天然气集输处理站场液位仪表的选型应用分析.pdf

器 D o i l 0 ． 3 9 6 9 4 ． i s s n ． 1 6 7 1 1 0 4 1 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 1 7 天然气集输处理站场液位仪表的选型应用分析 日应旦 日 王 静 中石化石油工程设计有限公司 2 5 7 0 2 6 摘要阐述了天然气集输及处理站场中几种典型液位计的基本原理、特点和典型配置，以及在天然气集输及处理站场中的 应用。在几种液位计进行比较后，以延长气田天然气地面集输工程中集气站和天然气净化厂的设计为例，简要分析了液位 计 的选型和应用 。 关键词液位测量；磁翻板；磁致伸缩；双法兰；液位计；变送器 中图分类号U 4 6 3 ． 5 文献标 志码A The Sel ec t i on a nd Appl i c at i on Ana l ys i s of Le v el Ga ug e i n Na t ur a l Ga s S t a t i o n WA NG J i n g S h e n g l i En g i n e e r i n g An d Co n s u l t i n g Co mp a n y ， S h a n d o n g d o n g y i n g 2 5 7 0 2 6 Ab s t r a c t Th e Ar t i c l e i n t r o d u c e s t h e b a s i c p r i n c i p l e s ，f e a t u r e s a n d t y p i c a l c o n fig u r a t i o n s ， a n d a p p l i c a t i o n o f s e v e r a l t y p i c a l l e v e l g a u g e s i n n a t u r a l g a s g a t h e r i n g ， t r a n s p o r t a t i o n a n d p r o c e s s s t a t i o n ． Af t e r c o mp a r e d wi t h s e v e r a l l e v e l g a u g e s ， t h e a r t i c l e ma k e a n e x a mp l e o f g a s s t a t i o n a n d p r o c e s s f a c t o r y d e s i g n i n Ya n c h a n g g a s fi e l d d e v e l o p me n t ， g a t h e r i n g ， p r o c e s s i n g a n d t r a n s p o r t ， a n d a n a l y z e s e l e c t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f l e v e l g a u g e s ． Ke y wo r d s l e v e l m e a s u r e m e n t ； ma g n e t i c ； ma g n e t o s t r i t i o n； d o u b l e fl a n g e ； l e v e l g a u g e ； tr a n s mi t t e r O引言 随着国内天然气气源的陆续开发，在天然气集输及处 理T程中，天然气集气处理站 、净化厂内 艺设备所用的 液位测量仪表选型，种类越来越多样化。 液位仪表的检测对象复杂 、测量范围变化大 ，需要考 虑测量T况 、仪表精度 、介质物性、用户的要求和习惯 、 性能价格 比等因素。天然气设备及装置具有高压 、腐蚀性 强、易燃易爆等特点 ，对于这种情况 ，重点应考虑液位仪 表的测量范同、介质的腐蚀性 、仪表的稳定性 、仪表的维 护量等问题。下面以延长气田天然气地面集输工程 的设计 为例 ，就磁翻板液位计 、磁致伸缩液位计和双法兰液位变 送器的设计和选型应用做简要分析。 l 磁翻板 液位计 磁翻板液位计是旁通管道式液体测量原理 ，由磁翻板 和浮子两部分组成。与容器相连的测量管 用非导磁的金 属制成 内装带磁钢的浮子，翻板指示标尺贴着测量管壁 安装。当液位上升或下降时，浮子也随之升降 ，标尺中的 翻板受到浮子内磁钢的吸引而翻转，从而指示出液位的高 度 磁翻板液位计作为浮力式液位计 ，主要技术性能和参 数 如下 1 测量范 围5 0 0 ～6 0 0 0 mm。 2精度 1 0 l n m 就地显示 。 3翻板指示刻度直观醒 目。 4翻板指示与介质充分隔离 ，密封性好。 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 5可以配备报警开关和信号远传装置 ，前者做高低报 警用 ，后者可将液位转换成4～2 0 mA电流信号送到接收仪 表 。 2 磁致伸缩液位计 磁致伸缩液位计的测量过程由电流脉冲来启动。该 电流脉冲沿着磁致伸缩线产生轴向磁场，磁致伸缩线由具 有磁致伸缩特性材料制成 ，它在测量管内始终处于T作状 态。测量管外在液体表面的浮子中装有永久磁铁。当电子 脉冲发生器产生导波脉冲沿着磁致伸缩线与浮子中永久磁 铁磁场相互作用时，产生瞬时扭曲波力。扭曲波力在磁致 伸缩线中受到感应 ，在顶端处的变换器将此转换成 电流 4 - 2 0 mA信号。通过测量经过的时间，可测定扭曲波力 的始点 ，由此可精确测定浮子的位置。 磁致伸缩液位计作为一种新兴的测量仪表，主要技术 性能和参数如下 1 测量范围对刚性测量管 ，不大于6 m；对柔性测 量管 ，范围在 3 ． 52 0 m 之 间。 2 精度高。分辨率高于0 ． 0 1 ％，最小1 mm。 3无需实标和重新校验，只需按按钮或者使用H AR T 协议 。 4无机械可动部分 ，故无摩擦、无磨损，使用寿命 长。 5安装简单 ，易于维护。 6可输 出4 - 2 0 mA 模拟量或数字量等远传信号，带 H A R T 协议或R S 一 4 8 5 通信接口。 EI C VO1 ． 21 201 4 N0． 1 51 日座 日 7可现场替换差压式，电容式 ，超声波式 ，雷达式， 外浮筒式，钢带或钢带伺服式等液位变送器。 3 双法兰液位变送器 双法兰液位变送器属于差压式液位计 ，变送器传送 4～2 0 mA 标准信号 带HA R T，2 4 V 直流供电。将液位变 送器的正压室与容器下部相连，将负压室与容器的气相空 间相连，以平衡气相压力的静压作用。变送器法兰直接与 容器上法兰连接 ，测量元件 金属膜盒 经毛细管与变送 器的测量室相通。在膜盒 、毛细管和测量室内充有硅油 ， 作为传压介质 ，并使被测介质不进入毛细管与变送器 ，以 免堵塞 J 。如图1 所示。 根据流体力学的原理，测得差压 △P P 2 一 P 1 P Hg 图1 双 法兰液 位 变送器 测量 原理 示意 双法兰液位变送器作为一种传统的液位测量仪表，主 要技术性能和参数如下 1 精度常规为调校量程的0 ． 1 ％，可达0 ． 0 5 ％。 2结构简单，精度较高。 3调试简单，稳定性好。 4通过毛细管里的硅油进行隔离 ，适用于测量腐蚀或 粘稠介质 。 4 液位计的对比分析 4 ． 1 磁翻板液位计和磁致伸 缩液位计 两种液位计都是利用物体在液体中的浮力来实现液位 测量 。 磁翻板液位计与变浮力 浮筒 液位计 、静压法 差 压 液位计 、电特性 电容、射频导纳 液位计相比，不 受介质特性改变影响 ，可准确指示液体表面位置；但不能 克服 “ 虚假”液位的影响。与其它类型 雷达 、射线 液 位计相比有极大的价格优势 ；但耐用性较差。与直接指示 类 玻璃管 、双色 液位计相 比具有指示清晰的特点；但 容易产生失磁使指示失效。 磁致伸缩液位计与传统定浮力液位计所用的干簧管列 阵转换相比，具有元件数量少 ，故障低 ，维修简单，转换 连续性好的特点；但价格高。 5 2 E I C VO I ． 2 1 2 0 1 4 No ． 1 器 麦 4 ． 2 磁致伸缩液位计和双法兰液位变送器 1 原理比较 磁致伸缩液位计属纯电子产品原理。基本不随压力 、 组分及比重等变化而受影响，故非常准确且稳定。 双法兰液位变送器为差压原理，默认被测介质比重不 变 。 2结构比较 磁致伸缩液位计无机械传动部件 ，主要替换部件为电 子模块 ，可靠性高。 双法兰液位变送器常规产品结构简单 ，无任何可动或 弹性元件 ，可靠性高。若配引压管或毛细管，需要一定的 维 护。 3 调试标定 磁致伸缩液位计无需现场实物标定 ，通过电子模块上 的按键可以实现，无需定期标定。 双法兰液位变送器调试相对简易 ，可在液位检测范围 内任意进行零点或量程的改变。但存在零位漂移现象，需 定期标定。 4应用 比较 磁致伸缩液位计基本不受比重的影响。在最小 比重确 定的情况下，可长期保持稳定精确的测量。但容易受静电 放电、射频电磁场辐射、电涌冲击和T频磁场等的影响。 双法兰液位变送器适用面广泛 ，可用于高温高压 、高 粘度 、强腐蚀性的工况，但受比重变化影响大。 5经济性分析 磁致伸缩液位计一次性采购成本较高，但无需实物标 定和定期标定 ，其调试成本较低 ；无机械可动部件，维护 成本低。 双法兰液位变送器一次性采购成本较低，适用于常规 场合 ，但开车运行备件多 ，后期运行也需要备件。 5 液位计 的选择和应用 5 ． 1 设计时的注意事项 1 磁翻板液位计和磁致伸缩液位计 a ．当液位计处于干扰强的磁场环境下时，浮子受的磁 场力会叠加而导致消磁。所以，仪表安装应远离强磁场环 境。同时，液位计传输信号电缆应远离电压等级高的电力 电缆，并保证信号线屏蔽层接地良好 ，液位计本身也需要 做好接地。 b ．在电涌冲击等干扰性的场合，可在现场仪表一端加 装电涌保护器或防雷端子板。 c ．当用 于测量界 面时 ，两种介质的密度应恒定 ，且相 对密度差不应小于0 ． 2 。 d ．磁翻板液位计适用于精度要求不高的设备就地液位 测量 。 2双法兰液位变送器 双法兰液位变送器在生产的时候经常需要进行特殊环 境的工艺处理 ，并要求耐高温 、耐腐蚀以及高过载承受能 力，所以在选型的时候一定要明确适用范围。 器 麦 a 、对于有腐蚀性的介质 ，要注意变送器检测元件的材 质选择，可选择3 1 6 不锈钢、哈氏合金或镍基合金等。 b 、粘稠性液体 、结晶性液体、结胶性液体 、沉淀性液 体 、含悬浮物液体及易凝 固液体的液位测量，宜选用插入 式法兰液位变送器。 C 、当用于测量界面时，两种介质的密度应恒定 ，且相 对密度差不应小于0 ． 1 。另外 ，上部介质的上液面应始终高 于上 部取压 口。 d 、对于在环境温度下，液相可能汽化、气相可能冷凝 或气相有液体分离的工艺介质 ，应根据具体情况分别设置 隔离器 、分离器 、汽化器、平衡容器等部件或对测量管线 伴热、绝热保温。 e 、由于密度变化直接影响到测量结果，所以适用于密 度比较稳定的过程。 5 ． 2 液位 计的选择和应用 延长气田天然气地面集输工程为产能建设项目，井 口 采气输送至集气站，在集气站实现气液分离 、天然气计量 并外输至净化厂 ，于净化厂对湿原料气进行MDE A脱碳 、 三甘醇脱水处理后得到干净化气 ，达N--类气标准后进入 长输管线进行输送。 集气站内设备主要有分水包 、甲醇储罐 、火炬分液 罐 、生产分离器和污水罐等 ，介质成分主要是天然气和污 水混合物，或者含甲醇污水，介质温度均不高于5 0 ℃，压 力最高6 ． 3 MP a ，且介质无腐蚀性；净化厂内设备主要有 原料气分离器 、聚结过滤器 、MD E A吸收塔 、MD E A 溶液 储罐 、仪表风储罐 、火炬分液罐、消防水罐等 ，介质成分 主要是含油污水 、MDE A溶液 、天然气凝液 、轻烃 、酸水 等，介质温度均不高于1 0 0 ％，压力最高6 ． 3 MP a ，个别介质 有较轻的腐蚀性。 根据以上介质的条件，以及工艺检测和控制的要求 ， 液位计分别选择如下 1 对集气站内的分水包、甲醇储罐 、火炬分液罐等设 备，介质温度不高，压力较低 ，无腐蚀性，工艺要求液位 进行就地显示。根据延长一期的应用经验和业主要求 ，选 择玻璃板液位计作为液位就地指示仪表。玻璃板液位计为 直接式液位测量仪表 ，现场观察方便。应用实践证明，在 洁净介质的液位测量上效果较好，且价格较低 ，得到了用 户的认可 。 2对集气站内的生产分离器和污水罐等设备，介质温 度都在3 0 ％以下，压力最高6 ． 3 MP a ，工艺要求液位就地显 示，并将信号远传至控制系统进行监测和控制，选择磁致 伸缩液位计进行检测远传，配套磁翻板进行就地指示。就 地和远传仪表合二为一，既满足了工艺要求 ，又降低了投 资。且磁致伸缩液位计精度高，满足控制的要求。磁致伸 缩液位计安装完成 ，进行调试后 ，维护工作量较小。且操 作人员不直接接触设备，减少了操作人员和危险介质接触 的机会，综合费用低 ，性价比高。 3对净化厂内的设备，因设备种类较多，介质密度 相对稳定，液位高度差别较大，以及安装形式的不同，选 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 日座旦塞 日 择磁翻板液位计作为液位就地指示仪表 ，选择双法兰液位 变送器作为液位检测远传仪表。对于个别有轻微腐蚀性的 介质，接液材质选择3 1 6 或3 1 6 L 不锈钢。磁翻板液位计虽然 精度不高，但结构简单 ，用作就地指示型液位仪表 ，观察 方便 ，维护工作量少。双法兰液位变送器结构简单 ，适用 范围广泛，安装和运输都 比较方便，且精度较高 ，满足检 测和控制的要求。净化厂大多数液位计尽量考虑同一种类 型，有助于仪表的后期标定和维护。 6 结束语 综上所述 ，液位计发展到今天虽然已经日趋成熟 ，但 每种液位计都有 自己的优缺点和不同的适用范围。设计选 型时，要根据不同的工况 ，从仪表的测量范围、稳定性、 介质腐蚀性、维护量以及经济成本等多角度分析，同时， 要考虑到用户的要求和使用习惯 ，选择合适的液位仪表， 从而提高设计质量和测量精度。相信随着科技的发展和经 验的积累，各种液位测量技术将会越来越成熟。口 参考文献 【 1 ]乐嘉 谦， 方卫东， 蔡亚吉， 等． 仪 表工手册 [ M】 北京 化学工业 出版 社， 2 0 1 2 3 6 5 3 7 3 [2 ] 陆德民， 张振基， 黄步余 石油化工自动控制设计手册【 M】 3 版 北京化 学工业出版社， 2 0 0 1 2 5 - 1 4 8 [3 】 赵 坚 ， 磁致 伸 缩 液 位 传 感 器 的最 新 发 展 及 应 用 ⋯测控 技 术， 1 9 9 8 ， 1 7 0 2 2 0 2 1 ． [ 4 ] 赵玉珠等，测量仪表与自动化 山东石油大学出版社， 1 9 9 7 【 5 ] 王志魁， 化工原理【 M] ．3 版 北京化学工业出版社， 2 0 0 4 3 7 8 3 7 9 【 6 ] 孟 华 ， 工业过 程检测 与控制 [ M] ． 北京 北京 航空航天 大学 出版 社， 2 0 0 2 1 9 2 ． [7 】 杨 朝 虹 ， 杨 竞 ， 磁 致 伸 缩 液 位 传 感 器 的 应 用 与 发 展 【 J ]矿 冶， 2 0 0 4 ， 1 3 0 4 8 6 作者简介 王静 1 9 7 5 一 ， 女， 1 9 9 8 年毕业于石油大学 华东 生产过程自 动化专业， 工学学士学位， 高级工程师，现工作于中石化石油工程设计有限 公司， 从事石油天然气自动化设计工作。 投稿 日期 2 0 1 3 1 2 - 2 4 虚 拟仪器技术发展前景可期 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高 效灵活的软件来完成各种测试、测量和 自动化的应用。 虚拟仪器技术包括高效的软件 、模块化的I ／ O 硬件和用 于集成的软硬件平台，拥有性能高、扩展性强 、开发时间 少、无缝集成等优点。 虚拟仪器技术的概念已经在市场上获得了广泛认同和 采用 ，但是仍然在不断的发展。获得新的飞越。这主要得 益于硬件和软件两方面软件方面，l a b v i e w图形化编程环 境已经 日益成为最普遍的应用工具。 硬件方面数据转换器 A D C、数据总线／ 总线架构以 及处理器技术功不可没。随着A D C 不断进入更多的应用领域， 半导体供应商们在该项技术获得了极大的发展，现在A D c 不仅 能够提供足够的性能，还由于大规模量产获得了低成本优势。 E l C V O I ． 2 1 2 01 4 NO ． 1 5 3