投入式液位变送器在海上平台的设计与应用

      科技的进步带来经济的发展，经济的发展推动科技的革命。对于能源行业来尤为明显，目前世界范围内对于石油天然气资源的需求越来越迫切，同时更多的油气资源也被开发出来供应市场，但市场需求与供给端的予盾仍旧突出。对于深海的石油来说，其特点是储量大，油品好，受到各大石油企业的追捧，纷纷加速进军深海的步伐；中国海油也不甘落后，在南海开发了中国*先个深水气田--南海深水天然气开发项目。
　　在南海深水天然气开发中,为了抑制长距离海管输送过程中天然气水合物的产生，需要在平台上存储1500m3贫MEG（乙二醇）溶液供流程使用。在设计过程中，由于深水气田平台空间极度紧张，重控也达到临界值，布置一个储罐单独储存MEG溶液将对总体和结构**带来很大困难。在此情况下，设计方研究出利用平台桩腿作为容器，存储MEG溶液的方案。同时，紧贴桩腿设置一个套管，底部与桩腿相连，把MEG输送泵下入套管底部，将MEG溶液抽取到平台上。
　　上述方案作为一项技术创新，很好地解决了乙二醇的储存问题，节省了平台空间，减少了平台重量。但另一个技术问题也随之而来：为了不破坏桩腿结构，MEG的注入、抽取等工作均需在与桩腿连通的套管上进行，液位测量也需在此处完成。在此工况下，既需要确保液位测量的准确性，保证量程和精度，又要考虑在此特殊位置进行安装的可行性和可维护性，液位变送器的选型变成一个迫切需要解决的问题。
设计方通过针对特殊工况下液位仪表的选型分析，终确认采用投入式液位变送器，随泵一起安装，解决了测量和安装这两个难点，保证了精确的液位测量。
本文从海上平台桩腿内MEG液位测量的需求出发，结合各类变送器的原理、能力和特点，针对具体工况进行设计选型，说明了投入式液位变送器在海洋平台上特殊工况下的适用性。同时，结合生产实际，对投入式液位变送器特殊的安装方式进行研究，给出具体的解决方案，从而满足现场需求。
 
　　1 液位变送器选型分析
　　在南海石油平台上，常年处于高盐雾、强腐蚀的自然环境，对现场仪表的可靠性、防护等级、防爆等级、材质等均有较高要求，一定程度上给仪表选型设计增加了难度。目前，海洋平台上常用的液位仪表类型有压力式、雷达式、超声式、浮子式、磁子式等类型。在液位仪表的选型过程中，需要从液位仪表的测量范围、测量精度、实际安装需求等方面出发，全面分析，综合判断，选定适用的液位仪表。下面针对本文所述的具体工况，对各类变送器展开详细分析，确认佳形式。
　　此处液位测量的需求为测量直径0.5m，长度近100m的套管内MEG溶液的液位，该套管深入水下80m，与桩腿焊接，液位仪表的量程范围为0~100m。如选用侧装式液位变送器，如浮子式、磁子式，经过咨询厂家，暂无量程可满足需求的此类产品。并且，在水下80m处的套管上开孔并安装法兰，对套管结构、防腐等方面也提出更高的要求，且法兰连接处成为新的泄漏点，增大了项目风险。因此，不推荐使用浮子式、磁子式液位变送器及需要套管底部开孔的差压式液位变送器。
　　如果采用外贴式安装形式，如外贴超声波液位变送器，需要考虑液位变送器常年浸入海水中，面临海水腐蚀、海流冲刷等恶劣环境，并由此带来液位变送器材质昂贵，安装困难的问题，不宜选择合适的产品。因此，不推荐外贴式液位变送器。
　　从安装便利性考虑，顶装式液位变送器比较适合。对于雷达式和超声波式液位变送器，均要求液面与发射口之间无干扰物，但此处套管内径仅0.5m，长100m且套管内有电缆，MEG提升泵护管、管卡等设施，会影响雷达式和超声波式液位变送器的测量精度。因此，这两种类型的液位变送器也不适用于此处工况。
隶属于压力类液位仪表的投入式液位变送器，可采用顶装式安装，将测量传感器固定于套管底部，通过电缆将静压信号传输至固定于套管顶部的表头，并将其变送为标准4~20mA电信号，再传输至中控进行检测，可以很好地解决这个技术问题。因此，成为此处MEG液位测量的佳选择。
 
　　2 投入式液位变送器的原理及特点
　　投入式液位变送器是基于所测液体静压与该液体高度成正比的原理，采用扩散硅或陶瓷敏感元件的压阻效应，将传感器接收的静压转换成电信号，经过变送器的温度补偿，并进行一定的线性校正，转换成4~20mA标准电流信号输出，并可通过仪表电缆连接至控制系统，进行检测和控制[1]。
　　当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为
　　P=ρ.g.H。式中
　　P ：变送器迎液面所受压力
　　ρ：被测液体密度
　　g ：当地重力加速度
　　如果被测液体密度一定，已知当地重力加速度和静压值P，根据公式即可计算出传感器所处位置的液体深度H。
　　投入式液位变送器具有**的量程范围，在0.3~100m之间可供用户自由选择，根据需求定制，且具有2倍超载能力，对工况波动具有相当强的适应能力。其传感器材质有多种选项，304、316不锈钢传感器适用于水及一般非腐蚀性介质，陶瓷材质膜片、哈氏C合金膜片适用于各种腐蚀性介质。该变送器具有很高的测量精度，准确度等级可达0.1级，并有0.25级、0.5级、1级等多种选择。防护等级可达IP68级，可保证传感器长期浸入被测介质中而不损坏。仪表可输出二线制4~20mA/三线制1~5VDC标准电流电压信号，有HART协议。投入式液位变送器的传感器部分可直接投入到液体中，变送器部分可用法兰或支架固定，安装使用极为方便。可用于城市给排水，水处理厂、水库、河流、海洋、储油罐及石油、化工、电力等部门的液位测量，被测介质可以是水、油、酸性、碱性及粘稠性液体。综上，投入式液位变送器具有技术、精度高、质量稳定可靠、安装使用方便等优点，是一种过程检测控制系统中理想的液位仪表。
　　图1 投入式液位变送器


 
　　3 针对具体工况的分析
　　桩腿MEG液位变送器工艺参数如表1。
针对上述工况，在具体设计过程中，要求此处的投入式液位变送器的传感部分采用能抵御贫MEG腐蚀的316不锈钢，IP68防护等级要求。传感器与表头之间的连接电缆也需长期浸入贫MEG溶液中，因此要求采用PTFE coating，并可承受950N的拉力，以保证长期垂入的情况下不产生机械拉伸损坏。变送器要求两线制，4~20mA输出，带HART协议，变送器外壳为316不锈钢，可抵御南海高温高湿的盐雾环境腐蚀。精度要求0.25级。在实际安装设计中，因为贫MEG输送泵的泵头也安装于套管底部，为了使变送器处于稳定、无湍流的测量环境中，将传感器固定于泵头下方1m处，垂挂处理。为防止变送器与传感器之间的电缆长期悬垂于套管内，机械强度受损，同时也防止其在套管内与贫MEG输送泵的动力电缆、泵护管等设备缠绕，将电缆固定在泵杆上，随泵逐级下入套管进行安装固定。该电缆通过法兰穿过并固定于套管顶部大法兰，接入变送器接线盒，完成了整个安装过程。
 
　　4 结束语
　　在本实例中，通过对液位仪表进行深入分析，选择了合适形式的液位变送器，找到了测量桩腿MEG液位的有效渠道，对准确监控和确认工艺流程的实际情况有着重要意义。

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