海洋石油平台电驱式天然气压缩机撬内液位变送器选型

宫俭纯 邓 燕 刘志芳 高 帅 曲晓梅

（1.海洋石油工程股份有限公司；2.中海油能源发展装备技术有限公司）

天然气压缩机撬是油气开采的重要设备之一， 电驱式压缩机在海洋石油平台上应用较多，广泛应用于天然气处理、 运输和发电机组的供应。 液位变送器作为撬内洗涤罐上用于液位测量的仪表，对机组运行的稳定性和安全性起到重要作用。 笔者通过对比磁致伸缩式液位变送器、双法兰差压式液位变送器和干簧电阻式液位变送器，并结合使用工况，总结出液位变送器选型的最佳方案。

1 磁致伸缩式液位变送器

1.1 测量原理

磁致伸缩式液位变送器主要由变送器、探杆、浮子和腔体组成。 工作原理是韦德曼效应原理，浮子沿着腔体随液面上下移动，由于浮子是有磁性的，所以在其周围形成磁场。 在探杆内部有磁致伸缩线，变送器沿着磁致伸缩线向下传播脉冲，同时也产生一个磁场。 两个磁场叠加处会产生一个扭转脉冲，它沿着磁致伸缩线传到变送器顶端，脉冲传送时间由电路元件获取并计算［1］。

1.2 性能特点

磁致伸缩式液位变送器测量精度高、稳定性好、安装简单方便，同时也便于维护，可以测量介质的液面和界面。 对高粘度介质适应性较强、不易堵塞且耐摩擦。 智能化程度较高，可以根据现场实际情况设置门槛电压，具备一定的抗干扰能力。 在腔体上加装液位开关，可以与变送器共同使用同一个腔体，节省安装空间。 腔体上配备磁翻板后便于现场人员进行实际液位观测。

1.3 选型设计

针对使用环境的特殊性，在选型设计时需注意：

a. 增强本体机械抗振性能，在探杆处增加隔振环，将隔振环牢靠地固定在腔体上，在与设备连接的法兰和腔体之间焊接加强筋进而增加自身强度，在与设备连接的法兰和腔体法兰之间增加可靠连接，进而提高整体稳定性。

b. 增强软件适用性，适当调节变送器的门槛电压， 屏蔽掉由于自身原因产生的错误信号；在现场控制盘和中控系统中，可以针对液位信号设置适当的延时。

此外，还建议在选型时选用质量好且抗干扰性能强的探杆和变送模块。

2 双法兰差压式液位变送器

2.1 测量原理

双法兰差压式液位变送器由差压变送器、毛细管和带密封隔膜的双法兰组成［2］。 当膜片受压后产生微小变形，变形位移通过毛细管的液体传递给变送器。根据公式p=ρgh（其中p 为压强，ρ 为液体密度，g 为重力加速度，h 为深度），由两个法兰之间的压差即可计算得到液位数据。

2.2 性能特点

双法兰差压式液位变送器精度高、 结构简单、测量范围广且安装方便，可以根据被测介质的实际密度进行变送器中参数的设定。

双法兰差压式液位变送器无法进行液位的实际测量，而是测量出压差并计算，再通过PLC转换为实际液位高度。 由于自身工作原理的限制，除安装高度、被测介质和填充液的密度外，零点漂移对计算结果也会产生一定影响。 造成零点漂移的原因如下：

a. 双法兰膜片接触不同的介质（被测容器内液体与液体上部的气体）所产生的温差；b. 环境温度对填充液的影响［3］；c. 安装的影响。

2.3 选型设计

在选型设计时需注意以下几点：

a. 选择适当长度的毛细管，毛细管选用得越长对测量值的影响越大；

b. 变送器安装在高压侧法兰上，便于现场安装和计算公式中高度的设定；

c. 在设备法兰和变送器法兰之间设置冲洗环，便于使用过程中对压力膜片进行冲洗；

d. 选择具有较小热膨胀系数的填充液，减小温度带来的测量误差［4］。

由于差压式液位变送器结构简单，很难在结构上进行设计优化。 除上述几点选型设计时需要注意的情况之外，在设备安装过程中应注意：

a. 对压力膜片进行保护，防止表面划伤和损坏；

b. 紧固法兰螺栓时需对称紧固，保证法兰面受力均衡；

c. 毛细管需保持自然状态，如果毛细管较长而需要固定， 可以直接将毛细管捆绑在固定物上，无需将毛细管打圈后固定。

3 干簧电阻式液位变送器

3.1 测量原理

当磁铁或线圈产生磁场并作用于干簧管开关时，干簧管的两个簧片都被磁化。 其中一个簧片的触点上产生N 极，另一个簧片的触点上产生S 极。 如果生成磁场的吸引力克服了簧片弹性产生的阻力，簧片因吸引力作用而接触导通，即电路闭合，一旦磁场作用减弱至一定程度，簧片就会因弹力作用重新分开，即电路断开［5］。

干簧管与电阻按照一定规则进行连接，随着浮子的上下移动， 不同位置的干簧管内触点吸合、断开，对应的电阻值就会产生变化，其变化规律如同滑动变阻器。 变送器将电阻值转换为4～20mA 的标准模拟信号。 干簧管和电阻连接电路如图1 所示。

图1 干簧管和电阻连接电路

3.2 性能特点

干簧电阻式液位变送器采用的是简单的电子元件，电气回路也较为简单，干簧管和电阻对于振动和电磁干扰环境不敏感，所以具有良好的抗振动和抗电磁干扰能力。 开关动作速度快且稳定性强。但由于自身结构原因，测量精度较低。而且在排查故障时工序多，还需要专用仪器。

3.3 选型设计

干簧电阻式液位变送器在增强变送器本体机械性能上的做法与磁致伸缩式液位变送器相同，在选型时需注意：

a. 选用长度较短的干簧管，通常干簧管的长度为10mm，建议采用长度为5mm 的干簧管以减少其自身结构所造成的测量误差；

b. 选用质量高、性能稳定的电子元件。

4 3 种液位变送器的现场使用情况比较

磁致伸缩式液位变送器广泛应用于海洋石油平台， 是海洋石油平台电驱式天然气压缩机内最常见的应用情况较好的一种液位测量仪表。 虽然部分变送器在现场会出现跳变的情况， 但大部分可以采用笔者针对选型设计中的做法解决问题。

双法兰差压式液位变送器在海洋石油平台应用较少。 在现场使用过程中容易发生失真情况，受安装因素和环境温度的影响较大，所以不推荐在撬内使用。

干簧电阻式液位变送器在海洋石油平台的应用虽然没有磁致伸缩式液位变送器广泛，但由于其抗振动和抗电磁干扰的性能优势，逐渐在南海部分平台得到使用，并且效果良好。

5 结束语

海洋石油平台电驱式天然气压缩机撬内液位变送器选型需从原理、机械性能和抗干扰方面进行考虑，同时根据实际项目的应用情况，推荐采用磁致伸缩式液位变送器和干簧电阻式液位变送器。