浮頂罐浮頂傾斜自動監(jiān)測系統(tǒng)研究

吳德起

(中石化管道儲運公司濰坊輸油處， 山東 濰坊 261021)

油氣儲運設施自動化運行程度越來越高，機泵的在線監(jiān)控保護與報警系統(tǒng)日臻完善，管道自動監(jiān)測系統(tǒng)也日益成熟。大型儲油罐特別是浮頂罐，通過雷達液位計和高低液位報警裝置進行檢測，已經實現罐位在線監(jiān)測。但是，儲油罐的浮頂運行狀態(tài)監(jiān)測，特別是一些浮頂有卡阻問題的儲油罐，還需要定期人工上罐檢查浮梯、密封及浮頂等運動部件的運行狀態(tài)，以免浮梯或密封發(fā)生卡阻時浮頂偏斜過大造成浮頂傾覆事故。定期人工檢查浮頂工作狀態(tài)不僅增加了值班人員的工作強度，而且不能及時發(fā)現浮頂存在的問題。因此儲油罐實現全面自動化運行是亟待解決的問題。

1 浮頂罐已經實現自動控制方面

現階段大型儲油罐已經實現的自動監(jiān)控手段主要是液位自動監(jiān)控與火災自動監(jiān)控等。液位自動監(jiān)控是把雷達液位計的數據自動遠傳至中控，通過打開或關閉油罐的進出口閥來自動控制油罐的液位在一定的范圍內。同時，油罐還安裝有高低液位檢測裝置。當油罐的液位自動控制失效時，液位達到高低液位報警高度后，自動給出報警信號并同時打開或關閉油罐進出口閥。

大型浮頂罐還有火災自動監(jiān)控系統(tǒng)，在浮頂罐的浮頂二次密封處，安裝有光纖光柵。當浮頂與罐壁的油氣空間著火在時，通過光纖光柵報警系統(tǒng)報警，大型油罐的消防系統(tǒng)自動啟動，通過泡沫管線向浮頂的泡沫擋板內噴撒泡沫，及時消滅發(fā)生在油罐初期的火災。

2 浮頂罐尚未實現自動控制的方面

要實現浮頂罐的自動運行還要保證油罐進出油過程中的浮頂及其他運動部件的安全可靠。對浮頂及運動部件的狀態(tài)進行監(jiān)測，根據監(jiān)測結果及時給出報警和處置，才能保證儲油罐的運行真正實現自動控制?，F階段對浮頂等運動部件的監(jiān)測主要通過人工定期檢查各部位運行狀態(tài)，對異常情況由人工進行判斷并作出是否退出儲油罐的運行。

浮頂罐在進出油時的運動部件主要包括： 浮頂及密封、導向裝置、浮梯、中央排水管等。浮頂罐的浮頂及運動部件發(fā)生故障主要有以下幾種類型： 浮梯發(fā)生偏斜時與浮梯軌道發(fā)生卡阻，當浮梯卡住不動時油罐繼續(xù)進出油，會發(fā)生浮頂偏斜，再繼續(xù)進出油就可能發(fā)生浮頂傾覆事故；一、二次密封局部發(fā)生卡阻，當油罐進出油時密封與罐壁發(fā)生卡阻，浮頂同樣會發(fā)生傾斜，嚴重時發(fā)生傾覆事故；當浮頂上發(fā)生積水或積雪等重物不能及時排除時，或當浮頂上堆積物質量過大時，或浮艙發(fā)生進油故障時，可能發(fā)生浮頂進油下沉或傾覆事故。幾種類型的浮頂故障大多是發(fā)生在油罐進出油操作時，浮頂不能正常運行造成浮頂進油后發(fā)生傾覆事故。這種由浮頂非正常運行引起的故障需要進行自動監(jiān)控，以減少值班人員的勞動強度及提高浮頂罐的自動化運行程度。

3 浮頂異常時的主要表現形式及檢測手段

浮頂異常主要表現為浮頂的傾斜和浮頂的下沉?？梢酝ㄟ^一定的檢測手段來及時反映浮頂的狀態(tài)，對三種浮頂故障狀態(tài)時浮頂下表面不同點的壓力分布分析。當發(fā)生浮頂傾斜時，在浮頂下沉端的浮頂下表面的壓力大于對徑的浮頂下表面的壓力。當發(fā)生浮頂均勻下沉時，在整個浮頂下表面的壓力都同時出現壓力增大現象。三種浮頂故障現象都伴隨發(fā)生浮頂下表面壓力的變化，因而通過檢測浮頂下表面的壓力變化值，即通過檢測浮頂對徑壓力差或浮頂壓力變化，可以判斷出浮頂工作狀態(tài)。當浮頂對徑壓力出現變化時，或者檢測到浮頂整體壓力大于正常壓力時，計算各點的壓力差。當壓力差大于設定的報警值時，可以通過上位機發(fā)出警報，提醒值班人員進行油罐檢查，并可以實現自動停止油罐的進出油操作。

為了提高浮頂傾斜檢測的準確程度，及時反映出浮頂在各方向發(fā)生的傾斜，設置的檢測點越多越能夠提高檢測精度。為了滿足最低檢測要求，同時能夠獲得相對準確的檢測數據，根據圓形浮頂平面分布特點，浮頂上最少均布的檢測點為4個。當發(fā)生1個測點壓力增大時，或連續(xù)2個測點壓力增大時，可以判斷浮頂發(fā)生傾斜。在判斷浮頂傾斜角度時，要結合對徑壓力檢測數值進行分析，如1個測點壓力增大，對徑測點壓力降低，可以直接判斷浮頂發(fā)生傾斜及計算傾斜的角度。當連續(xù)2個測點壓力增大，或對徑另2個測點壓力降低時，應先根據2測點(1號，2號)壓力計算出最大下沉點和上升點的壓力，然后根據該計算數據判斷浮頂發(fā)生傾斜和計算傾斜的角度，如圖1所示。

圖1 浮頂最大傾斜點壓力計算示意

4 光纖壓力傳感器的選擇

由于浮頂在儲油罐的內部，處于油氣環(huán)境中，同時浮頂的傾斜角度引起的浮頂下部壓力變化較小，因在選擇壓力檢測裝置時要求選用檢測準確及分辨率高的檢測儀表；同時由于檢測儀表安裝在儲油罐內的浮頂上，檢測儀表工作在油氣環(huán)境中，需使用防爆要求高的本質安全型儀表設備；壓力檢測儀表還需有遠傳功能，以便對壓力數據進行分析計算。由于浮頂允許傾斜角度取決于四周浮艙外壁的高度，當浮頂傾斜超過浮艙高度時，浮頂將繼續(xù)進油并發(fā)生傾覆事故；浮頂還存在由自重引起的下沉，減少了浮頂的安全高度，因而浮頂傾斜時壓力變化范圍較小。因此，選擇一個合適的壓力檢測部件是浮頂傾斜檢測系統(tǒng)的關鍵，在選擇檢測裝置時對量程要嚴格控制，以提高檢測精度。

4．1 光纖壓力傳感器的特點

在浮頂傾斜檢測系統(tǒng)中可選擇的壓力檢測核心部件是光纖壓力傳感器[1]。在多種壓力檢測儀表中，光纖壓力傳感器具有檢測精度高、分辨率高、可以遠傳壓力數據的特點，屬于本質安全型檢測儀器。光纖壓力傳感器作為一種新型的傳感器，與傳統(tǒng)的壓力傳感器相比體積小、質量輕，具有電絕緣性、不受電磁干擾、可用于易燃易爆的環(huán)境中等優(yōu)點，符合在浮頂罐浮頂上安裝使用的要求。

4．2 光纖壓力傳感器的原理

光纖壓力傳感器的重要傳感元件是法布利-比洛特(FP)型光學干涉儀[2]。干涉儀的兩面鏡子分別是位于一端的薄膜內表面和位于另一端的光纖尖端。所施加的壓力引起了薄膜的偏移，而此偏移又直接轉換成FP干涉儀空腔長度的變化。為得到薄膜偏移和所施加的壓力間的線性關系，傳感器的形狀和材料都經過了嚴格選擇。

其關系可表示為

Lcav(p)=L0+(p-p0S)

式中：p——施加到薄膜外表面上的壓力，Pa；p0——FP干涉儀空腔內的壓力，Pa，通常定義為p=p0；Lcav——由信號解調器所測得的空腔長度，nm；L0——處于零點初始狀態(tài)的空腔長度，nm；S——傳感器的靈敏度，nm。

壓力傳感器有三種不同的類型： 量規(guī)型、絕對型和差分型。量規(guī)型傳感器的p0等于周圍壓力或大氣壓；絕對型壓力傳感器的p0=0，工廠生產時其空腔在真空狀態(tài)下密封；而差分型傳感器的p0等于任意的壓力，這種類型的傳感器有1個通氣孔接頭，用于維持空腔內給定的壓力。

4．3 信號解調處理原理

所有傳感器的信號解調器都是根據白光干涉技術制成的。信號解調器將來自傳感器的光信號轉換成絕對FP干涉儀空腔長度。該空腔長度之所以被稱為絕對是因為它對應著測量該光信號時的FP干涉儀的物理空腔長度。因為許多光纖傳感技術，尤其是基于單色光干涉技術(與白光干涉技術相反)的傳感技術，僅能測量長度變化，所以在要求長期靜態(tài)測量的應用中，絕對測量是至關重要的。光信號以信號解調器采樣速度所確定的頻率被轉化。壓力傳感器在1×104nm的工作范圍內轉化準確度為±1nm。

一旦測得空腔長度Lcav，解調器根據下式計算：

p-p0p-p0=(Lcav-L0)/S

然后記錄并在解調器上顯示該壓力值。S(由儀器序列號決定)及L0的初始定義值提供將所測得的空腔長度轉化為壓力所需要的信息。

5 浮頂傾斜檢測系統(tǒng)布置方案

5．1 測量單元的布置

為了提高檢測壓力的準確性，安裝壓力傳感器需在浮頂上開孔，開孔必須靠近單盤邊緣，但開孔會人為制造多個泄漏點，給油罐的安全運行帶來安全隱患。因此，需要在浮頂上建立一個獨立于油罐儲存液體之外的壓力系統(tǒng)，同時還能準確反映出浮頂的傾斜狀態(tài)。該系統(tǒng)采用在浮艙上表面安裝一個裝滿液體的環(huán)形管道，環(huán)形管道應與泡沫擋板固定。管道上面均布4個光纖壓力傳感器，在每個壓力傳感器旁設置1個高于泡沫擋板高度的立管，立管固定在泡沫擋板上，立管上方具有補液口，立管上部應有不小于浮艙外壁高度的空管以接收下沉時對方流過來的液體。在環(huán)形管道上測得的壓力變化能夠真實反映浮艙傾斜狀態(tài)時下表面壓力變化。對由于浮頂因降雪或積水引起的浮頂整體下沉狀態(tài)檢測，可以通過設置在浮頂中央通往浮頂下表面的與油液相連的管道上安裝的光纖傳感器測得的壓力來檢測和判斷。

5．2 傳輸系統(tǒng)的布置

檢測數據主要通過光纜傳輸，光纜由光纖壓力傳感器引出后，集中由浮梯固定向罐外敷設，到達罐外地面位置后進入防爆接線箱，通過解調后引入中控機房，再通過上位機計算并進行浮頂狀態(tài)顯示及異常報警。

6 數據的邏輯分析計算

1) 檢測數據的分析計算程序。壓力變送器安裝完成后，應根據所在位置對其進行編號。油罐進油前應對壓力變送器進行校驗，當油罐進油浮頂上浮時，保存各壓力變送器的數值作為各測點的初始壓力，上位機根據設定周期對各測點壓力數值檢查讀取。把讀取的各測點檢測數值與之前讀取的數值對比(和初始值對比的目的是防止檢測數據失真，造成錯誤計算。當前檢測數據與一個檢測周期之前的數據對比之后再與初始數據對比，如有方向性偏差，則為檢測數據錯誤)。當壓力數值有變化時，再看測點變化個數。如1個測點壓力增大，對徑測點壓力降低，其他測點壓力無變化，應計算該2點的壓力差。當超過設定的報警數值時，可以判斷浮頂發(fā)生傾斜并給出警報。當連續(xù)2個測點壓力增大，對徑另2個測點壓力降低時，應先根據2測點壓力計算出最大下沉點和上升點的壓力，再計算出實際下沉點與對徑點的壓力差值，然后根據設定的報警定值，判斷浮頂發(fā)生傾斜并給出警報。

2) 實際下沉點計算方法。4個壓力傳感器在浮頂處于正常狀態(tài)時設置初始值，以后的每個計算都是參照該初始壓力計算。當浮頂處于偏斜狀態(tài)時，必有1個或2個壓力上升，另1個或2個壓力下降。當只有1個壓力升高另1個對徑壓力降低時，可直接判斷壓力升高的壓力傳感器位置為下沉點，通過計算壓力差得出浮頂傾斜角度。當有2個壓力升高2個壓力降低時，先進行實際下沉點與上升點計算，使用三角函數通過2個升高壓力數據計算出最大下沉點壓力升高值和角度，再通過2個下降值計算出最大上升點壓力下降值和角度，從而給出浮頂實際傾斜的方向，最后根據壓力差計算出傾斜角度。

3) 浮頂傾斜報警時除了有聲音的提示外，還可以在屏幕上給出浮頂傾斜動畫顯示。報警時在相應的儲油罐圖標的浮頂上可以突顯浮頂傾斜狀態(tài)，在浮頂俯視圖上可以給出浮頂的傾斜方面和下沉深度。

7 結束語

浮頂罐的浮頂傾斜監(jiān)測系統(tǒng)可以連續(xù)監(jiān)測儲油罐浮頂的運行狀態(tài)，監(jiān)測其傾斜程度，及時對浮頂的異常進行報警。系統(tǒng)投入使用后，減少了人工上罐檢查的頻率，可以把工作重點放在檢查儲油罐標尺的準確性、密封的嚴密性和檢測壓變的靈敏度上。

浮頂傾斜自動檢測系統(tǒng)從設備部件的選型到實施方案都具有可操作性，特別是光纖壓力傳感器的應用解決了在油罐內的油氣空間中要求使用本質安全型設備的問題。系統(tǒng)中采用測點少，線路布置合理，采用罐外解調方式可實現數據的遠距離傳送，顯示設計簡單明了，系統(tǒng)使用及維護方便。系統(tǒng)設計中邏輯計算及分析程序簡單實用，不需大型服務器即可完成，可節(jié)省系統(tǒng)安裝成本。

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