海洋石油平臺電驅(qū)式天然氣壓縮機撬內(nèi)液位變送器選型

宮儉純 鄧 燕 劉志芳 高 帥 曲曉梅

（1.海洋石油工程股份有限公司；2.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司）

天然氣壓縮機撬是油氣開采的重要設(shè)備之一， 電驅(qū)式壓縮機在海洋石油平臺上應(yīng)用較多，廣泛應(yīng)用于天然氣處理、 運輸和發(fā)電機組的供應(yīng)。 液位變送器作為撬內(nèi)洗滌罐上用于液位測量的儀表，對機組運行的穩(wěn)定性和安全性起到重要作用。 筆者通過對比磁致伸縮式液位變送器、雙法蘭差壓式液位變送器和干簧電阻式液位變送器，并結(jié)合使用工況，總結(jié)出液位變送器選型的最佳方案。

1 磁致伸縮式液位變送器

1.1 測量原理

磁致伸縮式液位變送器主要由變送器、探桿、浮子和腔體組成。 工作原理是韋德曼效應(yīng)原理，浮子沿著腔體隨液面上下移動，由于浮子是有磁性的，所以在其周圍形成磁場。 在探桿內(nèi)部有磁致伸縮線，變送器沿著磁致伸縮線向下傳播脈沖，同時也產(chǎn)生一個磁場。 兩個磁場疊加處會產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)脈沖，它沿著磁致伸縮線傳到變送器頂端，脈沖傳送時間由電路元件獲取并計算［1］。

1.2 性能特點

磁致伸縮式液位變送器測量精度高、穩(wěn)定性好、安裝簡單方便，同時也便于維護，可以測量介質(zhì)的液面和界面。 對高粘度介質(zhì)適應(yīng)性較強、不易堵塞且耐摩擦。 智能化程度較高，可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)置門檻電壓，具備一定的抗干擾能力。 在腔體上加裝液位開關(guān)，可以與變送器共同使用同一個腔體，節(jié)省安裝空間。 腔體上配備磁翻板后便于現(xiàn)場人員進行實際液位觀測。

1.3 選型設(shè)計

針對使用環(huán)境的特殊性，在選型設(shè)計時需注意：

a. 增強本體機械抗振性能，在探桿處增加隔振環(huán)，將隔振環(huán)牢靠地固定在腔體上，在與設(shè)備連接的法蘭和腔體之間焊接加強筋進而增加自身強度，在與設(shè)備連接的法蘭和腔體法蘭之間增加可靠連接，進而提高整體穩(wěn)定性。

b. 增強軟件適用性，適當調(diào)節(jié)變送器的門檻電壓， 屏蔽掉由于自身原因產(chǎn)生的錯誤信號；在現(xiàn)場控制盤和中控系統(tǒng)中，可以針對液位信號設(shè)置適當?shù)难訒r。

此外，還建議在選型時選用質(zhì)量好且抗干擾性能強的探桿和變送模塊。

2 雙法蘭差壓式液位變送器

2.1 測量原理

雙法蘭差壓式液位變送器由差壓變送器、毛細管和帶密封隔膜的雙法蘭組成［2］。 當膜片受壓后產(chǎn)生微小變形，變形位移通過毛細管的液體傳遞給變送器。根據(jù)公式p=ρgh（其中p 為壓強，ρ 為液體密度，g 為重力加速度，h 為深度），由兩個法蘭之間的壓差即可計算得到液位數(shù)據(jù)。

2.2 性能特點

雙法蘭差壓式液位變送器精度高、 結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍廣且安裝方便，可以根據(jù)被測介質(zhì)的實際密度進行變送器中參數(shù)的設(shè)定。

雙法蘭差壓式液位變送器無法進行液位的實際測量，而是測量出壓差并計算，再通過PLC轉(zhuǎn)換為實際液位高度。 由于自身工作原理的限制，除安裝高度、被測介質(zhì)和填充液的密度外，零點漂移對計算結(jié)果也會產(chǎn)生一定影響。 造成零點漂移的原因如下：

a. 雙法蘭膜片接觸不同的介質(zhì)（被測容器內(nèi)液體與液體上部的氣體）所產(chǎn)生的溫差；b. 環(huán)境溫度對填充液的影響［3］；c. 安裝的影響。

2.3 選型設(shè)計

在選型設(shè)計時需注意以下幾點：

a. 選擇適當長度的毛細管，毛細管選用得越長對測量值的影響越大；

b. 變送器安裝在高壓側(cè)法蘭上，便于現(xiàn)場安裝和計算公式中高度的設(shè)定；

c. 在設(shè)備法蘭和變送器法蘭之間設(shè)置沖洗環(huán)，便于使用過程中對壓力膜片進行沖洗；

d. 選擇具有較小熱膨脹系數(shù)的填充液，減小溫度帶來的測量誤差［4］。

由于差壓式液位變送器結(jié)構(gòu)簡單，很難在結(jié)構(gòu)上進行設(shè)計優(yōu)化。 除上述幾點選型設(shè)計時需要注意的情況之外，在設(shè)備安裝過程中應(yīng)注意：

a. 對壓力膜片進行保護，防止表面劃傷和損壞；

b. 緊固法蘭螺栓時需對稱緊固，保證法蘭面受力均衡；

c. 毛細管需保持自然狀態(tài)，如果毛細管較長而需要固定， 可以直接將毛細管捆綁在固定物上，無需將毛細管打圈后固定。

3 干簧電阻式液位變送器

3.1 測量原理

當磁鐵或線圈產(chǎn)生磁場并作用于干簧管開關(guān)時，干簧管的兩個簧片都被磁化。 其中一個簧片的觸點上產(chǎn)生N 極，另一個簧片的觸點上產(chǎn)生S 極。 如果生成磁場的吸引力克服了簧片彈性產(chǎn)生的阻力，簧片因吸引力作用而接觸導(dǎo)通，即電路閉合，一旦磁場作用減弱至一定程度，簧片就會因彈力作用重新分開，即電路斷開［5］。

干簧管與電阻按照一定規(guī)則進行連接，隨著浮子的上下移動， 不同位置的干簧管內(nèi)觸點吸合、斷開，對應(yīng)的電阻值就會產(chǎn)生變化，其變化規(guī)律如同滑動變阻器。 變送器將電阻值轉(zhuǎn)換為4～20mA 的標準模擬信號。 干簧管和電阻連接電路如圖1 所示。

圖1 干簧管和電阻連接電路

3.2 性能特點

干簧電阻式液位變送器采用的是簡單的電子元件，電氣回路也較為簡單，干簧管和電阻對于振動和電磁干擾環(huán)境不敏感，所以具有良好的抗振動和抗電磁干擾能力。 開關(guān)動作速度快且穩(wěn)定性強。但由于自身結(jié)構(gòu)原因，測量精度較低。而且在排查故障時工序多，還需要專用儀器。

3.3 選型設(shè)計

干簧電阻式液位變送器在增強變送器本體機械性能上的做法與磁致伸縮式液位變送器相同，在選型時需注意：

a. 選用長度較短的干簧管，通常干簧管的長度為10mm，建議采用長度為5mm 的干簧管以減少其自身結(jié)構(gòu)所造成的測量誤差；

b. 選用質(zhì)量高、性能穩(wěn)定的電子元件。

4 3 種液位變送器的現(xiàn)場使用情況比較

磁致伸縮式液位變送器廣泛應(yīng)用于海洋石油平臺， 是海洋石油平臺電驅(qū)式天然氣壓縮機內(nèi)最常見的應(yīng)用情況較好的一種液位測量儀表。 雖然部分變送器在現(xiàn)場會出現(xiàn)跳變的情況， 但大部分可以采用筆者針對選型設(shè)計中的做法解決問題。

雙法蘭差壓式液位變送器在海洋石油平臺應(yīng)用較少。 在現(xiàn)場使用過程中容易發(fā)生失真情況，受安裝因素和環(huán)境溫度的影響較大，所以不推薦在撬內(nèi)使用。

干簧電阻式液位變送器在海洋石油平臺的應(yīng)用雖然沒有磁致伸縮式液位變送器廣泛，但由于其抗振動和抗電磁干擾的性能優(yōu)勢，逐漸在南海部分平臺得到使用，并且效果良好。

5 結(jié)束語

海洋石油平臺電驅(qū)式天然氣壓縮機撬內(nèi)液位變送器選型需從原理、機械性能和抗干擾方面進行考慮，同時根據(jù)實際項目的應(yīng)用情況，推薦采用磁致伸縮式液位變送器和干簧電阻式液位變送器。