吹气法测液位在海上石油平台的应用

2023-10-27刘振青姚仲坤

设备管理与维修 2023年18期

刘振青，安超，姚仲坤

（中海石油中国有限公司蓬勃作业公司，天津 300459）

0 引言

液位测量与压力、温度、流量测量一样，是工业领域最常见的测量参数之一，测量的液位值可直接用于控制或报警，配合其他流程设备，可实现液位的精确控制。

测量液位的仪表统称为液位计，液位计的类型有音叉振动式、磁浮式、压力式、超声波、声呐波，磁翻板、雷达等。在不同的液位测量场合，需要匹配不同的液位计，只有正确选型液位计才能保证液位测量的准确、稳定，因此液位计的选型工作十分重要，需要充分考虑被测流体介质的物理性质、化学性质、流程特性以及罐体的形式、液位测量的精度要求等。除此之外，经济性、维护成本也是选型中需要重点考虑的因素。

1 海上石油平台液位计的应用

海上石油平台远离陆地，除采油流程、油气水处理流程需要用到液位测量外，生产生活支持装置和设备也需要测量液位，比如生活污水处理装置的缓冲罐、分油机的排渣罐、淡水罐等。

生活污水处理装置是将生活产生的废水进行多步无害化处理，确保水质达标后达排海，起到保护海洋环境的重要作用。生活污水处理装置的缓冲罐是收集生活废水的罐体，该罐体的液位计为浮球式液位开关，包括高液位开关和低液位开关；当高液位开关动作后，控制流程启动处理生活污水；当液位低开关动作后，控制处理流程停止。在实际使用过程中，由于生活污水缓冲罐体内的废水包含粪便等固体杂质，这些固体杂质极易附着在液位开关的浮球上，造成液位控制失效，维护工作量高。

分油机采用离心原理，可以除去柴油中的水分及杂质，为发电机提供清洁的燃油，分油过程产生的杂质和水分排放到排渣罐。排渣罐罐体采用音叉式液位开关控制排渣泵的启停，控制逻辑与生活污水处理装置类似。在实际使用过程中，音叉式液位开关稳定性高、故障率低、测量准确，但价格昂贵。

生活污水处理装置液位开关的高故障率和分油机排渣罐液位开关的高维修成本，均与石油平台降本增效的管理策略相违背，而且液位开关不能像液位变送器一样实时显示液位，方便工艺人员查看。为消除上述弊端，引入吹气法测液位。

2 吹气法测液位的基本原理

吹气法测液位是一种非常经典的液位测量方式，测量方法简单可靠，对于一些特殊工况下的液位参数，用雷达、超声波等仪表测量比较困难且不准确，而用吹气法测量会取得非常好的效果，特别适用于被测介质具有腐蚀性、放射性、引压管易堵塞、敏感部件易被粘附等特殊情况。

吹气式液位计可以理解为非接触式液位测量仪表，可对敞口或密闭容器内的液体液位进行测量。除吹气管与被测介质接触外，吹气装置和差压变送器测量元件均不与被测介质接触，从而保护测量元件，减少仪表的维护量，增加测量的可靠性。因吹气装置可保证恒定流量气体输出，差压变送器测得的压力就能够自动跟随吹气管出口压力的变化，因此差压变送器输出的信号就与介质液位高度成对应关系。

2.1 测量原理

吹气式液位计主要由吹气装置、差压（压力）变送器和吹气管路三部分组成。测量的原理如图1 所示，在敞口或常压容器中插人一根吹气管，作为气源的空气或者惰性气体经过可调减压装置（其作用是将供气压力减至某一恒定值，恒定压力的大小根据被测液位高度而定）减压，保证吹气入口压力恒定。洁净的空气再经吹气管路吹入被测液体中，恒定流量的气体从插入液体的吹气管下端口逸出，鼓泡并通过液体排入大气。当吹气管下端有微量气泡（＜150 个/min）排出时，吹气管内的气压几乎与液位静压相等（因气泡微量且气体流速较低，可忽略空气在吹气管中的沿程损失），因此压力变送器指示的压力值可以反映出液位高度。

图1 吹气法基本原理

2.2 节流组件

吹气式液位的原理简单，但对气泡的鼓出速度有要求，气泡鼓出越快，吹气管内的压力与吹气管出口的压力差就越大，测量就越不精确；气泡鼓出速度越慢，吹气管线内的压力与吹气管出口压力越接近，液位测量值就越接近真实值。因此，在吹气法运用过程中，吹气量控制非常重要，最为关键的元件是流量调整组件。一般可选用针阀或转子流量计作为限流组件。

3 实际改造应用

结合吹气法测液位的优势以及海洋石油平台设备的实际液位控制要求，平台人员先后将吹气法测液位的方式用于分油机排渣罐以及生活污水处理缓冲罐。

3.1 分油机排渣罐

分油机排渣罐为常压罐体，罐体内为分油机去除的柴油中的水分及杂质，为降低备件采购费用，对分油机排渣罐的液位开关进行改造。

3.1.1 优化改造背景

分油机排渣罐有4 个液位开关，其中高、低液位开关用于液位控制，高高液位开关trip 分油机，低低液位开关trip 分油机排渣罐的加热器。随着使用年限的增加，高液位开关故障是无法正常指示液位，造成排渣泵无法按照预设逻辑运行，从而限制分油机的使用。

原型号的液位开关为英国莫博雷公司（MOBREY）生产的音叉式液位开关，型号为TE2HR1FYE，采购价约10 万元，采购周期至少半年。平台分油机排渣罐安装4 个该类型的液位开关，其中控制泵启动的H 液位开关故障只能将其强制，等待备件期间排渣泵频繁启停。

为尽快恢复排渣罐的液位控制，保证分油机的可靠运行，CPC 仪表采用用吹气法测液位的方式对分油机排渣罐的液位控制进行改造。

3.1.2 选型思路

音叉式液位开关，由罐体顶部通过法兰接入，延长杆的长度不同，所测的液位也不同，因此可以实现HH、H、L、LL 液位的测量，从而控制排渣泵启停，显然上述控制对液位测量的精度要求不高，同时原装的液位开关不属于通用备件（整个油田仅在RUP 分油机采用），且该备件在中海油主数据管理平台中也没有相关信息，因此单独申请材料号去购买一个型号特殊、价格昂贵、采购周期长、无特殊功能的备件不经济，因此考虑对液位开关进行优化改造，选型思路如下：①现场空间有限，且罐体未预留法兰接口，静压式、磁致伸缩式液位计无法安装；②排渣罐高只有600 mm，HH 和LL 只有300 mm 差值，浮球式液位开关的行程无法满足，且排渣罐内液体除了水还有灰尘、油泥等杂质，浮球容易附着污物而测量不准确，定时清理增加了维护工作量；③排渣罐有呼吸孔，液体有杂质，对液位的精度要求不高。

综合考虑控制要求、安装方式、价格、维护量等方面后，决定采用吹气法测液位，配备变送器。

3.1.3 改造实施

虽然一个液位变送器足以实现控制所有液位逻辑的功能，但未故障的液位开关可以作为备用，核验优化改造的结果，甚至在极端情况下无仪表气，吹气法测量液位无法使用时，仍需要液位开关来控制。HH 液位开关用于关停分油机，防止渣罐冒罐不做修改；LL 液位开关用于关停加热器防止干烧；上述两个液位开关及相应控制保持原状不进行修改。

剩下的1 个L 液位开关显然不能实现泵的启停控制，但如果将该液位开关垫高100 mm，该液位开关所测液位与原H 液位开关相同，也就是说可以变为H 液位开关，因此制作100 mm高的短节块，将L 液位开关接入原H 液位开关通道，当该液位开关动作后，泵会启动，运行300 s 后停止，该时间T 通过计算获得：罐的容积V=600 L，罐的高度H=600 mm，原H、L 液位开关高度差h=100 mm，即每次启泵需要抽下100 mm 高度，泵的排量Q=1200 L/h，因此泵运行的时间T=（V×h/H）/Q=300 s。

综上，排渣泵有液位变送器控制和液位开关控制两种启停方案，两种方案并行，任何一种方案触发启泵逻辑泵均会启动，增加了可靠性。

同时，由于不存在L 液位开关，若泵排量异常大或吹气法测液位设定的停止值小于200 mm，会造成液位低于LL 液位开关。为了避免此种情况，将LL 液位开关用于泵的停止逻辑中，一旦该开关动作就会立即关停泵。

3.1.4 改造效果评价

吹气法测常压罐液位在油田是首次使用，经过两年的观察，液位控制稳定。吹气法液位变送器投用后，平台人员关注分油机排渣罐液位超半年，期间液位被准确地控制在45%～55%。且H液位开关和LL 液位开关无报警记录，进一步验证了吹气法测液位的稳定性。

3.2 生活污水处理装置缓冲罐

平台生活污水（黑水、灰水）处理装置又称STU，污水中的固体杂质经过粉碎、电解后达标排放，缓冲罐的液位变松器控制粉碎泵的启停，当液位变送器测量不准确或故障后，容易造成冒罐，污染环境。平台1#生活污水处理装置采用浮球式液位开关控制液位，此类型的液位计容易粘附固体杂质而造成无法正常漂浮指示液位，且浮球长期浸泡在水中，容易进水短路；平台3#生活污水处理装置采用静压式液位变送器，非常容易堵塞引压管线造成读数不准确。

平台人员依托分油机排渣罐液位改造的成功经验，先后利用吹气法原理对上述两套设备进行了液位控制改造，3#生活污水处理装置吹气法液位变送器已经投用两年多，1#STU 吹气法液位变送器投用已超过半年，均可以十分稳定可靠地控制液位，保证了生活污水处理装置的正常运行。