海上油气田现场仪表选型

摘要：本文介绍了温度仪表、压力仪表、液位仪表的分类和特点。目的是对文昌、西江项目中常低压容器上的现场仪表进行选型。

关键词：现场仪表 选型 温度 压力 液位

一、前言

现场仪表是海上油气田仪表控制系统的重要组成部分，它们主要是为了检测现场生产过程中的各种温度、压力、液位等过程参数状况而设置的。它们的选型合理与否直接影响整个控制系统的可靠性和灵敏度。但由于现场仪表的种类、功能和复杂程度的差异性都非常之大，所以在这些仪表的选型过程中，要根据项目所需要的功能，综合考虑安全性，经济性和实用性来选择合适的仪表，避免不必要的浪费。本次现场仪表的选型主要针对文昌19-1/15-1/14-3/8-3开发项目及西江23-1油田开发项目工程中的16台容器（其中8台常压容器，8台压力容器）上的现场指示仪表。

二、现场仪表选型原则

根据工艺要求、生产装置规模、工艺流程特点及工艺参数对操作的影响因素确定测量和调节方式，选用相应仪表；

根据被测介质物性、环境条件、操作要求及其它工艺要求，有针对性地选用相应仪表；

根据有关爆炸、火灾危险场所电气设备设计规范和标准，按照仪表使用场所的分类等级，确定仪表的防爆要求；

根据所在海域的环境条件（如：温度、湿度、空气中的盐分等），确定仪表的防护要求。

在满足上述要求的同时，在同一个项目中现场仪表及辅件应尽量选用标准系列化产品，尽可能减少仪表品种、类型，以减少备品备件的种类、方便操作与维护。

下面以该项目中所涉及的温度仪表、压力仪表、液位仪表分别进行介绍。

二、温度仪表

1.温度仪表的分类和特点

温度测量仪表按测量方式可分为接触式和非接触式两大类。接触式温度测量仪表比较简单、可靠，测量精度较高，一般能够测出真实温度。但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，故需要一定的时间才能达到热平衡，响应时间较长，存在测温的迟滞现象，受耐高温材料的限制，不能用于极高温度的测量；不适宜直接对腐蚀性介质测温。非接触式温度测量仪表是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需要与被测介质接触，测温范围广，不受测温上下限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，响应速度较快，可以测量区域的温度分布。但受到物体的发射率、测量距离、烟尘、水汽等外界因素的影响，其测量误差较大，仪表示值仅代表表观温度，结构复杂、价格较昂贵。

各类测温仪表结构原理不同，有不同的测温应用场合。海洋石油工程中一般采用热电偶、热电阻和双金属温度计。

2.几种温度测量仪表的测量原理及优缺点比较

2.1热电偶

测温原理：两种不同导体A和B串联在一个闭合回路中，如结合点出现温差，就会在回路中产生一个电势。该电势与被测温度成一定的函数关系。这种因温差而产生热电势的现象称为“热电效应”，这种不同导体的组合称为热电偶。

优点：体积小、方便安装；价格低、精度高；信号可远传作指示、控制用；测量范围宽；校验容易。缺点：需冷端温度补偿；精度较热电阻低；在同样条件下热电偶接点容易老化。

2.2热电阻

测温原理：热电阻是利用电阻与温度成一定函数关系的金属导体或半导体材料制成的感温元件来测量温度的。

优点：测量精度高；可保持多年稳定性、精确度；响应速度快；与热电偶测量相比不需要冷端温度补偿。缺点：价格较热电偶贵；避免使用在有机械振动的场合。

2.3双金属温度计

测温原理：双金属温度计是利用固体受热产生几何位移作为测温信号的一种固体膨胀式温度计。双金属温度计的感温元件通常是由两种膨胀系数不同，彼此又牢固结合的金属制作成螺旋型结构，绕成螺旋型的双金属感温元件一端固定，另一端连接指针轴，当被测物体温度变化时，两种金属由于膨胀系数不同，使螺旋管曲率发生变化，通过指针轴带动指针偏转，显示所测温度值。

优点：结构简单、机械强度高、不怕震动、耐冲击；价格较低；维修方便；示值连续。缺点：测量精度较低。

经过比较,三种仪表都具有各自的优点及缺点。由于海上油气田电信系统设计指出在满足测量范围、工作压力和精度的要求下就地仪表应优先选用双金属温度计。因此，在考虑该项目中各台容器的工艺要求、工作环境及条件下的所有温度仪表选用了双金属温度计。

3.温度计套管

由于大多数温度敏感元件太精密以致不能经受生产工艺的恶劣环境条件，另外又希望能够移动和重新安装敏感元件而不必关闭工艺设备，故几乎没有温度敏感元件是直接插入工艺流体里，而是放在一个金属套管内，以保护元件避免直接暴露在工艺流体中，又允许将流体的热传给元件。温度计套管具有两种基本保护作用：

3.1机械保护：抵抗工业生产流动的静态和动态作用力。

3.2化学保护：阻止与腐蚀性工艺流体的相互作用。

因此，在该项目中，为所有温度计配备了温度计套管。

四、压力仪表

压力是海洋石油生产中的重要参数之一，为了保证生产正常运行，对压力进行正确的检测是十分重要的。常见的压力测量仪表按测压原理可分为：液柱式压力计、弹性式压力计、电气式压力计。在海上生产设备中最常见的压力传感元件为弹性形变型。以下以传感元件为弹性形变型的弹性压力表作具体介绍。

1.弹性压力表

弹性压力表可直接安装在工艺设备、管线上作为现场压力指示，是一种应用广泛、对工作环境不苛求、价格又便宜的压力测量仪表。它结构简单，牢固耐用，读数可靠，准确稳定。其工作原理是根据弹性元件受压后产生与被测压力大小成比例的形变而制成的。弹性压力表又分为以下几种：

1.1波纹管压力表

波纹管压力表的弹性敏感元件是波纹管，波纹管受压后有较大位移。该位移与所受压力成正比。波纹管的位移可转化为指针旋转显示出所受压力值。

优点：输出推力大，在低、中压范围使用好，价格适中。

缺点：对环境温度的变化较敏感。多数情况下，仅靠波纹管的伸缩作用并不能够提供足够能量进行精确的测量需附加一个弹簧管来提高精确性。

1.2弹簧管压力表

弹簧管压力表的敏感元件是截面为椭圆形的弹性C形管，在C形管承受压力时C形管自由端位移带动指针来指示压力。其结构如图1-1所示，被测压力由接头6通入，迫使弹簧管1的自由端B向右上方扩张。自由端B的弹性形变位移由拉杆2使扇形齿轮3作逆时针偏转，于是指针4通过同轴的中心齿轮3的带动而作顺时针偏转，从而在面板5的刻度尺上显示出被测压力值。（见图1-1）

弹簧管压力表适用于测量不结晶、不凝固，对钢、铜合金没有腐蚀作用的液体、气体介质的压力。

其优点：结构简单；价格便宜；有长期使用经验；量程范围大；精度高。

缺点：对冲击、振动敏感；正、反行程有滞回现象。

1.3膜片压力表

膜片压力表的弹性敏感元件是带有波纹的圆形膜片，当膜片受压时一侧会产生微小变形，以带动联轴指针指示压力。膜片将被测介质与压力表内部元件分隔开，以便不再受介质影响。其结构如图1-2所示，膜片1在压力P作用下，所产生的弹性形变位移由连杆2输出，使铰链块3作顺时针偏转，经拉杆4和曲柄5托动转轴6及指针7作逆时针偏转，在刻度板8上显示被测压力值。

膜片压力表适用于测量腐蚀性介质的压力，更适合于测量易结晶或粘稠性介质的压力。

膜片材料应根据被测介质的性质来选择，如：316LSS、316SS、哈氏合金、蒙乃尔合金膜片等。

其优点：尺寸小、价格适中；可用于粘稠介质的测量。

缺点：抗震、抗冲击性能不好；维修困难；测量压力较低。

2.精度选择

一般工业用压力表1.5级或2.5级已足够，科研或精密测量用0.5级或0.35级的精密压力计或标准压力表。

海洋石油工程中在满足工艺要求的前提下，一般选用精度等级为1.0级或1.5级的压力表。

3.测量范围的选择

3.1测量稳定的压力时，正常操作压力值应在仪表测量范围上限值的1/3～2/3。

3.2测量脉动压力（如：泵、压缩机和风机等出口处压力）时，正常操作压力值应在仪表测量范围上限值的1/3～1/2 。

3.3测量中、高压力（大于4MP）时，正常操作压力值不应超过仪表测量范围上限值的1/2。

4.压力表外形尺寸的选择

现场就地指示的压力表一般表面直径选Φ100mm，在标准较高或照明条件较差的场合用表面直径为Φ150mm至Φ200mm的。

在该项目中，由于罐体内介质大多为腐蚀性介质，所以经过比较，最终选用了膜片压力表。以文昌压力入口燃气洗涤器FPSO-V-3104为例，该容器所在工作区域为Class 1 Zone 2，操作压力320KPaG，设计压力850KPaG，操作温度40℃，设计温度70℃。容器内介质为油、气、水。在满足上述工艺参数的条件下，为该容器选用了精度为1.5级，量程为0～600KPaG，表盘直径为Φ150mm的膜片式压力表。

五、液位仪表

1.常用液位计的选型及技术说明

在设计选用液位测量仪表时，对一个设施中的每一个储罐或容器都需要单独研究，以便选择正确的液位测量仪表。为了便于采购、操作和维修，设备的选择应尽可能统一。但也不能因此使某些设备的功能减弱。

对液位计来说，只要能有效地工作，通常都选用最简单的。一般都推荐选用浮子式和沉筒式。

2.磁翻板液位计

2.1工作原理

磁翻板液位计属浮子式液位计，它以磁性浮子为感测元件，并应用连通管原理，保证被测容器与测量管体间的液位相等。由于浮子与磁性色片内磁铁的极性相反，所以，当测量管中的浮子随被测液位等量变化时，就会吸引磁性色片翻动。磁性色片颜色会由白色翻为红色（或其它颜色）。白色表示为无液，红色表示为有液，以指示实际液面高度。

2.2特点

2.2.1适用范围广、安装形式多样，适合多种介质的液位测量。

2.2.2适宜于有腐蚀、有毒介质的应用场合。

2.2.3双色指示、连续直观、醒目、测量范围大。

2.2.4耐振动性能好，能适应液位波动大的情况下工作。

2.2.5结构简单，安装方便，维护费用低。

沉筒更适宜用于高压容器，因为它的结构比浮子更为坚固。该项目中的16台容器属常低压容器，所以该项目选用了容器上常用于测量液位的磁翻板液位计。

六、结语

现场仪表的合理选型是仪表控制系统正常运行的基础。只有仪表控制系统发挥良好的功能才能保障海上油气田得以顺利开发，从而保障海上油气田的生产安全，确保人员、设施的安全。本文根据文昌、西江项目中容器所需功能并综合考虑安全性、经济性和实用性，为该项目中的16台容器合理地选用了现场仪表。完善了仪表控制系统，为文昌、西江项目的正常运作提供了基本条件。

参考文献：

[1]海上油气田仪电信系统设计.

[2]海上油气工程设计使用手册.

[3]www.省略/yw-ft.htm.

[4]www.省略.

[5]张子慧. 热工测量与自动控制.中国建筑工业出版社，1999年8月第三版.

作者简介： 赵天婷，女，油田建设渤海工程分公司，专业：电气工程及其自动化，现任电气工程师。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文