倾角传感器在FPSO液位监控中的应用

【摘要】单点系泊FPSO受风浪影响，FPSO产生左右横摇，导致FPSO生产系统中的二级分离器液位波动，影响了整个生产流程的稳定。本文以“南海开拓”号FPSO上的二级分离器为研究对象，提出利用倾角传感器修正液位的波动，从而保证整个生产流程的稳定。

【关键词】FPSO；二级分离器；倾角传感器；液位修正

1.引言

“南海开拓”号FPSO是一种浮式、生产、储存和外输设施，接收和处理两个西江24-3和西江30-2钻采平台输送的原油，经过二级分离器、电脱水罐和电脱盐罐，然后储存在油舱中，最后通过外输油轮将油卸走。FPSO在系泊状态下受海洋环境强度及风、浪、流的影响，会产生垂荡、横摇和纵摇，特别是在恶劣海况条件下，FPSO横摇程度比纵摇和垂荡大一个数量级[1]。所以本文主要讨论横摇对FPSO生产流程中液位监控系统的影响，以及解决方案的实施。表1为“南海开拓”号FPSO船体的主要参数[2]。表2是该海域常年主要水文气象条件[2]。

2.二级分离器工况介绍及问题的提出

钻采石油平台通过海底管线向FPSO输送油气水混合物，其中最多含水20%，二级分离器的作用是对混合物中的油气水进行二次处理，原理是油气水三相密度不同，依靠自身重力沉降分离，使油气水三相进一步分离，分离器内部有一个溢流堰板，从生产液中分离出来的原油液位高过堰板高度时，原油通过溢流堰板进入分离器右部的油槽，然后经过离心泵输送到脱水罐，二级分离器水端和油端各有一个液位控制器LIC。二级分离器生产流程如图1所示，油水界面液位控制和油端液位控制各构成一个单回路控制系统。两个LIC液位控制器型号为fisher2500气动液位控制器，测量液位的原理是利用浮筒传感器感应液位，安装方式如图2所示，将浮筒安装在连通器里面，控制器根据浮筒感应到的液位测量值与设定值相比，输出标准气动控制信号给Flowserve气动控制阀的定位器，使水端和油端液位保持在设定位置。

由于二级分离器为卧式罐体压力容器，安装朝向船艏方向，FPSO横摇会造成二级分离器内液位往复波动，形成“假液位”，原始设计选用的是fisher2500气动液位控制器，它对微小液位变化都做出反应，但是不能识别真假液位，导致控制器的输出信号产生波动，从而直接影响液位控制阀的开度跟随液位上下波动而波动，导致整个生产流程不稳定，液位控制阀频繁往复运动加速了阀杆密封件和阀门定位器的损坏，另外离心泵出口流量不稳也会造成离心泵轴承和机械密封的损害，给生产流程带来了很大的危害。

3.系统解决方案

针对上述情况，本文提出了一种解决方案，液位监控方法使用Rockwell ControlLogix L5562系列PLC结合POSITAL FRABA ANS15型双轴倾角传感器的方法，升级改造原来的控制系统。

（1）ControlLogix L5562是AB公司推出的新一代PLC产品，可靠性高，抗干扰能力强，编程方便，RSview32上位机软件编译的人机界面友好，便于工作人员监视生产流程，整个控制系统由上位机工作站、HMI触摸屏、PLC控制机柜、液位变送器等现场仪表组成，为保证系统稳定性，控制系统采用双冗余设计，其架构如图3所示。

（2）FRABA ANS15型倾角传感器[3]分辨率为0.001°，测量倾角的量程为+/-15°，精度等级为0.15°，支持CAN总线，倾角传感器的输出信号送入PLC的数据通信模块1756-DN8，采集到的角度送至PLC CPU参与液位修正的计算，倾角传感器的安装方向如图4所示，X轴正方向应水平指向FPSO船艏方向，测量横摇角度瞬态值，设定左倾α角为负值，右倾β角为正值，Y轴方向可以测量纵摇倾角，可作为参考。

（3）二级分离器水端和油槽端需要加装K-Tek AT200高精度磁致伸缩液位变送器，安装位置也要利用连通器原理，将检测到的液位模拟量信号传送到PLC模拟量输入模块，然后转变为数字量给CPU参与控制运算。根据图2所示，已知连通器底部引流管跨度长为L，当FPSO向左摇倾角为α时（α为负数），液位变送器测量的液位为H1，那真实液位为，当FPSO右摇倾角为β时（β为正数），液位变送器测量的液位为H2，那么真实液位，所以左摇和右摇液位修正公式是相同的，在PLC编程时，利用公式修正液位瞬态值，就能得到油端和水端液位实际真实值，另外当α、β角度大于10°时，控制系统工作站可以设定报警输出，提醒工作人员注意，把液位控制控制模式从自动状态切换至手动状态。

（4）PLC的CPU是整个液位控制系统的核心，整个控制系统构成一个闭环回路，经过PID调节控制，选择合适比例积分参数，液位控制就能达到预期要求，图5显示为有扰动情况下单回路闭环液位控制系统原理框图。

（5）控制器由fisher2500改造成PLC控制后，由于控制信号从3-15psi气信号变成4-20mA直流信号，Flowserve气动控制阀的定位器是气信号控制的，所以本系统需要加装I/P电气转换器，选择型号为FOXBORO E69F转换器，能将标准直流电信号转换成标准气信号，符合功能需求。

4.效果评价及总结

针对“南海开拓”号FPSO上的二级分离器的液位监控问题，提出以电气控制改造气动控制的方案，并采用倾角传感器修正FPSO左右横摇时造成的液位波动，这种方案不仅提高了控制精度和增强了系统稳定性，而且能有效的减少控制阀和离心泵的故障率，所以此方案能对类似FPSO的生产流程控制的设计与工程实践提供重要的借鉴。

参考文献

[1]赵文华，胡志强，杨建民等.FPSO系泊系统载荷计算与分析[J].中国海上油气，2011，23（2）：118-119.

[2]李伟峰，史国友，李伟等.转塔式FPSO单点系泊系统受力计算方法[J].重庆交通大学学报，2012，31（2）：355-356.

[3]Absolute inclinometer with device net interface user manual[OL].http：//，2001.3.4.

作者简介：谢汉涛（1985―），男，现就读于长江大学电子与通信工程专业，研究方向：检测技术与自动化装置。