[教育]油氣儲運(yùn)自動化液位測量

1、1,油氣儲運(yùn)自動化液位測量,,2,液位測量必要性,在油氣儲運(yùn)過程中，精確測定儲油大罐中的液位高度，是正確計(jì)算儲油量、確定庫存、計(jì)算輸量的重要措施。在油氣生產(chǎn)中，特別是在油氣集輸儲運(yùn)系統(tǒng)中，石油、天然氣與伴生污水要在各種生產(chǎn)設(shè)備和罐器中分離、存儲與處理，物位的測量與控制，對于保證正常生產(chǎn)和設(shè)備安全是至關(guān)重要的，否則會產(chǎn)生重大的事故。例如油罐液位測量控制不好，會出現(xiàn)抽空或溢油“冒頂”事故；油氣分離器液位偏高或偏低會出現(xiàn)“跑油”、“竄氣

2、”事故，嚴(yán)重影響后序設(shè)備的生產(chǎn)和安全；電脫水器中油水界面高了會破壞電場．低了會使放水中帶油，影響生產(chǎn)。,3,物位的基本概念,物位——指容器中的液體介質(zhì)的液位、固體的料位或顆粒物的料位和兩種不同液體介質(zhì)分界面的總稱。液位——容器中的液體介質(zhì)的高低料位——容器中固體或顆粒狀物質(zhì)的堆積高度界位——兩種不溶液體介質(zhì)的分界面的高低,4,檢測方法的分類,按測量方式可以分為連續(xù)測量和定點(diǎn)測量。按其工作原理可分為下列幾種類型：(1) 直讀式

3、 它根據(jù)流體的連通性原理來測量液位。(2) 浮力式 它根據(jù)浮子高度隨液位高低而改變或液體對浸沉在液體中的浮筒（或稱沉筒）的浮力隨液位高度變化而變化的原理來測量液位。前者稱為恒浮力式，后者稱為變浮力式。(3) 差壓式（靜壓式） 它根據(jù)液柱或物料堆積高度變化對某點(diǎn)上產(chǎn)生的靜（差）壓力的變化的原理測量物位。(4) 電氣式 它根據(jù)把物位變化轉(zhuǎn)換成各種電量變化的原理來測量物位。(5) 核輻射式 它根據(jù)同位素射線的核輻射透過物料時(shí)，其強(qiáng)度隨

4、物質(zhì)層的厚度變化而變化的原理來測量液位。(6) 聲學(xué)式 它根據(jù)物位變化引起聲阻抗和反射距離變化來測量物位,5,直接測量法,直接測量是一種最為簡單、直觀的測量方法，它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺讀出液位高度。玻璃管液位計(jì)。,6,人工檢尺液位測量,人工檢尺液位測量是對各種儲罐內(nèi)的液體進(jìn)行體積和質(zhì)量測定的種基本方法。具有操作簡單、計(jì)量準(zhǔn)確、無須輔助設(shè)備的特點(diǎn)，仍是目前各油田原油集輸過程中的一種主要計(jì)

5、量方法。檢尺測量時(shí)，先對罐內(nèi)液位高度進(jìn)行測定，再根據(jù)罐的橫截面積或大罐容積表，計(jì)算罐內(nèi)液體體積和質(zhì)量。檢尺測量的工具是鋼卷尺，其下端帶有銅質(zhì)重錘。為方便量油操作，在罐頂設(shè)有量油口。量油口下裝有量油管，管子底端鉆有孔眼與液體連通。設(shè)置量油管的目的是為了減小罐內(nèi)液面波動對量油的影響。,7,磁翻轉(zhuǎn)液位計(jì),磁翻轉(zhuǎn)液位計(jì)結(jié)構(gòu)牢固、工作可靠、顯示醒目。由于被測液體被完全密封，使用磁耦合傳動，因而可以測量高溫、高壓及不透明的粘性液體，如原油、污

6、水等。缺點(diǎn)是經(jīng)長期使用后，磁鋼磁性退化，翻板軸磨損易造成指示錯(cuò)誤．故應(yīng)定期檢查與校正。,,8,浮力法,浮力法測液位是依據(jù)力平衡原理，通常借助浮子一類的懸浮物，浮子做成空心剛體，使它在平衡時(shí)能夠浮于液面。當(dāng)液位高度發(fā)生變化時(shí)，浮子就會跟隨液面上下移動。因此測出浮子的位移就可知液位變化量。 浮子式液位計(jì)按浮子形狀不同，可分為浮子式、浮筒式等等；按機(jī)構(gòu)不同可分為鋼帶式、杠桿式等。,9,鋼帶浮子式液位計(jì),直讀式鋼帶浮

7、子式液位計(jì)，這是一種最簡單的液位計(jì)，一般只能就地顯示。,10,浮筒式液位計(jì),浮筒式液位計(jì)屬于變浮力液位計(jì)，當(dāng)被測液面位置變化時(shí)，浮筒浸沒體積變化，所受浮力也變化，通過測量浮力變化確定出液位的變化量。 液位高度變化與彈簧變形量成正比。彈簧變形量可用多種方法測量，既可就地指示，也可用變換器(如差動變壓器)變換成電信號進(jìn)行遠(yuǎn)傳控制。圖中： 1-浮筒；2-彈簧；3-差動變壓器 。,11,靜壓式液位計(jì),依據(jù)液體重量所產(chǎn)生

8、的壓力進(jìn)行測量。由于液體對容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比，因此通過測容器中液體的壓力即可測算出液位高度。,12,多用直接測量容器底部壓力的方法。如圖所示，測壓儀表通過導(dǎo)壓管與容器底部相連，由測壓儀表的壓力指示值，便可推知液位的高度 。,其關(guān)系為式中 P—測壓儀表指示值 H—液位的高度ρ—液體的密度g—重力加速度,,壓力表測量液位原理,敞口容器,13,式中 P0、P+——分別是液面上部介質(zhì)壓力和液面以下H深度的液體壓力。,測量

9、容器底部壓力，除與液面高度有關(guān)外，還與液面上部介 質(zhì)壓力有關(guān)，其關(guān)系為,密閉容器,14,零點(diǎn)遷移,（1）壓力表安裝位置與容器底部不在同一高度（2）導(dǎo)壓管存在液柱,無遷移,特征：差壓變送器的正壓室取壓口正好與容器的最低液位（Hmin=0）處于同一水平位置。作用于變送器正、負(fù)壓室的差壓ΔP與液位高度H的關(guān)系為ΔP=Hρg。當(dāng)H =0時(shí)，正負(fù)壓室的差壓ΔP=0，變送 器輸出信號為4mA當(dāng)H= Hm

10、ax時(shí)，差壓ΔPmax=ρgHmax， 變送器的輸出信號為20 mA，,,15,負(fù)遷移,差壓變送器的正、負(fù)壓室的壓力分別為,正、負(fù)壓室的壓差為,當(dāng)被測液位H=0時(shí)，ΔP=-（h2-h1）ρ2g<0，使變送器在H=0時(shí)輸出電流小于4 mA；H=Hmax時(shí)，輸出電流小于20 mA,密封容器上層氣體為可凝結(jié)蒸汽,差壓變送器高度改變，但只要正負(fù)取壓點(diǎn)位置間距離(h2-h1)不變，其遷移量不變。,16,正遷移,變送器的安裝位置

11、與容器的最低液位（H=0）不在同一水平位置,正、負(fù)壓室的壓力分別為,正、負(fù)壓室的壓差為,當(dāng)被測液位H=0時(shí)，ΔP=h1ρg >0，從而使變送器在H=0時(shí)輸出電流大于4 mA；H=Hmax時(shí)，輸出電流大于20 mA。,17,（a）無遷移 （b）負(fù)遷移 （c）正遷移,18,遷移彈簧的作用 改變變送器的零點(diǎn)。,遷移和調(diào)零 都是使變送器輸出的起始值與被測量起始點(diǎn)相對應(yīng)，只不過零點(diǎn)調(diào)整量通常較小，而零點(diǎn)遷移量則比較大。,遷移 同時(shí)改

12、變了測量范圍的上、下限，相當(dāng)于測量范圍的平移，它不改變量程的大小。,,19,法蘭式差壓變送器測量液位示意圖,1—法蘭式測量頭；2—毛細(xì)管；3—變送器,為了解決測量具有腐蝕性或含有結(jié)晶顆粒以及黏度大、易凝固等液體液位時(shí)引壓管線被腐蝕、被堵塞的問題，應(yīng)使用在導(dǎo)壓管入口處加隔離膜盒的法蘭式差壓變送器，如下圖所示。,用法蘭式差壓變送器測量液位,20,,,例1．如下圖所示是雙法蘭式差壓變送器測量密閉容器中有結(jié)晶液體的液位，已知被測液體的密度ρ=1

13、200kg/m3，液位變化范圍為H為0~950mm，變送器的正、負(fù)壓法蘭中心線距離H0=1800mm，變送器毛細(xì)管硅油密度ρ1=950kg/m3，試確定變送器的量程和遷移量。,根據(jù)差壓變送器的量程系列，可選16kPa的量程。,差壓變送器需要進(jìn)行負(fù)遷移，負(fù)遷移量為16.758kPa。,解：液位的變化范圍為0~950mm時(shí)，差壓的變化量為,當(dāng)H=0時(shí),21,例2：有兩種密度分別為ρ1=0.8g/cm3，ρ2=1.1g/cm3的液體置于閉口容

14、器中，它們的界面經(jīng)常發(fā)生變化。試考慮能否利用差壓變送器來連續(xù)測量其界面，若可以利用差壓變送器來測量，試問：（1）儀表的量程如何選擇；（2）遷移量是多少？,解：可以利用差壓變送器來連續(xù)測量其界面，如右圖。因ρ2密度比較高，所以用采用法蘭液面計(jì)測量ρ1、ρ2的界位。液位計(jì)毛細(xì)管內(nèi)充有硅油，其密度為=0.95g/cm3。,（1）儀表的量程是指當(dāng)界位由最低升到最高時(shí)，液面計(jì)上所增加的壓力。故量程為,,（2）當(dāng)界面最低時(shí)，儀表正、負(fù)室壓的壓力

15、ρ+、ρ-分別為,22,,所以儀表的遷移量,23,超聲波法,超聲波液位計(jì)利用波在介質(zhì)中的傳播特性。 因此，在容器底部或頂部安裝超聲波發(fā)射器和接收器，發(fā)射出的超聲波在相界面被反射。并由接收器接收，測出超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差，便可測出液位高低。,24,分類,超聲波液位計(jì)按傳聲介質(zhì)不同，可分為氣介式、液介式和固介式三種； 按探頭的工作方式可分為自發(fā)自收的單探頭方式和收發(fā)分開的雙探頭方式。 單探頭液位計(jì)使用一個(gè)換能器，由控

16、制電路控制它分時(shí)交替作發(fā)射器與接收器。 雙探頭式則使用兩個(gè)換能器分別作發(fā)射器和接收器，對于固介式，需要有兩根金屬棒或金屬管分別作發(fā)射波與接收波的傳輸管道。,(a)氣介式 (b) 液介式 (c)固介式單探頭超聲波液位計(jì),25,,超聲波液位測量有許多優(yōu)點(diǎn)：與介質(zhì)不接觸，無可動部件，電子元件只以聲頻振動，振幅小，儀器壽命長；超聲波傳播速度比較穩(wěn)定，光線、介質(zhì)粘度、濕度、介電

17、常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等對檢測幾乎無影響，因此適用于有毒、腐蝕性或高粘度等特殊場合的液位測量；不僅可進(jìn)行連續(xù)測量和定點(diǎn)測量，還能方便地提供遙測或遙控信號；能測量高速運(yùn)動或有傾斜晃動的液體的液位，如置于汽車、飛機(jī)、輪船中的液位。,26,,超聲波液位測量也有缺點(diǎn)：超聲波儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格相對昂貴；當(dāng)超聲波傳播介質(zhì)溫度或密度發(fā)生變化，聲速也將發(fā)生變化，對此超聲波液位計(jì)應(yīng)有相應(yīng)的補(bǔ)償措施，否則嚴(yán)重影響測量精度；有些物質(zhì)對超聲波有強(qiáng)烈吸收

18、作用，選用測量方法和測量儀器時(shí)要充分考慮液位測量的具體情況和條件。,27,電學(xué)法,電學(xué)法按工作原理不同又可分為電阻式、電感式和電容式。用電學(xué)法測量無摩擦件和可動部件，信號轉(zhuǎn)換、傳送方便，便于遠(yuǎn)傳，工作可靠，且輸出可轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號，與電動單元組合儀表配合使甩，可方便地實(shí)現(xiàn)液位的自動檢測和自動控制。,28,電阻式液位計(jì),電阻式液位計(jì)既可進(jìn)行定點(diǎn)液位控制，也可進(jìn)行連續(xù)測量。 所謂定點(diǎn)控制是指液位上升或下降到一定位置時(shí)引起電路的接通或

19、斷開，引發(fā)報(bào)警器報(bào)警。電阻式液位計(jì)的原理是基于液位變化引起電極間電阻變化，由電阻變化反映液位情況。,29,,該液位計(jì)的兩根電極是由兩根材料、截面積相同的具有大電阻率的電阻棒組成，電阻棒兩端固定并與容器絕緣。整個(gè)傳感器電阻為 該傳感器的材料、結(jié)構(gòu)與尺寸確定后，K1、K2均為常數(shù)，電阻大小與液位高度成正比。連續(xù)測量的電阻式液位計(jì)原理圖。 1-電阻棒； 2-絕緣套；

20、 3-測量電橋,30,電感式液位計(jì),電感式液位計(jì)利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液位變化引起線圈電感變化，感應(yīng)電流也發(fā)生變化。 電感式液位計(jì)既可進(jìn)行連續(xù)測量，也可進(jìn)行液位定點(diǎn)控制。 傳感器由不導(dǎo)磁管子、導(dǎo)磁性浮子及線圈組成。管子與被測容器相連通，管子內(nèi)的導(dǎo)磁性浮子浮在液面上，當(dāng)液面高度變化時(shí)，浮子隨著移動。 線圈固定在液位上下限控制點(diǎn)，當(dāng)浮子隨液面移動到控制位置時(shí)，引起線圈感應(yīng)電勢變化，以此信號控制繼電器動作，可實(shí)現(xiàn)上、下液位的

21、報(bào)警與控制。 圖中：1、3-上下限線圈； 2-浮子,31,電容式液位計(jì),電容式液位計(jì)利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進(jìn)行測量。 電容式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)形式很多，有平極板式、同心圓柱式等等。 它的適用范圍非常廣泛，對介質(zhì)本身性質(zhì)的要求不象其它方法那樣嚴(yán)格，對導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)都能測量，此外還能測量有傾斜晃動及高速運(yùn)動的容器的液位。不僅可作液位控制器。還能用于連續(xù)測量。,32,檢測原理

22、 在液位的連續(xù)測量中，多用同心圓柱式電容器，如右圖。同心圓柱式電容器的電容量：式中： D、d——外電極內(nèi)徑和內(nèi)電極外徑 (m)； ε ——極板間介質(zhì)介電常數(shù)(F/m)； L ——極板相互重疊的長度(m)。 液位變化引起等效介電常數(shù)變化，從而使電容器的電容量變化，這就是電容式液位計(jì)的檢測原理。圖中：1-內(nèi)電極；2-外電極 。,,,33,磁電法,利用磁電轉(zhuǎn)

23、換原理進(jìn)行液位測量的磁致伸縮液位計(jì)是近年來推出的新產(chǎn)品。,磁致伸縮液位計(jì)原理圖,34,常用油罐液位計(jì)的性能特點(diǎn)及選用,中間罐僅對液位、溫度和壓力（帶壓儲罐）等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，以防止油罐發(fā)生冒頂、抽真空等事故，并不需要交接監(jiān)控計(jì)量；對貿(mào)易罐內(nèi)介質(zhì)的液位、溫度、密度、體積、質(zhì)量則必須經(jīng)常監(jiān)測和計(jì)量，且精度要求很高。,35,幾種常見液位計(jì)性能比較,36,液位計(jì)對不同介質(zhì)的適用情況,37,選用液位計(jì)的原則,（1）油罐容積對大型罐（10000

24、~100000m3）及比較大液化氣罐可選用性能較高液位計(jì)，中小罐可選用一般液位計(jì)；（2）油罐用途貿(mào)易罐應(yīng)選用高精度液位計(jì)，中間罐可用一般液位計(jì)；（3）介質(zhì)特性儲存粘度大的介質(zhì)（如重油）時(shí)，應(yīng)盡量采用與被測介質(zhì)不接觸或少接觸類型的液位計(jì)，如雷達(dá)式、超聲波式和磁致式液位計(jì)，輕油可采用一般液位計(jì)；（4）用戶實(shí)際需要如果用戶要求計(jì)量精度高而投資限制少，可以采用性能好的液位計(jì)，一般情況下，老罐區(qū)改造或更新可結(jié)合原有液位計(jì)使用維護(hù)情況考