海上平臺黏稠介質(zhì)的液位變送器選型

摘要：液位測量廣泛應用于海上采油平臺生產(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量中大量使用，由于其為接觸式液位計，在測量時(shí)浮子浸入被測介質(zhì)中。海上平臺生產(chǎn)原油黏度高，處理油水中均含有注聚返出物，現場(chǎng)工況比較復雜，實(shí)際使用中此類(lèi)液位計頻繁出現浮子卡堵現象，影響了生產(chǎn)流程的穩定性，增大了維護工作量。針對現場(chǎng)黏稠介質(zhì)的液位測量，對多種類(lèi)型的液位變送器進(jìn)行分析對比，討論其可用性和工作原理，闡述液位計的選型依據和要點(diǎn)。
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)安全穩定的重要手段。鑒于液位檢測儀表種類(lèi)豐富，功能各異，價(jià)格及適用范圍差異也較大，在選用時(shí)必須結合現場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行綜合分析，以求達到好的效果和經(jīng)濟性。針對采油平臺的油水處理系統介質(zhì)黏度高、聚合物返出影響大、介質(zhì)成分復雜等特點(diǎn)，結合各種液位變送器的測量原理和安裝要求，對液位測量?jì)x表選型問(wèn)題進(jìn)行闡述。
1.1液位測量?jì)x表現狀
      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(lèi)。
1.1.1接觸型液位測量?jì)x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(diǎn)是測量的感應元件與被測液體接觸，其結構相對簡(jiǎn)單，價(jià)格適中，應用比較廣泛。
1.1.2非接觸型測量?jì)x表
      主要包括超聲波液位計、雷達液位計、射線(xiàn)液位計、激光液位計等。這類(lèi)液位測量?jì)x表的共同特點(diǎn)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?jì)x表不能滿(mǎn)足的特殊場(chǎng)合。
1.2平臺液位變送器使用現狀
       目前廣泛使用浮子式磁滯伸縮液位計，在柴油、清水、化學(xué)藥劑、熱油等介質(zhì)的罐體液位測量中性能十分穩定，效果令人滿(mǎn)意。但在海上采油平臺原油和生產(chǎn)水處理系統中，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問(wèn)題為嚴重，其清潔維護周期一般為15～20d，而現場(chǎng)液位計數量眾多，維護工作十分繁重，繼續使用這種液位計已很難滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。
2液位變送器選型
      對于液位計的選型，要考慮在符合現場(chǎng)工況的同時(shí)，必須盡量減小對原有罐體的改動(dòng)，利用現有資源，技術(shù)上側重考慮以下幾點(diǎn)：變送器的測量范圍、測量精度及可靠性、現場(chǎng)安裝方式。
2.1差壓型液位變送器
      此種類(lèi)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)成熟穩定。其現場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，只需拆除原磁滯伸縮液位計后直接安裝即可，現場(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毛細管遠傳系統，其測量膜片不與介質(zhì)直接接觸，而是通過(guò)毛細管內的填充液體介質(zhì)傳遞壓力，可徹底避免介質(zhì)堵塞取壓孔的情況發(fā)生。

      但差壓液位計受介質(zhì)密度和溫度影響很大，現場(chǎng)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(shí)，一些罐體在頂部設有補壓口，使用天然氣對罐體進(jìn)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(dòng)的影響，所以測量值波動(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(shí)際標定量程為-1～-3kPa。并且此種液位變送器無(wú)法在現場(chǎng)直接觀(guān)察液位，不便于標定和現場(chǎng)操作。因此，此種變送器雖然解決了卡堵問(wèn)題，但也存在一些局限。
2.2電容式液位計
      電容式液位計(見(jiàn)圖2)測量原理為通過(guò)測量電容的變化來(lái)測定液面的高低。它是將一根金屬棒插入盛液容器內作為電容的一個(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ε1和液面上的介電常數ε2不同，比如ε1≥ε2，當液位升高時(shí)，兩電極間總的介電常數值隨之加大，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(guò)兩電極間電容量的變化來(lái)測量液位的高低。此類(lèi)液位計傳感器無(wú)機械可動(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的差值，而且，只有ε1和ε2的恒定才能保證液位測量正確，而現場(chǎng)油相或水相液位計經(jīng)常出現油水混合的情況，被測液體的介電常數不穩定勢必會(huì )引起誤差，因此其不適用于海上采油平臺現場(chǎng)工況。

2.3浮筒液位計
       浮筒液位變送器(圖3)其測量原理為：浮筒浸沒(méi)在被測液體中，與扭力管系統剛性連接，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，改變了霍爾效應傳感器檢測的磁場(chǎng)，變送器將磁場(chǎng)信號轉換成標準電信號，由此測量液位。作為一種浮力式液位變送器，其精度與被測介質(zhì)密度息息相關(guān)，同時(shí)黏稠介質(zhì)附著(zhù)在浮筒上也會(huì )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。

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(shí)沿著(zhù)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(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(guò)程間的時(shí)差換算成距離，以此來(lái)計算總液位或界面位置。這種液位計無(wú)機械結構，不受黏稠介質(zhì)影響，但對測量介質(zhì)的介電常數有一定要求，而現場(chǎng)所測量介質(zhì)為油水，完全符合要求。同時(shí)，可以選擇頂裝或側裝形式。將現場(chǎng)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(wú)需進(jìn)行任何改造。

2.5超聲波液位計
      超聲波液位計(圖5)是近年來(lái)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(diǎn)，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(chǎng)所，平臺現場(chǎng)閉排、開(kāi)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(jìn)行改造。同時(shí)，其探頭表面向下開(kāi)始的一小段距離內無(wú)法正常進(jìn)行檢測，這段距離稱(chēng)為盲區。被測的最高物位如進(jìn)入盲區，儀表將不能正常檢測而出現誤差，現場(chǎng)選用時(shí)可能需加高安裝。
2.6雷達液位計
      雷達液位計(圖6)其工作原理為：通過(guò)從頂部天線(xiàn)發(fā)射的雷達信號對儲罐內產(chǎn)品的液位進(jìn)行測量，雷達信號被反射后由回波天線(xiàn)接收，由于信號頻率不斷變化，與此時(shí)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(diǎn)的距離成比例，因此可以計算液位。其優(yōu)勢是幾乎可以用于測量所有介質(zhì)，且維護方便，操作簡(jiǎn)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(jìn)行改造，而且對安裝空間有一定要求，信號發(fā)射噴嘴和罐體側壁必須保持一定距離，防止干擾。同時(shí)成本比較高昂，現場(chǎng)大規模使用的經(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模使用。

2.7射線(xiàn)液位計
      射線(xiàn)液位計(圖7)測量原理為γ射線(xiàn)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(gè)防護容器內，放在被測容器的一側，在其對面，裝有一個(gè)檢測器。當γ射線(xiàn)穿透容器時(shí)，會(huì )發(fā)生衰減，衰減率取決于被測液體的密度、吸收系數和厚度。液位越高，衰減越大，接收器將γ射線(xiàn)量變?yōu)楣饷}沖信號，再由光電倍增管轉換為電脈沖信號，但由于液位與γ射線(xiàn)衰減是非線(xiàn)性過(guò)程，必須進(jìn)行標定。這種液位計具有非接觸式液位計的所有優(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，以防射線(xiàn)泄漏對人體造成傷害，不適合用于一般現場(chǎng)的液位測量。

2.8激光液位計
      激光液位計是近年來(lái)流行的一種測量?jì)x表，其工作原理為：由半導體激光器發(fā)射連續或高速脈沖激光束，激光束遇到被測物體表面發(fā)生反射，光線(xiàn)返回由激光接收器接收，并記錄激光自發(fā)射到接收過(guò)程間的時(shí)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(cháng)，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結論
      通過(guò)分析比較各種類(lèi)型液位計，可以得知每種液位計都有自己的工作原理、特點(diǎn)、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(shí)根據實(shí)際情況可以小范圍使用差壓式液位計和雷達液位計。