劉振青，安 超，姚仲坤

（中海石油中國(guó)有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300459）

0 引言

液位測(cè)量與壓力、溫度、流量測(cè)量一樣，是工業(yè)領(lǐng)域最常見(jiàn)的測(cè)量參數(shù)之一，測(cè)量的液位值可直接用于控制或報(bào)警，配合其他流程設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)液位的精確控制。

測(cè)量液位的儀表統(tǒng)稱(chēng)為液位計(jì)，液位計(jì)的類(lèi)型有音叉振動(dòng)式、磁浮式、壓力式、超聲波、聲吶波，磁翻板、雷達(dá)等。在不同的液位測(cè)量場(chǎng)合，需要匹配不同的液位計(jì)，只有正確選型液位計(jì)才能保證液位測(cè)量的準(zhǔn)確、穩(wěn)定，因此液位計(jì)的選型工作十分重要，需要充分考慮被測(cè)流體介質(zhì)的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、流程特性以及罐體的形式、液位測(cè)量的精度要求等。除此之外，經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)成本也是選型中需要重點(diǎn)考慮的因素。

1 海上石油平臺(tái)液位計(jì)的應(yīng)用

海上石油平臺(tái)遠(yuǎn)離陸地，除采油流程、油氣水處理流程需要用到液位測(cè)量外，生產(chǎn)生活支持裝置和設(shè)備也需要測(cè)量液位，比如生活污水處理裝置的緩沖罐、分油機(jī)的排渣罐、淡水罐等。

生活污水處理裝置是將生活產(chǎn)生的廢水進(jìn)行多步無(wú)害化處理，確保水質(zhì)達(dá)標(biāo)后達(dá)排海，起到保護(hù)海洋環(huán)境的重要作用。生活污水處理裝置的緩沖罐是收集生活廢水的罐體，該罐體的液位計(jì)為浮球式液位開(kāi)關(guān)，包括高液位開(kāi)關(guān)和低液位開(kāi)關(guān)；當(dāng)高液位開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，控制流程啟動(dòng)處理生活污水；當(dāng)液位低開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，控制處理流程停止。在實(shí)際使用過(guò)程中，由于生活污水緩沖罐體內(nèi)的廢水包含糞便等固體雜質(zhì)，這些固體雜質(zhì)極易附著在液位開(kāi)關(guān)的浮球上，造成液位控制失效，維護(hù)工作量高。

分油機(jī)采用離心原理，可以除去柴油中的水分及雜質(zhì)，為發(fā)電機(jī)提供清潔的燃油，分油過(guò)程產(chǎn)生的雜質(zhì)和水分排放到排渣罐。排渣罐罐體采用音叉式液位開(kāi)關(guān)控制排渣泵的啟停，控制邏輯與生活污水處理裝置類(lèi)似。在實(shí)際使用過(guò)程中，音叉式液位開(kāi)關(guān)穩(wěn)定性高、故障率低、測(cè)量準(zhǔn)確，但價(jià)格昂貴。

生活污水處理裝置液位開(kāi)關(guān)的高故障率和分油機(jī)排渣罐液位開(kāi)關(guān)的高維修成本，均與石油平臺(tái)降本增效的管理策略相違背，而且液位開(kāi)關(guān)不能像液位變送器一樣實(shí)時(shí)顯示液位，方便工藝人員查看。為消除上述弊端，引入吹氣法測(cè)液位。

2 吹氣法測(cè)液位的基本原理

吹氣法測(cè)液位是一種非常經(jīng)典的液位測(cè)量方式，測(cè)量方法簡(jiǎn)單可靠，對(duì)于一些特殊工況下的液位參數(shù)，用雷達(dá)、超聲波等儀表測(cè)量比較困難且不準(zhǔn)確，而用吹氣法測(cè)量會(huì)取得非常好的效果，特別適用于被測(cè)介質(zhì)具有腐蝕性、放射性、引壓管易堵塞、敏感部件易被粘附等特殊情況。

吹氣式液位計(jì)可以理解為非接觸式液位測(cè)量?jī)x表，可對(duì)敞口或密閉容器內(nèi)的液體液位進(jìn)行測(cè)量。除吹氣管與被測(cè)介質(zhì)接觸外，吹氣裝置和差壓變送器測(cè)量元件均不與被測(cè)介質(zhì)接觸，從而保護(hù)測(cè)量元件，減少儀表的維護(hù)量，增加測(cè)量的可靠性。因吹氣裝置可保證恒定流量氣體輸出，差壓變送器測(cè)得的壓力就能夠自動(dòng)跟隨吹氣管出口壓力的變化，因此差壓變送器輸出的信號(hào)就與介質(zhì)液位高度成對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1 測(cè)量原理

吹氣式液位計(jì)主要由吹氣裝置、差壓（壓力）變送器和吹氣管路三部分組成。測(cè)量的原理如圖1 所示，在敞口或常壓容器中插人一根吹氣管，作為氣源的空氣或者惰性氣體經(jīng)過(guò)可調(diào)減壓裝置（其作用是將供氣壓力減至某一恒定值，恒定壓力的大小根據(jù)被測(cè)液位高度而定）減壓，保證吹氣入口壓力恒定。潔凈的空氣再經(jīng)吹氣管路吹入被測(cè)液體中，恒定流量的氣體從插入液體的吹氣管下端口逸出，鼓泡并通過(guò)液體排入大氣。當(dāng)吹氣管下端有微量氣泡（＜150 個(gè)/min）排出時(shí)，吹氣管內(nèi)的氣壓幾乎與液位靜壓相等（因氣泡微量且氣體流速較低，可忽略空氣在吹氣管中的沿程損失），因此壓力變送器指示的壓力值可以反映出液位高度。

圖1 吹氣法基本原理

2.2 節(jié)流組件

吹氣式液位的原理簡(jiǎn)單，但對(duì)氣泡的鼓出速度有要求，氣泡鼓出越快，吹氣管內(nèi)的壓力與吹氣管出口的壓力差就越大，測(cè)量就越不精確；氣泡鼓出速度越慢，吹氣管線(xiàn)內(nèi)的壓力與吹氣管出口壓力越接近，液位測(cè)量值就越接近真實(shí)值。因此，在吹氣法運(yùn)用過(guò)程中，吹氣量控制非常重要，最為關(guān)鍵的元件是流量調(diào)整組件。一般可選用針閥或轉(zhuǎn)子流量計(jì)作為限流組件。

3 實(shí)際改造應(yīng)用

結(jié)合吹氣法測(cè)液位的優(yōu)勢(shì)以及海洋石油平臺(tái)設(shè)備的實(shí)際液位控制要求，平臺(tái)人員先后將吹氣法測(cè)液位的方式用于分油機(jī)排渣罐以及生活污水處理緩沖罐。

3.1 分油機(jī)排渣罐

分油機(jī)排渣罐為常壓罐體，罐體內(nèi)為分油機(jī)去除的柴油中的水分及雜質(zhì)，為降低備件采購(gòu)費(fèi)用，對(duì)分油機(jī)排渣罐的液位開(kāi)關(guān)進(jìn)行改造。

3.1.1 優(yōu)化改造背景

分油機(jī)排渣罐有4 個(gè)液位開(kāi)關(guān)，其中高、低液位開(kāi)關(guān)用于液位控制，高高液位開(kāi)關(guān)trip 分油機(jī)，低低液位開(kāi)關(guān)trip 分油機(jī)排渣罐的加熱器。隨著使用年限的增加，高液位開(kāi)關(guān)故障是無(wú)法正常指示液位，造成排渣泵無(wú)法按照預(yù)設(shè)邏輯運(yùn)行，從而限制分油機(jī)的使用。

原型號(hào)的液位開(kāi)關(guān)為英國(guó)莫博雷公司（MOBREY）生產(chǎn)的音叉式液位開(kāi)關(guān)，型號(hào)為T(mén)E2HR1FYE，采購(gòu)價(jià)約10 萬(wàn)元，采購(gòu)周期至少半年。平臺(tái)分油機(jī)排渣罐安裝4 個(gè)該類(lèi)型的液位開(kāi)關(guān)，其中控制泵啟動(dòng)的H 液位開(kāi)關(guān)故障只能將其強(qiáng)制，等待備件期間排渣泵頻繁啟停。

為盡快恢復(fù)排渣罐的液位控制，保證分油機(jī)的可靠運(yùn)行，CPC 儀表采用用吹氣法測(cè)液位的方式對(duì)分油機(jī)排渣罐的液位控制進(jìn)行改造。

3.1.2 選型思路

音叉式液位開(kāi)關(guān)，由罐體頂部通過(guò)法蘭接入，延長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度不同，所測(cè)的液位也不同，因此可以實(shí)現(xiàn)HH、H、L、LL 液位的測(cè)量，從而控制排渣泵啟停，顯然上述控制對(duì)液位測(cè)量的精度要求不高，同時(shí)原裝的液位開(kāi)關(guān)不屬于通用備件（整個(gè)油田僅在RUP 分油機(jī)采用），且該備件在中海油主數(shù)據(jù)管理平臺(tái)中也沒(méi)有相關(guān)信息，因此單獨(dú)申請(qǐng)材料號(hào)去購(gòu)買(mǎi)一個(gè)型號(hào)特殊、價(jià)格昂貴、采購(gòu)周期長(zhǎng)、無(wú)特殊功能的備件不經(jīng)濟(jì)，因此考慮對(duì)液位開(kāi)關(guān)進(jìn)行優(yōu)化改造，選型思路如下：①現(xiàn)場(chǎng)空間有限，且罐體未預(yù)留法蘭接口，靜壓式、磁致伸縮式液位計(jì)無(wú)法安裝；②排渣罐高只有600 mm，HH 和LL 只有300 mm 差值，浮球式液位開(kāi)關(guān)的行程無(wú)法滿(mǎn)足，且排渣罐內(nèi)液體除了水還有灰塵、油泥等雜質(zhì)，浮球容易附著污物而測(cè)量不準(zhǔn)確，定時(shí)清理增加了維護(hù)工作量；③排渣罐有呼吸孔，液體有雜質(zhì)，對(duì)液位的精度要求不高。

綜合考慮控制要求、安裝方式、價(jià)格、維護(hù)量等方面后，決定采用吹氣法測(cè)液位，配備變送器。

3.1.3 改造實(shí)施

雖然一個(gè)液位變送器足以實(shí)現(xiàn)控制所有液位邏輯的功能，但未故障的液位開(kāi)關(guān)可以作為備用，核驗(yàn)優(yōu)化改造的結(jié)果，甚至在極端情況下無(wú)儀表氣，吹氣法測(cè)量液位無(wú)法使用時(shí)，仍需要液位開(kāi)關(guān)來(lái)控制。HH 液位開(kāi)關(guān)用于關(guān)停分油機(jī)，防止渣罐冒罐不做修改；LL 液位開(kāi)關(guān)用于關(guān)停加熱器防止干燒；上述兩個(gè)液位開(kāi)關(guān)及相應(yīng)控制保持原狀不進(jìn)行修改。

剩下的1 個(gè)L 液位開(kāi)關(guān)顯然不能實(shí)現(xiàn)泵的啟?？刂?，但如果將該液位開(kāi)關(guān)墊高100 mm，該液位開(kāi)關(guān)所測(cè)液位與原H 液位開(kāi)關(guān)相同，也就是說(shuō)可以變?yōu)镠 液位開(kāi)關(guān)，因此制作100 mm高的短節(jié)塊，將L 液位開(kāi)關(guān)接入原H 液位開(kāi)關(guān)通道，當(dāng)該液位開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，泵會(huì)啟動(dòng)，運(yùn)行300 s 后停止，該時(shí)間T 通過(guò)計(jì)算獲得：罐的容積V=600 L，罐的高度H=600 mm，原H、L 液位開(kāi)關(guān)高度差h=100 mm，即每次啟泵需要抽下100 mm 高度，泵的排量Q=1200 L/h，因此泵運(yùn)行的時(shí)間T=（V×h/H）/Q=300 s。

綜上，排渣泵有液位變送器控制和液位開(kāi)關(guān)控制兩種啟停方案，兩種方案并行，任何一種方案觸發(fā)啟泵邏輯泵均會(huì)啟動(dòng)，增加了可靠性。

同時(shí)，由于不存在L 液位開(kāi)關(guān)，若泵排量異常大或吹氣法測(cè)液位設(shè)定的停止值小于200 mm，會(huì)造成液位低于LL 液位開(kāi)關(guān)。為了避免此種情況，將LL 液位開(kāi)關(guān)用于泵的停止邏輯中，一旦該開(kāi)關(guān)動(dòng)作就會(huì)立即關(guān)停泵。

3.1.4 改造效果評(píng)價(jià)

吹氣法測(cè)常壓罐液位在油田是首次使用，經(jīng)過(guò)兩年的觀察，液位控制穩(wěn)定。吹氣法液位變送器投用后，平臺(tái)人員關(guān)注分油機(jī)排渣罐液位超半年，期間液位被準(zhǔn)確地控制在45%～55%。且H液位開(kāi)關(guān)和LL 液位開(kāi)關(guān)無(wú)報(bào)警記錄，進(jìn)一步驗(yàn)證了吹氣法測(cè)液位的穩(wěn)定性。

3.2 生活污水處理裝置緩沖罐

平臺(tái)生活污水（黑水、灰水）處理裝置又稱(chēng)STU，污水中的固體雜質(zhì)經(jīng)過(guò)粉碎、電解后達(dá)標(biāo)排放，緩沖罐的液位變松器控制粉碎泵的啟停，當(dāng)液位變送器測(cè)量不準(zhǔn)確或故障后，容易造成冒罐，污染環(huán)境。平臺(tái)1#生活污水處理裝置采用浮球式液位開(kāi)關(guān)控制液位，此類(lèi)型的液位計(jì)容易粘附固體雜質(zhì)而造成無(wú)法正常漂浮指示液位，且浮球長(zhǎng)期浸泡在水中，容易進(jìn)水短路；平臺(tái)3#生活污水處理裝置采用靜壓式液位變送器，非常容易堵塞引壓管線(xiàn)造成讀數(shù)不準(zhǔn)確。

平臺(tái)人員依托分油機(jī)排渣罐液位改造的成功經(jīng)驗(yàn)，先后利用吹氣法原理對(duì)上述兩套設(shè)備進(jìn)行了液位控制改造，3#生活污水處理裝置吹氣法液位變送器已經(jīng)投用兩年多，1#STU 吹氣法液位變送器投用已超過(guò)半年，均可以十分穩(wěn)定可靠地控制液位，保證了生活污水處理裝置的正常運(yùn)行。

3.3 調(diào)試步驟

（1）吹氣裝置、差壓（壓力）變送器和吹氣管現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后，應(yīng)確保整個(gè)吹氣系統(tǒng)的氣密性。吹氣系統(tǒng)的泄漏將給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)較大的誤差。

（2）用戶(hù)首先接通差壓（壓力）變送器電源，觀察差壓（壓力）變送器示值是否為零，如不為零，調(diào)整差壓（壓力）變送器的零點(diǎn)。

（3）將吹氣管插入被測(cè)介質(zhì)，待吹氣管末端連續(xù)、穩(wěn)定地吹出氣泡時(shí)，觀察差壓（壓力）變送器的示值與液位高度的對(duì)應(yīng)關(guān)系是否一致和輸出是否穩(wěn)定、吹氣量是否合適，如差壓（壓力）變送器示值與液位高度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系正常，即可投入運(yùn)行。

3.4 鼓氣量控制

分油機(jī)排渣罐液位和生活污水處理裝置緩沖罐的液位，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中不能過(guò)低，也不能冒罐；但同樣對(duì)液位的精確控制要求較低，因此對(duì)鼓氣量的控制要求并不嚴(yán)格。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用儀表針閥加轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制。投用前將吹氣管線(xiàn)接入清水中，通過(guò)氣泡計(jì)數(shù)確定出氣量，鼓泡小于150 個(gè)/min，即滿(mǎn)足需要。

對(duì)于精度要求較高的場(chǎng)合，可以使用金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)來(lái)精確地控制鼓氣量。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)海洋石油平臺(tái)兩種不同功能的罐體液位控制中存在的問(wèn)題，在摒棄原有液位控制開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理化改造，實(shí)現(xiàn)同等液位控制的同時(shí)，維護(hù)檢修成本顯著降低，且液位數(shù)據(jù)可引入中控系統(tǒng)，方便操作人員實(shí)時(shí)查看液位并記錄歷史趨勢(shì)。

吹氣法精確測(cè)量液位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，最適合具有腐蝕性、含有懸浮顆粒液體的液位測(cè)量。雖然只用適用于靜壓不高、精確度要求不高的場(chǎng)合，但卻十分適用于平臺(tái)STU、開(kāi)排液位控制的優(yōu)化，有著廣闊的應(yīng)用前景。