投入式液位變送器在海上平臺的設計與應用

張羽臣

（中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津 300452）

0 引言

隨著經濟技術的飛速發展，世界范圍內對石油天然氣資源的需求越來越迫切，希望更多的油氣資源被開采出來以滿足日益發展的工業需求。深海石油以其儲量大、油品性質好等特點受到各大石油公司地青睞，紛紛加速進軍深海的步伐；中國海油也不甘落后，在南海開發了中國第一個深水氣田--南海深水天然氣開發項目。

在南海深水天然氣開發中,為了抑制長距離海管輸送過程中天然氣水合物的產生，需要在平臺上存儲1500m3貧MEG（乙二醇）溶液供流程使用。在設計過程中，由于深水氣田平臺空間極度緊張，重控也達到臨界值，布置一個儲罐單獨儲存MEG溶液將對總體和結構專業帶來很大困難。在此情況下，設計方研究出利用平臺樁腿作為容器，存儲MEG溶液的方案。同時，緊貼樁腿設置一個套管，底部與樁腿相連，把MEG輸送泵下入套管底部，將MEG溶液抽取到平臺上。

上述方案作為一項技術創新，很好地解決了乙二醇的儲存問題，節省了平臺空間，減少了平臺重量。但另一個技術問題也隨之而來：為了不破壞樁腿結構，MEG的注入、抽取等工作均需在與樁腿連通的套管上進行，液位測量也需在此處完成。在此工況下，既需要確保液位測量的準確性，保證量程和精度，又要考慮在此特殊位置進行安裝的可行性和可維護性，液位變送器的選型變成一個迫切需要解決的問題。

設計方通過針對特殊工況下液位儀表的選型分析，最終確認采用投入式液位變送器，隨泵一起安裝，解決了測量和安裝這兩個難點，保證了精確的液位測量。

1 液位變送器選型分析

在南海石油平臺上，常年處于高鹽霧、強腐蝕的自然環境，對現場儀表的可靠性、防護等級、防爆等級、材質等均有較高要求，一定程度上給儀表選型設計增加了難度。目前，海洋平臺上常用的液位儀表類型有壓力式、雷達式、超聲式、浮子式、磁子式等類型。在液位儀表的選型過程中，需要從液位儀表的測量范圍、測量精度、實際安裝需求等方面出發，全面分析，綜合判斷，選定最適用的液位儀表。下面針對本文所述的具體工況，對各類變送器展開詳細分析，確認最佳形式。

此處液位測量的需求為測量直徑0.5m，長度近100m的套管內MEG溶液的液位，該套管深入水下80m，與樁腿焊接，液位儀表的量程范圍為0～100m。如選用側裝式液位變送器，如浮子式、磁子式，經過咨詢廠家，暫無量程可滿足需求的此類產品。并且，在水下80m處的套管上開孔并安裝法蘭，對套管結構、防腐等方面也提出更高的要求，且法蘭連接處成為新的泄漏點，增大了項目風險。因此，不推薦使用浮子式、磁子式液位變送器及需要套管底部開孔的差壓式液位變送器。

如果采用外貼式安裝形式，如外貼超聲波液位變送器，需要考慮液位變送器常年浸入海水中，面臨海水腐蝕、海流沖刷等惡劣環境，并由此帶來液位變送器材質昂貴，安裝困難的問題，不宜選擇合適的產品。因此，不推薦外貼式液位變送器。

從安裝便利性考慮，頂裝式液位變送器比較適合。對于雷達式和超聲波式液位變送器，均要求液面與發射口之間無干擾物，但此處套管內徑僅0.5m，長100m且套管內有電纜，MEG提升泵護管、管卡等設施，會影響雷達式和超聲波式液位變送器的測量精度。因此，這兩種類型的液位變送器也不適用于此處工況。

隸屬于壓力類液位儀表的投入式液位變送器，可采用頂裝式安裝，將測量傳感器固定于套管底部，通過電纜將靜壓信號傳輸至固定于套管頂部的表頭，并將其變送為標準4～20mA電信號，再傳輸至中控進行檢測，可以很好地解決這個技術問題。因此，成為此處MEG液位測量的最佳選擇。

2 投入式液位變送器的原理及特點

投入式液位變送器是基于所測液體靜壓與該液體高度成正比的原理，采用擴散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應，將傳感器接收的靜壓轉換成電信號，經過變送器的溫度補償，并進行一定的線性校正，轉換成4～20mA標準電流信號輸出，并可通過儀表電纜連接至控制系統，進行檢測和控制[1]。

當液位變送器投入到被測液體中某一深度時，傳感器迎液面受到的壓力公式為

P=ρ.g.H。

式中

P ：變送器迎液面所受壓力

ρ：被測液體密度

g ：當地重力加速度

如果被測液體密度一定，已知當地重力加速度和靜壓值P，根據公式即可計算出傳感器所處位置的液體深度H[2]。

投入式液位變送器具有廣泛的量程范圍，在0.3～100m之間可供用戶自由選擇，根據需求定制，且具有2倍超載能力，對工況波動具有相當強的適應能力。其傳感器材質有多種選項，304、316不銹鋼傳感器適用于水及一般非腐蝕性介質，陶瓷材質膜片、哈氏C合金膜片適用于各種腐蝕性介質。該變送器具有很高的測量精度，準確度等級可達0.1級，并有0.25級、0.5級、1級等多種選擇。防護等級可達IP68級，可保證傳感器長期浸入被測介質中而不損壞。儀表可輸出二線制4～20mA/三線制1～5VDC標準電流電壓信號，有HART協議。投入式液位變送器的傳感器部分可直接投入到液體中，變送器部分可用法蘭或支架固定，安裝使用極為方便。可用于城市給排水，水處理廠、水庫、河流、海洋、儲油罐及石油、化工、電力等部門的液位測量，被測介質可以是水、油、酸性、堿性及粘稠性液體。

綜上，投入式液位變送器具有技術先進、精度高、質量穩定可靠、安裝使用方便等優點，是一種過程檢測控制系統中理想的液位儀表。

圖1 投入式液位變送器Fig.1 Submersible level transmitter

3 針對具體工況的分析

樁腿MEG液位變送器工藝參數如表1。

表1 樁腿MEG液位變送器工藝參數Table1 Leg MEG liquid level transmitter parameters

針對上述工況，在具體設計過程中，要求此處的投入式液位變送器的傳感部分采用能抵御貧MEG腐蝕的316不銹鋼，IP68防護等級要求。傳感器與表頭之間的連接電纜也需長期浸入貧MEG溶液中，因此要求采用PTFE coating，并可承受950N的拉力，以保證長期垂入的情況下不產生機械拉伸損壞。變送器要求兩線制，4～20mA輸出，帶HART協議，變送器外殼為316不銹鋼，可抵御南海高溫高濕的鹽霧環境腐蝕。精度要求0.25級。

在實際安裝設計中，因為貧MEG輸送泵的泵頭也安裝于套管底部，為了使變送器處于穩定、無湍流的測量環境中，將傳感器固定于泵頭下方1m處，垂掛處理。為防止變送器與傳感器之間的電纜長期懸垂于套管內，機械強度受損，同時也防止其在套管內與貧MEG輸送泵的動力電纜、泵護管等設備纏繞，將電纜固定在泵桿上，隨泵逐級下入套管進行安裝固定。該電纜通過法蘭穿過并固定于套管頂部大法蘭，接入變送器接線盒，完成了整個安裝過程。

4 結束語

在本實例中，通過對液位儀表進行深入分析，選擇了合適形式的液位變送器，找到了測量樁腿MEG液位的有效渠道，對準確監控和確認工藝流程的實際情況有著重要意義。

[1]陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].第3版.北京:化學工業出版社,2000.

[2]《海洋石油工程設計指南》編委會.海洋石油工程電氣、儀控、通訊設計[M].北京:石油工業出版社,2007.