立罐油量检测监控系统设计Word格式.docx
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目前，我国有多种油罐监测监控系统，结构组成、功能设计、操作程序可以说五花八门，各不相同，但就其基本工作原理而言，都大同小异。
对于立式金属油罐，绝大多数检测监控系统都采用传感器，将罐内油品的有关参数如静压力、油位、温度、密度等原始数据转换成计算机能接受的标准电流电压信号，再经计算机处理、转换运算，求出油品高度，进而得到油品体积或重量。
油量检测最重要的一个参数是液位。
进行立罐油量的检测监控首先要解决的问题是对储罐液体石油产品的计量[1]。
而储罐液体石油产品计量问题的核心是储罐的液位检测。
随着石油化工工业的发展，石化部门对油罐自动计量技术也越来越重视[2]。
由于目前采用的储罐容量较大，因此油罐的计量精度要求非常高，因为很小的液位高度测量误差都会带来很大的容量误差。
不过由于具有监测、控制和诊断诸如压力、流量和温度等过程变量功能的计算机控制系统已经在各种工艺中得到应用[3]。
光纤、超声波、雷达、传感器等高新技术不断涌现，诸如伺服式液位计、雷达液位计、静压式液位计、磁致式液位计等的出现和使用，使油罐液位自动计量已进入多功能、高精度的新阶段。
目前最先进的油罐油量检测系统是混合式计量管理系统。
混合式计量管理系统将现代化油罐液位测量技术与HTG技术结合起来。
将压力测量与液位测量相结合可以提供一个全液位范围的真正的平均密度测量值，进而对质量进行测算。
测量温度用来计算在参考温度下的标准体积和密度。
伺服或雷达液位计可以直接与智能变送器通信，成为一个非常完善的计量系统，提供液面、油水界面、体积、质量、平均密度、平均温度以及蒸汽温度等参数[4]。
在油罐的检测监控过程中，往往需要执行器将接受到的控制信号，转换为直线位移和角位移，操纵控制机构，自动改变操作变量，从而实现对过程变量的自动控制。
执行器由执行机构和控制阀两部分组成。
执行机构按能源的不同分为：
电动执行机构、液动执行机构、气动执行机构三大类。
出于安全等因素的考虑，油罐的执行机构一般选用气动执行机构。
目前使用的控制阀有直通双座控制阀、直通单座控制阀、蝶阀、角阀、隔膜阀等多种形式。
立式金属罐作为油品才存储设备，其安全性必须得到保证。
由于油品具有易燃性、易爆性、腐蚀性等属性，所以目前的立式金属罐油量检测监控系统一般能够满足防燃、防爆、耐腐蚀等要求。
同时，为防止油罐的满溢和抽空现象的发生，立式金属罐油量检测监控系统实时监测液位的高低的并在达到上、下限值时报警，并驱动执行器关闭进、出口阀门[5]。
采用计算机自动监测技术，实时监测储油罐液位、温度等参数，不仅可以方便了解油品存储状况，而且能够及时进行控制，保障安全平稳生产。
立罐油量检测监控系统正在被更多的石油石化及相关企业所采用。
1.3主要内容和预期目标
本论文主要完成立罐油量检测监控系统的整体设计。
通过对立罐油量检测监控系统的设计，熟悉并掌握自动控制领域工程设计的基本过程及要求，运用所学相关专业课程的知识，如自动控制原理、过程控制工程、测控仪表及装置、控制方案选择及论证、传感器原理及应用、仪表选型、计算机控制技术等，完成自动控制系统的初步设计，包扩系统投资概算等方面的内容。
第2章立罐油量检测系统
2.1立式金属罐简介
2.1.1立式金属罐定义
立式金属油罐是存储石油及其产品的容器，由底板、壁板、顶板及油罐附件组成[6]。
其罐壁部分的外形为母线垂直于地面的圆柱体。
按照罐顶的结构形式，立式金属油罐又分为多种，其中目前应用最广泛的是拱顶油罐和浮顶油罐。
如图2.1，图2.2。
图2.1立式金属拱顶罐
图2.2立式金属浮顶罐
本文设计所用的立式金属罐为拱顶罐。
下文所称立罐均指立式拱顶罐。
2.1.2立式金属罐相关术语
与立式金属罐相关术语如下：
⑴计量口
在罐顶部进行取样、检尺和测温的开口。
⑵计量板
位于计量口正下方，检尺时承住量油尺锤的水平金属板，是下计量基准点的定位板。
⑶底量
罐底最高点水平面以下的容量。
⑷死量
下计量基准点水平面以下的容量。
⑸圈板
立式金属罐（包括浮顶罐）是由若干层圈板焊接而成，竖直安装的圆筒形金属罐。
并按焊接方式的不同分为对接式和套筒式。
如图2.3。
本文所指立式金属罐为对接式，即罐内各圈板内径相同。
图2.3圈板连接方式
2.1.3容量表
容积表是反映容器中任意高度下的油罐容积的，即从容器底部基准点起，任一垂直高度下该容器的有效容积。
通过计量油位和查容积表，可计算容器内的储油量。
立罐容积表是反映立式金属油罐中任一高度下的油罐容积的。
每个油罐均有与其相对应的容积表。
容量表随罐出厂配备。
2.2油罐工艺流程
油罐作为存储油品的设备，其工艺流程相对比较简单。
就油量检测监控来说，其主要工艺流程为：
⑴油品通过进油管进入油罐；
⑵罐内仪器检测油品液位等参数；
⑶油品通过出油管流出油罐。
就液位而言，其简单的单回路PID控制系统原理图如图2.4。
图2.4单回路PID控制系统原理图
由此可以看出油罐工艺流程并不复杂。
2.3油罐液位检测仪表
所谓罐内油量的检测即是指对罐内油品体积和质量的检测。
由上节内容我们可以知道，只有知道了油品的液位，才可以通过查容积表得出油品体积。
所以若要检测油品体积，必须要测定罐内油品的液位。
因此，对液位测量仪器——液位计的详细介绍便不可缺少。
下面，我们便来介绍一些液位检测仪表并对其进行比较。
2.3.1压力式液位计
2.3.1.1测量原理
压力式液位计通过测得油品液柱高度产生的静压力来实现油位高度的测量[7]。
如图2.5中的A点为密闭油罐气相空间中的一点，其静压PA即为气相压力，B点为油品中深度为H上的一点，其压力PB为油品液柱产生的压力。
图2.5压力式液位计原理
根据静力学原理可知，A、B两点的压力差为：
=PB-PA=H·
·
g（2.1）
若图2.5中的油罐为敞口容器，则PA为大气压Pa，则式1可写为：
P=PB=H·
式中P——深度为H面的表压力，Pa;
PB——B点的绝对压力，Pa；
PA——A点的压力，Pa；
H——B点在右面下的深度，m；
——油品的密度，g/m3；
g——重力加速度，m/s2；
由式（2.1）和式（2.2）可知，油品液体中任一点的压力等于其表面压力加上液体密度与重力加速度及液柱高度的乘积。
液体的静压力是液位高度和液体密度的函数，当液体的密度为常数时，A、B两点的压力和压差仅与液位高度有关。
因此，通过测量压力或压差，就可进行液体高度的测量。
凡是能测量压力或压差的仪表，只要量程合适，都可以用于液位测量。
2.3.1.2液位压力变送器简介
利用静压法直接精确地测出油罐内液位，并通过体积和油品密度，直接得出油品重量，只有出现了能对温度及线性度进行补偿的智能化的变送器，使精度达到0.01%-0.03%才成为现实。
A.扩散硅压力变送器
介质压力通过隔离膜片和硅油传递给压力敏芯片，该芯片上扩散又四个电阻并组成惠斯通电桥，当压力变化时两个对角的电阻值增加，另两个对角电阻减少，在恒定电流（约1mA）的作用下输出50-100mV电压信号，通过转换模块输出液压力成正比的4-20mV的电流信号。
扩散硅压力敏感器件具有高灵敏度输出，测量精度高的特点。
扩散硅传感器可长期工作在150-250摄氏度的环境下。
B.陶瓷压力变送器
它是利用一种特殊的正比压阻效应的材料，通过厚膜技术印制在陶瓷膜片上，介质压力直接作用于陶瓷膜片的另一面，当压力变化时，通过陶瓷膜片传递给具有压阻效应的材料上，使其构成的惠斯通电桥产生电阻变化，在恒定激励电压的作用下输出mV电压信号。
通过转换模块，输出与压力成正比的4-20mV电流信号。
陶瓷传感器由于陶瓷膜片的抗腐蚀性可与大多数介质相接触，并具有低的温度系数。
2.3.2浮力式油罐液位计
2.3.2.1浮子钢带式液位计
浮子钢带式液位计的原理如图2.6所示。
整个系统采用了力平衡原理，但对浮子本身而言仍为恒浮力原理。
浮子吊在钢带的一端，敢带对浮子施以拉力（约3.5N左右），钢带可以自由伸缩，当浮子在测量范围内变化时，钢带对浮子的拉力基本不变。
为防止浮子受被测液体流动影响而偏离垂直位置，使测量精度受到影响，可增加一个导向机构。
导向机构是由悬挂的两根钢丝所组成，靠下端的重锤进行定位，浮子沿导向钢丝随液位变化上下移动。
如果罐内液体表面流速不大，可以省略导向系统。
浮子钢带式液位计的测量范围一般为0-20m，测量精度可以达到0.03%。
若采用远传信号方式，不仅可以提供远传标准信号，还可以现场提供液位的液晶数字显示。
这种液位计国外由30年代开始使用，至今仍有较高的市场占有率。
其优点是观测比较直观、价格便宜；
缺点是传动部件多，易发生故障，维护量大，对安装要求比较高，需生产厂家现场指导安装。
图2.6浮子钢带液位计
1——浮子；
2——钢带；
3——滑轮；
4——钉轮；
5——指针；
6——计数器；
7——收带轮；
8——轴；
9——恒力弹簧轮；
10——导向钢丝
对于投资有限的项目，中、小型罐仍可考虑选用该液位计，但高度16m以上的油罐不宜采用，因为罐越高，对安装平行度、垂直度以及盘簧的质量要求越高；
外浮顶罐也不宜采用，因为易受风的影响。
使指针不停摆动，指示不稳定并容易破坏衡力盘簧。
2.3.2.2浮子钢带-光纤液位计
浮子钢带光纤液位计，其测量原理与浮子钢带相同，只是其浮子的位移由光信号读出。
光纤液位计分为常压型与带压型两种。
常压型是由钢丝绳直接与浮球相连，而带压型是通过磁力耦合系统带动磁锤上下运动。
机械检测系统与光学编码室完全隔离。
⑴主要技术指标
测量范围：
0-15m；
测量精度：
±
2mm；
灵敏度：
1mm；
最大可传输距离：
5Km。
⑵光纤液位计的特点
①本质安全防爆。
该液位计在现场使用的是光信号，没有任何电信号，所以安全可靠。
②抗电磁干扰。
光信号在传输路径上不受任何电磁干扰。
③精度及灵敏度高。
对于严格要求计量等级的应用场所可完全满足要求。
④可动部件少，运行可靠，使用方便。
除外浮顶外，测量不受恶劣天气如5级以上的风、降雨、降雪等影响。
⑤耐腐蚀性强。
现场仪表的主要部件大量采用不锈钢、聚四氟乙烯自润滑轴承等材料，不需要保养，且密封性能好。
⑥安装方便。
对于旧罐改造，不需要在罐体上动火开孔，可利用原钢带表的3个孔中的2个，也可安装在罐顶人孔盖上。
⑦调整方便。
可随时根据测量误差的大小调整计量轮的周长。
2.3.3磁致伸缩式液位计
磁致伸缩液位传感器是采用磁致伸缩原理开发出的新一代高精度液位测量产品。
传感器采用非接触测量方式，不会因为磨损而降低传感器的使用寿命。
测量精度高，其误差仅为全量程的0.01%，最大误差不超过1.27mm。
在罐顶或罐侧安装，其整体化的安装方式方便、简单，现场调校容易，在石油、化工、制药、食品、饮料等各种液罐的液位计量和控制中得到迅速推广应用。
磁致伸缩式液位计还可同时测量出油水界面高度和油品密度，其密度测量精度为0.05%。
磁致伸缩液位传感器结构如图2.7所示，它是由防爆接线盒、变送器头、法兰盘、蛇皮软管、油面浮子、密度浮子、水浮子和重锤组成。
图2.7磁致伸缩液位传感器结构
磁致伸缩式液位计具有精度高、安装方便等特点，且具有多种信号输出方式，可方便与计算机监控系统联结构成罐区监控系统。
但目前价格较高，尤其是在量程增加时，价格增加较多。
2.3.4超声波液位计
超声波式液位计是利用超声波在液面上反射和透射传播特性测量液位的。
因此，它有两类液位测量方法，即透射式和反射式。
透射式测量方式，一般是利用有液位或无液位时声阻抗的显著差别作为超声液位开关，产生开关量信号，作为液位高、低限报警信号或连锁信号使用。
反射式测量方式是测量入射波和反射波的时间差，从而计算出液位高度。
探头到液位的高度h可用下式来表示：
h=
（2.3）
式中Vc——超声波在被测介质中的传播速度，即声速；
t——超声波从探头到液面的往返时间。
对于一定的介质，vc是已知的，因此，只要测得时间t，即可确定被测液位高度h。
无论透射式还是反射式，产生超声波和接收超声波的探头都是利用压电元件构成的。
发射超声波是利用了逆压电效应，接收超声波是利用了正压电效应。
反射探头和接收探头的结构是相同的，只是工作任务不同。
2.3.5雷达式液位计
A.工作原理
雷达液位计的工作原理类似超声波式的测量方法。
以光速c传播的超高频电磁波，经天线向被探测容器液面发射，当电磁波碰到液面后反射回来，雷达液位计是通过测量发射波导反射波之间的延时
来确定天线与反射面之间的高度（空高h）。
=
（2.4）
由于光速c不受介质环境的影响，传播速度稳定，测得延迟时间
则可获得高度h。
但经天线发射的电磁波的传播速度c太快，延迟时间
及其微小，直接测量
非常困难。
实际应用时，雷达系统不断地发射线性调频（频率与时间成线性关系）信号，得到的反射信号是经过时间延迟
的线性调频信号。
发射信号频率与反射信号在同一时刻上的频率，因时间延迟而不同。
它们之间的差频率
f，正比于延迟时间
，即正比于空高h。
差频信号经过数据处理，可获得空高值h。
罐高值与空高值之差即为液位高度值。
图2.8雷达液位计
B.特点及应用
雷达液位计是通过计算电磁波到达液体表面并反射回接收天线的时间来进行液位测量的。
与超声波液位计相比，电磁波的传播速度受气体的性质及状态的影响较小。
雷达液位计采用了非接触测量的方式，没有活动部件，可靠性高，平均无故障时间长，安装方便。
适用于高粘度、易结晶、强腐蚀及易燃易爆介质，特别适用于大型立罐和球罐等液位的测量。
雷达液位计按天线形状分为喇叭口型和导波型两类。
喇叭口型天线主要用于液面波动小、介质泡沫少、介电常数高的液位测量；
导波型天线是在喇叭口型的基础上增加了一根导波管，可使电磁波沿导波管传播，减少障碍物及液位波动或泡沫对电磁波的散射影响，用于波动较大、介电常数低的非导电介质（如烃类液体）的液位测量。
2.3.6几种液位计的比较
常见液位计适用介质情况见表2.1，性能比较见表2.2，。
为了达到精确测定液位的目的，必须选出一种做好的液位计。
通过比较我们可以看出，雷达液位计无论在性能还是可测量的介质种类上都优于其它类型的液位计。
所以我们选用雷达液位计测量罐内油品液位。
表2.1适用介质情况
液位计类型
轻油
原油
重油
沥青
液化气
腐蚀性介质
浮子钢带式
√
×
光纤式
雷达式
静压式
○
磁致式
超声式
注：
√好；
○一般；
差。
表2.2常见液位计性能比较
液位计类型
液位测量
温度
测量
密度
界位
体积
质量
安装
情况
价格
浮子钢带式
误差小
重要
无法测量
取决于T,
复杂
低
精度高
高
简单
误差大
不重要
误差中
间接测量
2.4立罐油量检测系统设计方案
2.4.1油量测量原理
由本文2.2.1.1节可知，通过测得油品液柱高度产生的静压力可以实现油位高度的测量。
由于本文所涉及立式金属罐圈板焊接方式为对接，故罐内油品横截面积（s）相同。
于是我们设想，若测出油品的静压力、液位高度便可得到油品质量。
具体理论推导如下。
G=m·
g=
s（2.5）
等式两边同时乘以液位高度h，有
m·
g·
h=
s·
h（2.6）
由于体积V=s·
h,故有
V（2.7）
整理得，
m=
（2.8）
式中G——油品所受重力，N；
——油品静压力，Pa；
m——油品的质量，g；
s——罐内油品横截面积，m2；
h——油品液位，m；
g——重力加速度，m/s2；
其中，罐内油品体积V可由测得液位并查容积表得出。
由上述理论可知，对油罐油量进行检测只需测出罐内油品的静压力和液位即可。
这样就摆脱了传统油量测量对油品密度测量的依赖性。
2.4.2静压力测量点
根据上文介绍可，我们选用雷达液位计测量罐内油品液位。
而静压力则可使用投入式液位变送器测得。
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