宋永強，周華亮，王后偉，朱元東，董濟水

FPSO液位遙測系統(tǒng)分析

宋永強，周華亮，王后偉，朱元東，董濟水

（海洋石油工程（青島）有限公司，山東青島 266520）

液位遙測系統(tǒng)是FPSO（浮式生產(chǎn)儲存卸油裝置）重要的控制系統(tǒng)，直接關(guān)系到FPSO在海上航行的安全性。著重介紹了幾種常用的FPSO液位測量方法，及液位計安裝注意事項，對其工作原理進行了分析，對FPSO液位遙測系統(tǒng)進行了概述和展望。

FPSO 液位計 超聲波 雷達

0 引言

FPSO（浮式生產(chǎn)儲存卸油裝置）液位遙測系統(tǒng)用來實時監(jiān)測和控制燃油艙、污水艙、壓載水艙、容器罐等位置的液位，是重要的控制系統(tǒng)。船艙采用分布式結(jié)構(gòu)，船艙惡劣的環(huán)境因素(振動、高溫等)。液位遙測系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)采集技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)代計算機控制技術(shù)、計算機通訊技術(shù)和人機界面接口技術(shù)，其可靠性不斷提高。

1 FPSO用液位計分類

在FPSO液位遙測系統(tǒng)中，現(xiàn)場液位測量所采用的液位計主要分為壓力式液位計、雷達液位計、超聲波液位計，其他類型有光纖液位計等。

1.1 壓力式液位計

壓力式液位計一般采用陶瓷或擴散硅傳感器，液體壓力直接或者間接作用于傳感器膜片，壓力與被測介質(zhì)高度成正比。變送器將測量的壓力信號轉(zhuǎn)換成標準電流信號，傳輸給智能液位顯示控制儀。這種液位變送器體積小，安裝簡便，長期穩(wěn)定性高，溫度漂移小，具有較高的線性度，準確度高[1]，壓力式液位計安裝示意圖如圖1示。

圖1 壓力式液位計安裝示意圖

1.2 雷達液位計

雷達液位計按照電磁波傳播方式可分為接觸式和非接觸式兩種，在艙室環(huán)境一般應用接觸式傳感器，電磁波不是沿空氣傳播，而是沿著一根導波管傳播消除雷達波束角，提高雷達探測性能[2-3]。導波管一般從罐頂升入直插罐底，當微波沿導波管向下傳播，達到不同介電常數(shù)的物料面時，部分能量被反射，沿導波桿反射回天線；檢測線路根據(jù)微波來回的時間差（頻率差），即可計算出液位高度。突出優(yōu)點是能耗低、抗干擾性強、精度高。

圖2 雷達液位計安裝示意圖

1.3 超聲波液位計

超聲波液位計是非接觸測量中發(fā)展最快的一種儀表。它基于超聲波遇到被測物體表面產(chǎn)生反射的原理，以及所測距離與時間成函數(shù)關(guān)系的原理而工作。超聲波液位計具有測量范圍寬、測量不受介質(zhì)密度和介電常數(shù)的影響等優(yōu)點，適用于氣體、液體或固體等多種測量介質(zhì)。因此它的適用范圍非常廣泛，包括油罐、氣罐等不同場合，還可以應用于粘稠、腐蝕性以及有毒液體等的液位測量中，安裝示意圖如圖2所示。=近端測量距離；=遠端測量距離；=發(fā)射探頭至待測物表面的距離；=液位；=最大液位。

圖3 超聲波液位計安裝示意圖

1.4 光纖液位計

光纖液位計分常壓型與帶壓型兩種。它們都是利用力平衡原理實現(xiàn)液位的檢測。光纖傳感器在現(xiàn)場應用的是光信號，而不是電信號，安全可靠，在傳輸路徑上不受任何電磁干擾。但因價格昂貴，未大量推廣應用[4-5]。

2 常用液位計選型比較

對各型液位計測量原理的基本介紹，可以看出各常用類型的液位計都能比較精確地測得液位值，并且理論上都能應用于FPSO的液位遙測系統(tǒng)。但是由于精度、測量環(huán)境的適用性等因素的限制，目前在FPSO的液位遙測系統(tǒng)中主要采用的還是壓力式液位計、雷達液位計、超聲波液位計來進行液位測量，這三種液位計成為目前液位遙測系統(tǒng)中的主流液位計。現(xiàn)針對這三種液位計的測量方法進行比較，比較結(jié)果如表1所示。

表1 FPSO液位遙測常用液位測量方法比較

通過研究FPSO常用類型的液位計的安裝方式和特點，并對他們的原理分析，可以看出，海上FPSO項目應該根據(jù)自身的綜合要求選擇合適的液位測量方法。

3 常用液位計安裝

壓力式液位計安裝注意事項：

1）壓力式液位計探頭通常投入直徑大于液位計直徑的的PVC管、鋼管，管道固定在介質(zhì)中；

2）液位計探頭要投到容器底部但不要接觸底部；

3）壓力式液位計不能在超高溫、超量程、強磁場環(huán)境嚴重影響液位計的精度和使用壽命；

4）嚴禁用硬物碰觸壓力傳感器膜片；

5）接線嚴格按照廠家提供的說明接線；

6）安裝過程如果出現(xiàn)異常，應立即停止安裝，并聯(lián)系廠家咨詢解決；

雷達液位計安裝注意事項：

1）雷達液位計安裝接管不能太長，否則會造成虛假反射；

2）雷達液位計不能安裝在半球形或拱形罐頂，否則傳感器接收的虛假回波會增強。最佳安裝位置在半徑的1/2處；

3）必須將雷達傳感器的軸線位置垂直對準被測介質(zhì)表面，否則測量信號會減弱；

4）注意波導管是否安裝正確；

5）安裝前，被測介質(zhì)表面如有泡沫需采取措施處理后再進行安裝；

超聲波液位計安裝注意事項：

1）超聲波液位計應水平置于容器頂部，安裝位置應避免強振動區(qū)域，堅固安裝；

2）超聲波收發(fā)傳感面應與液面平行；

3）超聲波收發(fā)傳感面應避免靠近容器側(cè)壁；

4）同一容器內(nèi)不要安裝多臺超聲波液位計，超聲波互相干擾會導致測量誤差；

5）超聲波波束所輻射的范圍內(nèi)，不能有障礙物，安裝時用盡量避免艙室內(nèi)的設(shè)施；

6）安裝地點應盡可能遠離產(chǎn)生強電磁干擾的設(shè)備；

7）安裝位置應避免陽光直射，露天安裝應加防護罩。

4 液位遙測系統(tǒng)實現(xiàn)

目前，F(xiàn)PSO液位遙測系統(tǒng)主流實現(xiàn)方式為PROFIBUS-DP控制技術(shù)，即分布式主從站現(xiàn)場總線技術(shù)，一般由數(shù)據(jù)采集處理主站、信號采集從站、顯示終端（可為觸摸型）及現(xiàn)場傳感器組成，系統(tǒng)原理圖4如下：

圖4 液位遙測原理圖

系統(tǒng)各個主從站之間以PROFIBUS DP形式進行通訊，左右舷兩個顯示終端以PROFIBUS DP形式與系統(tǒng)主站進行通訊，中控室顯示終端（計算機）以及機艙值班室顯示終端則以以太網(wǎng)TCP/IP網(wǎng)絡與系統(tǒng)主站進行通訊[6]。系統(tǒng)從站由信號采集模塊和通訊模塊組成，各個從站將采集到的數(shù)據(jù)傳送到主站進行計算處理，同時接受主站傳來的數(shù)據(jù)。計算機作為一個顯示終端，可以顯示各艙的液位、重量、體積等現(xiàn)場參數(shù)，并可以進行傳感器標定以及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定工作。左右舷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)，它們顯示的內(nèi)容以及操作權(quán)限與主站的計算機完全一致。

液位遙測系統(tǒng)功能特點如下：

1）可以對FPSO艙室、容器罐進行液位遙測，能夠遠程適時監(jiān)測介質(zhì)液位等狀態(tài)數(shù)據(jù)；

2）能夠獨立測量液位，還可以配合其他控制系統(tǒng)檢測FPSO重心、吃水等狀態(tài)數(shù)據(jù)；

3）液位遙測系統(tǒng)具有自查功能，不僅僅能準確顯示每個監(jiān)控點的數(shù)據(jù)信息和報警信息，還能夠檢測系統(tǒng)運行過程中是否存在故障，并且發(fā)現(xiàn)故障后可以定位故障發(fā)生點，為船舶工作人員提供可靠的系統(tǒng)維護支持。

5 總結(jié)

對FPSO液體艙的液位進行遙測是非常必要的，也是可行的，選取性能可靠、穩(wěn)定、量程合適的傳感器是進行液位遙測的基礎(chǔ)。對于連續(xù)液位，可以選用多種儀表進行測量，針對各種工況的特殊性，應采用不同原理的測量儀表以獲得最優(yōu)的測量效果。由于測量儀表的不斷革新，現(xiàn)場總線技術(shù)也不斷地應用到FPSO的液位遙測系統(tǒng)中，相信整個液位遙測系統(tǒng)可靠性、智能化將不斷提高。

[1] 劉喜元, 黎漢軍. FPSO液體艙液位遙測方法及數(shù)據(jù)分析[J]. 船海工程, 2005, 24(4): 10-12.

[2] 崔曉俊, 季建華. FPSO液位遙測系統(tǒng)中的新技術(shù)應用[J]. 船舶工程, 2007, 29(3): 72-74.

[3] 徐占峰, 張娟.雷達液位測量技術(shù)在海洋工程中的應用[J]. 船舶工程, 2007, 29(5): 83-85.

[4] 張松濤, 杜強, 劉偉偉. 大型FPSO的液位監(jiān)測的實驗研究[J]. 中國造船, 2005, 46(S1): 175-178.

[5] 熊長偉, 李思敏. 基于光纖傳感器的分布式液位測控系統(tǒng)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器, 2008, 45(8): 5-7.

[6] 甘輝兵, 張建, 張均東, 等. 基于PLC的船舶閥門遙控及液位遙測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 大連海事大學學報, 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

A

1003-4862（2022）08-0077-03

2021-12-14

宋永強（1981-），男，碩士研究生。研究方向：浮式生產(chǎn)儲油船工程設(shè)計。Email：songyq3@cooec.com.cn