新型气动抗震压力变送器|结构原理优缺点分析

新型气动抗震压力变送器是与石油机械产品防喷器、节流管汇控制箱配套使用的, 可以将管道中高压的压力值转换为低压气压值, 方便进行远距离传输和控制。

气动抗震压力变送器主要是与石油机械产品———地面防喷器控制装置、节流管汇控制箱配套使用。地面防喷器控制装置用于在钻油井、气井时, 控制井口防喷器组及放喷阀的开启和关闭, 以防止在钻井、修井作业中发生井喷事故, 是油田确保安全作业不可缺少的重要装置之一。变送器也可以用于节流管汇控制中, 它能够将套管、立管中的泥浆压力值转换为低压气压值, 以低压气压表显示高压泥浆压力值, 方便进行远距离传输和控制。

变送器由活塞组件、调节阀组件、膜片组件及外壳等组成。其主要部件结构如图1~图3所示。

新型气动抗震压力变送器是基于力平衡原理而设计的, 即油压 (或泥浆压力值) 作用在活塞杆向上的力F油与输出气室气压作用在膜片组件向下的力F出相等, 即:

式中:P油为作用在活塞杆上的压力, 单位MPa;S1为活塞杆的有效面积;P出为作用在膜片组件上的压力, 单位MPa;S2为膜片组件的有效面积。

图2 调节阀组件   下载原图

图1 活塞组件   下载原图

图3 膜片组件   下载原图

变送器为气源驱动, 当气源压力P气进入输入气室后, 若无测量压力信号, 调节阀组件内的阀针关闭, 气源压力被封闭于输入气室, 此时输出气室与大气相通, 压力P出为零。当从活塞组件的密封垫处加入测量压力信号P油后, 密封垫产生变形使活塞组件中的活塞杆推动膜片组件向上移动, 首先关闭放气嘴, 使输出气室与大气隔断, 然后膜片组件继续上移, 将调节阀内的阀针打开, 输入气室的气压流入输出气室中形成输出气压P出, 该压力对膜片组件产生向下的推力, 以克服活塞杆对膜片组件向上的推力, 直到分别作用在膜片组件上下的压力与集中力达到平衡为止, 此时输出气室的压力P出即为变送器的输出压力。

从式 (1) 可以看出, 当将活塞杆的面积选的较小 (S1比较小) , 膜片组件的面积选的较大 (S2较大) , 而公式必须两边相等时, 必须使P油>P出, 当S1和S2的面积固定时, 压力变送就成线性关系, 从而能够将管道中的油压或套管、立管中的泥浆高压力值 (一般为25 MPa, 40 MPa) 转换为低压气压值0.2MPa, 以低压压力表显示高压泥浆压力值, 在系统中较低的压力也方便进行远距离传输和控制。具体的压力转化值对应关系见表1。另外, 在设计时, 还需要综合考虑系统压力损失和克服零部件自身重量引起的误差影响, 因此, 在理论计算的基础上, 对活塞杆及膜片组件的有效面积需要适当调整, 才能完全满足要求。

表1 压力转化值对应关系    下载原表

变送器在系统中按图4连接方式进行安装。当把一定的气源压力接入变送器后, 输入压力信号检查相应的输出压力, 当由于系统误差的累积导致压力变送后的压力与表1中输出标准值相差较大时, 变送器可以进行补偿, 当输出压力低于标准值时, 顺时针旋转调节阀, 使输出压力增大, 反之, 则逆时针旋转调节阀, 使输出压力减小, 从而可以进行系统误差的补偿。

图4 变送器安装示意图   下载原图

该产品是QBY型气动压力变送器的替代产品, QBY型变送器是基于杠杆平衡原理而设计的, 当测量信号进入测量容室时, 压力信号作用于膜片 (或波纹管、弹簧管) 时便产生一个测量力, 这个力使主杠杆绕支点膜片旋转, 使喷嘴挡板的间隙变小, 导致放大器输出压力上升, 这个压力进入反馈波纹管, 产生反馈力, 推动主杠杆向反方向转动, 当反馈力矩和测量力矩相等时, 主杠杆就稳定在一个平衡位置上, 这时放大器就输出与测量压力成反比例的气压信号, 输出信号为0.02~0.1 MPa。QBY型变送器相比该文产品测量范围宽, 调整范围大, 缺点是结构较为复杂, 不易调整, 稳定性差, 不耐震动。

由于套管与立管中的泥浆压力波动较大, 且泥浆有一定的腐蚀性。新型压力变送器的设计结构特殊, 具有精度高, 抗震性能好, 抗腐蚀性强, 安装、调整方便, 工作时没有气量持续消耗, 且天然防爆等优点, 故也可用于其他恶劣环境下的压力检测, 可以实现把高压的压力值 (常用为25 MPa, 40 MPa) 变送成输出信号为0~0.2 MPa的气压压力值;缺点是调整范围较窄, 只能通过微调变送器来纠正系统压力误差, 如果过度调整变送器必然使其处于非正常工作状态。

新型气动抗震压力变送器现已广泛地应用于国内各大石油机械厂生产的防喷器、节流管汇控制箱上, 经过现场的运行、测试, 性能稳定, 质量可靠, 完全满足使用要求。特别是在石油机械产品防喷器、节流管汇中, 已完全替代原有的压力变送器。