液位類儀表在寒冷地區天然氣凈化廠的應用

孟凡麗, 王遠江, 田建軍

（1.中國石油工程建設有限公司 西南分公司，成都 610041；

2.中國石油集團測井有限公司 吐哈分公司，新疆維吾爾自治區 吐魯番 838202）

0 引言

隨著國內外油氣田的不斷開發及利用，各種先進、安全、合理的控制方案不斷應用于各天然氣凈化廠及類似工程，但一座廠站安全、平穩、高效地運行不僅僅取決于此，現場儀表設備的選型及安裝也至關重要，將直接影響到整個系統的運行及后期工廠工作人員的操作、維護及管理。

對于環境溫度低于零度的寒冷地區，用于測量環境溫度下易凍結的濕氣或液體介質的現場儀表設備，一般應設置保溫伴熱措施，這部分儀表設備在冬季運行的好壞一定程度上受制于保溫伴熱的效果，更嚴重的可能引起控制回路故障、裝置運行受阻。因此，在寒冷環境下盡量選取不需伴熱或伴熱部位較少的儀表設備，一方面減少了外部環境對現場檢測元件測量結果的影響，提高了測量精度；另一方面也減少了全廠能耗，更減少了工廠維護人員的工作量。

長嶺氣田地面建設工程廠址位于吉林省松原市，冬季最低環境溫度為-39℃，主要包括集氣、脫碳、脫水、凈化、二氧化碳增壓、二氧化碳干燥裝置，還包括了供熱裝置、水處理各裝置、儲罐及裝車系統等公用工程及其它輔助生產設施，其液位類儀表主要設置于各類過濾/分離器、塔、儲罐及水池上。根據工藝生產要求，同一設備一般設置就地顯示儀表及遠傳儀表兩種類型，以便于現場就地觀測、操作及中控室遠程監控，同時可對現場兩種液位計進行對比，了解設備真實液位情況。

1 液位測量儀表的分類及選擇

按照測量方法不同，液位測量儀表主要分為：直接式液位測量儀表（玻璃板（管）式液位計）、差壓式液位測量儀表（壓力式、吹氣式、差壓式液位計）、浮力式液位測量儀表（浮球式、浮筒式、磁性翻板式液位計）、電氣式液位測量儀表（電接點式、磁致伸縮式、電容式液位計）、超聲波液位測量儀表、雷達液位計、放射性液位計等[1,2]。

液位儀表的選擇應根據介質的特性、操作條件、測量范圍以及對精度的要求、外部環境的影響等因素綜合考慮，同時結合概預算的情況，適當選擇。但作為一個整體工程，全廠儀表的選型在可能的情況下盡量統一，減少種類，以減少備品備件，便于管理。

1.1 就地顯示液位計

目前，天然氣凈化廠常用的就地液位計一般選用玻璃板式液位計及磁浮子液位計兩種，在寒冷地區兩種液位計的取樣閥及筒體均需全部保溫伴熱。常規玻璃板式液位計受介質潔凈度影響較大，介質較臟的情況下不便于現場觀測，磁浮子液位計現場觀測不受介質潔凈度的影響，并可在不增加設備開口的情況下，外夾磁致伸縮變送器將液位信號上傳至中控室控制系統，進行顯示及報警。因此，長嶺氣田凈化廠就地液位儀表除去高溫部分選用玻璃板液位計外（高溫可導致磁浮子消磁），其余部分基本全部選用磁浮子液位計。

1.2 遠傳液位計

對于過程檢測及控制的遠傳液位儀表，天然氣凈化廠中常用的有浮筒液位計和差壓式液位計。差壓式液位計結構簡單、精確度高、測量范圍寬、穩定性好、線性、便于安裝與維護，便于運輸，價格也優于浮筒液位計[3]。浮筒的測量范圍一般宜選在2000mm以內，但差壓式液位計測量范圍很寬。因此，長嶺氣田凈化廠各類帶壓的分離設備、塔、儲罐上安裝的基本全部為差壓式液位計。液位變送器現場液晶指示器選取耐-40℃環境低溫的材質，以保證裝置運行時巡檢人員的正常巡視。

目前，各凈化廠常用的承壓設備上所用的差壓式液位計主要有傳統式的差壓液位變送器和膜片式的雙法蘭差壓變送器。傳統式差壓液位變送器是利用容器內的液位改變時，由液柱產生的靜壓也相應變化的原理來進行液位測量的。膜片式雙法蘭差壓變送器由壓力測量膜片、過程連接件、毛細管、填充液和差壓變送器組成，液位產生的壓力由測量膜片經毛細管中的填充液傳遞給變送器，經變送器轉換成電流信號輸出。

圖1 差壓液位變送器Fig.1 Differential pressure liquid level transmitter

圖2 膜片式雙法蘭差壓變送器Fig.2 Diaphragm type double flange differential pressure transmitter

安裝方式如圖1、圖2所示。

其中，ρ1：被測介質密度；ρ2：隔離液密度；ρ3：毛細管中填充液密度。

差壓液位變送及雙法蘭差壓變送器計算結果為：

計算量程：

總遷移量：

圖3 差壓變送器伴熱圖Fig.3 Heat tracing diagram of differential pressure transducer

圖1中，差壓液位變送器需設置隔離罐，其中要充滿隔離液，因受被測介質溫度或外界其他因素的影響，裝置實際運行中有可能造成隔離液損失（H1減小）或隔離液中進入其他組份致使其密度特性發生變化（ρ2變化），最終會造成差壓變送器零點漂移，測量差壓不準，導致最終測量液位誤差較大；另外當介質不潔凈含有雜質時，也可能造成引壓管線堵塞，致使測量結果出現偏差。同時，在裝置實際運行中，外觀無法判斷隔離液是否損失，如損失，必須及時填充，在操作上也比較麻煩。

圖2中，膜片式雙法蘭差壓變送器的毛細管中的填充液（ρ3），與被測介質完全隔離，不存在損失及介質污染、引壓管線堵塞的問題，測量穩定。該儀表在測量介質具有雜質、腐蝕性、粘度大、易結晶、易氣化、易凝固的液體[4,5]的液位測量上更具優勢。

傳統式差壓液位變送器雖然是一項成熟的技術，但受介質工況條件、實際安裝及外部環境影響較大，而膜片式雙法蘭差壓變送器很好地解決了這些問題。

對于常壓罐可選用膜片式單法蘭差壓變送器或雷達液位計，水池上可選用浮力式液位計和雷達液位計。

寒冷環境下，圖1中與被測介質及隔離液接觸的所有管線均需要保溫伴熱，且需要保證伴熱效果。如果保溫伴熱稍不穩定，就可能造成直徑較小的引壓管線的某一部分凍堵，致使測量結果失效，影響裝置平穩及安全運行，而圖2中雙法蘭毛細管中的填充液種類較多，可根據環境溫度或介質溫度的不同而選取不同種類。長嶺工程選取了可耐-40℃低溫的硅油，所以在冬天寒冷天氣情況下，毛細管部分不需要保溫伴熱，僅需將取樣球閥處保溫伴熱即可。保溫伴熱圖如圖3、圖4所示。

圖4 膜片式雙法蘭差壓變送器伴熱Fig.4 Heat tracing of diaphragm type double flange differential pressure transmitter

2 液位類測量儀表取源口位置的設計及儀表安裝

液位類儀表取源口的位置，首先應滿足工藝要求的測量范圍，能夠涵蓋最高到最低液位，選在液位變化靈敏，且檢測元件不應受物料沖擊的位置。直接式液位測量儀表、浮力式液位測量儀表、電氣式液位測量儀表在設備上的上下取源口應在同一垂直面上，但差壓式測量儀表上下取源口不受此限制，可不在同一垂直面上。

差壓變送器測量液位時，儀表安裝高度不應高于下部取源口，膜片式雙法蘭差壓變送器安裝位置不受取源口位置的限制，可安裝在任何高度[6]。

雖然膜片式雙法蘭差壓變送器安裝在任何高度對測量結果沒有影響，但是如果液位測量范圍不大的情況下，建議其儀表安裝高度最好也不高于下取源口，是因為當安裝高于下部取壓點時，正膜盒在空罐或者罐是負壓的時候受壓非常大，容易將正膜盒壓變形，變形之后膜盒的線性就會發生變化，零點漂移較大[7]，導致測量不準確。但當液位測量范圍較大時，且罐體空罐極少的情況下，為減小毛細管的長度，膜片式雙法蘭差壓變送器可安裝在上下取源口中間位置。因毛細管較細且長，安裝時需對其進行保護固定，盡量借助設備上的各種支撐或單獨設置支架固定，過長的毛細管需繞成圈捆扎后固定好。

儀表安裝位置盡量靠近爬梯或者安裝于操作平臺上，便于巡檢及維護。罐體間如果設置有罐間閥室，儀表檢測設備盡量安裝在閥室內。

3 儀表的保溫伴熱

3.1 伴熱

用于測量環境溫度低于0℃的易凍結的濕氣或液體介質的現場儀表設備，應設置保溫伴熱措施。伴熱方式一般有3種：蒸汽伴熱、熱水伴熱、電伴熱。

蒸汽伴熱優點是升溫速度快，伴熱范圍較大，基本不受管線長度影響。缺點是管路安裝不方便，特別是復雜管線及不規則設備的場合，且溫度較難控制，對于小口徑管線和復雜管線，伴熱管要繞來繞去，使用時間一長彎頭處容易泄露，冬季需要大量人力物力來維護。

熱水伴熱跟蒸汽伴熱差不多，其缺點還有溫升較慢，伴熱范圍小；另外，冬季還要考慮它的防凍防凝、裝置停車倒空問題。

電伴熱優點是升溫速度快，發熱均勻，可以遠控，控溫準確，安裝簡便、可靠性高，電伴熱無泄漏，有利于環境保護，特別適合小口徑或復雜管線及不規則設備的伴熱；缺點是一次性投資較高。

液位計本體及液位類儀表取樣閥、自控閥門如果用蒸汽伴熱，一般需要選擇夾套式結構，項目成本增加較大。另外，用于儀表設備的安裝管線口徑都比較小且安裝不那么規則，彎點較多，蒸汽伴熱或熱水伴熱容易出現凍堵及泄漏情況，冬季維護起來較困難。故長嶺項目伴熱方式選用電伴熱。

隨著科技的發展，相較蒸汽伴熱及熱水伴熱，電伴熱產品越來越多的應用于各行各業中。

3.2 保溫伴熱的安裝方式及施工

對于熱流體（如蒸汽、熱水或其它高溫物料）及冷流體的儀表檢測系統，應采用絕熱保溫。當采用絕熱保溫方式可保證儀表和管線正常工作時都應該采用絕熱保溫，不必伴熱[8]，但采用了管線伴熱或電伴熱的場所都應進行保溫。

電伴熱線的纏繞方式應盡可能使散熱體必要時可以拆除進行維修或更換而不損壞伴熱線或影響其它線路，設備上及口徑稍大的管線一般采用螺旋纏繞，口徑很小的儀表引壓管線可采用與管線平行敷設。平行敷設時，電伴熱線盡量安裝在管線側面或側下方。

電伴熱線施工測試后，應立即進行保溫層的安裝，施工時必須確保保溫材料的干燥。

4 結論

液位的測量在天然氣凈化廠生產過程控制中占有重要的地位，液位測量的穩定，可使生產達到高效、優質、低耗，同時也是確保生產安全運行的必要條件。

液位測量儀表選擇種類較多，但應結合實際的使用環境，根據介質的特性、操作條件、測量范圍以及對精度的要求、概預算的情況，適當選取。