浮式液化天然氣裝置液位計選型方案探討

劉秀琴，許凱，張道光

（海工英派爾工程有限公司，山東青島266061）

液化天然氣（LNG）作為一種清潔、高效的能源越來越受到各個國家的青睞。隨著全球天然氣勘探與開發的逐漸深入，越來越多的深海氣田、中小型邊際氣田及伴生氣田被發現。浮式液化天然氣裝置（LNG FPSO）集天然氣的凈化、液化、儲存、裝卸和外運為一體，可根據海上天然氣田的生產狀況靈活配置，是一種新型海上氣田開發技術［1－2］。

LNG FPSO容器內的液面隨著船體搖擺和晃動，給液位測量和控制帶來困難，甚至影響裝置的正常操作和安全穩定運行。為減小或消除LNG FPSO容器內液體的晃動，可在容器內采取一些措施，如增加液體的阻尼、進行消波等方法［3］。有些學者還提出了一些針對液位測量的數據處理方法［4］，如平滑濾波［5］、卡爾曼濾波、自適應噪聲抵消［6］等方法。

文中對幾種常用液位計的優缺點和適應性進行比較，并提出保護措施，以減小晃動對液位測量和控制的影響。

1 液位計選型的適應性分析

1.1 晃動對液位測量的影響

LNG FPSO漂浮在海上，在風浪、氣候、海流等海洋環境載荷因素的作用下產生6個自由度的運動［7］，其中影響大的是縱蕩和縱搖兩個自由度。分離和儲存設備的內部介質，隨船體處于周期性或無規律的晃動狀態，給液位測量和工藝過程控制帶來很大影響。LNG FPSO天然氣預處理和液化工藝過程涉及的塔、容器等設備配置的許多液位檢測和控制儀表，當船體晃動頻率發生改變或設備進料波動時，液面會出現晃動，呈現周期性或無規律的波動或假液面［7］，液面瞬間變化對液位測量產生干擾，使采樣的數據不準確，造成控制回路調節失穩甚至誤動作，影響裝置的正常生產。因此，減小或消除液面晃動給液位測量和過程控制帶來的影響尤為重要。

1.2 液位計選型的適應性分析

液位計種類繁多，每種測量原理的液位計都有一定的適用范圍。按測量方法分類［8］有直讀式、浮力式、差壓式、電容式、超聲波式、雷達式、磁致伸縮式、射頻導納式、稱重式、輻射式等，筆者根據石油化工裝置幾種常用液位計的特點，分析其在LNG FPSO中的適應性。

LNG FPSO中的介質主要是LNG、液化氣、輕烴、醇胺，特點是密度較小、潔凈，液化過程操作溫度低。現對幾種常用類型液位計的優缺點和適應性進行比較：

1）浮球、浮筒液位計。該類液位計屬于浮力式儀表，結構簡單，安裝、調試方便，有機械可動部件。液面經常晃動使其機械可動部件易損壞，以致測量不準確甚至失靈，影響LNG FPSO的正常運行。浮球、內浮筒液位計液位測量易受液面晃動的影響，如不采取防晃措施很難適用于LNG FPSO的液位測量；外浮筒液位計的下測量引壓口位于液相部位，可通過適當關小取壓閥門和將下測量引壓管延伸至容器中部削減液面晃動的影響，上測量引壓口容易受到晃動進液的影響，需要防護。

2）雙法蘭差壓液位計。該類液位計屬于差壓式儀表，是通用的液位測量儀表，安裝、調試較復雜，無機械可動部件，搖擺和晃動狀態下不易損壞。其下測量引壓口位于液相部位，可通過適當關小取壓閥門和將下測量引壓管延伸至容器中部削減液面晃動的影響。

3）磁致伸縮液位計。該類液位計屬于電磁式儀表，安裝方便、結構精巧、可靠性高。有一個套在不銹鋼探測桿上的可動浮球（浮子），其隨液位的變化沿探測桿上下移動，搖擺和晃動狀態下不易損壞，但如不采取防晃措施，液位測量易受液面晃動的影響。

4）導波雷達液位計。該類液位計是微波接觸式測量儀表，無機械可動部件，可靠性高。同時，對安裝要求較高，要求避開容器內支架、物料入口管等對測量有影響的設備內構件［9］。搖擺和晃動狀態下不易損壞，但如不采取防晃措施，液位測量易受液面晃動的影響。

5）射頻導納液位計。該類液位計采用先進的射頻導納技術，是接觸式儀表，無機械可動部件，可靠性高。搖擺和晃動狀態下不易損壞，但如不采取防晃措施，液位測量易受液面晃動的影響。

由以上分析可見，幾種常用液位計在LNG FPSO容器內液面晃動環境中使用，均需采取針對性保護措施，既可穩定液位測量，又可防止或消除機械損傷。頂裝式液位計宜安裝在液面受晃動影響最小的容器中心部位。幾種常用液位計的適用性和需要采取的保護措施見表1所列。

表1 幾種常用液位計的適用性及保護措施

2 液位計的防晃動保護裝置

通過以上分析，為節流消浪、減小或消除搖擺和晃動對液位測量的影響，同時防止或消除機械損傷，減少液位計的維護工作量，延長使用壽命，在浮球、內浮筒、磁致伸縮、導波雷達、射頻導納液位計外部加裝防晃動保護裝置，如圖1所示。

圖1 防晃動保護裝置示意

圖1中保護管或保護箱在最低液位和最高液位之間部分不開孔，在其底部開導流孔，頂部開通氣孔，設備內的液體經導流孔與其內部的測量元件接觸，氣體經通氣孔實現其內外氣相平衡，導流孔的節流作用降低了其內外介質液位的平衡速度和波峰，從而減小或消除波浪對液位測量的影響。

設引起設備內部液面搖擺和晃動的最大相對高度為H，LNG FPSO的搖擺和晃動周期為T，保護裝置對延緩設備內液體搖擺和晃動起作用的時間T1＝T/2，保護管或保護箱底的導流孔直徑為d。

聯立物料衡算及非穩態下伯努利方程［10］，得保護管和保護箱底部導流孔數n的計算公式：

式中：A——保護管的橫截面積或保護箱底面橫截面積。

3 結束語

LNG FPSO設備內介質處于周期性或無規律的晃動狀態，給液位測量和工藝過程控制帶來很大影響，為減小或消除影響，分析認為頂裝式液位計宜安裝在液面受晃動影響最小的容器中心部位；液位計采取保護措施并利用軟件對液位測量結果進行數據處理，可獲得更好的測量效果。幾種常用液位計的選型建議如下：

1）浮球、內浮筒液位計，如不采取保護措施很難適用于LNG FPSO的液位測量，如要使用則需加保護裝置。

2）磁致伸縮、導波雷達、射頻導納液位計結構上適用于LNG FPSO的液位測量，但其測量值受液面晃動影響較大，為獲得好的測量效果，需加保護裝置。

3）外浮筒液位計、雙法蘭差壓液位計受液面晃動影響較小，可不加保護裝置，宜將下測量引壓管延伸至容器中部，上測量引壓口設防液擋板。

［1］ WOOD D，MOKHATAB S，ECONOMIDES J M.Offshore Natural Gas Liquefaction Process and Development Issues［J］.Project，Facilities ＆Construction，2007（11）：1-9.

［2］ 王春節，魏林瑞，張磊.浮式液化天然氣液化工藝綜述［J］.化學工業，2010，28（2-3）：27-29.

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