FPSO液位遥测系统分析

2022-08-17宋永强周华亮王后伟朱元东董济水

船电技术 2022年8期

关键词：遥测液位超声波

宋永强，周华亮，王后伟，朱元东，董济水

FPSO液位遥测系统分析

宋永强，周华亮，王后伟，朱元东，董济水

（海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛 266520）

液位遥测系统是FPSO（浮式生产储存卸油装置）重要的控制系统，直接关系到FPSO在海上航行的安全性。着重介绍了几种常用的FPSO液位测量方法，及液位计安装注意事项，对其工作原理进行了分析，对FPSO液位遥测系统进行了概述和展望。

FPSO 液位计超声波雷达

0 引言

FPSO（浮式生产储存卸油装置）液位遥测系统用来实时监测和控制燃油舱、污水舱、压载水舱、容器罐等位置的液位，是重要的控制系统。船舱采用分布式结构，船舱恶劣的环境因素(振动、高温等)。液位遥测系统集成数据采集技术、传感器技术、现代计算机控制技术、计算机通讯技术和人机界面接口技术，其可靠性不断提高。

1 FPSO用液位计分类

在FPSO液位遥测系统中，现场液位测量所采用的液位计主要分为压力式液位计、雷达液位计、超声波液位计，其他类型有光纤液位计等。

1.1 压力式液位计

压力式液位计一般采用陶瓷或扩散硅传感器，液体压力直接或者间接作用于传感器膜片，压力与被测介质高度成正比。变送器将测量的压力信号转换成标准电流信号，传输给智能液位显示控制仪。这种液位变送器体积小，安装简便，长期稳定性高，温度漂移小，具有较高的线性度，准确度高[1]，压力式液位计安装示意图如图1示。

图1 压力式液位计安装示意图

1.2 雷达液位计

雷达液位计按照电磁波传播方式可分为接触式和非接触式两种，在舱室环境一般应用接触式传感器，电磁波不是沿空气传播，而是沿着一根导波管传播消除雷达波束角，提高雷达探测性能[2-3]。导波管一般从罐顶升入直插罐底，当微波沿导波管向下传播，达到不同介电常数的物料面时，部分能量被反射，沿导波杆反射回天线；检测线路根据微波来回的时间差（频率差），即可计算出液位高度。突出优点是能耗低、抗干扰性强、精度高。

图2 雷达液位计安装示意图

1.3 超声波液位计

超声波液位计是非接触测量中发展最快的一种仪表。它基于超声波遇到被测物体表面产生反射的原理，以及所测距离与时间成函数关系的原理而工作。超声波液位计具有测量范围宽、测量不受介质密度和介电常数的影响等优点，适用于气体、液体或固体等多种测量介质。因此它的适用范围非常广泛，包括油罐、气罐等不同场合，还可以应用于粘稠、腐蚀性以及有毒液体等的液位测量中，安装示意图如图2所示。=近端测量距离；=远端测量距离；=发射探头至待测物表面的距离；=液位；=最大液位。

图3 超声波液位计安装示意图

1.4 光纤液位计

光纤液位计分常压型与带压型两种。它们都是利用力平衡原理实现液位的检测。光纤传感器在现场应用的是光信号，而不是电信号，安全可靠，在传输路径上不受任何电磁干扰。但因价格昂贵，未大量推广应用[4-5]。

2 常用液位计选型比较

对各型液位计测量原理的基本介绍，可以看出各常用类型的液位计都能比较精确地测得液位值，并且理论上都能应用于FPSO的液位遥测系统。但是由于精度、测量环境的适用性等因素的限制，目前在FPSO的液位遥测系统中主要采用的还是压力式液位计、雷达液位计、超声波液位计来进行液位测量，这三种液位计成为目前液位遥测系统中的主流液位计。现针对这三种液位计的测量方法进行比较，比较结果如表1所示。

表1 FPSO液位遥测常用液位测量方法比较

通过研究FPSO常用类型的液位计的安装方式和特点，并对他们的原理分析，可以看出，海上FPSO项目应该根据自身的综合要求选择合适的液位测量方法。

3 常用液位计安装

压力式液位计安装注意事项：

1）压力式液位计探头通常投入直径大于液位计直径的的PVC管、钢管，管道固定在介质中；

2）液位计探头要投到容器底部但不要接触底部；

3）压力式液位计不能在超高温、超量程、强磁场环境严重影响液位计的精度和使用寿命；

4）严禁用硬物碰触压力传感器膜片；

5）接线严格按照厂家提供的说明接线；

6）安装过程如果出现异常，应立即停止安装，并联系厂家咨询解决；

雷达液位计安装注意事项：

1）雷达液位计安装接管不能太长，否则会造成虚假反射；

2）雷达液位计不能安装在半球形或拱形罐顶，否则传感器接收的虚假回波会增强。最佳安装位置在半径的1/2处；

3）必须将雷达传感器的轴线位置垂直对准被测介质表面，否则测量信号会减弱；

4）注意波导管是否安装正确；

5）安装前，被测介质表面如有泡沫需采取措施处理后再进行安装；

超声波液位计安装注意事项：

1）超声波液位计应水平置于容器顶部，安装位置应避免强振动区域，坚固安装；

2）超声波收发传感面应与液面平行；

3）超声波收发传感面应避免靠近容器侧壁；

4）同一容器内不要安装多台超声波液位计，超声波互相干扰会导致测量误差；

5）超声波波束所辐射的范围内，不能有障碍物，安装时用尽量避免舱室内的设施；

6）安装地点应尽可能远离产生强电磁干扰的设备；

7）安装位置应避免阳光直射，露天安装应加防护罩。

4 液位遥测系统实现

目前，FPSO液位遥测系统主流实现方式为PROFIBUS-DP控制技术，即分布式主从站现场总线技术，一般由数据采集处理主站、信号采集从站、显示终端（可为触摸型）及现场传感器组成，系统原理图4如下：

图4 液位遥测原理图

系统各个主从站之间以PROFIBUS DP形式进行通讯，左右舷两个显示终端以PROFIBUS DP形式与系统主站进行通讯，中控室显示终端（计算机）以及机舱值班室显示终端则以以太网TCP/IP网络与系统主站进行通讯[6]。系统从站由信号采集模块和通讯模块组成，各个从站将采集到的数据传送到主站进行计算处理，同时接受主站传来的数据。计算机作为一个显示终端，可以显示各舱的液位、重量、体积等现场参数，并可以进行传感器标定以及系统参数设定工作。左右舷显示屏可以显示系统内所有舱室的液位及相关数据，它们显示的内容以及操作权限与主站的计算机完全一致。

液位遥测系统功能特点如下：

1）可以对FPSO舱室、容器罐进行液位遥测，能够远程适时监测介质液位等状态数据；

2）能够独立测量液位，还可以配合其他控制系统检测FPSO重心、吃水等状态数据；

3）液位遥测系统具有自查功能，不仅仅能准确显示每个监控点的数据信息和报警信息，还能够检测系统运行过程中是否存在故障，并且发现故障后可以定位故障发生点，为船舶工作人员提供可靠的系统维护支持。

5 总结

对FPSO液体舱的液位进行遥测是非常必要的，也是可行的，选取性能可靠、稳定、量程合适的传感器是进行液位遥测的基础。对于连续液位，可以选用多种仪表进行测量，针对各种工况的特殊性，应采用不同原理的测量仪表以获得最优的测量效果。由于测量仪表的不断革新，现场总线技术也不断地应用到FPSO的液位遥测系统中，相信整个液位遥测系统可靠性、智能化将不断提高。

[1] 刘喜元, 黎汉军. FPSO液体舱液位遥测方法及数据分析[J]. 船海工程, 2005, 24(4): 10-12.

[2] 崔晓俊, 季建华. FPSO液位遥测系统中的新技术应用[J]. 船舶工程, 2007, 29(3): 72-74.

[3] 徐占峰, 张娟.雷达液位测量技术在海洋工程中的应用[J]. 船舶工程, 2007, 29(5): 83-85.

[4] 张松涛, 杜强, 刘伟伟. 大型FPSO的液位监测的实验研究[J]. 中国造船, 2005, 46(S1): 175-178.

[5] 熊长伟, 李思敏. 基于光纤传感器的分布式液位测控系统[J]. 仪表技术与传感器, 2008, 45(8): 5-7.

[6] 甘辉兵, 张建, 张均东, 等. 基于PLC的船舶阀门遥控及液位遥测系统的设计与实现[J]. 大连海事大学学报, 2007, 33(S2): 149-151.

Analysis of level telemetry system of FPSO

Song Yongqiang, Zhou Hualiang, Wang Houwei, ZhuYuandong, Dong Jishui

( Offshore oil engineering (Qingdao) Co., Ltd., Qingdao 266555, Shandong, China)

U664.82

1003-4862（2022）08-0077-03

2021-12-14