海上平臺(tái)黏稠介質(zhì)的液位變送器選型

摘要：液位測(cè)量廣泛應(yīng)用于海上采油平臺(tái)生產(chǎn)裝置中，是保證生產(chǎn)的重要手段。浮子式磁滯伸縮液位變送器在液位測(cè)量中大量使用，由于其為接觸式液位計(jì)，在測(cè)量時(shí)浮子浸入被測(cè)介質(zhì)中。海上平臺(tái)生產(chǎn)原油黏度高，處理油水中均含有注聚返出物，現(xiàn)場(chǎng)工況比較復(fù)雜，實(shí)際使用中此類液位計(jì)頻繁出現(xiàn)浮子卡堵現(xiàn)象，影響了生產(chǎn)流程的穩(wěn)定性，增大了維護(hù)工作量。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)黏稠介質(zhì)的液位測(cè)量，對(duì)多種類型的液位變送器進(jìn)行分析對(duì)比，討論其可用性和工作原理，闡述液位計(jì)的選型依據(jù)和要點(diǎn)。
1研究背景
      液位測(cè)量廣泛應(yīng)用于海上采油平臺(tái)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(cè)儀表種類豐富，功能各異，價(jià)格及適用范圍差異也較大，在選用時(shí)必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行綜合分析，以求達(dá)到好的效果和經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)采油平臺(tái)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(fù)雜等特點(diǎn)，結(jié)合各種液位變送器的測(cè)量原理和安裝要求，對(duì)液位測(cè)量?jī)x表選型問題進(jìn)行闡述。
1.1液位測(cè)量?jī)x表現(xiàn)狀
      目前市面上使用的液位計(jì)，按測(cè)量液位的感應(yīng)元件與被測(cè)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(cè)量?jī)x表
     接觸型液位儀表主要有差壓液位計(jì)、浮筒式液位計(jì)、電容式液位計(jì)、雷達(dá)導(dǎo)波以及磁滯伸縮液位計(jì)。它們的共同特點(diǎn)是測(cè)量的感應(yīng)元件與被測(cè)液體接觸，其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格適中，應(yīng)用比較廣泛。
1.1.2非接觸型測(cè)量?jī)x表
      主要包括超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、射線液位計(jì)、激光液位計(jì)等。這類液位測(cè)量?jī)x表的共同特點(diǎn)是測(cè)量的敏感元件與被測(cè)液體不接觸，因此不受被測(cè)介質(zhì)影響，也不影響被測(cè)介質(zhì)，適用范圍較為廣泛，可用于接觸式測(cè)量?jī)x表不能滿足的特殊場(chǎng)合。
1.2平臺(tái)液位變送器使用現(xiàn)狀
       目前廣泛使用浮子式磁滯伸縮液位計(jì)，在柴油、清水、化學(xué)藥劑、熱油等介質(zhì)的罐體液位測(cè)量中性能十分穩(wěn)定，效果令人滿意。但在海上采油平臺(tái)原油和生產(chǎn)水處理系統(tǒng)中，由于所測(cè)量介質(zhì)黏稠，經(jīng)常發(fā)生卡堵，其中又以水處理系統(tǒng)問題為嚴(yán)重，其清潔維護(hù)周期一般為15～20d，而現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)數(shù)量眾多，維護(hù)工作十分繁重，繼續(xù)使用這種液位計(jì)已很難滿足生產(chǎn)需求。
2液位變送器選型
      對(duì)于液位計(jì)的選型，要考慮在符合現(xiàn)場(chǎng)工況的同時(shí)，必須盡量減小對(duì)原有罐體的改動(dòng)，利用現(xiàn)有資源，技術(shù)上側(cè)重考慮以下幾點(diǎn)：變送器的測(cè)量范圍、測(cè)量精度及可靠性、現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)多年，技術(shù)成熟穩(wěn)定。其現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，只需拆除原磁滯伸縮液位計(jì)后直接安裝即可，現(xiàn)場(chǎng)罐體無(wú)需任何改造。特別是可以配套使用的羅斯蒙特1199毛細(xì)管遠(yuǎn)傳系統(tǒng)，其測(cè)量膜片不與介質(zhì)直接接觸，而是通過毛細(xì)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。

      但差壓液位計(jì)受介質(zhì)密度和溫度影響很大，現(xiàn)場(chǎng)斜板除油器、加氣浮選器等所測(cè)量介質(zhì)經(jīng)常為油水混合，其密度并不固定，必將導(dǎo)致偏差較大，對(duì)比磁滯伸縮液位變送器，兩者差值最高可達(dá)6%。同時(shí)，一些罐體在頂部設(shè)有補(bǔ)壓口，使用天然氣對(duì)罐體進(jìn)行補(bǔ)壓，差壓變送器測(cè)取壓口一般與其距離較近，易受壓力波動(dòng)的影響，所以測(cè)量值波動(dòng)較大。同時(shí)由于壓力擾動(dòng)和密度變化影響，其實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值有較大出入。
例如：除油器液位測(cè)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(shí)際標(biāo)定量程為-1～-3kPa。并且此種液位變送器無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)直接觀察液位，不便于標(biāo)定和現(xiàn)場(chǎng)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(jì)
      電容式液位計(jì)(見圖2)測(cè)量原理為通過測(cè)量電容的變化來(lái)測(cè)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(gè)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(dāng)液位升高時(shí)，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大，因而電容量相應(yīng)增大；反之當(dāng)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(lái)測(cè)量液位的高低。此類液位計(jì)傳感器無(wú)機(jī)械可動(dòng)部分，不受介質(zhì)黏性影響，價(jià)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(cè)量正確，而現(xiàn)場(chǎng)油相或水相液位計(jì)經(jīng)常出現(xiàn)油水混合的情況，被測(cè)液體的介電常數(shù)不穩(wěn)定勢(shì)必會(huì)引起誤差，因此其不適用于海上采油平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)工況。

2.3浮筒液位計(jì)
       浮筒液位變送器(圖3)其測(cè)量原理為：浮筒浸沒在被測(cè)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(dòng)組件上，該組件上的磁鋼隨之位移，改變了霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)的磁場(chǎng)，變送器將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，由此測(cè)量液位。作為一種浮力式液位變送器，其精度與被測(cè)介質(zhì)密度息息相關(guān)，同時(shí)黏稠介質(zhì)附著在浮筒上也會(huì)對(duì)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(tái)的水處理系統(tǒng)。

2.4雷達(dá)導(dǎo)波液位計(jì)
      雷達(dá)導(dǎo)波液位計(jì)(圖4)以羅斯蒙特3300系列為代表，其測(cè)量時(shí)沿著浸入介質(zhì)的探桿，引導(dǎo)低功率毫微秒脈沖，當(dāng)脈沖抵達(dá)所測(cè)量的物體表面時(shí)，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(shí)差換算成距離，以此來(lái)計(jì)算總液位或界面位置。這種液位計(jì)無(wú)機(jī)械結(jié)構(gòu)，不受黏稠介質(zhì)影響，但對(duì)測(cè)量介質(zhì)的介電常數(shù)有一定要求，而現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)量介質(zhì)為油水，完全符合要求。同時(shí)，可以選擇頂裝或側(cè)裝形式。將現(xiàn)場(chǎng)原有的AT100磁滯伸縮液位計(jì)的表頭從上法蘭拆掉后，新的雷達(dá)導(dǎo)波液位計(jì)可以直接安裝在其原有取液桶上，無(wú)需進(jìn)行任何改造。

2.5超聲波液位計(jì)
      超聲波液位計(jì)(圖5)是近年來(lái)發(fā)展較快的液位計(jì)之一，它是利用超聲波在同種介質(zhì)中傳播速度相對(duì)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(diǎn)，但成本高、維護(hù)維修困難。這種液位計(jì)通常應(yīng)用于溫度-40～100℃、壓力0.3MPa以下的場(chǎng)所，平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)罐體進(jìn)行改造。同時(shí)，其探頭表面向下開始的一小段距離內(nèi)無(wú)法正常進(jìn)行檢測(cè)，這段距離稱為盲區(qū)。被測(cè)的最高物位如進(jìn)入盲區(qū)，儀表將不能正常檢測(cè)而出現(xiàn)誤差，現(xiàn)場(chǎng)選用時(shí)可能需加高安裝。
2.6雷達(dá)液位計(jì)
      雷達(dá)液位計(jì)(圖6)其工作原理為：通過從頂部天線發(fā)射的雷達(dá)信號(hào)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)產(chǎn)品的液位進(jìn)行測(cè)量，雷達(dá)信號(hào)被反射后由回波天線接收，由于信號(hào)頻率不斷變化，與此時(shí)發(fā)射的信號(hào)相比，回波的頻率稍微有所不同，而頻率的差異與信號(hào)發(fā)生反射點(diǎn)的距離成比例，因此可以計(jì)算液位。其優(yōu)勢(shì)是幾乎可以用于測(cè)量所有介質(zhì)，且維護(hù)方便，操作簡(jiǎn)單，非接觸測(cè)量。雖然不受溫度、壓力等影響，但其同樣需頂部安裝，要對(duì)罐體進(jìn)行改造，而且對(duì)安裝空間有一定要求，信號(hào)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(shí)成本比較高昂，現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模使用的經(jīng)濟(jì)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。

2.7射線液位計(jì)
      射線液位計(jì)(圖7)測(cè)量原理為γ射線對(duì)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(gè)防護(hù)容器內(nèi)，放在被測(cè)容器的一側(cè)，在其對(duì)面，裝有一個(gè)檢測(cè)器。當(dāng)γ射線穿透容器時(shí)，會(huì)發(fā)生衰減，衰減率取決于被測(cè)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(hào)，再由光電倍增管轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，但由于液位與γ射線衰減是非線性過程，必須進(jìn)行標(biāo)定。這種液位計(jì)具有非接觸式液位計(jì)的所有優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格高昂，使用時(shí)要注意控制輻射源劑量，做好防護(hù)，以防射線泄漏對(duì)人體造成傷害，不適合用于一般現(xiàn)場(chǎng)的液位測(cè)量。

2.8激光液位計(jì)
      激光液位計(jì)是近年來(lái)流行的一種測(cè)量?jī)x表，其工作原理為：由半導(dǎo)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(cè)物體表面發(fā)生反射，光線返回由激光接收器接收，并記錄激光自發(fā)射到接收過程間的時(shí)間差，從而確定從激光雷達(dá)到被測(cè)物之間的距離。與普通雷達(dá)液位計(jì)相比，激光雷達(dá)極大地縮短了發(fā)射電磁波的波長(zhǎng)，提高了發(fā)射電磁波的頻率，利用激光束不發(fā)散的特點(diǎn)，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(jià)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(jì)，可以得知每種液位計(jì)都有自己的工作原理、特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和適用范圍。對(duì)于海上采油平臺(tái)黏稠介質(zhì)的液位測(cè)量，雷達(dá)導(dǎo)波和超聲波液位計(jì)比較適合選用，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況可以小范圍使用差壓式液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)。