海上平臺黏稠介質(zhì)的液位變送器選型

張英杰

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津300457)

1 研究背景

液位測量廣泛應用于海上采油平臺生產(chǎn)流程中，是保證海上生產(chǎn)安全穩(wěn)定的重要手段。鑒于液位檢測儀表種類豐富，功能各異，價格及適用范圍差異也較大，在選用時必須結(jié)合現(xiàn)場實際進行綜合分析，以求達到最好的效果和經(jīng)濟性。針對采油平臺的油水處理系統(tǒng)介質(zhì)黏度高、聚合物返出影響大、介質(zhì)成分復雜等特點，結(jié)合各種液位變送器的測量原理和安裝要求，對液位測量儀表選型問題進行闡述。

1.1 液位測量儀表現(xiàn)狀

目前市面上使用的液位計，按測量液位的感應元件與被測液體是否接觸，可以分為接觸型和非接觸型兩大類。

1.1.1 接觸型液位測量儀表

接觸型液位儀表主要有差壓液位計、浮筒式液位計、電容式液位計、雷達導波以及磁滯伸縮液位計。它們的共同特點是測量的感應元件與被測液體接觸，其結(jié)構(gòu)相對簡單，價格適中，應用比較廣泛。

1.1.2 非接觸型測量儀表

主要包括超聲波液位計、雷達液位計、射線液位計、激光液位計等。這類液位測量儀表的共同特點是測量的敏感元件與被測液體不接觸，因此不受被測介質(zhì)影響，也不影響被測介質(zhì)，適用范圍較為廣泛，可用于接觸式測量儀表不能滿足的特殊場合。

1.2 平臺液位變送器使用現(xiàn)狀

目前廣泛使用的美國 K-TEK公司產(chǎn)品 AT100和 AT200型浮子式磁滯伸縮液位計，在柴油、清水、化學藥劑、熱油等介質(zhì)的罐體液位測量中性能十分穩(wěn)定，效果令人滿意。但在海上采油平臺原油和生產(chǎn)水處理系統(tǒng)中，由于所測量介質(zhì)黏稠，經(jīng)常發(fā)生卡堵，其中又以水處理系統(tǒng)問題最為嚴重，其清潔維護周期一般為 15～20d，而現(xiàn)場液位計數(shù)量眾多，維護工作十分繁重，繼續(xù)使用這種液位計已很難滿足生產(chǎn)需求。

2 液位變送器選型

對于液位計的選型，要考慮在符合現(xiàn)場工況的同時，必須盡量減小對原有罐體的改動，最大程度利用現(xiàn)有資源，技術(shù)上側(cè)重考慮以下幾點：變送器的測量范圍、測量精度及可靠性、現(xiàn)場安裝方式。

2.1 差壓型液位變送器

此種類型儀表(圖 1)以羅斯蒙特 1151、3051系列為代表，已投放市場多年，技術(shù)成熟穩(wěn)定。其現(xiàn)場安裝簡單，只需拆除原磁滯伸縮液位計后直接安裝即可，現(xiàn)場罐體無需任何改造。特別是可以配套使用的羅斯蒙特 1199毛細管遠傳系統(tǒng)，其測量膜片不與介質(zhì)直接接觸，而是通過毛細管內(nèi)的填充液體介質(zhì)傳遞壓力，可徹底避免介質(zhì)堵塞取壓孔的情況發(fā)生。

圖1 差壓液位變送器Fig.1 Differential pressure level transmitter

但差壓液位計受介質(zhì)密度和溫度影響很大，現(xiàn)場斜板除油器、加氣浮選器等所測量介質(zhì)經(jīng)常為油水混合，其密度并不固定，必將導致偏差較大，對比磁滯伸縮液位變送器，兩者差值最高可達 6%。同時，一些罐體在頂部設(shè)有補壓口，使用天然氣對罐體進行補壓，差壓變送器測取壓口一般與其距離較近，易受壓力波動的影響，所以測量值波動較大。同時由于壓力擾動和密度變化影響，其實際測量值與理論計算值有較大出入。

例如：除油器液位測量范圍為 500mm，原油密度為 0.96g/cm3，理論壓力量程為 0～4.8kPa，但實際標定量程為-1～-3kPa。并且此種液位變送器無法在現(xiàn)場直接觀察液位，不便于標定和現(xiàn)場操作。因此，此種變送器雖然解決了卡堵問題，但也存在一些局限。

2.2 電容式液位計

電容式液位計(見圖 2)測量原理為通過測量電容的變化來測定液面的高低。它是將一根金屬棒插入盛液容器內(nèi)作為電容的一個極，以容器壁作為電容的另一極。兩電極間的介質(zhì)即為液體及其液面上的氣體。由于液體的介電常數(shù)ε1和液面上的介電常數(shù)ε2不同，比如ε1≥ε2，當液位升高時，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大，因而電容量相應增大；反之當液位下降，ε值減小，電容量也減小。所以，可通過兩電極間電容量的變化來測量液位的高低。此類液位計傳感器無機械可動部分，不受介質(zhì)黏性影響，價格也比較低廉。但其可靠性取決于兩種介電常數(shù)的差值，而且，只有ε1和ε2的恒定才能保證液位測量準確，而現(xiàn)場油相或水相液位計經(jīng)常出現(xiàn)油水混合的情況，被測液體的介電常數(shù)不穩(wěn)定勢必會引起誤差，因此其不適用于海上采油平臺現(xiàn)場工況。

圖2 電容式液位計及測量示意圖Fig.2 Capacitance gauge and measurement

2.3 浮筒液位計

浮筒液位變送器(圖 3)以艾默生的 FIELDVUE DLC3000系列為代表，其測量原理為：浮筒浸沒在被測液體中，與扭力管系統(tǒng)剛性連接，扭力管承受的力是浮筒的自重減去浮筒所受的液體的浮力的凈值，在這種合力的作用下扭力管旋轉(zhuǎn)一定的角度；液體位置的變化使懸掛在液體中的浮筒的浮力產(chǎn)生變化，改變了扭力管的扭矩，引起扭力管的扭轉(zhuǎn)并傳遞到智能型變送器擺動組件上，該組件上的磁鋼隨之位移，改變了霍爾效應傳感器檢測的磁場，變送器將磁場信號轉(zhuǎn)換成標準電信號，由此測量液位。作為一種浮力式液位變送器，其精確度與被測介質(zhì)密度息息相關(guān)，同時黏稠介質(zhì)附著在浮筒上也會對其造成很大的影響，因此這種變送器完全不適合海上采油平臺的水處理系統(tǒng)。

圖3 浮筒式液位計Fig.3 Buoy liquid level meter

2.4 雷達導波液位計

雷達導波液位計(圖4)以羅斯蒙特 3300系列為代表，其測量時沿著浸入介質(zhì)的探桿，引導低功率毫微秒脈沖，當脈沖抵達所測量的物體表面時，部分能量被反射而返回變送器，并將產(chǎn)生脈沖和反射脈沖過程間的時差換算成距離，以此來計算總液位或界面位置。這種液位計無機械結(jié)構(gòu)，不受黏稠介質(zhì)影響，但對測量介質(zhì)的介電常數(shù)有一定要求，而現(xiàn)場所測量介質(zhì)為油水，完全符合要求。同時，可以選擇頂裝或側(cè)裝形式。將現(xiàn)場原有的 AT100磁滯伸縮液位計的表頭從上法蘭拆掉后，新的雷達導波液位計可以直接安裝在其原有取液桶上，無需進行任何改造。

圖4 雷達導波液位計Fig.4 Radar guide wave level meter

2.5 超聲波液位計

超聲波液位計(圖 5)是近年來發(fā)展較快的液位計之一，它是利用超聲波在同種介質(zhì)中傳播速度相對恒定以及碰到障礙物反射的原理研制而成的，具有非接觸、高精度、使用方便等優(yōu)點，但成本高、維護維修困難。這種液位計通常應用于溫度-40～100℃、壓力0.3MPa以下的場所，平臺現(xiàn)場閉排、開排、斜板除油器、加氣浮選器等均符合此條件，由于其采用頂裝方式，還需對罐體進行改造。同時，其探頭表面向下開始的一小段距離內(nèi)無法正常進行檢測，這段距離稱為盲區(qū)。被測的最高物位如進入盲區(qū)，儀表將不能正常檢測而出現(xiàn)誤差，現(xiàn)場選用時可能需加高安裝。

圖5 西門子一體化超聲波液位變送器Fig.5 SIEMENS integrated ultrasonic liquid level transmitter

2.6 雷達液位計

雷達液位計(圖 6)以艾默生 5400和 5600系列為代表，其工作原理為：通過從頂部天線發(fā)射的雷達信號對儲罐內(nèi)產(chǎn)品的液位進行測量，雷達信號被反射后由回波天線接收，由于信號頻率不斷變化，與此時發(fā)射的信號相比，回波的頻率稍微有所不同，而頻率的差異與信號發(fā)生反射點的距離成比例，因此可以精確計算液位。其最大優(yōu)勢是幾乎可以用于測量所有介質(zhì)，且維護方便，操作簡單，非接觸測量。雖然不受溫度、壓力等影響，但其同樣需頂部安裝，要對罐體進行改造，而且對安裝空間有一定要求，信號發(fā)射噴嘴和罐體側(cè)壁必須保持一定距離，防止干擾。同時成本比較高昂，現(xiàn)場大規(guī)模使用的經(jīng)濟性較差。由于其精度較高，性能可靠，可考慮在閉排等重要罐體小規(guī)模使用。

圖6 雷達液位變送器及安裝示意圖Fig.6 Radar level transmitter and installation diagram

2.7 射線液位計

射線液位計(圖7)測量原理為γ 射線對不同物質(zhì)產(chǎn)生不同衰減，將放射源鈷 60或銫 137置于一個防護容器內(nèi)，放在被測容器的一側(cè)，在其對面，裝有一個檢測器。當γ 射線穿透容器時，會發(fā)生衰減，衰減率取決于被測液體的密度、吸收系數(shù)和厚度。液位越高，衰減越大，接收器將γ 射線量變?yōu)楣饷}沖信號，再由光電倍增管轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，但由于液位與γ 射線衰減是非線性過程，必須進行標定。這種液位計具有非接觸式液位計的所有優(yōu)點，但其價格高昂，使用時要注意控制輻射源劑量，做好防護，以防射線泄漏對人體造成傷害，不適合用于一般現(xiàn)場的液位測量。

圖7 射線液位變送器安裝示意圖Fig.7 Ray liquid level transmitter installation

2.8 激光液位計

激光液位計是近年來流行的一種測量儀表，其工作原理為：由半導體激光器發(fā)射連續(xù)或高速脈沖激光束，激光束遇到被測物體表面發(fā)生反射，光線返回由激光接收器接收，并精確記錄激光自發(fā)射到接收過程間的時間差，從而確定從激光雷達到被測物之間的距離。與普通雷達液位計相比，激光雷達極大地縮短了發(fā)射電磁波的波長，提高了發(fā)射電磁波的頻率，利用激光束不發(fā)散的特點，使得發(fā)射波具有近于 0°的發(fā)射角，從而不易受到干擾，所需安裝空間較小。但其價格較高，且發(fā)射探頭可能受到油氣影響，需要定期清潔。

3 結(jié) 論

通過分析比較各種類型液位計，可以得知每種液位計都有自己的工作原理、特點、優(yōu)勢和適用范圍。對于海上采油平臺黏稠介質(zhì)的液位測量，雷達導波和超聲波液位計比較適合選用，同時根據(jù)實際情況可以小范圍使用差壓式液位計和雷達液位計。