浮式液化天然气装置液位计选型方案探讨

刘秀琴，许凯，张道光

（海工英派尔工程有限公司，山东青岛266061）

液化天然气（LNG）作为一种清洁、高效的能源越来越受到各个国家的青睐。随着全球天然气勘探与开发的逐渐深入，越来越多的深海气田、中小型边际气田及伴生气田被发现。浮式液化天然气装置（LNG FPSO）集天然气的净化、液化、储存、装卸和外运为一体，可根据海上天然气田的生产状况灵活配置，是一种新型海上气田开发技术［1－2］。

LNG FPSO容器内的液面随着船体摇摆和晃动，给液位测量和控制带来困难，甚至影响装置的正常操作和安全稳定运行。为减小或消除LNG FPSO容器内液体的晃动，可在容器内采取一些措施，如增加液体的阻尼、进行消波等方法［3］。有些学者还提出了一些针对液位测量的数据处理方法［4］，如平滑滤波［5］、卡尔曼滤波、自适应噪声抵消［6］等方法。

文中对几种常用液位计的优缺点和适应性进行比较，并提出保护措施，以减小晃动对液位测量和控制的影响。

1 液位计选型的适应性分析

1.1 晃动对液位测量的影响

LNG FPSO漂浮在海上，在风浪、气候、海流等海洋环境载荷因素的作用下产生6个自由度的运动［7］，其中影响大的是纵荡和纵摇两个自由度。分离和储存设备的内部介质，随船体处于周期性或无规律的晃动状态，给液位测量和工艺过程控制带来很大影响。LNG FPSO天然气预处理和液化工艺过程涉及的塔、容器等设备配置的许多液位检测和控制仪表，当船体晃动频率发生改变或设备进料波动时，液面会出现晃动，呈现周期性或无规律的波动或假液面［7］，液面瞬间变化对液位测量产生干扰，使采样的数据不准确，造成控制回路调节失稳甚至误动作，影响装置的正常生产。因此，减小或消除液面晃动给液位测量和过程控制带来的影响尤为重要。

1.2 液位计选型的适应性分析

液位计种类繁多，每种测量原理的液位计都有一定的适用范围。按测量方法分类［8］有直读式、浮力式、差压式、电容式、超声波式、雷达式、磁致伸缩式、射频导纳式、称重式、辐射式等，笔者根据石油化工装置几种常用液位计的特点，分析其在LNG FPSO中的适应性。

LNG FPSO中的介质主要是LNG、液化气、轻烃、醇胺，特点是密度较小、洁净，液化过程操作温度低。现对几种常用类型液位计的优缺点和适应性进行比较：

1）浮球、浮筒液位计。该类液位计属于浮力式仪表，结构简单，安装、调试方便，有机械可动部件。液面经常晃动使其机械可动部件易损坏，以致测量不准确甚至失灵，影响LNG FPSO的正常运行。浮球、内浮筒液位计液位测量易受液面晃动的影响，如不采取防晃措施很难适用于LNG FPSO的液位测量；外浮筒液位计的下测量引压口位于液相部位，可通过适当关小取压阀门和将下测量引压管延伸至容器中部削减液面晃动的影响，上测量引压口容易受到晃动进液的影响，需要防护。

2）双法兰差压液位计。该类液位计属于差压式仪表，是通用的液位测量仪表，安装、调试较复杂，无机械可动部件，摇摆和晃动状态下不易损坏。其下测量引压口位于液相部位，可通过适当关小取压阀门和将下测量引压管延伸至容器中部削减液面晃动的影响。

3）磁致伸缩液位计。该类液位计属于电磁式仪表，安装方便、结构精巧、可靠性高。有一个套在不锈钢探测杆上的可动浮球（浮子），其随液位的变化沿探测杆上下移动，摇摆和晃动状态下不易损坏，但如不采取防晃措施，液位测量易受液面晃动的影响。

4）导波雷达液位计。该类液位计是微波接触式测量仪表，无机械可动部件，可靠性高。同时，对安装要求较高，要求避开容器内支架、物料入口管等对测量有影响的设备内构件［9］。摇摆和晃动状态下不易损坏，但如不采取防晃措施，液位测量易受液面晃动的影响。

5）射频导纳液位计。该类液位计采用先进的射频导纳技术，是接触式仪表，无机械可动部件，可靠性高。摇摆和晃动状态下不易损坏，但如不采取防晃措施，液位测量易受液面晃动的影响。

由以上分析可见，几种常用液位计在LNG FPSO容器内液面晃动环境中使用，均需采取针对性保护措施，既可稳定液位测量，又可防止或消除机械损伤。顶装式液位计宜安装在液面受晃动影响最小的容器中心部位。几种常用液位计的适用性和需要采取的保护措施见表1所列。

表1 几种常用液位计的适用性及保护措施

2 液位计的防晃动保护装置

通过以上分析，为节流消浪、减小或消除摇摆和晃动对液位测量的影响，同时防止或消除机械损伤，减少液位计的维护工作量，延长使用寿命，在浮球、内浮筒、磁致伸缩、导波雷达、射频导纳液位计外部加装防晃动保护装置，如图1所示。

图1 防晃动保护装置示意

图1中保护管或保护箱在最低液位和最高液位之间部分不开孔，在其底部开导流孔，顶部开通气孔，设备内的液体经导流孔与其内部的测量元件接触，气体经通气孔实现其内外气相平衡，导流孔的节流作用降低了其内外介质液位的平衡速度和波峰，从而减小或消除波浪对液位测量的影响。

设引起设备内部液面摇摆和晃动的最大相对高度为H，LNG FPSO的摇摆和晃动周期为T，保护装置对延缓设备内液体摇摆和晃动起作用的时间T1＝T/2，保护管或保护箱底的导流孔直径为d。

联立物料衡算及非稳态下伯努利方程［10］，得保护管和保护箱底部导流孔数n的计算公式：

式中：A——保护管的横截面积或保护箱底面横截面积。

3 结束语

LNG FPSO设备内介质处于周期性或无规律的晃动状态，给液位测量和工艺过程控制带来很大影响，为减小或消除影响，分析认为顶装式液位计宜安装在液面受晃动影响最小的容器中心部位；液位计采取保护措施并利用软件对液位测量结果进行数据处理，可获得更好的测量效果。几种常用液位计的选型建议如下：

1）浮球、内浮筒液位计，如不采取保护措施很难适用于LNG FPSO的液位测量，如要使用则需加保护装置。

2）磁致伸缩、导波雷达、射频导纳液位计结构上适用于LNG FPSO的液位测量，但其测量值受液面晃动影响较大，为获得好的测量效果，需加保护装置。

3）外浮筒液位计、双法兰差压液位计受液面晃动影响较小，可不加保护装置，宜将下测量引压管延伸至容器中部，上测量引压口设防液挡板。

［1］ WOOD D，MOKHATAB S，ECONOMIDES J M.Offshore Natural Gas Liquefaction Process and Development Issues［J］.Project，Facilities ＆Construction，2007（11）：1-9.

［2］ 王春节，魏林瑞，张磊.浮式液化天然气液化工艺综述［J］.化学工业，2010，28（2-3）：27-29.

［3］ 徐兴平，方华灿.减小海上浮式采油装置油气分离器内液面晃动方法的研究［J］.中国海上油气（工程），1991，3（02）：23-29.

［4］ 韩新洁，孟宪尧.船舶液位测量中海浪的滤波处理［J］.大连海事大学学报，1999，25（01）：11-14.

［5］ 白莹，于春和，杨茹敏，等.基于图像传感器的液位测量方法研究［J］.舰船电子工程，2011，31（09）：760-769.

［6］ 秦品乐，林焰，陈明，等.基于小波去噪EMD的船舶液位信号特性分析［J］.计算机工程，2008，34（18）：13-16.

［7］ 徐兴平.海上浮式采油用油气分离器内液体摇摆和晃动及阻晃实验研究［J］.中国海洋平台，2001，16（5-6）：17-20.

［8］ 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，2000：125-148.

［9］ 解怀仁.石油化工仪表控制系统选用手册［M］.北京：化学工业出版社，2010：42-82.

［10］ 沈复，李阳初.石油加工单元过程原理［M］.北京：中国石化出版社，2007：29-32.