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摘要：闡述了天然氣集輸及處理站場(chǎng)中幾種典型液位計(jì)的基本原理、特點(diǎn)和典型配置，以及在天然氣集輸及處理站場(chǎng)中的應(yīng)用，在幾種液位計(jì)進(jìn)行比較后，以延長(zhǎng)氣田天然氣地面集輸工程中集氣站和天然氣凈化廠的設(shè)計(jì)為例，簡(jiǎn)要分析了液位計(jì)的選型和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：液位測(cè)量；磁翻板；磁致伸縮；雙法蘭；液位計(jì)；變送器

0引言

隨著國(guó)內(nèi)天然氣氣源的陸續(xù)開(kāi)發(fā)，在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(cè)量?jī)x表選型，種類(lèi)越來(lái)越多樣化。

液位儀表的檢測(cè)對(duì)象復(fù)雜、測(cè)量范圍變化大，需要考慮測(cè)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(cè)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(wèn)題。下面以延長(zhǎng)氣田天然氣地面集輸工程的設(shè)計(jì)為例，就磁翻板液位計(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(jiǎn)要分析。

1磁翻板液位計(jì)

磁翻板液位計(jì)是旁通管道式液體測(cè)量原理，由磁翻板和浮子兩部分組成。與容器相連的測(cè)量管（用非導(dǎo)磁的金屬制成）內(nèi)裝帶磁鋼的浮子，翻板指示標(biāo)尺貼著測(cè)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)，從而指示出液位的高度。

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(cè)量范圍：500~6000mm。

2）精度：±10mm（就地顯示）。

3）翻板指示刻度直觀醒目。

4）翻板指示與介質(zhì)充分隔離，密封性好。

5）可以配備報(bào)警開(kāi)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。

2磁致伸縮液位計(jì)

磁致伸縮液位計(jì)的測(cè)量過(guò)程由電流脈沖來(lái)啟動(dòng)。該電流脈沖沿著磁致伸縮線產(chǎn)生軸向磁場(chǎng)，磁致伸縮線由具有磁致伸縮特性材料制成，它在測(cè)量管內(nèi)始終處于工作狀態(tài)。測(cè)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(chǎng)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)，在項(xiàng)端處的變換器將此轉(zhuǎn)換成電流（4~20mA）信號(hào)。通過(guò)測(cè)量經(jīng)過(guò)的時(shí)間，可測(cè)定扭曲波力的始點(diǎn)，由此可精確測(cè)定浮子的位置。

磁致伸縮液位計(jì)作為一種新興的測(cè)量?jī)x表，主要技術(shù)性能和參數(shù)如下：

1）測(cè)量范圍：對(duì)剛性測(cè)量管，不大于6m：對(duì)柔性測(cè)量管，范圍在3.5~20m之間。

2）精度高。分辨率高于0.01%，最小1mm。

3）無(wú)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(wú)機(jī)械可動(dòng)部分，故無(wú)摩擦、無(wú)磨損，使用壽命長(zhǎng)。

5）安裝簡(jiǎn)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(chǎng)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。

3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(cè)量元件（金屬膜盒）經(jīng)毛細(xì)管與變送器的測(cè)量室相通。在膜盒、毛細(xì)管和測(cè)量室內(nèi)充有硅油，作為傳壓介質(zhì)，并使被測(cè)介質(zhì)不進(jìn)入毛細(xì)管與變送器，以免堵塞。

根據(jù)流體力學(xué)的原理，測(cè)得差壓：

△P=P2-PI1=pHgH=△P/Pg

式中：△P-測(cè)得差壓，p-介質(zhì)密度，H-液位高度。

被測(cè)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(cè)量液位高度轉(zhuǎn)換為測(cè)量差壓。

雙法蘭液位變送器作為一種傳統(tǒng)的液位測(cè)量?jī)x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(jiǎn)單，精度較高。

3）調(diào)試簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好。

4）通過(guò)毛細(xì)管里的硅油進(jìn)行隔離，適用于測(cè)量腐蝕或粘稠介質(zhì)。

4液位計(jì)的對(duì)比分析

4.1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(lái)實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量。

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)確指示液體表面位置：但不能克服“虛假”

液位的影響。與其它類(lèi)型（雷達(dá)、射線）液位計(jì)相比有極大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)：但耐用性較差。與直接指示類(lèi)（玻璃管、雙色）液位計(jì)相比具有指示清晰的特點(diǎn)：但容易產(chǎn)生失磁使指示失效。

磁致伸縮液位計(jì)與傳統(tǒng)定浮力液位計(jì)所用的干簧管列陣轉(zhuǎn)換相比，具有元件數(shù)量少，故障低，維修簡(jiǎn)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。基本不隨壓力、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(cè)介質(zhì)比重不變。

2）結(jié)構(gòu)比較

磁致伸縮液位計(jì)無(wú)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(jiǎn)單，無(wú)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(wú)需現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物標(biāo)定，通過(guò)電子模塊上的按鍵可以實(shí)現(xiàn)，無(wú)需定期標(biāo)定。

雙法蘭液位變送器調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)易，可在液位檢測(cè)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)基本不受比重的影響。在最小比重確定的情況下，可長(zhǎng)期保持穩(wěn)定精確的測(cè)量。但容易受靜電放電、射頻電磁場(chǎng)輻射、電涌沖擊和工頻磁場(chǎng)等的影響。

雙法蘭液位變送器適用面廣泛，可用于高溫高壓、高粘度、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(gòu)成本較高，但無(wú)需實(shí)物標(biāo)定和定期標(biāo)定，其調(diào)試成本較低：

無(wú)機(jī)械可動(dòng)部件，維護(hù)成本低。

雙法蘭液位變送器一次性采購(gòu)成本較低，適用于常規(guī)場(chǎng)合，但開(kāi)車(chē)運(yùn)行備件多，后期運(yùn)行也需要備件。

5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）磁翻板液位計(jì)和磁致伸縮液位計(jì)

a.當(dāng)液位計(jì)處于干擾強(qiáng)的磁場(chǎng)環(huán)境下時(shí)，浮子受的磁場(chǎng)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(chǎng)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)本身也需要做好接地。

b.在電涌沖擊等干擾性的場(chǎng)合，可在現(xiàn)場(chǎng)儀表一端加裝電涌保護(hù)器或防雷端子板。

c..當(dāng)用于測(cè)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.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(cè)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(guò)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(cè)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、粘稠性液體、結(jié)晶性液體、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(cè)量，宜選用插入式法蘭液位變送器。

c、當(dāng)用于測(cè)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(cè)量管線伴熱、絕熱保溫。

e、由于密度變化直接影響到測(cè)量結(jié)果，所以適用于密度比較穩(wěn)定的過(guò)程。

5.2液位計(jì)的選擇和應(yīng)用

延長(zhǎng)氣田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干凈化氣，達(dá)到二類(lèi)氣標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)入長(zhǎng)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50℃，壓力最高6.3MPa，且介質(zhì)無(wú)腐蝕性：凈化廠內(nèi)設(shè)備主要有原料氣分離器、聚結(jié)過(guò)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100℃，壓力最高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(cè)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(wú)腐蝕性，工藝要求液位進(jìn)行就地顯示。根據(jù)延長(zhǎng)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)作為液位就地指示儀表。玻璃板液位計(jì)為直接式液位測(cè)量?jī)x表，現(xiàn)場(chǎng)觀察方便。應(yīng)用實(shí)踐證明，在潔凈介質(zhì)的液位測(cè)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，壓力最高6.3MPa，工藝要求液位就地顯示，并將信號(hào)遠(yuǎn)傳至控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，選擇磁致伸縮液位計(jì)進(jìn)行檢測(cè)遠(yuǎn)傳，配套磁翻板進(jìn)行就地指示。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(lèi)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，選擇磁翻板液位計(jì)作為液位就地指示儀表，選擇雙法蘭液位變送器作為液位檢測(cè)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。磁翻板液位計(jì)雖然精度不高，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用作就地指示型液位儀表，觀察方便，維護(hù)工作量少。雙法蘭液位變送器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(cè)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(lèi)型，有助于儀表的后期標(biāo)定和維護(hù)。

6結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，液位計(jì)發(fā)展到今天雖然已經(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(cè)量范圍、穩(wěn)定性、介質(zhì)腐蝕性、維護(hù)量以及經(jīng)濟(jì)成本等多角度分析，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(cè)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(cè)量技術(shù)將會(huì)越來(lái)越成熟。