一、本文概述
天然氣作為清潔無污染且高效的燃料，在國民生產(chǎn)的能源占比中越來越重要，加之國內(nèi)天然氣氣源開發(fā)力度持續(xù)加大，對(duì)于天然氣采集，輸送、處理的工程中測量要求也提出更高的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際應(yīng)用的需求是促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步*強(qiáng)有力的推動(dòng)力，這種對(duì)于測量技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)也帶動(dòng)了液位測量儀表，流量測量儀表，自動(dòng)化控制設(shè)備的技術(shù)革新與進(jìn)步，可以明顯地感覺到，諸如天然氣集輸及處理工程中，天然氣集氣處理站、凈化廠內(nèi)工藝設(shè)備所用的液位測量儀表選型，種類也越來越多樣化，測量設(shè)備的性能也在提高。
液位儀表的檢測對(duì)象復(fù)雜、測量范圍變化大，需要考慮測量工況、儀表精度、介質(zhì)物性、用戶的要求和習(xí)慣、性能價(jià)格比等因素。天然氣設(shè)備及裝置具有高壓、腐蝕性強(qiáng)、易燃易爆等特點(diǎn)，對(duì)于這種情況，重點(diǎn)應(yīng)考慮液位儀表的測量范圍、介質(zhì)的腐蝕性、儀表的穩(wěn)定性、儀表的維護(hù)量等問題。本文就以延長氣山天然氣地面集輸工程的設(shè)計(jì)為例，就防霜磁翻板液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)和雙法蘭液位變送器的設(shè)計(jì)和選型應(yīng)用做簡要分析。
二、防霜磁翻板液位計(jì)
防霜磁翻板液位計(jì)是旁通管道式液體測量原理，由磁翻板和浮子兩部分組成。與容器相連的測量管(用非導(dǎo)磁的金屬制成)內(nèi)裝帶磁鋼的浮子，翻板指不標(biāo)尺貼著測量管壁安裝。當(dāng)液位上升或下降時(shí)，浮子也隨之升降，標(biāo)尺中的翻板受到浮子內(nèi)磁鋼的吸引而翻轉(zhuǎn)，從而指不出液位的高度121。
防霜磁翻板液位計(jì)作為浮力式液位計(jì)，主要技術(shù)性能和參數(shù)如下:
1)測量范圍:soo一6000mm,
2)精度:1lOmm(就地顯示)。
3)翻板指不刻度直觀醒目。
4)翻板指不與介質(zhì)充分隔離，密封性好。
5)可以配備報(bào)警開關(guān)和信號(hào)遠(yuǎn)傳裝置，前者做高低報(bào)警用，后者可將液位轉(zhuǎn)換成4-20mA電流信號(hào)送到接收儀表。
三、磁致伸縮液位計(jì)
磁致伸縮液位計(jì)的測量過程由電流脈沖來啟動(dòng)。該電流脈沖沿著磁致伸縮線產(chǎn)生軸向磁場，磁致伸縮線由具有磁致伸縮特性材料制成，它在測量管內(nèi)始終處于工作狀態(tài)。測量管外在液體表面的浮子中裝有永久磁鐵。當(dāng)電子脈沖發(fā)生器產(chǎn)生導(dǎo)波脈沖沿著磁致伸縮線與浮子中永久磁鐵磁場相互作用時(shí)，產(chǎn)生瞬時(shí)扭曲波力。扭曲波力在磁致伸縮線中受到感應(yīng)，在頂端處的變換器將此轉(zhuǎn)換成電流(4-20mA)信號(hào)。通過測量經(jīng)過的時(shí)間，可測定扭曲波力的始點(diǎn)，由此可精確測定浮子的位置。
磁致伸縮液位計(jì)作為一種新興的測量儀表，主要技術(shù)性能和參數(shù)如下:
1)測量范圍:對(duì)剛性測量管，不大于6m;對(duì)柔性測量管，范圍在3.5-20m之間。
2)精度高。分辨率高于0.01%，*小lmm,
3)無需實(shí)標(biāo)和重新校驗(yàn)，只需按按鈕或者使用HART協(xié)議。
4)無機(jī)械可動(dòng)部分，故無摩擦、無磨損，使用壽命長。
5)安裝簡單，易于維護(hù)。
6)可輸出4-20mA模擬量或數(shù)字量等遠(yuǎn)傳信號(hào)，帶HART協(xié)議或RS-485通信接口。7)可現(xiàn)場替換差壓式，電容式，超聲波式，雷達(dá)式，外浮筒式，鋼帶或鋼帶伺服式等液位變送器。
四、雙法蘭液位變送器
雙法蘭液位變送器屬于差壓式液位計(jì)，變送器傳送4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(帶HART)，24V直流供電。將液位變送器的正壓室與容器下部相連，將負(fù)壓室與容器的氣相空間相連，以平衡氣相壓力的靜壓作用。變送器法蘭直接與容器上法蘭連接，測量元件(金屬膜盒)經(jīng)毛細(xì)管與變送器的測量室相通。在膜盒、毛細(xì)管和測量室內(nèi)充有硅油，作為傳壓介質(zhì)，并使被測介質(zhì)不進(jìn)入毛細(xì)管與變送器，以免堵塞lal。如圖1所}o
根據(jù)流體力學(xué)的原理，測得差壓:4P=P2-P1=pHgH=4P/pg
式中:4P-測得差壓，P-介質(zhì)密度，H-液位高度。
被測介質(zhì)的密度已知，由上式可知，壓差與液位高度成正比，這樣就把測量液位高度轉(zhuǎn)換為測量差壓。
圖1雙法蘭液位變送器測量原理示意
雙法蘭液位變送器作為一種傳統(tǒng)的液位測量儀表，主要技術(shù)性能和參數(shù)如下:
1)精度:常規(guī)為調(diào)校量程的0.1%，可達(dá)0.05%,
2)結(jié)構(gòu)簡單，精度較高。
3)調(diào)試簡單，穩(wěn)定性好。
4)通過毛細(xì)管里的硅油進(jìn)行隔離，適用于測量腐蝕或粘稠介質(zhì)。
五、液位計(jì)的對(duì)比分析
4.1防霜磁翻板液位計(jì)和磁致伸縮液位計(jì)
兩種液位計(jì)都是利用物體在液體中的浮力來實(shí)現(xiàn)液位測量。
防霜磁翻板液位計(jì)與變浮力(浮筒)液位計(jì)、靜壓法(差壓)液位計(jì)、電特性(電容、射頻導(dǎo)納)液位計(jì)相比，不受介質(zhì)特性改變影響，可準(zhǔn)確指不液體表面位置;但不能克服“虛假”液位的影響。與其它類型(雷達(dá)、射線)液位計(jì)相比有*大的價(jià)格優(yōu)勢;但耐用性較差。與直接指不類(玻璃管、雙色)液位計(jì)相比具有指不清晰的特點(diǎn);但容易產(chǎn)生失磁使指不失效。
磁致伸縮液位計(jì)與傳統(tǒng)定浮力液位計(jì)所用的十簧管列陣轉(zhuǎn)換相比，具有元件數(shù)量少，故障低，維修簡單，轉(zhuǎn)換連續(xù)性好的特點(diǎn);但價(jià)格高。
4.2磁致伸縮液位計(jì)和雙法蘭液位變送器
1)原理比較
磁致伸縮液位計(jì)屬純電子產(chǎn)品原理。基木不隨壓力、組分及比重等變化而受影響，故非常準(zhǔn)確且穩(wěn)定。
雙法蘭液位變送器為差壓原理，默認(rèn)被測介質(zhì)比重不變。
2)結(jié)構(gòu)比較
磁致伸縮液位計(jì)無機(jī)械傳動(dòng)部件，主要替換部件為電子模塊，可靠性高。
雙法蘭液位變送器常規(guī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，無任何可動(dòng)或彈性元件，可靠性高。若配引壓管或毛細(xì)管，需要一定的維護(hù)。
3)調(diào)試標(biāo)定
磁致伸縮液位計(jì)無需現(xiàn)場實(shí)物標(biāo)定，通過電子模塊上的按鍵可以實(shí)現(xiàn)，無需定期標(biāo)定。
雙法蘭液位變送器調(diào)試相對(duì)簡易，可在液位檢測范圍內(nèi)任意進(jìn)行零點(diǎn)或量程的改變。但存在零位漂移現(xiàn)象，需定期標(biāo)定。
4)應(yīng)用比較
磁致伸縮液位計(jì)基木不受比重的影響。在*小比重確定的情況下，可長期保持穩(wěn)定精確的測量。但容易受靜電放電、射頻電磁場輻射、電涌沖擊和工頻磁場等的影響。
雙法蘭液位變送器適用面廣泛，可用于高溫高壓、iw粘度、強(qiáng)腐蝕性的工況，但受比重變化影響大。
5)經(jīng)濟(jì)性分析
磁致伸縮液位計(jì)一次性采購成木較高，但無需實(shí)物標(biāo)定和定期標(biāo)定，其調(diào)試成木較低;無機(jī)械可動(dòng)部件，維護(hù)成木低。
雙法蘭液位變送器一次性采購成木較低，適用于常規(guī)場合，但開車運(yùn)行備件多，后期運(yùn)行也需要備件。
六、液位計(jì)的選擇和應(yīng)用
5.1設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)
1)防霜磁翻板液位計(jì)和磁致伸縮液位計(jì)
a.當(dāng)液位計(jì)處于十?dāng)_強(qiáng)的磁場環(huán)境下時(shí)，浮子受的磁場力會(huì)疊加而導(dǎo)致消磁。所以，儀表安裝應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場環(huán)境。同時(shí)，液位計(jì)傳輸信號(hào)電纜應(yīng)遠(yuǎn)離電壓等級(jí)高的電力電纜，并保證信號(hào)線屏蔽層接地良好，液位計(jì)木身也需要做好接地。
b.在電涌沖擊等十?dāng)_性的場合，可在現(xiàn)場儀表一端加裝電涌保護(hù)器或防雷端子板。
c.當(dāng)用于測量界面時(shí)，兩種介質(zhì)的密度應(yīng)恒定，且相對(duì)密度差不應(yīng)小于0.2,
d.防霜磁翻板液位計(jì)適用于精度要求不高的設(shè)備就地液位測量。
2)雙法蘭液位變送器
雙法蘭液位變送器在生產(chǎn)的時(shí)候經(jīng)常需要進(jìn)行特殊環(huán)境的工藝處理，并要求耐高溫、耐腐蝕以及高過載承受能力，所以在選型的時(shí)候一定要明確適用范圍。
a、對(duì)于有腐蝕性的介質(zhì)，要注意變送器檢測元件的材質(zhì)選擇，可選擇316不銹鋼、哈氏合金或鎳基合金等。
b、壇粘稠性液體、結(jié)屏，性液體、結(jié)膠性液體、沉淀性液體、含懸浮物液體及易凝固液體的液位測量，宜選用插入式法蘭液位變送器。
c、當(dāng)用于測量界面時(shí)，兩種介質(zhì)的密度應(yīng)恒定，且相對(duì)密度差不應(yīng)小于0.1。另外，上部介質(zhì)的上液面應(yīng)始終高于上部取壓口。
d、對(duì)于在環(huán)境溫度下，液相可能汽化、氣相可能冷凝或氣相有液體分離的工藝介質(zhì)，應(yīng)根據(jù)具體情況分別設(shè)置隔離器、分離器、汽化器、平衡容器等部件或?qū)y量管線伴熱、絕熱保溫。
e、由于密度變化直接影響到測量結(jié)果，所以適用于密度比較穩(wěn)定的過程。
5.2液位計(jì)的選擇和應(yīng)用
延長氣山天然氣地面集輸工程為產(chǎn)能建設(shè)項(xiàng)目，井口采氣輸送至集氣站，在集氣站實(shí)現(xiàn)氣液分離、天然氣計(jì)量并外輸至凈化廠，于凈化廠對(duì)濕原料氣進(jìn)行MDEA脫碳、三甘醇脫水處理后得到十凈化氣，達(dá)到二類氣標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)入長輸管線進(jìn)行輸送。
集氣站內(nèi)設(shè)備主要有分水包、甲醇儲(chǔ)罐、火炬分液罐、生產(chǎn)分離器和污水罐等，介質(zhì)成分主要是天然氣和污水混合物，或者含甲醇污水，介質(zhì)溫度均不高于500C，壓力*高6.3MPa，且介質(zhì)無腐蝕性;凈化廠內(nèi)設(shè)備主要有原料氣分離器、聚結(jié)過濾器、MDEA吸收塔、MDEA溶液儲(chǔ)罐、儀表風(fēng)儲(chǔ)罐、火炬分液罐、消防水罐等，介質(zhì)成分主要是含油污水、MDEA溶液、天然氣凝液、輕烴、酸水等，介質(zhì)溫度均不高于1000C，壓力*高6.3MPa，個(gè)別介質(zhì)有較輕的腐蝕性。
根據(jù)以上介質(zhì)的條件，以及工藝檢測和控制的要求，液位計(jì)分別選擇如下:
1)對(duì)集氣站內(nèi)的分水包、甲醇儲(chǔ)罐、火炬分液罐等設(shè)備，介質(zhì)溫度不高，壓力較低，無腐蝕性，工藝要求液位進(jìn)行就地顯不。根據(jù)延長一期的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和業(yè)主要求，選擇玻璃板液位計(jì)作為液位就地指不儀表。玻璃板液位計(jì)為直接式液位測量儀表，現(xiàn)場觀察方便。應(yīng)用實(shí)踐證明，在潔凈介質(zhì)的液位測量上效果較好，且價(jià)格較低，得到了用戶的認(rèn)可。
2)對(duì)集氣站內(nèi)的生產(chǎn)分離器和污水罐等設(shè)備，介質(zhì)溫度都在30℃以下，壓力*高6.3MPa，工藝要求液位就地顯不，并將信號(hào)遠(yuǎn)傳至控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和控制，選擇磁致伸縮液位計(jì)進(jìn)行檢測遠(yuǎn)傳，配套磁翻板進(jìn)行就地指不。就地和遠(yuǎn)傳儀表合二為一，既滿足了工藝要求，又降低了投資。且磁致伸縮液位計(jì)精度高，滿足控制的要求。磁致伸縮液位計(jì)安裝完成，進(jìn)行調(diào)試后，維護(hù)工作量較小。且操作人員不直接接觸設(shè)備，減少了操作人員和危險(xiǎn)介質(zhì)接觸的機(jī)會(huì)，綜合費(fèi)用低，性價(jià)比高。
3)對(duì)凈化廠內(nèi)的設(shè)備，因設(shè)備種類較多，介質(zhì)密度相對(duì)穩(wěn)定，液位高度差別較大，以及安裝形式的不同，選擇防霜磁翻板液位計(jì)作為液位就地指不儀表，選擇雙法蘭液位變送器作為液位檢測遠(yuǎn)傳儀表。對(duì)于個(gè)別有輕微腐蝕性的介質(zhì)，接液材質(zhì)選擇316或316L不銹鋼。防霜磁翻板液位計(jì)雖然精度不高，但結(jié)構(gòu)簡單，用作就地指不型液位儀表，觀察方便，維護(hù)工作量少。雙法蘭液位變送器結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣泛，安裝和運(yùn)輸都比較方便，且精度較高，滿足檢測和控制的要求。凈化廠大多數(shù)液位計(jì)盡量考慮同一種類型，有助于儀表的后期標(biāo)定和維護(hù)。
七、結(jié)束語
綜上所述，液位計(jì)發(fā)展到**雖然已經(jīng)日趨成熟，但每種液位計(jì)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和不同的適用范圍。設(shè)計(jì)選型時(shí)，要根據(jù)不同的工況，從儀表的測量范圍、穩(wěn)定性、介質(zhì)腐蝕性、維護(hù)量以及經(jīng)濟(jì)成木等多角度分析，同時(shí)，要考慮到用戶的要求和使用習(xí)慣，選擇合適的液位儀表，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和測量精度。相信隨著科技的發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)的積累，各種液位測量技術(shù)將會(huì)越來越成熟。