苑宏鈺，張 松，王 釗，于 淼

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

1 液位遙測(cè)系統(tǒng)概述

1.1 液位遙測(cè)系統(tǒng)組成

移動(dòng)式平臺(tái)在拖航過程中受拖航穩(wěn)性限制，平臺(tái)重心不能過高，操船人員通過調(diào)節(jié)船體壓載水使船體在拖航過程中保持重心，而且在升降過程中，插樁后要通過壓載系統(tǒng)調(diào)節(jié)船體重量，保證插樁后船體更加平穩(wěn)，所以對(duì)各艙室壓載情況的監(jiān)控就顯得至關(guān)重要。液位遙測(cè)系統(tǒng)就是通過監(jiān)測(cè)艙室液位，然后計(jì)算艙室壓載水重量，給操船人員調(diào)節(jié)壓載提供重要的參數(shù)依據(jù)。

200英尺鉆井船項(xiàng)目液位遙測(cè)系統(tǒng)由一個(gè)集中顯示控制柜、兩個(gè)采集閥控箱、現(xiàn)場(chǎng)傳感器及引壓管組成。集中顯示控制柜位于中控室，內(nèi)裝有系統(tǒng)的主站及一個(gè)數(shù)據(jù)采集從站。系統(tǒng)主站接收從站采集到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算處理，在觸摸屏上顯示各艙的液位、重量、體積等參數(shù)。

兩個(gè)采集閥控箱分別安裝于平臺(tái)的左右舷，閥控箱內(nèi)均安置有1個(gè)系統(tǒng)從站和觸摸屏，從站通過信號(hào)采集模塊和通訊模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及與主站的通訊功能，觸摸顯示屏可以顯示系統(tǒng)內(nèi)所有艙室的液位及相關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2 液位遙測(cè)系統(tǒng)的工作原理

200英尺項(xiàng)目中，系統(tǒng)采用利用靜壓原理的吹泡式液位計(jì)，其工作原理如圖1所示。壓縮空氣經(jīng)減壓閥后氣體壓力被調(diào)節(jié)為0.15 MPa～0.2 MPa，再經(jīng)恒流閥輸出，由引壓管通向各被測(cè)艙室的底部。根據(jù)氣體的導(dǎo)壓性，引壓管內(nèi)空氣的壓力應(yīng)處處相等。

當(dāng)艙室內(nèi)液面高度低于引壓管出氣口時(shí)，引壓管內(nèi)的氣壓與大氣壓力相同，靜壓傳感器檢測(cè)到的壓差為零，隨著被測(cè)艙室內(nèi)液面的變化，引壓管內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)于大氣壓力且與液面高度成正比的氣壓變化值。系統(tǒng)通過安裝于閥控箱內(nèi)的靜壓傳感器實(shí)時(shí)地測(cè)量出液體高度產(chǎn)生壓力值的大小。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

2 液位遙測(cè)系統(tǒng)調(diào)試方法設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)調(diào)試方法設(shè)計(jì)思路

液位遙測(cè)系統(tǒng)為壓載提供重要參數(shù)，其精確性、穩(wěn)定性至關(guān)重要，調(diào)試方法的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮影響系統(tǒng)精確性的因素，達(dá)到驗(yàn)證系統(tǒng)各功能的目的。

根據(jù)液位計(jì)測(cè)試常用方法，首先考慮將液位計(jì)與軟管連接，向軟管內(nèi)注水，對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)顯示和軟管中液位的高度，驗(yàn)證液位計(jì)精確度。在200英尺項(xiàng)目中，系統(tǒng)液位計(jì)采用吹泡式測(cè)量方法，儀表氣工作壓力為0.15 MPa～0.2 MPa，軟管中測(cè)試液體會(huì)被儀表氣吹出軟管，因此該方法無法測(cè)試系統(tǒng)功能。其次考慮將引壓管放入合適管徑的透明管內(nèi)，向軟管內(nèi)注水，對(duì)比測(cè)量系統(tǒng)顯示和軟管中液位的高度，由于鉆井船艙室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，艙室中間存在隔層，管線敷設(shè)線路存在折彎，壓載艙室最高為7.62 m，在艙室內(nèi)不易讀取透明管內(nèi)的液位數(shù)據(jù)，因此本方法也無法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能的測(cè)試。根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，制定模擬測(cè)試與實(shí)際驗(yàn)證相結(jié)合的方法，通過用手持氣泵模擬壓力信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部模塊是否工作正常，測(cè)試系統(tǒng)程序是否正確，測(cè)試變送器輸出線性是否符合要求，并校準(zhǔn)變送器零位偏差，調(diào)節(jié)氣泡數(shù)量，減小系統(tǒng)內(nèi)部誤差，然后選取兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)向各艙室加水，進(jìn)行實(shí)際對(duì)比驗(yàn)證。

2.2 系統(tǒng)調(diào)試方法設(shè)計(jì)

模擬測(cè)試旨在通過模擬液位變量的方法驗(yàn)證系統(tǒng)的完整性，降低系統(tǒng)內(nèi)部誤差。系統(tǒng)通過將測(cè)量到的一定高度液體產(chǎn)生的靜壓轉(zhuǎn)換為液位高度進(jìn)行顯示，根據(jù)流體靜力學(xué)原理分析主要影響系統(tǒng)測(cè)量精確性的3個(gè)因素：被測(cè)液體密度參數(shù)、零位偏差和系統(tǒng)吹泡數(shù)量。

（1）被測(cè)液體密度參數(shù)：液體密度是影響測(cè)試精度的關(guān)鍵因素，液位高度與液體密度ρ成反比例關(guān)系，當(dāng)ρ的設(shè)定值偏大時(shí)，顯示值比實(shí)際值偏??；反之，顯示值比實(shí)際值偏大。

（2）零位偏差：被測(cè)液體產(chǎn)生的壓力經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換為4 mA～20 mA的電流信號(hào)I，由中央控制臺(tái)采集處理。設(shè)液位高度顯示為h，其計(jì)算公式為：

本項(xiàng)目中壓力變送器量程為0.25 MPa，艙室被測(cè)液體密度為1.025 t／m3。經(jīng)計(jì)算得，當(dāng)靜壓傳感器輸出偏差為0.06 mA時(shí)，系統(tǒng)顯示有0.1 m的偏差。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況下，壓力變送器均存在零位偏差，使得系統(tǒng)顯示存在偏差，因此調(diào)試方法中要修正零位偏差。

（3）系統(tǒng)吹泡數(shù)量：系統(tǒng)引壓管管線存在氣阻，正常工作時(shí)，流動(dòng)的儀表氣在壓力變送器處產(chǎn)生阻滯壓力，使得采集壓力偏大。偏差值由管線長(zhǎng)度和氣體流速?zèng)Q定，當(dāng)儀表氣流速大時(shí)，管線壓阻產(chǎn)生的偏差大，影響系統(tǒng)的精確性；但當(dāng)流速小時(shí)，被測(cè)液體產(chǎn)生的靜壓存在滯后性，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。因此，調(diào)節(jié)合適的氣泡數(shù)量是保證系統(tǒng)測(cè)量的精確性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

2.2.2 實(shí)際驗(yàn)證的關(guān)鍵點(diǎn)

實(shí)際驗(yàn)證是在實(shí)際工作環(huán)境下，校正因外界因素產(chǎn)生的偏差。為安全、精確地驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，在實(shí)際加水驗(yàn)證過程中主要考慮安全加水、測(cè)量點(diǎn)選取和實(shí)際測(cè)量3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

（181）黃色細(xì)鱗苔 Lejeunea flava（Sw.）Nees.熊源新等（2006）；楊志平（2006）

（1）安全加水：參考升降調(diào)試的配載方案，為保持船體重心，測(cè)試壓載艙時(shí)，同時(shí)向?qū)ΨQ兩艙室加水，閥門打開順序?yàn)椋?P、3S）→（4P、4S）→（2P、2S）→（6P、6S）→（7P、7S）→（1C、8P）→（8S、9C）。

（2）測(cè)量點(diǎn)選取：選取艙室一半高度上、下各一點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。本方案中選取一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)。壓載艙屏幕示數(shù)3.5 m時(shí)為校準(zhǔn)點(diǎn)，示數(shù)2 m和5.5 m為數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)。非壓載艙屏幕示數(shù)1 m為校準(zhǔn)點(diǎn)，示數(shù)0.8 m和1.3 m為數(shù)據(jù)記錄點(diǎn)。

（3）實(shí)際測(cè)量：用測(cè)深尺在測(cè)深孔處測(cè)量實(shí)際液位高度，為減小誤差，采用5次測(cè)量，去掉數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，然后算取3次平均值得到實(shí)際液位，使測(cè)量更精確。

3 液位遙測(cè)系統(tǒng)調(diào)試方法的實(shí)現(xiàn)

3.1 調(diào)試問題分析方法

設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后，需要進(jìn)行系統(tǒng)功能測(cè)試，測(cè)試過程就是不斷地調(diào)整系統(tǒng)軟件程序，完善硬件設(shè)備安裝，解決影響系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)問題，最終使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的功能。液位遙測(cè)系統(tǒng)調(diào)試過程中存在的主要問題有系統(tǒng)顯示偏大、系統(tǒng)顯示偏小及系統(tǒng)無顯示。根據(jù)系統(tǒng)組成及工作原理，內(nèi)部程序模塊、靜壓傳感器、引壓管與恒流閥3個(gè)方面能夠影響到系統(tǒng)最終數(shù)據(jù)，其與常見問題的關(guān)系見表1。

表1 常見問題分析方法

3.2 調(diào)試過程實(shí)際案例分析

3.2.1 系統(tǒng)顯示值比實(shí)際值偏大

當(dāng)預(yù)調(diào)7S艙時(shí)，顯示液位比實(shí)際液位偏高，第一次測(cè)量實(shí)際液位為1.43 m時(shí)，顯示1.56 m；第二次測(cè)量實(shí)際液位為1.96 m時(shí)，顯示2.01 m。讀取PLC程序得到數(shù)據(jù)，系統(tǒng)密度設(shè)置為1.025 t／m3，實(shí)際零液位時(shí)，變送器實(shí)際輸出為0.8 k Pa；實(shí)測(cè)1.43 m時(shí)，變送器實(shí)際輸出為16.2 k Pa；實(shí)測(cè)1.96 m時(shí)，變送器實(shí)際輸出為21.4 k Pa。3個(gè)不同測(cè)量點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)分析見表2。

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)分析

根據(jù)ρ＝P／（gh），推算液體密度：第一次測(cè)量時(shí)的密度為 1.06 t／m3，第二次測(cè)量時(shí)的密度為 1.07 t／m3。判斷液體設(shè)定密度比實(shí)際偏低。

檢查發(fā)現(xiàn)水有鐵屑、灰塵等雜質(zhì)未清理干凈，致使液體密度增加，而且隨著水量的增大，誤差逐漸減小，清除雜質(zhì)后重新進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量，測(cè)量精度符合要求。

3.2.2 加水初期液位無顯示

預(yù)調(diào)6P艙時(shí)，向艙里加水，液位顯示一直無變化，等實(shí)際液位到1 m左右時(shí)，隨著液位變化，數(shù)據(jù)顯示開始變化。

先關(guān)閉檢修閥，隨著平衡氣室的壓力增加，液位顯示也增加，內(nèi)部模塊、靜壓傳感器可以正常感應(yīng)壓力變化，因此判斷引壓管有漏氣情況。檢查發(fā)現(xiàn)距船底約1 m處引壓管被撞斷，恢復(fù)引壓管后，重新測(cè)試，測(cè)量精度符合要求。

3.3 調(diào)試結(jié)果

對(duì)200英尺鉆井船液位遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行功能調(diào)試后，各艙室測(cè)量誤差小于0.03 m，偏差度小于0.5%，符合設(shè)計(jì)的精確度要求。其中一艙室（艙高7.62 m）測(cè)量結(jié)果見表3。

表3 一艙室調(diào)試數(shù)據(jù)記錄

4 結(jié)語

液位遙測(cè)系統(tǒng)的調(diào)試方法應(yīng)根據(jù)不同的系統(tǒng)組成及工作原理進(jìn)行制定，參考現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行實(shí)施。液位遙測(cè)系統(tǒng)調(diào)試方法的制定應(yīng)充分考慮影響系統(tǒng)精確性的因素，降低系統(tǒng)內(nèi)因、外因產(chǎn)生的誤差，方法的實(shí)施應(yīng)具備安全的保證，并減少資源的投入。

［1］ 李良茂，張以民.溫度、壓力、流量、液位常用測(cè)量?jī)x表使用指南［M］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1988.

［2］ 樂嘉謙.儀表工手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.