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海上平臺(tái)黏稠介質(zhì)的液位變送器選型

2018-10-29 08:03:22張英杰
天津科技 2018年10期
關(guān)鍵詞:浮筒液位計(jì)罐體

張英杰

(中海石油(中國(guó))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(cè)量廣泛應(yīng)用于海上采油平臺(tái)生產(chǎn)流程中,是保證海上生產(chǎn)安全穩(wěn)定的重要手段。鑒于液位檢測(cè)儀表種類豐富,功能各異,價(jià)格及適用范圍差異也較大,在選用時(shí)必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行綜合分析,以求達(dá)到最好的效果和經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)采油平臺(tái)的油水處理系統(tǒng)介質(zhì)黏度高、聚合物返出影響大、介質(zhì)成分復(fù)雜等特點(diǎn),結(jié)合各種液位變送器的測(cè)量原理和安裝要求,對(duì)液位測(cè)量?jī)x表選型問(wèn)題進(jìn)行闡述。

1.1 液位測(cè)量?jī)x表現(xiàn)狀

目前市面上使用的液位計(jì),按測(cè)量液位的感應(yīng)元件與被測(cè)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(cè)量?jī)x表

接觸型液位儀表主要有差壓液位計(jì)、浮筒式液位計(jì)、電容式液位計(jì)、雷達(dá)導(dǎo)波以及磁滯伸縮液位計(jì)。它們的共同特點(diǎn)是測(cè)量的感應(yīng)元件與被測(cè)液體接觸,其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,價(jià)格適中,應(yīng)用比較廣泛。

1.1.2 非接觸型測(cè)量?jī)x表

主要包括超聲波液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、射線液位計(jì)、激光液位計(jì)等。這類液位測(cè)量?jī)x表的共同特點(diǎn)是測(cè)量的敏感元件與被測(cè)液體不接觸,因此不受被測(cè)介質(zhì)影響,也不影響被測(cè)介質(zhì),適用范圍較為廣泛,可用于接觸式測(cè)量?jī)x表不能滿足的特殊場(chǎng)合。

1.2 平臺(tái)液位變送器使用現(xiàn)狀

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

2 液位變送器選型

對(duì)于液位計(jì)的選型,要考慮在符合現(xiàn)場(chǎng)工況的同時(shí),必須盡量減小對(duì)原有罐體的改動(dòng),最大程度利用現(xiàn)有資源,技術(shù)上側(cè)重考慮以下幾點(diǎn):變送器的測(cè)量范圍、測(cè)量精度及可靠性、現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)多年,技術(shù)成熟穩(wěn)定。其現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單,只需拆除原磁滯伸縮液位計(jì)后直接安裝即可,現(xiàn)場(chǎng)罐體無(wú)需任何改造。特別是可以配套使用的羅斯蒙特 1199毛細(xì)管遠(yuǎn)傳系統(tǒng),其測(cè)量膜片不與介質(zhì)直接接觸,而是通過(guò)毛細(xì)管內(nèi)的填充液體介質(zhì)傳遞壓力,可徹底避免介質(zhì)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(jì)受介質(zhì)密度和溫度影響很大,現(xiàn)場(chǎng)斜板除油器、加氣浮選器等所測(cè)量介質(zhì)經(jīng)常為油水混合,其密度并不固定,必將導(dǎo)致偏差較大,對(duì)比磁滯伸縮液位變送器,兩者差值最高可達(dá) 6%。同時(shí),一些罐體在頂部設(shè)有補(bǔ)壓口,使用天然氣對(duì)罐體進(jìn)行補(bǔ)壓,差壓變送器測(cè)取壓口一般與其距離較近,易受壓力波動(dòng)的影響,所以測(cè)量值波動(dòng)較大。同時(shí)由于壓力擾動(dòng)和密度變化影響,其實(shí)際測(cè)量值與理論計(jì)算值有較大出入。

例如:除油器液位測(cè)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(shí)際標(biāo)定量程為-1~-3kPa。并且此種液位變送器無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)直接觀察液位,不便于標(biāo)定和現(xiàn)場(chǎng)操作。因此,此種變送器雖然解決了卡堵問(wèn)題,但也存在一些局限。

2.2 電容式液位計(jì)

電容式液位計(jì)(見圖 2)測(cè)量原理為通過(guò)測(cè)量電容的變化來(lái)測(cè)定液面的高低。它是將一根金屬棒插入盛液容器內(nèi)作為電容的一個(gè)極,以容器壁作為電容的另一極。兩電極間的介質(zhì)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(dāng)液位升高時(shí),兩電極間總的介電常數(shù)值隨之加大,因而電容量相應(yīng)增大;反之當(dāng)液位下降,ε值減小,電容量也減小。所以,可通過(guò)兩電極間電容量的變化來(lái)測(cè)量液位的高低。此類液位計(jì)傳感器無(wú)機(jī)械可動(dòng)部分,不受介質(zhì)黏性影響,價(jià)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(cè)量準(zhǔn)確,而現(xiàn)場(chǎng)油相或水相液位計(jì)經(jīng)常出現(xiàn)油水混合的情況,被測(cè)液體的介電常數(shù)不穩(wěn)定勢(shì)必會(huì)引起誤差,因此其不適用于海上采油平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)工況。

圖2 電容式液位計(jì)及測(cè)量示意圖Fig.2 Capacitance gauge and measurement

2.3 浮筒液位計(jì)

浮筒液位變送器(圖 3)以艾默生的 FIELDVUE DLC3000系列為代表,其測(cè)量原理為:浮筒浸沒在被測(cè)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(zhuǎn)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(chǎn)生變化,改變了扭力管的扭矩,引起扭力管的扭轉(zhuǎn)并傳遞到智能型變送器擺動(dòng)組件上,該組件上的磁鋼隨之位移,改變了霍爾效應(yīng)傳感器檢測(cè)的磁場(chǎng),變送器將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào),由此測(cè)量液位。作為一種浮力式液位變送器,其精確度與被測(cè)介質(zhì)密度息息相關(guān),同時(shí)黏稠介質(zhì)附著在浮筒上也會(huì)對(duì)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(tái)的水處理系統(tǒng)。

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

2.4 雷達(dá)導(dǎo)波液位計(jì)

雷達(dá)導(dǎo)波液位計(jì)(圖4)以羅斯蒙特 3300系列為代表,其測(cè)量時(shí)沿著浸入介質(zhì)的探桿,引導(dǎo)低功率毫微秒脈沖,當(dāng)脈沖抵達(dá)所測(cè)量的物體表面時(shí),部分能量被反射而返回變送器,并將產(chǎn)生脈沖和反射脈沖過(guò)程間的時(shí)差換算成距離,以此來(lái)計(jì)算總液位或界面位置。這種液位計(jì)無(wú)機(jī)械結(jié)構(gòu),不受黏稠介質(zhì)影響,但對(duì)測(cè)量介質(zhì)的介電常數(shù)有一定要求,而現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)量介質(zhì)為油水,完全符合要求。同時(shí),可以選擇頂裝或側(cè)裝形式。將現(xiàn)場(chǎng)原有的 AT100磁滯伸縮液位計(jì)的表頭從上法蘭拆掉后,新的雷達(dá)導(dǎo)波液位計(jì)可以直接安裝在其原有取液桶上,無(wú)需進(jìn)行任何改造。

圖4 雷達(dá)導(dǎo)波液位計(jì)Fig.4 Radar guide wave level meter

2.5 超聲波液位計(jì)

超聲波液位計(jì)(圖 5)是近年來(lái)發(fā)展較快的液位計(jì)之一,它是利用超聲波在同種介質(zhì)中傳播速度相對(duì)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(diǎn),但成本高、維護(hù)維修困難。這種液位計(jì)通常應(yīng)用于溫度-40~100℃、壓力0.3MPa以下的場(chǎng)所,平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)罐體進(jìn)行改造。同時(shí),其探頭表面向下開始的一小段距離內(nèi)無(wú)法正常進(jìn)行檢測(cè),這段距離稱為盲區(qū)。被測(cè)的最高物位如進(jìn)入盲區(qū),儀表將不能正常檢測(cè)而出現(xiàn)誤差,現(xiàn)場(chǎng)選用時(shí)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(dá)液位計(jì)

雷達(dá)液位計(jì)(圖 6)以艾默生 5400和 5600系列為代表,其工作原理為:通過(guò)從頂部天線發(fā)射的雷達(dá)信號(hào)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)產(chǎn)品的液位進(jìn)行測(cè)量,雷達(dá)信號(hào)被反射后由回波天線接收,由于信號(hào)頻率不斷變化,與此時(shí)發(fā)射的信號(hào)相比,回波的頻率稍微有所不同,而頻率的差異與信號(hào)發(fā)生反射點(diǎn)的距離成比例,因此可以精確計(jì)算液位。其最大優(yōu)勢(shì)是幾乎可以用于測(cè)量所有介質(zhì),且維護(hù)方便,操作簡(jiǎn)單,非接觸測(cè)量。雖然不受溫度、壓力等影響,但其同樣需頂部安裝,要對(duì)罐體進(jìn)行改造,而且對(duì)安裝空間有一定要求,信號(hào)發(fā)射噴嘴和罐體側(cè)壁必須保持一定距離,防止干擾。同時(shí)成本比較高昂,現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模使用的經(jīng)濟(jì)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(dá)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(jì)

射線液位計(jì)(圖7)測(cè)量原理為γ 射線對(duì)不同物質(zhì)產(chǎn)生不同衰減,將放射源鈷 60或銫 137置于一個(gè)防護(hù)容器內(nèi),放在被測(cè)容器的一側(cè),在其對(duì)面,裝有一個(gè)檢測(cè)器。當(dāng)γ 射線穿透容器時(shí),會(huì)發(fā)生衰減,衰減率取決于被測(cè)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(hào),再由光電倍增管轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào),但由于液位與γ 射線衰減是非線性過(guò)程,必須進(jìn)行標(biāo)定。這種液位計(jì)具有非接觸式液位計(jì)的所有優(yōu)點(diǎn),但其價(jià)格高昂,使用時(shí)要注意控制輻射源劑量,做好防護(hù),以防射線泄漏對(duì)人體造成傷害,不適合用于一般現(xiàn)場(chǎng)的液位測(cè)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(jì)

激光液位計(jì)是近年來(lái)流行的一種測(cè)量?jī)x表,其工作原理為:由半導(dǎo)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(cè)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(guò)程間的時(shí)間差,從而確定從激光雷達(dá)到被測(cè)物之間的距離。與普通雷達(dá)液位計(jì)相比,激光雷達(dá)極大地縮短了發(fā)射電磁波的波長(zhǎng),提高了發(fā)射電磁波的頻率,利用激光束不發(fā)散的特點(diǎn),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(jià)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(jié) 論

通過(guò)分析比較各種類型液位計(jì),可以得知每種液位計(jì)都有自己的工作原理、特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和適用范圍。對(duì)于海上采油平臺(tái)黏稠介質(zhì)的液位測(cè)量,雷達(dá)導(dǎo)波和超聲波液位計(jì)比較適合選用,同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況可以小范圍使用差壓式液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)。

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