分離器液位控制系統(tǒng)研究

劉 斌，尹社會，劉春茂（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000）

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分離器液位控制系統(tǒng)研究

劉 斌，尹社會，劉春茂
（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000）

摘 要：本文針對石油化工行業(yè)中廣泛使用的浮子連桿機(jī)構(gòu)分離器的弊端，介紹了一種液位遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)裝置，實(shí)現(xiàn)了利用浮子連桿機(jī)構(gòu)和位移傳感系統(tǒng)完成計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)端智能控制，提高了分離器液面控制精度，降低了操作工勞動(dòng)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：分離器；浮子連桿機(jī)構(gòu)；位移傳感器；直線位移；調(diào)節(jié)器

1 研究背景

在我國油田中各類分離器被大量使用，特別是生產(chǎn)過程儲罐類的壓力分離器，這類分離器一般對液面測量精度要求不高，主要靠對控制出罐液量來控制罐內(nèi)液面，其自動(dòng)液位控制普遍采用浮子連桿機(jī)構(gòu)液面控制器（如圖1）來完成。浮子隨著儲液罐內(nèi)液面的變化而發(fā)生垂直方向上的上下位移，浮子位置的改變通過連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)液位控制閥的轉(zhuǎn)軸作出相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變液位控制閥反爾的開度，調(diào)節(jié)出液量，保持罐內(nèi)液面的恒定。隨著油田的不斷發(fā)展，這類控制的缺點(diǎn)逐漸顯露出來：一是依靠罐內(nèi)液位產(chǎn)生的浮力來關(guān)閉閥們，關(guān)閥力量較小，液位控制閥門容易關(guān)閉不嚴(yán)；二是凡爾開度受轉(zhuǎn)軸扭矩的局限，可調(diào)范圍小，作用差；三是液面指示沒有明確的數(shù)值，工人憑經(jīng)驗(yàn)操作，不同資歷不同經(jīng)驗(yàn)的工人存在操作差異，影響生產(chǎn)的平穩(wěn)性；四是不能進(jìn)行遠(yuǎn)端智能控制，自動(dòng)化程度低，需要工人經(jīng)?，F(xiàn)場巡檢和操作，勞動(dòng)強(qiáng)度高。

本文涉及的這種液位控制裝置，是一種基于浮子連桿機(jī)構(gòu)的對分離器液位測量和調(diào)節(jié)的自動(dòng)控制裝置。它克服了一般 的浮子連桿機(jī)構(gòu)液面控制機(jī)構(gòu)只能現(xiàn)場調(diào)節(jié)，不能顯示罐內(nèi)液面數(shù)值和進(jìn)行遠(yuǎn)端智能控制的缺點(diǎn)。

圖1 浮子連桿機(jī)構(gòu)液面控制器示意圖

2 技術(shù)分析

要實(shí)現(xiàn)利用浮子連桿機(jī)構(gòu)完成計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)端智能控制的關(guān)鍵，是如何將浮子連桿機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成控制系統(tǒng)可識別的電信號。浮子連桿機(jī)構(gòu)的杠桿在運(yùn)動(dòng)過程中可以產(chǎn)生角度位移和直線位移，而位移傳感器能夠?qū)⑦@種變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的信號。

位移傳感器根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式可分為直線位移傳感器和角度位移傳感器。浮子連桿機(jī)構(gòu)的杠桿運(yùn)動(dòng)既包括了杠桿端點(diǎn)的上下直線位移，也包括了杠桿繞轉(zhuǎn)軸的角度位移。杠桿端點(diǎn)的直線位移距離不但能夠指示罐內(nèi)液面變化，還能通過延長杠桿增大端點(diǎn)上下直線位移距離，杠桿因液面變化而發(fā)生的繞軸角度變化卻是固定的，無法增大，所以選擇直線位移傳感器能夠得到放大穩(wěn)定的位移信號。

常用的直線位移傳感器種類很多，各有不同特點(diǎn)：電位器式位移傳感器，結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號大，使用方便，價(jià)格低廉，但是易磨損，高頻性能較差；導(dǎo)電塑料位移傳感器，平滑性好、分辯力優(yōu)異耐磨性好、壽命長、動(dòng)噪聲小、可靠性極高、耐化學(xué)腐蝕；繞線位移傳感器，接觸電阻小，精度高，溫度系數(shù)小，缺點(diǎn)是分辨力差，阻值偏低，高頻特性差；金屬玻璃鈾位移傳感器，阻值范圍寬，耐熱性好，過載能力強(qiáng)，耐潮，耐磨性能好；光電式位移傳感器壽命長、可靠性高，缺點(diǎn)是數(shù)字信號輸出，處理煩瑣；磁敏式位移傳感器，壽命長、可靠性高，缺點(diǎn)是對工作環(huán)境要求較高；金屬膜位移傳感器，分辨力高、耐高溫、溫度系數(shù)小、動(dòng)噪聲小、平滑性好。

油田采出液處理站的分離器一般安裝在室外露天下的自然環(huán)境里，通常分離器液面上下變化浮動(dòng)頻率比較低，各涉電部件需要具有防爆外殼，成本不能太高。所以經(jīng)濟(jì)適用的拉線式位移傳感器是最好的選擇，它的內(nèi)部核心元件是可變電阻器和信號轉(zhuǎn)換電路，模擬信號輸出DC4～20mA電流，拉線最大行程可達(dá)12500mm，可在-45℃—105℃寬溫度環(huán)境中使用，制造商可以供應(yīng)防爆外殼。

3 系統(tǒng)裝置研制

3.1 設(shè)計(jì)構(gòu)思

圖2 遠(yuǎn)程智能控制方框圖

設(shè)計(jì)思路參見遠(yuǎn)程智能控制方框圖2，浮子連桿機(jī)構(gòu)可以有效的傳遞儲液罐內(nèi)液面位置的變化，罐外杠桿上下位移與罐內(nèi)液面位置變化成一定的比例關(guān)系，可以真實(shí)反映罐內(nèi)液面的變化。位移傳感器將這種變化轉(zhuǎn)變成電流信號。通過PLC、上位機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)閥即可進(jìn)行遠(yuǎn)程液面控制操作和液面數(shù)據(jù)顯示。

3.2浮子連桿機(jī)構(gòu)指示液面位置原理

圖3 浮子連桿機(jī)構(gòu)變化示意圖

參見圖3浮子連桿機(jī)構(gòu)變化示意圖，為了保證浮子上下移動(dòng)時(shí)，罐外連桿機(jī)構(gòu)端點(diǎn)有明顯的位移變化，需要把浮子連桿機(jī)構(gòu)中的杠桿延長，使位移信號放大，就可以得到明顯的位移。通過浮子連桿機(jī)構(gòu)，液面位置的變化h?可以用加長桿放大位移l? 指示，計(jì)算可得h? 與l?之間的比例關(guān)系。

3.3拉線式位移變送器工作原理

圖4 直線位移傳感器原理圖

拉線式位移變送器能夠?qū)⒏軛U的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成可以計(jì)量的、成線性比例的電信號。它是通過可調(diào)電阻器原件將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性或任意函數(shù)關(guān)系的電壓或電阻輸出，因此可以用來測量振動(dòng)、位移、速度、加速度和壓力等非電參數(shù)。圖4是電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)原理示意圖，圖5是變送器外形示意圖。它包括由骨架和金屬電阻絲組成的電阻元件和電刷兩個(gè)基本部分組成。當(dāng)有機(jī)械位移時(shí)，電位器的電刷產(chǎn)生位移，而改變了電刷相對于電位參考點(diǎn)的電阻，從而實(shí)現(xiàn)了非電量（位移）到電量（電阻值或電壓幅值）的轉(zhuǎn)換。當(dāng)直線位移或角位移發(fā)生變化，拉線伸縮，帶動(dòng)內(nèi)軸旋轉(zhuǎn)，同軸旋轉(zhuǎn)引起電位器的電阻變化，再通過變送器將電阻信號轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的電流或電壓信號輸出。當(dāng)杠桿向上位移時(shí)，拉動(dòng)懸掛于加長桿上的拉線，拉線帶動(dòng)變送器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與編碼器同步轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)杠桿向下位移時(shí)，傳感器內(nèi)部的自動(dòng)回旋裝置將自動(dòng)收回拉線，在回收過程中保持張力不變，從而輸出一個(gè)與拉線移動(dòng)量成正比例的電信號。使用工作電壓DC24V，輸出電流DC4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電信號。

圖5 變送器示意圖

3.4 控制傳輸

a.被控對象：分離器，從傳感器（測量變送單元）到執(zhí)行器之間。

b.被控量：液位，表征被控對象工作狀態(tài)的物理量。

c.測量變送：拉線式位移變送器，對被控量進(jìn)行測量并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號的裝置。

d.調(diào)節(jié)器：MACS系統(tǒng)，把測定值和設(shè)定值進(jìn)行比較的裝置。

e.執(zhí)行器：氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，執(zhí)行調(diào)節(jié)器的指令進(jìn)行自動(dòng)開關(guān)閥門調(diào)節(jié)。

設(shè)定好液位設(shè)定值之后，MACS主控器通過將現(xiàn)場采集來的液位信號，與設(shè)定值進(jìn)行比較，將計(jì)量偏差進(jìn)行分析，然后將偏差輸送到I/O模塊，以電流的形式傳送到現(xiàn)場調(diào)節(jié)器，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，偏差越大，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作的幅度也越大，反之越小。直至現(xiàn)場測量值穩(wěn)定在設(shè)定值附近?？梢詫?shí)現(xiàn)液位設(shè)定、調(diào)節(jié)，上下限設(shè)定，報(bào)警等操作和顯示。

圖6 控制調(diào)節(jié)示意圖

4 液位控制系統(tǒng)

圖7 浮子連桿遠(yuǎn)程智能控制示意圖

如圖6、圖7所示，浮子1與安裝在分離器外部的浮子連桿機(jī)構(gòu)相連。浮子連桿機(jī)構(gòu)包括2個(gè)具有相同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸支點(diǎn)和平衡重錘8。在浮子連桿機(jī)構(gòu)杠桿4上還安裝液位放大傳動(dòng)桿10，在液位放大傳動(dòng)桿10上連接拉線式位移變送器12，拉線式位移變送器12的電信號引入微型計(jì)算機(jī)13中。分離器出口管道上還安裝有調(diào)節(jié)閥14。當(dāng)分離器內(nèi)液面變化時(shí)，浮子1隨液面上下浮動(dòng)，并帶動(dòng)與其相連的浮子連桿機(jī)構(gòu)圍繞轉(zhuǎn)軸支點(diǎn)3轉(zhuǎn)動(dòng)，浮子連桿通過的自動(dòng)角度與分離器內(nèi)液面變化量成正比，在浮子連桿機(jī)構(gòu)上的平衡錘8可以調(diào)節(jié)和平衡浮子的浮力。在浮子連桿機(jī)構(gòu)上安裝的液位放大傳動(dòng)桿10帶動(dòng)拉線式位移變送器12內(nèi)部電路機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使其內(nèi)部電路產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電信號，將該標(biāo)準(zhǔn)電信號遠(yuǎn)傳至微型計(jì)算機(jī)中，微型計(jì)算機(jī)通過一定的程序?qū)⒎蛛x器內(nèi)液面變化轉(zhuǎn)換信號和設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行對比分析后輸出可執(zhí)行信號給分離器出口管道上的調(diào)節(jié)閥14，通過調(diào)節(jié)閥14的開啟程度便實(shí)現(xiàn)了分離器內(nèi)液位的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，并可以通過微機(jī)顯示屏幕進(jìn)行監(jiān)視，也可以根據(jù)生產(chǎn)需要設(shè)定報(bào)警液位和液面控制上下限。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于浮子連桿機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)端液位智能控制裝置，能夠完成分離器運(yùn)行過程中的液面遠(yuǎn)端監(jiān)控和報(bào)警，并通過遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)對調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，使分離器液面在控制范圍內(nèi)波動(dòng)?？梢栽诳刂剖覂?nèi)顯示分離器液面數(shù)據(jù)，降低了工人巡檢的頻度。該裝置具有顯示直觀，顯示調(diào)節(jié)穩(wěn)定的特點(diǎn)，有良好的通用性和可控性，經(jīng)試用效果良好。

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Study on Liquid Level Control System of Separator

Liu Bin ，Yin Shehui，Liu Chunmao
（Henan Polytechnic Institute， Nanyang， 473000，China）

Abstract:In this paper， the disadvantages of float linkage mechanism separator is widely used in petroleum and chemical industries for， introduces the a level remote control system， realizes the float linkage mechanism and a displacement sensing system completes the remote computer intelligent control， improve the accuracy of the separator liquid level control， and reduces the labor intensity of operating workers.

Key words:float separator； linkage mechanism； displacement sensor； linear displacement； regulator

作者簡介：劉斌（1982-），男，河南南陽人，碩士，助教；研究方向：自動(dòng)控制。