downstream. Qui le priorità sono la ripetibilità e la tolleranza dello strumento alla schiuma e all'emulsione.
• Il livello relativo alla sicurezza, come il livello di liquido alto-alto che protegge l'uscita del gas o il basso-basso che protegge dal blow-by del gas, rientra nell'approccio al ciclo di vita della norma IEC 61511 (sicurezza funzionale, sistemi strumentati di sicurezza per il settore dell'industria di processo). Uno strumento che legge bene in acqua pulita ma fallisce in presenza di schiuma è una base scarsa per una funzione di sicurezza. Laddove il caso di sicurezza lo richieda, mantenere indipendenti le misurazioni di sicurezza e di controllo.

Si applicano alcuni ulteriori requisiti:

• Le apparecchiature per area classificata sul recipiente devono essere selezionate e installate secondo la serie IEC 60079 per atmosfere esplosive, in particolare la IEC 60079-14 (impianti elettrici) e le relative norme di gruppo e categoria delle apparecchiature (es. IEC 60079-2 per custodie pressurizzate).
• Il design del recipiente e le predisposizioni dei bocchelli seguono la specifica del separatore applicabile, API 12J (separatori di olio e gas). Verificare il numero di bocchelli, le dimensioni e le disposizioni dei pozzi di calma consentiti prima di impegnarsi in una tecnologia.
• In ambito offshore, l'analisi del sistema di sicurezza in API RP 14C definisce quali funzioni di rilevamento del livello sono necessarie per lo schema di protezione.

Perché la schiuma e l'emulsione compromettono la misurazione del livello

Le emulsioni sono una parte normale della separazione del greggio. La pagina Ametek sulla disidratazione del greggio sottolinea che la separazione per gravità ha difficoltà a rimuoverle. Il greggio pesante peggiora la situazione. La nota di Endress+Hauser sulla separazione del greggio pesante colloca la classe a API 15 o inferiore, corrispondente a una densità pari o superiore a circa 966 kg/m³, che è vicina alla densità dell'acqua. Quando la differenza di densità è così piccola, il confine olio-acqua smette di essere una linea netta. Diventa una zona graduata di emulsione a fase continua olio, emulsione a fase continua acqua e acqua libera. L'articolo di Endress+Hauser sulla misurazione dell'interfaccia descrive direttamente questa composizione dell'interfaccia multistrato.

Ogni principio di rilevamento reagisce a quella zona a modo suo.

• La schiuma cambia la superficie apparente gas-liquido. Riflette, disperde o assorbe l'energia radar e abbassa la densità effettiva vista dai dispositivi basati sulla pressione.
• L'emulsione sposta la densità di massa e le proprietà dielettriche del liquido. I metodi basati sulla densità e quelli dielettrici finiscono per leggere una media di una miscela, mai una fase pulita.
• Anche le condizioni di flusso contano. Un buon sensore in una posizione errata leggerà comunque male.

Confronto tra le tre tecnologie

Pressione differenziale (DP)

Un trasmettitore DP ricava il livello dal battente idrostatico. Per un singolo liquido, il livello deriva da:

h = ΔP / (ρ × g)

dove h è l'altezza del liquido, ΔP la differenza di pressione del battente, ρ la densità del liquido e g l'accelerazione di gravità. Tutto dipende da ρ. In un separatore, ρ non è mai costante. Varia con il water cut, la temperatura, il trascinamento di schiuma e lo spessore dell'emulsione.

Punti di forza:

• Nessuna parte in movimento e nessuna dipendenza dalla riflessione superficiale.
• La schiuma superficiale non funge da riflettore, quindi non disturba direttamente la misura.
• Tecnologia familiare ai tecnici e semplice da sottoporre a proof-test.

Punti di debolezza:

• La lettura è una media ponderata sulla densità. Un cuscinetto di emulsione in crescita o una variazione del water cut sposta la lettura senza variazioni del livello reale.
• Le linee di impulso su greggio ceroso o emulsionante si ostruiscono e i wet leg possono variare di densità con la temperatura. I separatori a membrana remoti evitano l'ostruzione ma introducono effetti termici e capillari che devono essere configurati correttamente.
• La misura di interfaccia richiede due celle DP, o una cella più un livello totale noto. Gli errori negli input di densità si sommano.

La DP è una scelta valida per il livello totale quando la densità del fluido è ragionevolmente stabile e ben caratterizzata. È una scelta meno indicata per il servizio di interfaccia su greggio pesante variabile.

Radar (a onda guidata e senza contatto)

Il radar senza contatto utilizza microonde in spazio libero per misurare il livello continuo, come descritto nel catalogo Emerson. È adatto alla superficie gas-liquido quando tale superficie è pulita. La schiuma è il suo principale nemico. Uno strato di schiuma a bassa densità può attenuare o diffondere il segnale di ritorno, rendendolo debole, perso o distorto. Un pozzo di calma o una camera di bypass possono calmare la superficie e schermare il radar dal manto di schiuma, ma la camera deve essere progettata in modo da non intrappolare una composizione di liquido diversa da quella del recipiente.

Il radar a onda guidata (GWR) invia l'impulso lungo una sonda ed è l'opzione radar abituale per l'interfaccia. Funziona in base alla differenza dielettrica tra olio e acqua, il che è ottimale quando il confine è netto. Con un'emulsione spessa, l'impulso può riflettersi a metà dello strato graduato. Lo strumento riporta quindi la parte superiore dell'emulsione, la parte centrale o una posizione variabile, a seconda delle impostazioni di soglia.

Punti di forza:

• L'uscita è ampiamente indipendente dalla densità, quindi una variazione del water cut non influenza direttamente la lettura.
• Nessuna parte in movimento e buona risoluzione in presenza di un confine chiaro.
• Il GWR può riportare sia il livello totale che l'interfaccia da un'unica sonda.

Punti di debolezza:

• Schiuma ed emulsione degradano il segnale di ritorno.
• Rivestimenti o accumuli sulla sonda, comuni con greggi pesanti e cerosi, possono mascherare la riflessione reale.
• La configurazione dipende dalle proprietà dielettriche che variano con la temperatura e la composizione.

Dispositivi a galleggiante interno e dislocatori

Un galleggiante poggia sulla superficie del liquido, mentre un galleggiante di interfaccia è costruito con una densità intermedia tra olio e acqua in modo da posizionarsi sul confine. Un dislocatore misura la forza di spinta su un elemento sommerso. Entrambi dipendono dalla densità.

Punti di forza:

• Il principio è semplice, senza elettronica all'interno del processo.
• Sono spesso tolleranti alla schiuma in superficie, poiché il galleggiante risponde alla densità del liquido anziché a un segnale riflesso.
• Forniscono una risposta diretta e intuitiva di cui gli operatori si fidano.

Punti di debolezza:

• Un galleggiante di interfaccia si posiziona dove la sua densità corrisponde a quella del fluido locale. In un'emulsione graduata, quel punto è ovunque l'emulsione corrisponda, il che potrebbe non essere il confine che si desidera effettivamente controllare.
• Lo sporcamento e la cera aggiungono peso e cambiano la spinta idrostatica. L'usura meccanica, il bloccaggio nelle guide e la turbolenza sono tutte modalità di guasto, e la manutenzione degli interni richiede l'apertura del recipiente in pressione.
• Le variazioni di densità spostano la calibrazione di un dislocatore.

Tabella riassuntiva

Scenario illustrativo

Quello che segue è uno scenario illustrativo, non un caso reale riportato. Un separatore trifase in servizio con greggio pesante utilizza un GWR su una camera esterna per l'interfaccia e un radar senza contatto sul bocchello superiore per il livello totale. Dopo una variazione nel mix di produzione, il livello totale appare stabile, ma la lettura dell'interfaccia deriva e lo scarico dell'acqua avviene a intermittenza. Si riscontra presenza di olio nell'uscita dell'acqua.

I dati mostrano che il GWR traccia la parte superiore di uno strato di emulsione in crescita invece del limite dell'acqua libera, mentre il radar superiore legge un livello pulito. Un campione prelevato dal recipiente conferma un ispessimento dello strato di emulsione. Seguono due azioni:

1. Trattare la causa con la regolazione del demulsionante e del calore, invece di ritarare il trasmettitore per nascondere lo strato.
2. Aggiungere un controllo incrociato della densità basato su DP nella parte inferiore del recipiente. Se l'interfaccia GWR e il profilo di densità non concordano, lo strato di emulsione è significativo e gli operatori hanno un preavviso per intervenire.

La lezione è che la divergenza tra due principi diversi è un'informazione utile. Una singola tecnologia che concorda con se stessa non è prova di correttezza.

Consigli per la messa in servizio per evitare false indicazioni di livello

Ottenere dati reali sui fluidi prima di configurare qualsiasi cosa:

• Prelevare campioni alla temperatura e pressione di esercizio e determinare le densità di olio e acqua e il comportamento dell'emulsione. Non utilizzare le densità della scheda tecnica per i range DP.
• Registrare come la densità e le proprietà dielettriche variano con la temperatura e il water cut durante l'avviamento e il turndown.

Configurare tenendo a mente i modi di guasto:

• Per il DP, impostare deliberatamente la compensazione della densità e decidere come gestire schiuma ed emulsione. Verificare che le linee di impulso o i sigilli siano riempiti, sfiati e tracciati correttamente.
• Per il radar, impostare la soglia dell'eco e la distanza di blocco con il recipiente in condizioni rappresentative. Confermare che il dispositivo tracci l'eco desiderato, non un riflesso del bocchello o dell'estremità della sonda.
• Per i galleggianti, controllare la libera corsa in tutto il range e confermare che la densità del galleggiante d'interfaccia sia adatta ai fluidi di confine effettivi.

Verificare rispetto a un riferimento indipendente:

• Confrontare ogni trasmettitore con vetri spia, prese di campionamento o una seconda tecnologia a diversi livelli, non solo su un punto.
• Se il processo lo consente, effettuare una variazione di livello deliberata e confermare che la risposta sia corretta in direzione e velocità.
• Controllare i dispositivi di ingresso e la disposizione dei setti. L'articolo Savvy Separator di JPT illustra questo aspetto.
• Valutare il controllo della schiuma tramite dosaggio chimico e tempo di residenza, e utilizzare pozzi di calma o camere di bypass per isolare i sensori dalle zone turbolente.
• Il tracciamento termico e l'isolamento su camere e linee prevengono le variazioni di paraffina e viscosità che corrompono le letture.

Avvertenza di sicurezza — messa in servizio e manutenzione: Qualsiasi lavoro che comporti l'apertura di una camera, la rimozione di una sonda o lo scollegamento di linee di impulso espone a idrocarburi e può richiedere l'ingresso in spazi confinati. Isolare lo strumento dal recipiente con isolamento positivo, depressurizzare in un luogo sicuro e verificare l'assenza di energia prima di rompere il contenimento. Applicare lockout/tagout, operare con permesso per area classificata con attrezzature idonee alla zona e utilizzare il rilevamento continuo di gas. Ventare e drenare verso il sistema chiuso o la torcia, non in atmosfera. Non procedere senza una valutazione formale dei rischi, un piano di salvataggio e una supervisione competente.

Checklist di selezione

• Definire se la misurazione è per controllo, allarme o una funzione di sicurezza, e applicare IEC 61511 dove è correlata alla sicurezza.
• Caratterizzare il greggio: densità, tendenza alla paraffina, range di water cut e stabilità dell'emulsione, incluso il caso del greggio pesante.
• Identificare se prevalgono schiuma, emulsione o entrambe. La schiuma penalizza il radar senza contatto, l'emulsione penalizza il GWR e i galleggianti d'interfaccia.
• Scegliere principi diversi per i separatori critici, come il radar per il livello totale con controllo della densità basato su DP.
• Specificare camere, pozzi di calma e posizioni dei bocchelli in fase di progettazione, all'interno della specifica del recipiente (API 12J).
• Confermare la certificazione per area classificata rispetto alla serie IEC 60079.
• Pianificare l'accesso per la pulizia, l'ispezione della sonda e i proof test senza ingresso nel recipiente, ove possibile.
• Documentare i baseline di messa in servizio e revisionarli dopo ogni variazione della sorgente di greggio.

Conclusione

Nessuna singola tecnologia è immune da schiuma ed emulsione. Il DP dipende dalla densità, il radar dipende da un segnale pulito e dal contrasto dielettrico, e i galleggianti dipendono dalla densità e da una meccanica pulita. Partire dai dati del fluido e dal modo di guasto temuto da ogni tecnologia, quindi scegliere la misurazione e la sua installazione di conseguenza. Laddove una falsa lettura sarebbe costosa, utilizzare due principi diversi e trattare la loro divergenza come una diagnostica.

Come passo successivo, prelevare campioni di fluido attuali e rivedere il comportamento dell'interfaccia sul separatore con le prestazioni peggiori. Quindi confrontare ogni trasmettitore con un riferimento indipendente prima di modificare qualsiasi configurazione.