分離器液位控制系統研究

劉 斌，尹社會，劉春茂（河南工業職業技術學院，河南 南陽 473000）

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分離器液位控制系統研究

劉 斌，尹社會，劉春茂
（河南工業職業技術學院，河南 南陽 473000）

摘 要：本文針對石油化工行業中廣泛使用的浮子連桿機構分離器的弊端，介紹了一種液位遠端控制系統裝置，實現了利用浮子連桿機構和位移傳感系統完成計算機遠端智能控制，提高了分離器液面控制精度，降低了操作工勞動強度。

關鍵詞：分離器；浮子連桿機構；位移傳感器；直線位移；調節器

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液面，其自動液位控制普遍采用浮子連桿機構液面控制器（如圖1）來完成。浮子隨著儲液罐內液面的變化而發生垂直方向上的上下位移，浮子位置的改變通過連桿機構帶動液位控制閥的轉軸作出相應的轉動，從而改變液位控制閥反爾的開度，調節出液量，保持罐內液面的恒定。隨著油田的不斷發展，這類控制的缺點逐漸顯露出來：一是依靠罐內液位產生的浮力來關閉閥們，關閥力量較小，液位控制閥門容易關閉不嚴；二是凡爾開度受轉軸扭矩的局限，可調范圍小，作用差；三是液面指示沒有明確的數值，工人憑經驗操作，不同資歷不同經驗的工人存在操作差異，影響生產的平穩性；四是不能進行遠端智能控制，自動化程度低，需要工人經常現場巡檢和操作，勞動強度高。

本文涉及的這種液位控制裝置，是一種基于浮子連桿機構的對分離器液位測量和調節的自動控制裝置。它克服了一般 的浮子連桿機構液面控制機構只能現場調節，不能顯示罐內液面數值和進行遠端智能控制的缺點。

圖1 浮子連桿機構液面控制器示意圖

2 技術分析

要實現利用浮子連桿機構完成計算機遠端智能控制的關鍵，是如何將浮子連桿機構的上下運動轉換成控制系統可識別的電信號。浮子連桿機構的杠桿在運動過程中可以產生角度位移和直線位移，而位移傳感器能夠將這種變化轉換成相應的信號。

位移傳感器根據運動方式可分為直線位移傳感器和角度位移傳感器。浮子連桿機構的杠桿運動既包括了杠桿端點的上下直線位移，也包括了杠桿繞轉軸的角度位移。杠桿端點的直線位移距離不但能夠指示罐內液面變化，還能通過延長杠桿增大端點上下直線位移距離，杠桿因液面變化而發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：電位器式位移傳感器，結構簡單，輸出信號大，使用方便，價格低廉，但是易磨損，高頻性能較差；導電塑料位移傳感器，平滑性好、分辯力優異耐磨性好、壽命長、動噪聲小、可靠性極高、耐化學腐蝕；繞線位移傳感器，接觸電阻小，精度高，溫度系數小，缺點是分辨力差，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，耐潮，耐磨性能好；光電式位移傳感器壽命長、可靠性高，缺點是數字信號輸出，處理煩瑣；磁敏式位移傳感器，壽命長、可靠性高，缺點是對工作環境要求較高；金屬膜位移傳感器，分辨力高、耐高溫、溫度系數小、動噪聲小、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境里，通常分離器液面上下變化浮動頻率比較低，各涉電部件需要具有防爆外殼，成本不能太高。所以經濟適用的拉線式位移傳感器是最好的選擇，它的內部核心元件是可變電阻器和信號轉換電路，模擬信號輸出DC4～20mA電流，拉線最大行程可達12500mm，可在-45℃—105℃寬溫度環境中使用，制造商可以供應防爆外殼。

3 系統裝置研制

3.1 設計構思

圖2 遠程智能控制方框圖

設計思路參見遠程智能控制方框圖2，浮子連桿機構可以有效的傳遞儲液罐內液面位置的變化，罐外杠桿上下位移與罐內液面位置變化成一定的比例關系，可以真實反映罐內液面的變化。位移傳感器將這種變化轉變成電流信號。通過PLC、上位機、執行機構，調節閥即可進行遠程液面控制操作和液面數據顯示。

3.2浮子連桿機構指示液面位置原理

圖3 浮子連桿機構變化示意圖

參見圖3浮子連桿機構變化示意圖，為了保證浮子上下移動時，罐外連桿機構端點有明顯的位移變化，需要把浮子連桿機構中的杠桿延長，使位移信號放大，就可以得到明顯的位移。通過浮子連桿機構，液面位置的變化h?可以用加長桿放大位移l? 指示，計算可得h? 與l?之間的比例關系。

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將杠桿的機械位移轉換成可以計量的、成線性比例的電信號。它是通過可調電阻器原件將機械位移轉換成與之成線性或任意函數關系的電壓或電阻輸出，因此可以用來測量振動、位移、速度、加速度和壓力等非電參數。圖4是電位器式傳感器的結構原理示意圖，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基本部分組成。當有機械位移時，電位器的電刷產生位移，而改變了電刷相對于電位參考點的電阻，從而實現了非電量（位移）到電量（電阻值或電壓幅值）的轉換。當直線位移或角位移發生變化，拉線伸縮，帶動內軸旋轉，同軸旋轉引起電位器的電阻變化，再通過變送器將電阻信號轉化為標準的電流或電壓信號輸出。當杠桿向上位移時，拉動懸掛于加長桿上的拉線，拉線帶動變送器傳動機構與編碼器同步轉動；當杠桿向下位移時，傳感器內部的自動回旋裝置將自動收回拉線，在回收過程中保持張力不變，從而輸出一個與拉線移動量成正比例的電信號。使用工作電壓DC24V，輸出電流DC4～20mA標準電信號。

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）到執行器之間。

b.被控量：液位，表征被控對象工作狀態的物理量。

c.測量變送：拉線式位移變送器，對被控量進行測量并轉換成標準信號的裝置。

d.調節器：MACS系統，把測定值和設定值進行比較的裝置。

e.執行器：氣動調節閥，執行調節器的指令進行自動開關閥門調節。

設定好液位設定值之后，MACS主控器通過將現場采集來的液位信號，與設定值進行比較，將計量偏差進行分析，然后將偏差輸送到I/O模塊，以電流的形式傳送到現場調節器，進行相應的動作，偏差越大，調節閥動作的幅度也越大，反之越小。直至現場測量值穩定在設定值附近。可以實現液位設定、調節，上下限設定，報警等操作和顯示。

圖6 控制調節示意圖

4 液位控制系統

圖7 浮子連桿遠程智能控制示意圖

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構相連。浮子連桿機構包括2個具有相同結構的轉軸支點和平衡重錘8。在浮子連桿機構杠桿4上還安裝液位放大傳動桿10，在液位放大傳動桿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算機13中。分離器出口管道上還安裝有調節閥14。當分離器內液面變化時，浮子1隨液面上下浮動，并帶動與其相連的浮子連桿機構圍繞轉軸支點3轉動，浮子連桿通過的自動角度與分離器內液面變化量成正比，在浮子連桿機構上的平衡錘8可以調節和平衡浮子的浮力。在浮子連桿機構上安裝的液位放大傳動桿10帶動拉線式位移變送器12內部電路機構動作，使其內部電路產生標準電信號，將該標準電信號遠傳至微型計算機中，微型計算機通過一定的程序將分離器內液面變化轉換信號和設定的參數進行對比分析后輸出可執行信號給分離器出口管道上的調節閥14，通過調節閥14的開啟程度便實現了分離器內液位的遠程自動控制，并可以通過微機顯示屏幕進行監視，也可以根據生產需要設定報警液位和液面控制上下限。

5 結語

本文設計了基于浮子連桿機構的遠端液位智能控制裝置，能夠完成分離器運行過程中的液面遠端監控和報警，并通過遠端計算機對調節閥等執行機構進行自動調節控制，使分離器液面在控制范圍內波動。可以在控制室內顯示分離器液面數據，降低了工人巡檢的頻度。該裝置具有顯示直觀，顯示調節穩定的特點，有良好的通用性和可控性，經試用效果良好。

［參考文獻］

［1］ 林德杰.電氣測試技術（第3版）［M］.北京：機械工業出版社，2008.

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［3］ 新編電氣工程師實用手冊（下冊）［M］.北京：中國水利水電出版社，2001.

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：自動控制。