張英杰

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津300457)

1 研究背景

液位測量廣泛應用于海上采油平臺生產流程中，是保證海上生產安全穩(wěn)定的重要手段。鑒于液位檢測儀表種類豐富，功能各異，價格及適用范圍差異也較大，在選用時必須結合現(xiàn)場實際進行綜合分析，以求達到最好的效果和經(jīng)濟性。針對采油平臺的油水處理系統(tǒng)介質黏度高、聚合物返出影響大、介質成分復雜等特點，結合各種液位變送器的測量原理和安裝要求，對液位測量儀表選型問題進行闡述。

1.1 液位測量儀表現(xiàn)狀

目前市面上使用的液位計，按測量液位的感應元件與被測液體是否接觸，可以分為接觸型和非接觸型兩大類。

1.1.1 接觸型液位測量儀表

接觸型液位儀表主要有差壓液位計、浮筒式液位計、電容式液位計、雷達導波以及磁滯伸縮液位計。它們的共同特點是測量的感應元件與被測液體接觸，其結構相對簡單，價格適中，應用比較廣泛。

1.1.2 非接觸型測量儀表

主要包括超聲波液位計、雷達液位計、射線液位計、激光液位計等。這類液位測量儀表的共同特點是測量的敏感元件與被測液體不接觸，因此不受被測介質影響，也不影響被測介質，適用范圍較為廣泛，可用于接觸式測量儀表不能滿足的特殊場合。

1.2 平臺液位變送器使用現(xiàn)狀

目前廣泛使用的美國 K-TEK公司產品 AT100和 AT200型浮子式磁滯伸縮液位計，在柴油、清水、化學藥劑、熱油等介質的罐體液位測量中性能十分穩(wěn)定，效果令人滿意。但在海上采油平臺原油和生產水處理系統(tǒng)中，由于所測量介質黏稠，經(jīng)常發(fā)生卡堵，其中又以水處理系統(tǒng)問題最為嚴重，其清潔維護周期一般為 15～20d，而現(xiàn)場液位計數(shù)量眾多，維護工作十分繁重，繼續(xù)使用這種液位計已很難滿足生產需求。

2 液位變送器選型

對于液位計的選型，要考慮在符合現(xiàn)場工況的同時，必須盡量減小對原有罐體的改動，最大程度利用現(xiàn)有資源，技術上側重考慮以下幾點：變送器的測量范圍、測量精度及可靠性、現(xiàn)場安裝方式。

2.1 差壓型液位變送器

此種類型儀表(圖 1)以羅斯蒙特 1151、3051系列為代表，已投放市場多年，技術成熟穩(wěn)定。其現(xiàn)場安裝簡單，只需拆除原磁滯伸縮液位計后直接安裝即可，現(xiàn)場罐體無需任何改造。特別是可以配套使用的羅斯蒙特 1199毛細管遠傳系統(tǒng)，其測量膜片不與介質直接接觸，而是通過毛細管內的填充液體介質傳遞壓力，可徹底避免介質堵塞取壓孔的情況發(fā)生。

圖1 差壓液位變送器Fig.1 Differential pressure level transmitter

但差壓液位計受介質密度和溫度影響很大，現(xiàn)場斜板除油器、加氣浮選器等所測量介質經(jīng)常為油水混合，其密度并不固定，必將導致偏差較大，對比磁滯伸縮液位變送器，兩者差值最高可達 6%。同時，一些罐體在頂部設有補壓口，使用天然氣對罐體進行補壓，差壓變送器測取壓口一般與其距離較近，易受壓力波動的影響，所以測量值波動較大。同時由于壓力擾動和密度變化影響，其實際測量值與理論計算值有較大出入。

例如：除油器液位測量范圍為 500mm，原油密度為 0.96g/cm3，理論壓力量程為 0～4.8kPa，但實際標定量程為-1～-3kPa。并且此種液位變送器無法在現(xiàn)場直接觀察液位，不便于標定和現(xiàn)場操作。因此，此種變送器雖然解決了卡堵問題，但也存在一些局限。

2.2 電容式液位計

電容式液位計(見圖 2)測量原理為通過測量電容的變化來測定液面的高低。它是將一根金屬棒插入盛液容器內作為電容的一個極，以容器壁作為電容的另一極。兩電極間的介質即為液體及其液面上的氣體。由于液體的介電常數(shù)ε1和液面上的介電常數(shù)ε2不同，比如ε1≥ε2，當液位升高時，兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大，因而電容量相應增大；反之當液位下降，ε值減小，電容量也減小。所以，可通過兩電極間電容量的變化來測量液位的高低。此類液位計傳感器無機械可動部分，不受介質黏性影響，價格也比較低廉。但其可靠性取決于兩種介電常數(shù)的差值，而且，只有ε1和ε2的恒定才能保證液位測量準確，而現(xiàn)場油相或水相液位計經(jīng)常出現(xiàn)油水混合的情況，被測液體的介電常數(shù)不穩(wěn)定勢必會引起誤差，因此其不適用于海上采油平臺現(xiàn)場工況。

圖2 電容式液位計及測量示意圖Fig.2 Capacitance gauge and measurement

2.3 浮筒液位計

浮筒液位變送器(圖 3)以艾默生的 FIELDVUE DLC3000系列為代表，其測量原理為：浮筒浸沒在被測液體中，與扭力管系統(tǒng)剛性連接，扭力管承受的力是浮筒的自重減去浮筒所受的液體的浮力的凈值，在這種合力的作用下扭力管旋轉一定的角度；液體位置的變化使懸掛在液體中的浮筒的浮力產生變化，改變了扭力管的扭矩，引起扭力管的扭轉并傳遞到智能型變送器擺動組件上，該組件上的磁鋼隨之位移，改變了霍爾效應傳感器檢測的磁場，變送器將磁場信號轉換成標準電信號，由此測量液位。作為一種浮力式液位變送器，其精確度與被測介質密度息息相關，同時黏稠介質附著在浮筒上也會對其造成很大的影響，因此這種變送器完全不適合海上采油平臺的水處理系統(tǒng)。

圖3 浮筒式液位計Fig.3 Buoy liquid level meter

2.4 雷達導波液位計

雷達導波液位計(圖4)以羅斯蒙特 3300系列為代表，其測量時沿著浸入介質的探桿，引導低功率毫微秒脈沖，當脈沖抵達所測量的物體表面時，部分能量被反射而返回變送器，并將產生脈沖和反射脈沖過程間的時差換算成距離，以此來計算總液位或界面位置。這種液位計無機械結構，不受黏稠介質影響，但對測量介質的介電常數(shù)有一定要求，而現(xiàn)場所測量介質為油水，完全符合要求。同時，可以選擇頂裝或側裝形式。將現(xiàn)場原有的 AT100磁滯伸縮液位計的表頭從上法蘭拆掉后，新的雷達導波液位計可以直接安裝在其原有取液桶上，無需進行任何改造。

圖4 雷達導波液位計Fig.4 Radar guide wave level meter

2.5 超聲波液位計

超聲波液位計(圖 5)是近年來發(fā)展較快的液位計之一，它是利用超聲波在同種介質中傳播速度相對恒定以及碰到障礙物反射的原理研制而成的，具有非接觸、高精度、使用方便等優(yōu)點，但成本高、維護維修困難。這種液位計通常應用于溫度-40～100℃、壓力0.3MPa以下的場所，平臺現(xiàn)場閉排、開排、斜板除油器、加氣浮選器等均符合此條件，由于其采用頂裝方式，還需對罐體進行改造。同時，其探頭表面向下開始的一小段距離內無法正常進行檢測，這段距離稱為盲區(qū)。被測的最高物位如進入盲區(qū)，儀表將不能正常檢測而出現(xiàn)誤差，現(xiàn)場選用時可能需加高安裝。

圖5 西門子一體化超聲波液位變送器Fig.5 SIEMENS integrated ultrasonic liquid level transmitter

2.6 雷達液位計

雷達液位計(圖 6)以艾默生 5400和 5600系列為代表，其工作原理為：通過從頂部天線發(fā)射的雷達信號對儲罐內產品的液位進行測量，雷達信號被反射后由回波天線接收，由于信號頻率不斷變化，與此時發(fā)射的信號相比，回波的頻率稍微有所不同，而頻率的差異與信號發(fā)生反射點的距離成比例，因此可以精確計算液位。其最大優(yōu)勢是幾乎可以用于測量所有介質，且維護方便，操作簡單，非接觸測量。雖然不受溫度、壓力等影響，但其同樣需頂部安裝，要對罐體進行改造，而且對安裝空間有一定要求，信號發(fā)射噴嘴和罐體側壁必須保持一定距離，防止干擾。同時成本比較高昂，現(xiàn)場大規(guī)模使用的經(jīng)濟性較差。由于其精度較高，性能可靠，可考慮在閉排等重要罐體小規(guī)模使用。

圖6 雷達液位變送器及安裝示意圖Fig.6 Radar level transmitter and installation diagram

2.7 射線液位計

射線液位計(圖7)測量原理為γ 射線對不同物質產生不同衰減，將放射源鈷 60或銫 137置于一個防護容器內，放在被測容器的一側，在其對面，裝有一個檢測器。當γ 射線穿透容器時，會發(fā)生衰減，衰減率取決于被測液體的密度、吸收系數(shù)和厚度。液位越高，衰減越大，接收器將γ 射線量變?yōu)楣饷}沖信號，再由光電倍增管轉換為電脈沖信號，但由于液位與γ 射線衰減是非線性過程，必須進行標定。這種液位計具有非接觸式液位計的所有優(yōu)點，但其價格高昂，使用時要注意控制輻射源劑量，做好防護，以防射線泄漏對人體造成傷害，不適合用于一般現(xiàn)場的液位測量。

圖7 射線液位變送器安裝示意圖Fig.7 Ray liquid level transmitter installation

2.8 激光液位計

激光液位計是近年來流行的一種測量儀表，其工作原理為：由半導體激光器發(fā)射連續(xù)或高速脈沖激光束，激光束遇到被測物體表面發(fā)生反射，光線返回由激光接收器接收，并精確記錄激光自發(fā)射到接收過程間的時間差，從而確定從激光雷達到被測物之間的距離。與普通雷達液位計相比，激光雷達極大地縮短了發(fā)射電磁波的波長，提高了發(fā)射電磁波的頻率，利用激光束不發(fā)散的特點，使得發(fā)射波具有近于 0°的發(fā)射角，從而不易受到干擾，所需安裝空間較小。但其價格較高，且發(fā)射探頭可能受到油氣影響，需要定期清潔。

3 結 論

通過分析比較各種類型液位計，可以得知每種液位計都有自己的工作原理、特點、優(yōu)勢和適用范圍。對于海上采油平臺黏稠介質的液位測量，雷達導波和超聲波液位計比較適合選用，同時根據(jù)實際情況可以小范圍使用差壓式液位計和雷達液位計。