徐正倫

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

0 引言

海洋油氣開采處理過程中，容器液位是一個(gè)重要的生產(chǎn)工藝參數(shù)，必須有效監(jiān)控液位才能夠確?，F(xiàn)場生產(chǎn)穩(wěn)定安全地運(yùn)行。南海某凝析氣田液位計(jì)設(shè)計(jì)選型時(shí)工藝流程上統(tǒng)一選用磁致伸縮液位計(jì)對現(xiàn)場液位進(jìn)行監(jiān)測，投入生產(chǎn)運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)因?yàn)樵O(shè)計(jì)工況與實(shí)際運(yùn)行情況存在差異導(dǎo)致液位計(jì)不能滿足生產(chǎn)的要求。根據(jù)現(xiàn)場具體工藝生產(chǎn)要求并結(jié)合不同類型液位計(jì)特性，氣田采取有針對性的措施進(jìn)行優(yōu)，確保滿足安全生產(chǎn)要求[1]。

1 現(xiàn)有磁致伸縮液位計(jì)原理

磁致伸縮液位計(jì)主要基于“磁電法”原理設(shè)計(jì)而成，脈沖驅(qū)動器在磁致伸縮線兩端施加一查詢脈沖信號，該脈沖信號在磁致伸縮線周圍形成周向安培環(huán)形磁場（見圖1）；該環(huán)形磁場與浮球磁環(huán)的偏置磁場發(fā)生耦合作用，在磁致伸縮線的表面形成扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波，扭轉(zhuǎn)波由產(chǎn)生點(diǎn)向磁致伸縮線的兩端傳播；傳向激勵(lì)端的信號被壓電晶體接收，電氣盒中的變送模塊計(jì)算出查詢脈沖與接收信號間的時(shí)間差，再乘以扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波在波導(dǎo)材料中的傳播速度（約2830m/s），即可計(jì)算出扭轉(zhuǎn)波發(fā)生位置與測量基準(zhǔn)點(diǎn)間的距離；另外，傳向末端的扭轉(zhuǎn)波被反射器反射再次經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁場到達(dá)壓電晶體用以校核測量基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，從而實(shí)現(xiàn)對浮球位置的實(shí)時(shí)精確測量（見圖2）。

磁致伸縮液位計(jì)測量公式如下：

h=H-ct

其中探桿的測量長度H和應(yīng)力波傳播速度c已知，高速計(jì)數(shù)器可以測得應(yīng)力波時(shí)間差t，因此就可以計(jì)算出實(shí)際液位高度h。磁致伸縮液位計(jì)具有測量精度高的特點(diǎn)，但是容易受到強(qiáng)電磁干擾而產(chǎn)生輸出跳變影響穩(wěn)定運(yùn)行，現(xiàn)場因有大型變頻電機(jī)啟動產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾和壓縮機(jī)引起震動問題，氣田投產(chǎn)后多臺液位計(jì)頻繁出現(xiàn)跳變影響穩(wěn)定運(yùn)行，在對液位計(jì)本身問題進(jìn)行排查診斷處理后偶爾還是會存在跳變，于是考慮對液位計(jì)進(jìn)行應(yīng)用整體優(yōu)化[2]。

2 干簧電阻浮球液位計(jì)

針對磁致伸縮液位計(jì)存在的問題，結(jié)合現(xiàn)場原有液位計(jì)的工藝物理接口等實(shí)際情況，經(jīng)過對不同類型液位計(jì)進(jìn)行篩選，反復(fù)對比后選用干簧電阻浮球液位計(jì)整體更換跳變的磁致伸縮液位計(jì)。兩種型號液位計(jì)特點(diǎn)對比詳見下表1。

表1 磁致伸縮與干簧電阻液位計(jì)

通過對比發(fā)現(xiàn)干簧電阻液位變送器最明顯的特點(diǎn)就是抗電磁干擾和震動能力強(qiáng)，剛好滿足氣田強(qiáng)電磁干擾和震動較大的情況。干簧電阻浮球液位變送器核心部件是干簧管，干簧管內(nèi)部有兩片端點(diǎn)處重迭的可磁化的簧片密封于一玻璃管中，兩簧片呈交迭狀且間隔有一小段空隙。玻璃管中裝填有高純度的惰性氣體，內(nèi)部做成真空狀態(tài)。干簧片的作用相當(dāng)于一個(gè)磁通導(dǎo)體[3]。在通過浮子到達(dá)對應(yīng)位置時(shí)產(chǎn)生磁場，外加的磁場使兩片簧片端點(diǎn)位置附近產(chǎn)生不同的極性，當(dāng)磁力超過簧片本身的彈力時(shí)，這兩片簧片會吸合導(dǎo)通電路，引起回路電流變化進(jìn)而轉(zhuǎn)換處理后得到液位值，詳見下圖3。因此液位計(jì)的探桿是由一串干簧管組成，由于干簧管有一定的物理大小，導(dǎo)致干簧電阻液位變送器精度不夠高，在用于緊急關(guān)斷系統(tǒng)的液位計(jì)時(shí)穩(wěn)定性很好，但是用在控制回路的干簧管液位計(jì)由于其精度不夠就不能滿足要求，因此更換為干簧電阻液位計(jì)后又帶來新的問題需要進(jìn)行優(yōu)化。

3 高壓生產(chǎn)分離器液位計(jì)應(yīng)用與優(yōu)化

高壓生產(chǎn)分離器液位計(jì)用于處理從井口生產(chǎn)管匯出來的天然氣，進(jìn)行氣液分離，因?yàn)榭拷谖锪魑唇?jīng)處理偶爾會出現(xiàn)段塞流的情況，因此高壓生產(chǎn)分離器就需要嚴(yán)控液位，避免出現(xiàn)冒罐影響安全生產(chǎn)的異常情況，有效監(jiān)測液位，整體穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。氣田高壓生產(chǎn)分離器投用后，無論是接入過程控制系統(tǒng)用于液位控制的液位計(jì)，還是接入應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)用于觸發(fā)關(guān)斷的液位計(jì)，均出現(xiàn)不同程度的跳變，通過對液位計(jì)優(yōu)化完善，液位計(jì)跳變情況有所改善，但還是偶爾出現(xiàn)觸發(fā)關(guān)停影響安全生產(chǎn)。仔細(xì)研究液位計(jì)的跳變歷史記錄發(fā)現(xiàn)，液位跳變信號多為尖峰脈沖跳變，屬于受到異常干擾或者本身穩(wěn)定性差所致，信號跳變歷史記錄詳見圖4，通過原因分析及風(fēng)險(xiǎn)評估后決定在液位計(jì)未換型前，對接入關(guān)斷系統(tǒng)的液位計(jì)信號采用增加500ms的數(shù)字延時(shí)濾波的方式剔除尖峰脈沖，延時(shí)邏輯回路詳見圖5。增加延時(shí)只是高高或者低低關(guān)斷信號延時(shí)觸發(fā)要求持續(xù)500ms，液位監(jiān)測還能夠適時(shí)地傳回中控畫面，不影響觀察數(shù)據(jù)，增加延時(shí)后液位計(jì)再未因偶發(fā)性跳變而觸發(fā)關(guān)停，系統(tǒng)一直穩(wěn)定運(yùn)行，后來液位計(jì)換為干簧管液位計(jì)后取消延時(shí)數(shù)字濾波功能，確保信號觸發(fā)的實(shí)時(shí)性[4]。

4 低溫分離器液位變送器應(yīng)用與優(yōu)化

低溫分離器用于分離天然氣中重組分，原設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度為-2℃，因天然氣處理要求提高工藝參數(shù)需要，實(shí)際運(yùn)行溫度接近-10℃。原設(shè)計(jì)低溫分離器液位監(jiān)測也為浮子式磁致伸縮液位計(jì)，在停產(chǎn)后系統(tǒng)重新恢復(fù)生產(chǎn)過程中，由于上游的天然氣脫水效果未達(dá)到設(shè)計(jì)工況，來液中含水率偏高，在-10℃情況下很容易結(jié)冰造成液位計(jì)浮子卡滯不能監(jiān)測液位，在恢復(fù)生產(chǎn)過程時(shí)兩臺液位計(jì)均出現(xiàn)卡滯，不能觀察低溫分離器液位，嚴(yán)重耽誤生產(chǎn)恢復(fù)時(shí)間影響安全生產(chǎn)。針對該情況提出采用雙法蘭上下均帶沖洗口的膜片式毛細(xì)管差壓液位變送器替換浮子液位變送器。法蘭差壓變送器工作時(shí)，高、低壓側(cè)的隔離膜片和灌充液將過程壓力傳遞給灌充液，接著灌充液將壓力傳遞到傳感器中心的傳感膜片上。傳感膜片和電容極板之間電容的差值被轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的4-20mA電流信號。根據(jù)基本物理公式P=ρ＊g＊h，則差壓液位變送器的基本測量公式為：

其中介質(zhì)密度ρ和重力加速度g已知，上下法蘭的壓強(qiáng)可以測量得出，因此通過計(jì)算即可以得出被測介質(zhì)密度，同時(shí)毛細(xì)管差壓液位計(jì)還有硅油的高度參數(shù)的壓縮需要進(jìn)行遷移以保證測量精度。差壓變送器法蘭連接與原有接口可以保證一致，不需要對接口進(jìn)行改造，法蘭連接尺寸較大，能保證監(jiān)測取樣孔徑足夠大，避免初期水和物結(jié)冰后堵住取樣口，同時(shí)采用上下帶沖洗口的差壓變送器，便于及時(shí)排液有效觀察是否有冰堵等情況發(fā)生，另外膜片式毛細(xì)管差壓液位變送器內(nèi)部充滿硅油，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定滿足低溫運(yùn)行條件，基于此選型更換后在生產(chǎn)恢復(fù)過程中再未出現(xiàn)卡滯不能監(jiān)測液位的情況，整體運(yùn)行效果良好，詳見圖6。

5 凝析油緩沖罐液位計(jì)應(yīng)用與優(yōu)化

凝析油緩沖罐接受主工藝流程中所有分離器滌氣罐等液相來液，正常工況運(yùn)行壓力為100kPa。因油藏設(shè)計(jì)與實(shí)際工況不一致，凝析油產(chǎn)量遠(yuǎn)高于預(yù)期，導(dǎo)致緩沖罐滿負(fù)荷運(yùn)行，另外上游壓縮機(jī)出口滌氣罐排液壓力高且沒有采用調(diào)節(jié)閥連續(xù)排液，而是采用開關(guān)式閥門排液極易造成緩沖罐液位波動大。通過實(shí)際對比觀察凝析油緩沖罐上的兩臺液位計(jì)，發(fā)現(xiàn)液位均存在同樣幅度的較大波動，因此判斷液位計(jì)波動大反映的是罐內(nèi)真實(shí)液位，但是因?yàn)樵撘何挥?jì)控制著凝析油外輸泵的外輸頻率，如果液位反復(fù)波動會造成凝析油外輸泵的外輸頻率也持續(xù)波動不穩(wěn)定，外輸泵變頻器和外輸泵均不能穩(wěn)定運(yùn)行會加速設(shè)備老化甚至損壞，因此需要將液位計(jì)波動幅度降低但是還要反映真實(shí)液位，因此考慮將信號傳遞延時(shí)。方法有適當(dāng)增大變送器的阻尼時(shí)間和減小取樣口的大小，最后綜合考慮反復(fù)調(diào)整后將阻尼時(shí)間增大1.5倍，同時(shí)在液位計(jì)的上下法蘭連接處均插入節(jié)流孔板，通過不斷調(diào)整測試節(jié)流孔板孔徑，確保既能及時(shí)有效反映液位又同時(shí)適當(dāng)降低罐內(nèi)液位受氣流波動大的影響，原來連接法蘭尺寸為2寸，最終選擇節(jié)流孔板孔徑為1寸，詳見圖7。同時(shí)還對凝析油外輸泵控制回路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確保凝析油外輸泵能夠穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)又能快速響應(yīng)異常來液，改造后運(yùn)行效果良好系統(tǒng)穩(wěn)定。

6 三甘醇接觸塔液位變送器應(yīng)用與優(yōu)化

氣田三甘醇接觸塔是主工藝流程中關(guān)鍵處理設(shè)備，用于脫出天然氣水分，三甘醇接觸塔的液位控制是確保脫水效果的重要節(jié)點(diǎn)。原有磁致伸縮液位計(jì)投產(chǎn)后運(yùn)行一直存在跳變情況，多次引起生產(chǎn)關(guān)停，因此將液位計(jì)換型為干簧管液位計(jì)。干簧管液位計(jì)因?yàn)槭且淮砰_關(guān)組成，存在精度較低的問題，磁致伸縮液位計(jì)能夠做到精度±1mm，而干簧管液位計(jì)的精度只有±10mm，且干簧管液位計(jì)由于是一串的磁開關(guān)組成，監(jiān)測液位不連續(xù)，是以10mm增加或減少，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動作滯后，無論怎么優(yōu)化控制參數(shù)始終不能滿足要求，最后確定原因是干簧管液位計(jì)精度低不滿足要求。因該區(qū)域有大型變頻電機(jī)強(qiáng)電磁干擾，磁致伸縮液位計(jì)不能作為選項(xiàng)，通過多種嘗試發(fā)現(xiàn)普通差壓液位變送器即可滿足要求。差壓液位計(jì)僅需要知道測量介質(zhì)密度便能監(jiān)測液位，同時(shí)差壓液位計(jì)產(chǎn)品成熟、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、使用范圍廣、成本低。由于被測介質(zhì)中存在泡沫，差壓液位計(jì)測量精度沒有磁致伸縮液位計(jì)精度高，但液位監(jiān)測值連續(xù)變化，投用后完全滿足要求，但低壓端偶爾存在積液需要定期排液以消除積液引起的偏差。

7 結(jié)語

針對凝析氣田復(fù)雜多變的工況和具體運(yùn)行條件進(jìn)行分析，針對不同的原因采用不同的處理方法使得液位計(jì)滿足現(xiàn)場使用要求[5]。同時(shí)每種液位計(jì)也有自身的特點(diǎn)和使用范圍，在設(shè)計(jì)建造時(shí)就需要根據(jù)具體情況有針對性地選擇不同類型的液位計(jì)，以適合現(xiàn)場生產(chǎn)工藝，避免達(dá)不到要求，造成后期改造增加較高成本。