吹氣法測液位在海上石油平臺的應用

劉振青，安 超，姚仲坤

（中海石油中國有限公司蓬勃作業公司，天津 300459）

0 引言

液位測量與壓力、溫度、流量測量一樣，是工業領域最常見的測量參數之一，測量的液位值可直接用于控制或報警，配合其他流程設備，可實現液位的精確控制。

測量液位的儀表統稱為液位計，液位計的類型有音叉振動式、磁浮式、壓力式、超聲波、聲吶波，磁翻板、雷達等。在不同的液位測量場合，需要匹配不同的液位計，只有正確選型液位計才能保證液位測量的準確、穩定，因此液位計的選型工作十分重要，需要充分考慮被測流體介質的物理性質、化學性質、流程特性以及罐體的形式、液位測量的精度要求等。除此之外，經濟性、維護成本也是選型中需要重點考慮的因素。

1 海上石油平臺液位計的應用

海上石油平臺遠離陸地，除采油流程、油氣水處理流程需要用到液位測量外，生產生活支持裝置和設備也需要測量液位，比如生活污水處理裝置的緩沖罐、分油機的排渣罐、淡水罐等。

生活污水處理裝置是將生活產生的廢水進行多步無害化處理，確保水質達標后達排海，起到保護海洋環境的重要作用。生活污水處理裝置的緩沖罐是收集生活廢水的罐體，該罐體的液位計為浮球式液位開關，包括高液位開關和低液位開關；當高液位開關動作后，控制流程啟動處理生活污水；當液位低開關動作后，控制處理流程停止。在實際使用過程中，由于生活污水緩沖罐體內的廢水包含糞便等固體雜質，這些固體雜質極易附著在液位開關的浮球上，造成液位控制失效，維護工作量高。

分油機采用離心原理，可以除去柴油中的水分及雜質，為發電機提供清潔的燃油，分油過程產生的雜質和水分排放到排渣罐。排渣罐罐體采用音叉式液位開關控制排渣泵的啟停，控制邏輯與生活污水處理裝置類似。在實際使用過程中，音叉式液位開關穩定性高、故障率低、測量準確，但價格昂貴。

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

2 吹氣法測液位的基本原理

吹氣法測液位是一種非常經典的液位測量方式，測量方法簡單可靠，對于一些特殊工況下的液位參數，用雷達、超聲波等儀表測量比較困難且不準確，而用吹氣法測量會取得非常好的效果，特別適用于被測介質具有腐蝕性、放射性、引壓管易堵塞、敏感部件易被粘附等特殊情況。

吹氣式液位計可以理解為非接觸式液位測量儀表，可對敞口或密閉容器內的液體液位進行測量。除吹氣管與被測介質接觸外，吹氣裝置和差壓變送器測量元件均不與被測介質接觸，從而保護測量元件，減少儀表的維護量，增加測量的可靠性。因吹氣裝置可保證恒定流量氣體輸出，差壓變送器測得的壓力就能夠自動跟隨吹氣管出口壓力的變化，因此差壓變送器輸出的信號就與介質液位高度成對應關系。

2.1 測量原理

吹氣式液位計主要由吹氣裝置、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過可調減壓裝置（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被測液位高度而定）減壓，保證吹氣入口壓力恒定。潔凈的空氣再經吹氣管路吹入被測液體中，恒定流量的氣體從插入液體的吹氣管下端口逸出，鼓泡并通過液體排入大氣。當吹氣管下端有微量氣泡（＜150 個/min）排出時，吹氣管內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 節流組件

吹氣式液位的原理簡單，但對氣泡的鼓出速度有要求，氣泡鼓出越快，吹氣管內的壓力與吹氣管出口的壓力差就越大，測量就越不精確；氣泡鼓出速度越慢，吹氣管線內的壓力與吹氣管出口壓力越接近，液位測量值就越接近真實值。因此，在吹氣法運用過程中，吹氣量控制非常重要，最為關鍵的元件是流量調整組件。一般可選用針閥或轉子流量計作為限流組件。

3 實際改造應用

結合吹氣法測液位的優勢以及海洋石油平臺設備的實際液位控制要求，平臺人員先后將吹氣法測液位的方式用于分油機排渣罐以及生活污水處理緩沖罐。

3.1 分油機排渣罐

分油機排渣罐為常壓罐體，罐體內為分油機去除的柴油中的水分及雜質，為降低備件采購費用，對分油機排渣罐的液位開關進行改造。

3.1.1 優化改造背景

分油機排渣罐有4 個液位開關，其中高、低液位開關用于液位控制，高高液位開關trip 分油機，低低液位開關trip 分油機排渣罐的加熱器。隨著使用年限的增加，高液位開關故障是無法正常指示液位，造成排渣泵無法按照預設邏輯運行，從而限制分油機的使用。

原型號的液位開關為英國莫博雷公司（MOBREY）生產的音叉式液位開關，型號為TE2HR1FYE，采購價約10 萬元，采購周期至少半年。平臺分油機排渣罐安裝4 個該類型的液位開關，其中控制泵啟動的H 液位開關故障只能將其強制，等待備件期間排渣泵頻繁啟停。

為盡快恢復排渣罐的液位控制，保證分油機的可靠運行，CPC 儀表采用用吹氣法測液位的方式對分油機排渣罐的液位控制進行改造。

3.1.2 選型思路

音叉式液位開關，由罐體頂部通過法蘭接入，延長桿的長度不同，所測的液位也不同，因此可以實現HH、H、L、LL 液位的測量，從而控制排渣泵啟停，顯然上述控制對液位測量的精度要求不高，同時原裝的液位開關不屬于通用備件（整個油田僅在RUP 分油機采用），且該備件在中海油主數據管理平臺中也沒有相關信息，因此單獨申請材料號去購買一個型號特殊、價格昂貴、采購周期長、無特殊功能的備件不經濟，因此考慮對液位開關進行優化改造，選型思路如下：①現場空間有限，且罐體未預留法蘭接口，靜壓式、磁致伸縮式液位計無法安裝；②排渣罐高只有600 mm，HH 和LL 只有300 mm 差值，浮球式液位開關的行程無法滿足，且排渣罐內液體除了水還有灰塵、油泥等雜質，浮球容易附著污物而測量不準確，定時清理增加了維護工作量；③排渣罐有呼吸孔，液體有雜質，對液位的精度要求不高。

綜合考慮控制要求、安裝方式、價格、維護量等方面后，決定采用吹氣法測液位，配備變送器。

3.1.3 改造實施

雖然一個液位變送器足以實現控制所有液位邏輯的功能，但未故障的液位開關可以作為備用，核驗優化改造的結果，甚至在極端情況下無儀表氣，吹氣法測量液位無法使用時，仍需要液位開關來控制。HH 液位開關用于關停分油機，防止渣罐冒罐不做修改；LL 液位開關用于關停加熱器防止干燒；上述兩個液位開關及相應控制保持原狀不進行修改。

剩下的1 個L 液位開關顯然不能實現泵的啟停控制，但如果將該液位開關墊高100 mm，該液位開關所測液位與原H 液位開關相同，也就是說可以變為H 液位開關，因此制作100 mm高的短節塊，將L 液位開關接入原H 液位開關通道，當該液位開關動作后，泵會啟動，運行300 s 后停止，該時間T 通過計算獲得：罐的容積V=600 L，罐的高度H=600 mm，原H、L 液位開關高度差h=100 mm，即每次啟泵需要抽下100 mm 高度，泵的排量Q=1200 L/h，因此泵運行的時間T=（V×h/H）/Q=300 s。

綜上，排渣泵有液位變送器控制和液位開關控制兩種啟停方案，兩種方案并行，任何一種方案觸發啟泵邏輯泵均會啟動，增加了可靠性。

同時，由于不存在L 液位開關，若泵排量異常大或吹氣法測液位設定的停止值小于200 mm，會造成液位低于LL 液位開關。為了避免此種情況，將LL 液位開關用于泵的停止邏輯中，一旦該開關動作就會立即關停泵。

3.1.4 改造效果評價

吹氣法測常壓罐液位在油田是首次使用，經過兩年的觀察，液位控制穩定。吹氣法液位變送器投用后，平臺人員關注分油機排渣罐液位超半年，期間液位被準確地控制在45%～55%。且H液位開關和LL 液位開關無報警記錄，進一步驗證了吹氣法測液位的穩定性。

3.2 生活污水處理裝置緩沖罐

平臺生活污水（黑水、灰水）處理裝置又稱STU，污水中的固體雜質經過粉碎、電解后達標排放，緩沖罐的液位變松器控制粉碎泵的啟停，當液位變送器測量不準確或故障后，容易造成冒罐，污染環境。平臺1#生活污水處理裝置采用浮球式液位開關控制液位，此類型的液位計容易粘附固體雜質而造成無法正常漂浮指示液位，且浮球長期浸泡在水中，容易進水短路；平臺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造成讀數不準確。

平臺人員依托分油機排渣罐液位改造的成功經驗，先后利用吹氣法原理對上述兩套設備進行了液位控制改造，3#生活污水處理裝置吹氣法液位變送器已經投用兩年多，1#STU 吹氣法液位變送器投用已超過半年，均可以十分穩定可靠地控制液位，保證了生活污水處理裝置的正常運行。

3.3 調試步驟

（1）吹氣裝置、差壓（壓力）變送器和吹氣管現場安裝完成后，應確保整個吹氣系統的氣密性。吹氣系統的泄漏將給測量結果帶來較大的誤差。

（2）用戶首先接通差壓（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，調整差壓（壓力）變送器的零點。

（3）將吹氣管插入被測介質，待吹氣管末端連續、穩定地吹出氣泡時，觀察差壓（壓力）變送器的示值與液位高度的對應關系是否一致和輸出是否穩定、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應關系正常，即可投入運行。

3.4 鼓氣量控制

分油機排渣罐液位和生活污水處理裝置緩沖罐的液位，在實際生產應用中不能過低，也不能冒罐；但同樣對液位的精確控制要求較低，因此對鼓氣量的控制要求并不嚴格。在設計過程中，采用儀表針閥加轉子流量計控制。投用前將吹氣管線接入清水中，通過氣泡計數確定出氣量，鼓泡小于150 個/min，即滿足需要。

對于精度要求較高的場合，可以使用金屬轉子流量計來精確地控制鼓氣量。

4 結束語

針對海洋石油平臺兩種不同功能的罐體液位控制中存在的問題，在摒棄原有液位控制開關的基礎上，通過合理化改造，實現同等液位控制的同時，維護檢修成本顯著降低，且液位數據可引入中控系統，方便操作人員實時查看液位并記錄歷史趨勢。

吹氣法精確測量液位系統結構簡單、使用方便，最適合具有腐蝕性、含有懸浮顆粒液體的液位測量。雖然只用適用于靜壓不高、精確度要求不高的場合，但卻十分適用于平臺STU、開排液位控制的優化，有著廣闊的應用前景。