探析海洋平臺(tái)液位遙測(cè)系統(tǒng)液位計(jì)跳變

鄭天為

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452）

1 概述

某自升式采油平臺(tái)投入使用以來，先后在CFD2-1、CFD11-6、CH1-1 等油田進(jìn)行試采、生產(chǎn)作業(yè)。在試采作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)原油艙以及壓載系統(tǒng)的部分液位計(jì)頻繁發(fā)生跳變，跳變的液位計(jì)有七個(gè)參與了ESD關(guān)斷，不參與關(guān)斷的液位計(jì)發(fā)生跳變，也會(huì)對(duì)平臺(tái)造成不穩(wěn)定的因素，對(duì)平臺(tái)的安全生產(chǎn)造成了極大影響。

2 雷達(dá)液位計(jì)的構(gòu)成及工作原理

液位遙測(cè)系統(tǒng)能夠集成多種液位測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶上的壓載艙底水、燃油、淡水、貨油等各類大艙的液位、溫度、壓力等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)高于報(bào)警值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

可以通過現(xiàn)場(chǎng)控制柜實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)各個(gè)艙室的液位、壓力、溫度，也可以通過RS485 將數(shù)據(jù)傳輸至中控，通過中控電腦對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。系統(tǒng)由嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、液位監(jiān)測(cè)模塊、基于CAN 通信的開關(guān)量輸入輸出模塊等組成，通過模擬量輸入單元將液位信號(hào)送入工控機(jī)，通過485 總線與工控機(jī)進(jìn)行通信。

平臺(tái)共有7 個(gè)油水艙，每個(gè)艙室均配備一臺(tái)某81 型導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)和某61 型微波雷達(dá)液位計(jì)，其中導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)接入PCS系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)控，微波雷達(dá)接入ESD系統(tǒng)實(shí)施緊急關(guān)斷。

雷達(dá)液位計(jì)是依據(jù)時(shí)域反射原理(TDR)為基礎(chǔ)的雷達(dá)液位計(jì)，雷達(dá)液位計(jì)的電磁脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播，當(dāng)遇到被測(cè)介質(zhì)表面時(shí)，雷達(dá)液位計(jì)的部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置，發(fā)射裝置與被測(cè)介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時(shí)間成正比，經(jīng)計(jì)算得出液位高度，如圖1 所示。

圖1

3 雷達(dá)液位計(jì)故障現(xiàn)象

海洋平臺(tái)的微波、導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)是某廠家制造，平臺(tái)建造時(shí)安裝并由項(xiàng)目組、廠家、平臺(tái)儀表人員進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。平臺(tái)投產(chǎn)以后，各個(gè)大艙液位計(jì)多次發(fā)生跳變，并導(dǎo)致關(guān)斷。

通過對(duì)關(guān)斷時(shí)的趨勢(shì)圖比對(duì)，發(fā)現(xiàn)液位計(jì)測(cè)量值波（轉(zhuǎn)下頁）動(dòng)，達(dá)到低低報(bào)警值最終觸發(fā)關(guān)斷；而且生產(chǎn)恢復(fù)后液位計(jì)測(cè)量值也極為不穩(wěn)定，根據(jù)趨勢(shì)圖初步判斷油艙雷達(dá)液位計(jì)液位低低引起，可能原因是油艙雷達(dá)液位計(jì)跳變導(dǎo)致，圖2 雷達(dá)液位計(jì)跳變。

圖2

對(duì)于發(fā)生雷達(dá)液位計(jì)跳變，已經(jīng)無法滿足海洋平臺(tái)進(jìn)行的試采作業(yè)要求，作業(yè)過程中由于導(dǎo)波雷達(dá)下面的固定馬腳普遍在150-200mm之間，所以微波雷達(dá)在導(dǎo)波無法測(cè)量的低液位區(qū)間起到關(guān)鍵的測(cè)量，如果無法準(zhǔn)確測(cè)量，單井測(cè)試可能偏差達(dá)到10 多方，而作業(yè)油田產(chǎn)量在100 方左右，偏差實(shí)在太大。

在船廠調(diào)試階段，污油水艙一微波雷達(dá)傳感器在液位大于3800mm 時(shí)會(huì)跳到液位低低，并觸發(fā)四級(jí)關(guān)斷，持續(xù)進(jìn)液液位趨勢(shì)不上漲；在D平臺(tái)臨時(shí)作業(yè)階段，污油水艙一液位變送器多次發(fā)生從正常液位突變至200mm左右；左原油艙2 液位變送器存在跳變突增的問題，從正常液位突變至高液位，造成生產(chǎn)三級(jí)關(guān)斷，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。雷達(dá)液位計(jì)防護(hù)蓋中存在凝露，發(fā)現(xiàn)污油一、污油二、左二導(dǎo)波螺紋連接處、右一微波雷達(dá)液位計(jì)法蘭處存在泄漏情況，外部保護(hù)罩內(nèi)存在凝析油、水。

4 雷達(dá)液位計(jì)故障原因分析及維修

4.1 雷達(dá)液位計(jì)頻繁跳變的原因分析

4.1.1 金屬罩的影響。自平臺(tái)投產(chǎn)以來，各個(gè)大艙分別出現(xiàn)過多次測(cè)量值跳到最高點(diǎn)，雖然出現(xiàn)的頻率很低，但由于雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量值參與了連鎖控制，液位值跳到4m以上會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，因此影響很大。密閉的金屬導(dǎo)致在整個(gè)測(cè)量范圍出現(xiàn)較多虛假信號(hào)，整體噪聲線上升。將罩蓋打開后，前面的虛假信號(hào)就消失了，噪聲線也降了下來，金屬罩如圖3 所示。

圖3

4.1.2 天線上的水汽冷凝。冬天的時(shí)候，微波雷達(dá)連續(xù)跳變，經(jīng)過排查是因?yàn)榇笈摰撞坑蜏販囟雀撸敳繙囟鹊?，水蒸氣冷凝，?dǎo)致雷達(dá)波遇到水蒸氣反射，造成虛假液位。冷凝水是客觀存在的，因?yàn)橛团摐囟雀?、環(huán)境溫度低，兩者之間差值總是存在，如圖4所示。

圖4

4.2 雷達(dá)液位計(jì)的維修

4.2.1 根據(jù)雷達(dá)液位計(jì)不同的跳變情況，分別進(jìn)行維修處理。在船廠水聯(lián)運(yùn)調(diào)試階段，污油水艙一微波雷達(dá)傳感器在液位大于3800mm 時(shí)會(huì)跳到液位低低，并觸發(fā)四級(jí)關(guān)斷，持續(xù)進(jìn)液液位趨勢(shì)不上漲；分析判斷是安全柵故障，高液位時(shí)傳感器供電不足不能正常工作。平臺(tái)對(duì)線路、模塊進(jìn)行排查，在船廠水聯(lián)運(yùn)期間排查出位于變壓器間的安全柵存在問題，電壓經(jīng)過安全柵壓降過大，至液位計(jì)僅9V 電壓，不滿足液位計(jì)工作電壓，更換新的7 個(gè)液位遙測(cè)系統(tǒng)安全柵，壓降恢復(fù)正常。再分別向7 個(gè)油艙進(jìn)液，實(shí)測(cè)液位遙測(cè)系統(tǒng)在更換安全柵后的工作狀態(tài)，經(jīng)測(cè)試，各個(gè)液位計(jì)穩(wěn)定運(yùn)行，沒有發(fā)現(xiàn)異常。

在日常維護(hù)時(shí)發(fā)現(xiàn)雷達(dá)液位計(jì)防護(hù)蓋中存在凝露，在污油一、污油二、左二導(dǎo)波螺紋連接處、右一微波雷達(dá)液位計(jì)法蘭處存在泄漏情況，外部保護(hù)罩內(nèi)存在凝析油、水，發(fā)現(xiàn)問題后緊固各個(gè)液位計(jì)法蘭盤與螺栓，處理后所有法蘭盤密封，使用電子清洗劑清洗表殼內(nèi)部及電子部件，處理后對(duì)大艙液位進(jìn)行檢測(cè)，目前運(yùn)行穩(wěn)定。

左一微波雷達(dá)在原油艙3 米左右的高液位跳變超過4 米直接引起3 級(jí)關(guān)斷信號(hào)的跳變；左二微波雷達(dá)在原油艙或污油水艙低液位幾十毫米產(chǎn)生0.5 米或者1.8 米的突然跳變；左一導(dǎo)波雷達(dá)顯示F013 故障引起的高液位滿量程跳變；左三導(dǎo)波雷達(dá)在測(cè)量時(shí)經(jīng)常性跳變到最高點(diǎn)，再跳回正常液面，頻繁的跳變對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)造成了極大的影響，使用VEGA藍(lán)牙模塊重新配置相關(guān)參數(shù)也無法使液位計(jì)恢復(fù)正常，故臨時(shí)將液位信號(hào)旁通。通過查閱資料，判斷鐵質(zhì)保護(hù)殼對(duì)微波雷達(dá)液位計(jì)產(chǎn)生極大的干擾，儀表是塑料天線，因此會(huì)有微量的雷達(dá)信號(hào)泄漏到外界環(huán)境里。如果用密閉的金屬罩將儀表蓋住，這部分雷達(dá)信號(hào)就不能發(fā)散出去，經(jīng)過在罩內(nèi)的多次反射后被天線接收，會(huì)影響微波雷達(dá)液位計(jì)帶來虛假信號(hào)，造成高高跳變，部分參數(shù)設(shè)置不符合目前使用狀況。在將鐵質(zhì)保護(hù)殼頂部去掉，使用遮擋物遮擋避免進(jìn)液積水，對(duì)液位計(jì)的7 個(gè)導(dǎo)波雷達(dá)和7個(gè)微波雷達(dá)相關(guān)參數(shù)重新配置。通過對(duì)金屬罩進(jìn)行整改以后，經(jīng)測(cè)試，液位計(jì)示數(shù)穩(wěn)定，沒有發(fā)現(xiàn)氣場(chǎng)情況，從根本上解決了液位計(jì)的跳變問題。

4.2.2 雷達(dá)液位計(jì)維修前后的數(shù)據(jù)對(duì)比分析。電腦通過藍(lán)牙模塊連接雷達(dá)液位計(jì)，看到目前的實(shí)際液位和液位的曲線如圖5。

圖5

用組態(tài)軟件將改虛假信號(hào)進(jìn)行抑制，抑制之后的曲線如圖6 所示。

圖6

在近距離進(jìn)行虛假信號(hào)編輯，將虛假信號(hào)抑制線抬高，使冷凝產(chǎn)生的虛假信號(hào)得到可靠的抑制。這樣冷凝產(chǎn)生的虛假信號(hào)永遠(yuǎn)不可能高于該抑制線，就不會(huì)被儀表識(shí)別了，有效的解決了因?yàn)樘摷傩盘?hào)引起的大艙液位跳變。

通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修，掌握了該雷達(dá)液位計(jì)常見故障的處理方法，有效的預(yù)防了因液位跳變?cè)斐傻年P(guān)斷。

5 結(jié)論

通過對(duì)液位計(jì)的跳變故障的處理，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，回波信號(hào)很難穩(wěn)定的出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的尖波信號(hào)，大艙液位計(jì)還是會(huì)出現(xiàn)跳變，將參與ESD關(guān)斷的液位變送器在跳變以后加入了一個(gè)延時(shí)信號(hào)，即五分鐘內(nèi)不進(jìn)行關(guān)斷表決，讓維修人員有足夠的時(shí)間進(jìn)行信號(hào)旁通并進(jìn)行故障處理。通過對(duì)液位計(jì)跳變故障處理，從海洋平臺(tái)實(shí)際出發(fā)，有針對(duì)性解決了液位計(jì)長(zhǎng)期跳變故障，提高了維修人員分析、解決問題能力，有效的防止平臺(tái)因?yàn)檎`報(bào)警而造成的關(guān)斷。

由于該類型微波雷達(dá)液位計(jì)采用的是微波反射原理，此種類型微波雷達(dá)液位變送器不適用我平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境。我們所做的工作，對(duì)以后同類型平臺(tái)建造時(shí)雷達(dá)液位計(jì)的選型提供了參考。