海上平台黏稠介质的液位变送器选型

2018-10-29张英杰

天津科技 2018年10期

张英杰

(中海石油(中国)有限公司天津分公司辽东作业公司天津300457)

1 研究背景

液位测量广泛应用于海上采油平台生产流程中，是保证海上生产安全稳定的重要手段。鉴于液位检测仪表种类丰富，功能各异，价格及适用范围差异也较大，在选用时必须结合现场实际进行综合分析，以求达到最好的效果和经济性。针对采油平台的油水处理系统介质黏度高、聚合物返出影响大、介质成分复杂等特点，结合各种液位变送器的测量原理和安装要求，对液位测量仪表选型问题进行阐述。

1.1 液位测量仪表现状

目前市面上使用的液位计，按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，可以分为接触型和非接触型两大类。

1.1.1 接触型液位测量仪表

接触型液位仪表主要有差压液位计、浮筒式液位计、电容式液位计、雷达导波以及磁滞伸缩液位计。它们的共同特点是测量的感应元件与被测液体接触，其结构相对简单，价格适中，应用比较广泛。

1.1.2 非接触型测量仪表

主要包括超声波液位计、雷达液位计、射线液位计、激光液位计等。这类液位测量仪表的共同特点是测量的敏感元件与被测液体不接触，因此不受被测介质影响，也不影响被测介质，适用范围较为广泛，可用于接触式测量仪表不能满足的特殊场合。

1.2 平台液位变送器使用现状

目前广泛使用的美国 K-TEK公司产品 AT100和 AT200型浮子式磁滞伸缩液位计，在柴油、清水、化学药剂、热油等介质的罐体液位测量中性能十分稳定，效果令人满意。但在海上采油平台原油和生产水处理系统中，由于所测量介质黏稠，经常发生卡堵，其中又以水处理系统问题最为严重，其清洁维护周期一般为 15～20d，而现场液位计数量众多，维护工作十分繁重，继续使用这种液位计已很难满足生产需求。

2 液位变送器选型

对于液位计的选型，要考虑在符合现场工况的同时，必须尽量减小对原有罐体的改动，最大程度利用现有资源，技术上侧重考虑以下几点：变送器的测量范围、测量精度及可靠性、现场安装方式。

2.1 差压型液位变送器

此种类型仪表(图 1)以罗斯蒙特 1151、3051系列为代表，已投放市场多年，技术成熟稳定。其现场安装简单，只需拆除原磁滞伸缩液位计后直接安装即可，现场罐体无需任何改造。特别是可以配套使用的罗斯蒙特 1199毛细管远传系统，其测量膜片不与介质直接接触，而是通过毛细管内的填充液体介质传递压力，可彻底避免介质堵塞取压孔的情况发生。

图1 差压液位变送器Fig.1 Differential pressure level transmitter

但差压液位计受介质密度和温度影响很大，现场斜板除油器、加气浮选器等所测量介质经常为油水混合，其密度并不固定，必将导致偏差较大，对比磁滞伸缩液位变送器，两者差值最高可达 6%。同时，一些罐体在顶部设有补压口，使用天然气对罐体进行补压，差压变送器测取压口一般与其距离较近，易受压力波动的影响，所以测量值波动较大。同时由于压力扰动和密度变化影响，其实际测量值与理论计算值有较大出入。

例如：除油器液位测量范围为 500mm，原油密度为 0.96g/cm3，理论压力量程为 0～4.8kPa，但实际标定量程为-1～-3kPa。并且此种液位变送器无法在现场直接观察液位，不便于标定和现场操作。因此，此种变送器虽然解决了卡堵问题，但也存在一些局限。

2.2 电容式液位计

电容式液位计(见图 2)测量原理为通过测量电容的变化来测定液面的高低。它是将一根金属棒插入盛液容器内作为电容的一个极，以容器壁作为电容的另一极。两电极间的介质即为液体及其液面上的气体。由于液体的介电常数ε1和液面上的介电常数ε2不同，比如ε1≥ε2，当液位升高时，两电极间总的介电常数值随之加大，因而电容量相应增大；反之当液位下降，ε值减小，电容量也减小。所以，可通过两电极间电容量的变化来测量液位的高低。此类液位计传感器无机械可动部分，不受介质黏性影响，价格也比较低廉。但其可靠性取决于两种介电常数的差值，而且，只有ε1和ε2的恒定才能保证液位测量准确，而现场油相或水相液位计经常出现油水混合的情况，被测液体的介电常数不稳定势必会引起误差，因此其不适用于海上采油平台现场工况。

图2 电容式液位计及测量示意图Fig.2 Capacitance gauge and measurement

2.3 浮筒液位计

浮筒液位变送器(图 3)以艾默生的 FIELDVUE DLC3000系列为代表，其测量原理为：浮筒浸没在被测液体中，与扭力管系统刚性连接，扭力管承受的力是浮筒的自重减去浮筒所受的液体的浮力的净值，在这种合力的作用下扭力管旋转一定的角度；液体位置的变化使悬挂在液体中的浮筒的浮力产生变化，改变了扭力管的扭矩，引起扭力管的扭转并传递到智能型变送器摆动组件上，该组件上的磁钢随之位移，改变了霍尔效应传感器检测的磁场，变送器将磁场信号转换成标准电信号，由此测量液位。作为一种浮力式液位变送器，其精确度与被测介质密度息息相关，同时黏稠介质附着在浮筒上也会对其造成很大的影响，因此这种变送器完全不适合海上采油平台的水处理系统。

图3 浮筒式液位计Fig.3 Buoy liquid level meter

2.4 雷达导波液位计

雷达导波液位计(图4)以罗斯蒙特 3300系列为代表，其测量时沿着浸入介质的探杆，引导低功率毫微秒脉冲，当脉冲抵达所测量的物体表面时，部分能量被反射而返回变送器，并将产生脉冲和反射脉冲过程间的时差换算成距离，以此来计算总液位或界面位置。这种液位计无机械结构，不受黏稠介质影响，但对测量介质的介电常数有一定要求，而现场所测量介质为油水，完全符合要求。同时，可以选择顶装或侧装形式。将现场原有的 AT100磁滞伸缩液位计的表头从上法兰拆掉后，新的雷达导波液位计可以直接安装在其原有取液桶上，无需进行任何改造。

图4 雷达导波液位计Fig.4 Radar guide wave level meter

2.5 超声波液位计

超声波液位计(图 5)是近年来发展较快的液位计之一，它是利用超声波在同种介质中传播速度相对恒定以及碰到障碍物反射的原理研制而成的，具有非接触、高精度、使用方便等优点，但成本高、维护维修困难。这种液位计通常应用于温度-40～100℃、压力0.3MPa以下的场所，平台现场闭排、开排、斜板除油器、加气浮选器等均符合此条件，由于其采用顶装方式，还需对罐体进行改造。同时，其探头表面向下开始的一小段距离内无法正常进行检测，这段距离称为盲区。被测的最高物位如进入盲区，仪表将不能正常检测而出现误差，现场选用时可能需加高安装。

图5 西门子一体化超声波液位变送器Fig.5 SIEMENS integrated ultrasonic liquid level transmitter

2.6 雷达液位计

雷达液位计(图 6)以艾默生 5400和 5600系列为代表，其工作原理为：通过从顶部天线发射的雷达信号对储罐内产品的液位进行测量，雷达信号被反射后由回波天线接收，由于信号频率不断变化，与此时发射的信号相比，回波的频率稍微有所不同，而频率的差异与信号发生反射点的距离成比例，因此可以精确计算液位。其最大优势是几乎可以用于测量所有介质，且维护方便，操作简单，非接触测量。虽然不受温度、压力等影响，但其同样需顶部安装，要对罐体进行改造，而且对安装空间有一定要求，信号发射喷嘴和罐体侧壁必须保持一定距离，防止干扰。同时成本比较高昂，现场大规模使用的经济性较差。由于其精度较高，性能可靠，可考虑在闭排等重要罐体小规模使用。

图6 雷达液位变送器及安装示意图Fig.6 Radar level transmitter and installation diagram

2.7 射线液位计

射线液位计(图7)测量原理为γ 射线对不同物质产生不同衰减，将放射源钴 60或铯 137置于一个防护容器内，放在被测容器的一侧，在其对面，装有一个检测器。当γ 射线穿透容器时，会发生衰减，衰减率取决于被测液体的密度、吸收系数和厚度。液位越高，衰减越大，接收器将γ 射线量变为光脉冲信号，再由光电倍增管转换为电脉冲信号，但由于液位与γ 射线衰减是非线性过程，必须进行标定。这种液位计具有非接触式液位计的所有优点，但其价格高昂，使用时要注意控制辐射源剂量，做好防护，以防射线泄漏对人体造成伤害，不适合用于一般现场的液位测量。

图7 射线液位变送器安装示意图Fig.7 Ray liquid level transmitter installation

2.8 激光液位计

激光液位计是近年来流行的一种测量仪表，其工作原理为：由半导体激光器发射连续或高速脉冲激光束，激光束遇到被测物体表面发生反射，光线返回由激光接收器接收，并精确记录激光自发射到接收过程间的时间差，从而确定从激光雷达到被测物之间的距离。与普通雷达液位计相比，激光雷达极大地缩短了发射电磁波的波长，提高了发射电磁波的频率，利用激光束不发散的特点，使得发射波具有近于 0°的发射角，从而不易受到干扰，所需安装空间较小。但其价格较高，且发射探头可能受到油气影响，需要定期清洁。