劉秀琴，許凱，張道光

（海工英派爾工程有限公司，山東青島266061）

液化天然氣（LNG）作為一種清潔、高效的能源越來越受到各個國家的青睞。隨著全球天然氣勘探與開發(fā)的逐漸深入，越來越多的深海氣田、中小型邊際氣田及伴生氣田被發(fā)現(xiàn)。浮式液化天然氣裝置（LNG FPSO）集天然氣的凈化、液化、儲存、裝卸和外運為一體，可根據(jù)海上天然氣田的生產(chǎn)狀況靈活配置，是一種新型海上氣田開發(fā)技術(shù)［1－2］。

LNG FPSO容器內(nèi)的液面隨著船體搖擺和晃動，給液位測量和控制帶來困難，甚至影響裝置的正常操作和安全穩(wěn)定運行。為減小或消除LNG FPSO容器內(nèi)液體的晃動，可在容器內(nèi)采取一些措施，如增加液體的阻尼、進行消波等方法［3］。有些學(xué)者還提出了一些針對液位測量的數(shù)據(jù)處理方法［4］，如平滑濾波［5］、卡爾曼濾波、自適應(yīng)噪聲抵消［6］等方法。

文中對幾種常用液位計的優(yōu)缺點和適應(yīng)性進行比較，并提出保護措施，以減小晃動對液位測量和控制的影響。

1 液位計選型的適應(yīng)性分析

1.1 晃動對液位測量的影響

LNG FPSO漂浮在海上，在風(fēng)浪、氣候、海流等海洋環(huán)境載荷因素的作用下產(chǎn)生6個自由度的運動［7］，其中影響大的是縱蕩和縱搖兩個自由度。分離和儲存設(shè)備的內(nèi)部介質(zhì)，隨船體處于周期性或無規(guī)律的晃動狀態(tài)，給液位測量和工藝過程控制帶來很大影響。LNG FPSO天然氣預(yù)處理和液化工藝過程涉及的塔、容器等設(shè)備配置的許多液位檢測和控制儀表，當(dāng)船體晃動頻率發(fā)生改變或設(shè)備進料波動時，液面會出現(xiàn)晃動，呈現(xiàn)周期性或無規(guī)律的波動或假液面［7］，液面瞬間變化對液位測量產(chǎn)生干擾，使采樣的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，造成控制回路調(diào)節(jié)失穩(wěn)甚至誤動作，影響裝置的正常生產(chǎn)。因此，減小或消除液面晃動給液位測量和過程控制帶來的影響尤為重要。

1.2 液位計選型的適應(yīng)性分析

液位計種類繁多，每種測量原理的液位計都有一定的適用范圍。按測量方法分類［8］有直讀式、浮力式、差壓式、電容式、超聲波式、雷達式、磁致伸縮式、射頻導(dǎo)納式、稱重式、輻射式等，筆者根據(jù)石油化工裝置幾種常用液位計的特點，分析其在LNG FPSO中的適應(yīng)性。

LNG FPSO中的介質(zhì)主要是LNG、液化氣、輕烴、醇胺，特點是密度較小、潔凈，液化過程操作溫度低?，F(xiàn)對幾種常用類型液位計的優(yōu)缺點和適應(yīng)性進行比較：

1）浮球、浮筒液位計。該類液位計屬于浮力式儀表，結(jié)構(gòu)簡單，安裝、調(diào)試方便，有機械可動部件。液面經(jīng)?；蝿邮蛊錂C械可動部件易損壞，以致測量不準(zhǔn)確甚至失靈，影響LNG FPSO的正常運行。浮球、內(nèi)浮筒液位計液位測量易受液面晃動的影響，如不采取防晃措施很難適用于LNG FPSO的液位測量；外浮筒液位計的下測量引壓口位于液相部位，可通過適當(dāng)關(guān)小取壓閥門和將下測量引壓管延伸至容器中部削減液面晃動的影響，上測量引壓口容易受到晃動進液的影響，需要防護。

2）雙法蘭差壓液位計。該類液位計屬于差壓式儀表，是通用的液位測量儀表，安裝、調(diào)試較復(fù)雜，無機械可動部件，搖擺和晃動狀態(tài)下不易損壞。其下測量引壓口位于液相部位，可通過適當(dāng)關(guān)小取壓閥門和將下測量引壓管延伸至容器中部削減液面晃動的影響。

3）磁致伸縮液位計。該類液位計屬于電磁式儀表，安裝方便、結(jié)構(gòu)精巧、可靠性高。有一個套在不銹鋼探測桿上的可動浮球（浮子），其隨液位的變化沿探測桿上下移動，搖擺和晃動狀態(tài)下不易損壞，但如不采取防晃措施，液位測量易受液面晃動的影響。

4）導(dǎo)波雷達液位計。該類液位計是微波接觸式測量儀表，無機械可動部件，可靠性高。同時，對安裝要求較高，要求避開容器內(nèi)支架、物料入口管等對測量有影響的設(shè)備內(nèi)構(gòu)件［9］。搖擺和晃動狀態(tài)下不易損壞，但如不采取防晃措施，液位測量易受液面晃動的影響。

5）射頻導(dǎo)納液位計。該類液位計采用先進的射頻導(dǎo)納技術(shù)，是接觸式儀表，無機械可動部件，可靠性高。搖擺和晃動狀態(tài)下不易損壞，但如不采取防晃措施，液位測量易受液面晃動的影響。

由以上分析可見，幾種常用液位計在LNG FPSO容器內(nèi)液面晃動環(huán)境中使用，均需采取針對性保護措施，既可穩(wěn)定液位測量，又可防止或消除機械損傷。頂裝式液位計宜安裝在液面受晃動影響最小的容器中心部位。幾種常用液位計的適用性和需要采取的保護措施見表1所列。

表1 幾種常用液位計的適用性及保護措施

2 液位計的防晃動保護裝置

通過以上分析，為節(jié)流消浪、減小或消除搖擺和晃動對液位測量的影響，同時防止或消除機械損傷，減少液位計的維護工作量，延長使用壽命，在浮球、內(nèi)浮筒、磁致伸縮、導(dǎo)波雷達、射頻導(dǎo)納液位計外部加裝防晃動保護裝置，如圖1所示。

圖1 防晃動保護裝置示意

圖1中保護管或保護箱在最低液位和最高液位之間部分不開孔，在其底部開導(dǎo)流孔，頂部開通氣孔，設(shè)備內(nèi)的液體經(jīng)導(dǎo)流孔與其內(nèi)部的測量元件接觸，氣體經(jīng)通氣孔實現(xiàn)其內(nèi)外氣相平衡，導(dǎo)流孔的節(jié)流作用降低了其內(nèi)外介質(zhì)液位的平衡速度和波峰，從而減小或消除波浪對液位測量的影響。

設(shè)引起設(shè)備內(nèi)部液面搖擺和晃動的最大相對高度為H，LNG FPSO的搖擺和晃動周期為T，保護裝置對延緩設(shè)備內(nèi)液體搖擺和晃動起作用的時間T1＝T/2，保護管或保護箱底的導(dǎo)流孔直徑為d。

聯(lián)立物料衡算及非穩(wěn)態(tài)下伯努利方程［10］，得保護管和保護箱底部導(dǎo)流孔數(shù)n的計算公式：

式中：A——保護管的橫截面積或保護箱底面橫截面積。

3 結(jié)束語

LNG FPSO設(shè)備內(nèi)介質(zhì)處于周期性或無規(guī)律的晃動狀態(tài)，給液位測量和工藝過程控制帶來很大影響，為減小或消除影響，分析認(rèn)為頂裝式液位計宜安裝在液面受晃動影響最小的容器中心部位；液位計采取保護措施并利用軟件對液位測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理，可獲得更好的測量效果。幾種常用液位計的選型建議如下：

1）浮球、內(nèi)浮筒液位計，如不采取保護措施很難適用于LNG FPSO的液位測量，如要使用則需加保護裝置。

2）磁致伸縮、導(dǎo)波雷達、射頻導(dǎo)納液位計結(jié)構(gòu)上適用于LNG FPSO的液位測量，但其測量值受液面晃動影響較大，為獲得好的測量效果，需加保護裝置。

3）外浮筒液位計、雙法蘭差壓液位計受液面晃動影響較小，可不加保護裝置，宜將下測量引壓管延伸至容器中部，上測量引壓口設(shè)防液擋板。

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