石油化工油品儲罐自動化儀表及工程設(shè)計

張華莎

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

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石油化工油品儲罐自動化儀表及工程設(shè)計

張華莎

(中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

摘要：總結(jié)了近年來石油化工儲運罐區(qū)中油品儲罐的自動化儀表選型及工程設(shè)計方案，根據(jù)罐區(qū)生產(chǎn)運行和自動化測量及控制的需要，介紹了油品儲罐的溫度、壓力、液位等儀表的選型，重點闡述了幾種主要的儲罐液位測量儀表的設(shè)計要點，列舉了常用的儀表取源過程接口規(guī)格。根據(jù)罐區(qū)特點討論了開關(guān)閥的設(shè)置和選型，涉及了供電、供氣、電纜敷設(shè)等工程設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容。分析了工程設(shè)計相關(guān)的各種因素和儀表配置問題，從工程實施的角度介紹了實用可行的工程設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：石油化工油品儲罐儲罐自動化儀表儲罐液位測量儀表罐區(qū)開關(guān)閥工程設(shè)計

1概述

石油化工儲運罐區(qū)的自動化儀表選型和工程設(shè)計與生產(chǎn)裝置有所不同，油品儲罐的工藝運行特點是容量大、控制對象時間常數(shù)大、操作周期長、間歇時間長。儲罐的測量和控制主要滿足兩方面的要求： 控制儲罐的存儲量，完成收油、發(fā)油等生產(chǎn)任務(wù)；罐區(qū)庫存量的計量管理。

罐區(qū)最重要的監(jiān)控儀表是液位連續(xù)測量儀表(以下簡稱液位儀表)。儲罐用的雷達液位計、伺服液位計等具有測量范圍寬、測量精度高的特點，適用介質(zhì)條件和安裝形式復雜，與煉油裝置常用儀表的測量原理、測量方式不同，生產(chǎn)廠家有限。長期以來，作為一種“另類儀表”，合理設(shè)計、合適選型對于生產(chǎn)運行和應(yīng)用至關(guān)重要。罐區(qū)開關(guān)閥是實現(xiàn)儲運自動化的重要執(zhí)行設(shè)備，隨著國內(nèi)石油化工行業(yè)儲運系統(tǒng)自動化的發(fā)展，應(yīng)用日趨廣泛，徹底地改變了人工操作的狀態(tài)。根據(jù)不同的安全操作要求和動力源，罐區(qū)開關(guān)閥的選擇也有不同的考慮。

針對罐區(qū)儀表的特殊性，筆者從工程設(shè)計的角度詳細討論了儲罐測量儀表的選型原則、正確的測量方法、設(shè)計應(yīng)考慮和注意的問題，提出了規(guī)范合理、切實可行的自動化儀表選型和工程設(shè)計方案。

罐區(qū)測量儀表的選型原則和技術(shù)規(guī)格需求，很大程度是為滿足罐容計算和庫存統(tǒng)計需要，通常以混合法(HTMS)計量為主，同時兼顧體積法和靜壓法(HTG)計量。

罐區(qū)用于計量的流量測量儀表沒有特殊要求，且各有相應(yīng)的選型和計量規(guī)定，本文不涉及流量儀表的選型和技術(shù)規(guī)格。

2溫度儀表

儲罐溫度測量的用途之一是參與計量的溫度補償計算，計量級儲罐的溫度測量應(yīng)符合GB/T 25964—2010《石油和液體石油產(chǎn)品采用混合式油罐測量系統(tǒng)測量立式圓筒形油罐內(nèi)油品體積、密度和質(zhì)量的方法》的規(guī)定[1]。

儲罐溫度信號的測量元件通常采用Pt100鉑熱電阻，如果采用其他類型的測量元件應(yīng)符合GB/T 21451.4—2008《石油和液體石油產(chǎn)品儲罐中液位和溫度自動測量法》(第4部分： 常壓罐中的溫度測量)中的規(guī)定：“銅電阻或鉑電阻可用于交接計量，具有很高的準確度和穩(wěn)定性。其他熱電偶、熱敏電阻、半導體測量元件、測溫光纖等也可使用，但必須經(jīng)過校準，且滿足本標準的校準允差，否則不適用于交接計量”[2]。

Pt100鉑熱電阻的技術(shù)條件及分度表標準為JB/T 8622—1997《工業(yè)鉑熱電阻技術(shù)條件及分度表》[3]和IEC 60751 AMD 2—1995[4]。應(yīng)當注意到： 文獻[3]非等同采用文獻[4]，但分度表和允差兩個主要指標等同文獻[4]。IEC 60751—2008中分度表和允差等級A沒有變化。熱電阻精度應(yīng)采用允差等級A。

文獻[1]中5.4.2條規(guī)定了用于計量級儲罐的溫度測量儀表的固有精度和現(xiàn)場安裝后的精度，見表1所列。

表1溫度測量儀表的最大允許誤差℃

精度類型最大允許誤差基于體積的交接計量基于質(zhì)量的交接計量固有精度0.250.5安裝后的精度0.51.0

用于非計量級儲罐的溫度測量儀表的固有精度應(yīng)不低于0.5℃，現(xiàn)場安裝后的精度應(yīng)不低于1.0 ℃。

雷達液位計、伺服液位計、磁致伸縮液位計等直接測量距離的儲罐液位儀表，通常具有溫度補償計算功能，壓力變送器等靜壓法測量罐底壓力計算液位的儀表，不具有溫度補償計算功能。

當儲罐液位儀表具有溫度補償計算功能時，多點熱電阻溫度信號與油水界位信號應(yīng)接入液位儀表。非計量用的單點溫度測量宜配用現(xiàn)場溫度變送器，可以縮短溫度測量元件與信號處理儀表之間的距離，提高測量精度和信號抗干擾能力。

3壓力儀表

GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》根據(jù)設(shè)計壓力將儲罐分為常壓儲罐、低壓儲罐、壓力儲罐[5]。壓力儲罐的壓力測量應(yīng)采用壓力變送器，低壓儲罐的壓力測量可采用壓力或差壓變送器。文獻[1]規(guī)定了用于儲罐液體密度補償?shù)牟顗夯驂毫y量方法。

1) 用于計量級儲罐的壓力測量儀表的固有精度和現(xiàn)場安裝后的最大允許誤差應(yīng)符合文獻[1]中5.3.1條的規(guī)定，見表2所列。

表2壓力變送器的最大允許誤差

精度類型最大允許誤差基于體積的交接計量基于質(zhì)量的交接計量p1零點誤差/Pa10050線性誤差/%讀數(shù)的0.1讀數(shù)的0.07p3零點誤差/Pa4024線性誤差/%讀數(shù)的0.5讀數(shù)的0.2

注：p1——安裝于罐底部用于密度測量的壓力(或差壓)變送器；p3——安裝于罐頂?shù)膲毫ψ兯推鳌?/p>

2) 用于非計量級儲罐的壓力測量儀表的最大允許誤差：

a) 罐底部用于密度測量的壓力(或差壓)變送器p1： 零點誤差150 Pa，線性誤差0.2%。

b) 罐頂?shù)膲毫ψ兯推鱬3： 零點誤差60 Pa，線性誤差1.0%。

某些雷達液位計、伺服液位計、磁致伸縮液位計等直接測量距離的儲罐液位儀表具有密度補償計算和標準體積計算功能，通常用于計量級儲罐的混合法計量。靜壓法等用壓力變送器測量罐底壓力計算液位的儀表不具有密度補償計算功能，液位的計算是在控制系統(tǒng)中進行的。

當儲罐液位儀表具有密度補償計算功能時，用于計算介質(zhì)密度的壓力或差壓變送器信號應(yīng)接入儲罐液位連續(xù)測量儀表。

4液位和界位儀表

儲罐液位儀表可選用雷達液位計、伺服液位計、磁致伸縮液位計、靜壓液位計等。液位開關(guān)類儀表可選用音叉開關(guān)、超聲波開關(guān)、浮子式開關(guān)等，也可以用液位儀表代替液位開關(guān)類儀表。

長期以來，罐區(qū)常采用液位開關(guān)來進行液位報警或聯(lián)鎖，但缺點是運行過程中，儲罐液位很少超過報警、聯(lián)鎖位置，儀表長期不動作，開關(guān)的好壞狀態(tài)不能監(jiān)測，平時也難以維護，所以開關(guān)失效常不為人知。

由于液位儀表連續(xù)測量過程變量，可以實時觀察測量信號并確定儀表的工作狀態(tài)，比不常動作的開關(guān)類儀表更可靠，所以可靠性要求較高的場合有條件時應(yīng)采用液位儀表代替液位開關(guān)類。液位儀表選型應(yīng)適合浮頂罐、固定頂罐、球罐、臥罐等不同類型儲罐的安裝使用條件。

采用HTMS測量系統(tǒng)的儲罐液位測量應(yīng)符合文獻[1]的規(guī)定。用于計量級儲罐的液位儀表的固有精度和安裝后的精度應(yīng)符合文獻[1]中5.2.2條的規(guī)定，見表3所列。

表3液位測量儀表的最大允許誤差

mm

精度類型最大允許誤差基于體積的交接計量基于質(zhì)量的交接計量固有精度13安裝后的精度412

用于非計量級儲罐的液位測量儀表的固有精度不應(yīng)低于3 mm，現(xiàn)場安裝后的精度不應(yīng)低于12 mm(用于體積)或25 mm(用于質(zhì)量)。

4.1雷達液位計

雷達液位計適用于重質(zhì)油品、輕質(zhì)油品、烴類物料等介質(zhì)的儲罐液位連續(xù)測量。雷達天線的選擇應(yīng)根據(jù)測量精度、測量范圍、儲罐類型和介質(zhì)特性綜合考慮。

1) 平面天線。平面天線宜與導波管配合安裝，適用于固定頂罐、外浮頂罐、內(nèi)浮頂罐、球罐等。

2) 拋物面天線。介質(zhì)為重油、燃料油、硫磺、瀝青等在較高溫度下易在天線上附著結(jié)焦的工況，宜選用拋物面天線，適用于固定頂罐內(nèi)無障礙空間測量。

3) 喇叭天線。介質(zhì)為重油(非高溫)、輕質(zhì)油品、非腐蝕性化工品，或因儲罐或安裝管嘴尺寸的限制而無法采用拋物面天線的場合，宜選用喇叭天線，適用于固定頂罐、無導波管的內(nèi)浮頂罐內(nèi)無障礙空間測量。無導波管的內(nèi)浮頂罐宜選用喇叭天線及置于浮盤上的專用反射裝置來測量浮盤的位置。

4) 桿式天線。腐蝕性介質(zhì)、冷凝、掛料的工況，宜選用桿式天線，適用于固定頂罐、臥罐內(nèi)無障礙空間測量。

綜上所述，雷達天線的形式和適用條件較復雜，產(chǎn)品間又存在差異，特整理歸納出表4，供儀表選型參考。

表4雷達天線形式的參考選型和適用條件

雷達天線形式儲 罐 類 型外浮頂罐內(nèi)浮頂罐固定頂罐球罐臥罐特 點安 裝 要 求適 用 介 質(zhì)平面√√√√ 不受掛料、焊縫、毛刺等影響;適用于多種介質(zhì)和儲罐 配導波管,LPG球罐配全通徑球閥 原油、重油、輕質(zhì)油和其他成品油、LPG等,非腐蝕性化工品拋物面√ 測量范圍大、穩(wěn)定性好、天線尺寸最大 測量空間應(yīng)無障礙,安裝在人孔蓋上 重質(zhì)油、燃料油、硫磺、瀝青等較高溫度下易在天線上附著結(jié)焦的工況喇叭√√√ 適用于多種介質(zhì) 無導波管,測量空間應(yīng)無障礙,內(nèi)浮頂罐宜選用天線反射器 非高溫重質(zhì)油、輕質(zhì)油、非腐蝕性化工品桿式√√ 不受冷凝、掛料影響,安裝管嘴尺寸較小 測量空間應(yīng)無障礙 腐蝕性介質(zhì)、冷凝、掛料的工況

當儲罐內(nèi)液體介電常數(shù)低導致雷達反射波減弱，或儲罐內(nèi)液體可能產(chǎn)生嚴重擾動的場合，應(yīng)在儲罐內(nèi)設(shè)置導波管，將雷達天線安裝在導波管內(nèi)。是否需要安裝導波管與產(chǎn)品天線類型有關(guān)，如導波管陣列天線、平面天線等需要設(shè)導波管；還與介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，各產(chǎn)品介電常數(shù)的限制不同，沒有統(tǒng)一的數(shù)值范圍，是否需要安裝導波管，應(yīng)以產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)為依據(jù)。

4.2伺服液位計

因測量方法所限，伺服液位計適用于輕質(zhì)油品、非腐蝕性輕質(zhì)烴類液體等儲罐的液位連續(xù)測量，不適用于黏稠液體。伺服液位計應(yīng)隨儀表帶標定腔，需要導向管的應(yīng)配縮徑腔，壓力儲罐應(yīng)在縮徑腔和儀表之間配維修切斷球閥。

4.3磁致伸縮液位計

磁致伸縮液位計適用于非腐蝕性輕質(zhì)油品儲罐的液位連續(xù)測量，由于采用沿著導纜或?qū)U滑動的浮子測量液位，因而磁致伸縮液位計不適用黏稠液體。LPG球罐類的液體表面有時會有高密度氣相和氣泡，可能影響某些波長雷達測量的分辨誤差，這種情況下可采用伺服液位計或磁致伸縮液位計。

采用磁致伸縮液位計作為儲罐計量儀表時，宜選擇液位、界位、多點溫度等多變量集成式產(chǎn)品，輸出信號接入儲罐信號通信單元(TCU)。多變量集成式的磁致伸縮液位計配合高精度差壓變送器(測量介質(zhì)差壓得出平均密度)，可實現(xiàn)混合法計量。

磁致伸縮液位計用于內(nèi)浮頂罐時，液位計應(yīng)配備浮盤開口密封組件，減少油氣揮發(fā)造成的損失和環(huán)境污染。

4.4配套儀表

雷達液位計、伺服液位計、磁致伸縮液位計應(yīng)配罐旁指示儀，作為液位測量現(xiàn)場監(jiān)視儀表。有些罐旁指示儀還兼有通信、供電、計算、簡單數(shù)據(jù)處理等功能。通信信號是雷達液位計、伺服液位計配備的標準信號，可以滿足高精度測量的需要，需要高精度測量的磁致伸縮液位計也應(yīng)采用通信信號。

按照實施防雷工程設(shè)計的雷達液位計、伺服液位計和磁致伸縮液位計宜配置內(nèi)置的集成式電涌防護器。裝配式電涌防護器的性能優(yōu)于集成式，但是這幾種液位計的接線口比較復雜，不易配到合適的產(chǎn)品，因而采用集成式電涌防護器?，F(xiàn)場液位儀表配置電涌防護器的場合，儲罐TCU的信號輸入端也應(yīng)配置電涌防護器。

配套的儲罐TCU作為液位儀表數(shù)據(jù)通信與控制系統(tǒng)的接口，應(yīng)冗余配置，安裝在機柜室內(nèi)。

4.5音叉液位開關(guān)

音叉液位開關(guān)適用于黏度較低的輕質(zhì)油品。運動黏度不小于2 000 mm2/s的介質(zhì)，音叉測量元件的安裝應(yīng)伸入設(shè)備壁內(nèi)，不應(yīng)安裝在設(shè)備的取源接管內(nèi)。

音叉液位開關(guān)應(yīng)安裝在能夠接觸到檢測介質(zhì)的空間，并應(yīng)避免與罐內(nèi)的可移動部件碰撞。例如： 如果罐內(nèi)有浮盤等可移動部件，音叉測量元件應(yīng)安裝在設(shè)備的取源接管內(nèi)，不應(yīng)伸入設(shè)備壁內(nèi)。

4.6超聲波液位開關(guān)

內(nèi)壁無襯里和污垢層的各類液體碳鋼儲罐可采用外貼式超聲波液位開關(guān)，它還適用于液化石油氣球罐以及存儲重質(zhì)油品的浮頂罐，外貼式開關(guān)用于液化石油氣球罐的好處是可以減少壓力容器的開口數(shù)量。超聲波傳感器的安裝應(yīng)確定傳感器的測量方向在罐內(nèi)沒有管線和部件等障礙，并應(yīng)避開罐壁焊縫。

4.7油水界位測量

當計量儲罐存儲介質(zhì)可能含水并分層時，采用油水界位測量儀表。采用雷達液位計、伺服液位計、磁致伸縮液位計時，儲罐油水界位測量采用與多點溫度計集成的纜式油水界位傳感器，輸出信號接入儲罐液位儀表。這些儀表通常具有計算功能，輸出信號參與儲罐計量的計算。計量級儲罐油水界位測量的精度應(yīng)不低于±2 mm。

采用壓力或差壓變送器測量儲罐液位時，儲罐油水界位測量需要單獨設(shè)置油水界位測量儀表，可采用電容式、射頻導納等儀表。

罐底排水油水界位測量應(yīng)單獨設(shè)置油水界位儀表，可采用電容式、射頻導納、浮力式等儀表。

5罐區(qū)開關(guān)閥

罐區(qū)開關(guān)閥在儲運自動化中具有重要地位，近年來，其使用趨于普遍。儲罐進出油品的開關(guān)閥的選型原則、技術(shù)規(guī)格、特殊要求等也需要合理規(guī)范。用于管道中流體流通或關(guān)斷的閥門統(tǒng)稱為開關(guān)閥。根據(jù)操作用途可分為：

1) 正常工況可能是打開的，也可能是關(guān)斷的統(tǒng)稱為開關(guān)閥，例如路徑開關(guān)閥。

2) 正常情況(生產(chǎn)運行)時是打開的，非生產(chǎn)運行情況下是關(guān)斷的稱為切斷閥或隔離閥，例如管路啟用閥，罐出口、入口切斷閥。

3) 正常情況下是打開的，當工況異?；蚴鹿蕰r需要聯(lián)鎖關(guān)斷的閥稱為緊急切斷閥。

4) 用于泄放的閥稱為泄放閥。

5.1開關(guān)閥的設(shè)計選型原則

根據(jù)存儲介質(zhì)、危險性分類、管道尺寸、電源、氣源等綜合條件，儲罐進出油品的控制閥、開關(guān)閥可選擇電動、氣動、電液等不同種類執(zhí)行機構(gòu)，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)儲運工藝的要求以及現(xiàn)場動力源條件確定。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，液化石油氣罐區(qū)應(yīng)采用氣動開關(guān)閥。當罐區(qū)具備儀表空氣氣源時，采用氣動執(zhí)行機構(gòu)；當罐區(qū)不具備儀表空氣氣源時，采用電動執(zhí)行機構(gòu)或電液執(zhí)行機構(gòu)。

當開關(guān)閥需要確定的故障開關(guān)位置時，采用單作用氣動執(zhí)行機構(gòu)或帶氣罐的雙作用氣動執(zhí)行機構(gòu)，也可采用帶有儲能元件的電液執(zhí)行機構(gòu)。

管線尺寸不小于DN600 mm的場合，氣動執(zhí)行機構(gòu)體積和質(zhì)量較大，適合采用電動執(zhí)行機構(gòu)。

開關(guān)閥的壓力等級、管道連接形式、閥體材質(zhì)應(yīng)符合工藝管道的《管道材料等級規(guī)定》，閥內(nèi)件材質(zhì)和耐腐蝕性能不應(yīng)低于《管道材料等級規(guī)定》。開關(guān)閥的檢查和測試、泄漏應(yīng)符合GB/T 13927—2008《工業(yè)閥門壓力試驗》[6]C級或API 598—2009ValveInspectionandTesting的規(guī)定[7]。用于雙流向的開關(guān)閥應(yīng)選用雙向密封型閥內(nèi)件。

開關(guān)閥閥體的公稱通徑宜與工藝管道同口徑。開關(guān)閥可采用閘閥、球閥或蝶閥。公稱通徑不大于200 mm的閥門宜選用楔式閘閥、平行板閘板、球閥，公稱通徑大于200 mm的閥門可采用雙偏心或三偏心蝶閥。

需要防火的開關(guān)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)符合API 607—2010FireTestforQuarter-TurnValvesandValvesEquippedwithNonmetallicSeats[8]或API 6FA—1999SpecificationforFireTestforValves的規(guī)定[9]。相應(yīng)開關(guān)閥的電纜和執(zhí)行機構(gòu)可根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)、防火要求、投資等綜合情況做防火設(shè)計。某原油罐因違章操作引發(fā)火災，需要關(guān)閉電動開關(guān)閥關(guān)斷輸油管道，但由于2套電源都發(fā)生故障不能供電，而不得不手動關(guān)閥，增加了消防難度。事后以此為由明文要求電動開關(guān)閥和電纜必須做防火處理，并具有故障位置，這種要求和規(guī)定不是實事求是。實際上，在這次事故的滅火過程中，后來調(diào)用了柴油發(fā)電機發(fā)電接通供電線路，才關(guān)閉了最后幾臺電動開關(guān)閥。

用于聯(lián)鎖切斷進料的緊急切斷閥，有時需要在火災危險區(qū)外設(shè)置現(xiàn)場手動關(guān)閥按鈕或開關(guān)，以便危險情況時現(xiàn)場手動操作，如液化石油氣球罐的緊急切斷閥。

5.2氣動執(zhí)行機構(gòu)

可采用單作用彈簧復位式執(zhí)行機構(gòu)，也可采用雙作用執(zhí)行機構(gòu)。前者比后者復雜，在閥門驅(qū)動力相同的情況下，氣動部分需要更大的輸出力，因而單作用執(zhí)行機構(gòu)的體積和質(zhì)量都更大。

除非工藝有特殊要求，氣動執(zhí)行機構(gòu)的電磁閥不應(yīng)帶現(xiàn)場手動復位裝置，應(yīng)采用控制室邏輯復位。帶現(xiàn)場手動復位裝置使事故處理過程復雜化，并且易造成或增加現(xiàn)場人員的安全隱患。氣動執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)根據(jù)安全和工藝操作需要確定閥門的全開、全關(guān)、保位等故障位置，當需要實現(xiàn)閥門的故障位置時，可采用單作用執(zhí)行機構(gòu)，當采用雙作用執(zhí)行機構(gòu)或采用單作用執(zhí)行機構(gòu)且閥門聯(lián)鎖位置與氣源故障位置不一致時，應(yīng)配備儀表風罐。儀表風罐的容積應(yīng)滿足執(zhí)行機構(gòu)動作2個全行程所需的風量。

閥位回訊開關(guān)可采用接近式開關(guān)、機械式開關(guān)。氣動執(zhí)行機構(gòu)上應(yīng)帶有閥位指示。

應(yīng)合理規(guī)定氣動開關(guān)閥的額定全行程時間，既要考慮儲運工藝的需要，又不應(yīng)因全行程時間太短、閥門動作太快引起管道“水擊”或震動，造成開關(guān)閥、管道的損壞或縮短壽命，額定全行程時間不宜小于10(s)×閥門通徑(mm)/100(mm) 。例如，閥門通徑為300 mm的閥門，額定全行程時間約為30 s以上。

由于氣動元件本身的動作特性所致，氣動開關(guān)閥的額定全行程時間是非線性的，與氣源壓力、氣源功率、氣動管路流通量、氣動管路長度、氣路元件氣阻、執(zhí)行機構(gòu)氣容、配管通徑等多種因素相關(guān)。

對于額定全行程時間，不同公司、不同項目、不同用途的規(guī)定有所差別，考慮問題的出發(fā)點也不同。根據(jù)對其他公司規(guī)定、項目規(guī)定和制造廠的調(diào)查，考慮到儲運系統(tǒng)的現(xiàn)狀，通常情況不應(yīng)規(guī)定過短的時間，對于特殊應(yīng)用場合，可根據(jù)具體工藝操作和安全聯(lián)鎖的需要自行決定。

5.3電動執(zhí)行機構(gòu)

目前具備自診斷功能的智能型電動執(zhí)行機構(gòu)已經(jīng)成為主要的應(yīng)用產(chǎn)品。電動執(zhí)行機構(gòu)的信號包括控制、閥位回訊、遠程開閥和關(guān)閥、聯(lián)鎖動作、就地開閥和關(guān)閥、綜合報警等。鑒于通信信號的成熟和可靠，罐區(qū)應(yīng)用的電動執(zhí)行機構(gòu)中通信信號已經(jīng)逐漸代替常規(guī)信號。通信信號有RS-485等，通信協(xié)議有專用協(xié)議、Modbus-RTU和Profibus-DP等。

電動執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)帶現(xiàn)場操作開關(guān)、現(xiàn)場顯示單元、手輪等。

應(yīng)合理規(guī)定電動閥的額定全行程時間，綜合考慮儲運工藝的需要和執(zhí)行機構(gòu)電動機的速度特性，額定全行程時間不宜小于20(s)×閥門通徑(mm)/100(mm)。例如，閥門通徑為300 mm的閥門，額定全行程開關(guān)時間約為60 s以上。

電動執(zhí)行機構(gòu)的動作特性比氣動執(zhí)行機構(gòu)線性程度好，速度均勻，但由于電動機的運行特點所致，速度較慢，當需要較大的執(zhí)行機構(gòu)力矩時，就要通過機械傳動結(jié)構(gòu)降低速度，增加力矩。

罐區(qū)由于信號傳輸距離較遠，電動閥數(shù)量較多，所以應(yīng)當采用通信信號，目前的通信技術(shù)和信號傳輸不但比模擬信號的數(shù)據(jù)傳輸量大，可靠程度也高。配套的電動閥通信單元(MCU)作為電動閥數(shù)據(jù)通信與控制系統(tǒng)的接口，應(yīng)冗余配置，安裝在機柜室內(nèi)。

按照實施防雷工程設(shè)計的電動閥，電動執(zhí)行機構(gòu)宜配備內(nèi)置的集成式電涌防護器，配套的MCU的信號輸入端也應(yīng)配置電涌防護器。

5.4電液執(zhí)行機構(gòu)

電液執(zhí)行機構(gòu)是由電子控制單元、液壓集成單元、液壓動力單元、液壓手操機構(gòu)、油缸等組合而成的液壓執(zhí)行機構(gòu)，是電控液壓驅(qū)動的執(zhí)行機構(gòu)。其優(yōu)點是，當動力電源中斷時，依靠液壓機構(gòu)積蓄的能量驅(qū)動閥門，使緊急切斷用途的電液控制閥達到安全聯(lián)鎖狀態(tài)，克服了電動閥在動力電源中斷時不能達到故障安全位置的缺點。

電液執(zhí)行機構(gòu)的產(chǎn)品有不同的液壓機械結(jié)構(gòu)，比較好的一種是采用工程機械的液壓機械原理和技術(shù)的全封閉的國產(chǎn)集成式液壓機械結(jié)構(gòu)，優(yōu)于進口的老式液壓機械結(jié)構(gòu)，具有動作平穩(wěn)、速度均勻可調(diào)、輸出力矩大、體積小、節(jié)能、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，越來越多地用在閥門執(zhí)行機構(gòu)上。

帶有儲能單元的電液執(zhí)行機構(gòu)動力電源中斷時，能夠使閥門運行到故障安全位置，具備閥門全開或全關(guān)的故障位置，并且具備故障手動功能，可以在執(zhí)行機構(gòu)故障時，通過現(xiàn)場手動方式使閥門運行到全開或全關(guān)的故障位置?！肮收稀敝感盘柣螂娫吹墓收?，儲能單元的靜態(tài)保壓時間不小于48 h，足夠處理現(xiàn)場事件所需時間。不帶儲能單元的電液執(zhí)行機構(gòu)在供電正常時，也具備閥門全開或全關(guān)的信號故障位置。

帶有儲能單元的電液執(zhí)行機構(gòu)采用雙作用執(zhí)行機構(gòu)，比單作用液壓執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、輸出力矩大。電液執(zhí)行機構(gòu)具備帶鎖定功能的手動操作裝置，可以在現(xiàn)場通過手動方式操作閥門。

電液執(zhí)行機構(gòu)的信號應(yīng)包括控制、閥位回訊、遠程開閥和關(guān)閥、聯(lián)鎖動作、就地開閥和關(guān)閥、綜合報警等，并帶現(xiàn)場顯示單元。標準信號采用通信信號，如Modbus-RTU和Profibus-DP等。

配套的電動閥MCU作為電液閥數(shù)據(jù)通信與控制系統(tǒng)的接口，應(yīng)冗余配置，安裝在機柜室內(nèi)。

由于電液執(zhí)行機構(gòu)的動作速度較快，選型和設(shè)計應(yīng)當注意執(zhí)行機構(gòu)本身和管道“水擊”對閥門和管道的沖擊影響。應(yīng)合理規(guī)定電液執(zhí)行機構(gòu)閥的額定全行程時間，綜合考慮儲運工藝的要求和執(zhí)行機構(gòu)的液壓特性，額定全行程時間不宜小于10(s)×閥門通徑(mm)/100(mm)。例如，閥門通徑為300 mm的閥門，額定全行程時間約為30 s以上。

電液執(zhí)行機構(gòu)宜采用380 V(AC)，3相，50 Hz電源，應(yīng)采用現(xiàn)場供配電，較小的電液執(zhí)行機構(gòu)也可采用220 V(AC)，單相，50 Hz電源。

5.5儲罐氮封閥

對固定頂罐、內(nèi)浮頂罐等存儲易揮發(fā)類液體的常壓、低壓儲罐，氮氣密封系統(tǒng)通常設(shè)置氮封閥，氮封閥型式為減壓式外取壓閥后壓力控制型。氮封有多種方案，可采用專用的氮封閥或自力式調(diào)節(jié)閥，有的場合采用分程控制的調(diào)節(jié)閥。

氮封閥應(yīng)安裝在盡量靠近罐頂入口的氮氣管線上，外取壓管線的取源點設(shè)在罐頂，以便檢測罐內(nèi)的真實壓力。氮封閥壓力設(shè)定點是儲罐正常操作壓力，壓力設(shè)定值可調(diào)范圍的選擇應(yīng)使設(shè)定點處于范圍的中段，并應(yīng)能覆蓋最大操作壓力。

6儀表的工程設(shè)計

6.1儀表防爆

用于爆炸危險場所的所有電動儀表應(yīng)符合對應(yīng)爆炸危險場所的防爆標準，并取得中國國家級或國際防爆檢驗機構(gòu)頒發(fā)的防爆合格證。

6.2儀表防護

現(xiàn)場儀表的外殼防護等級不應(yīng)低于GB 4208—2008《外殼防護等級(IP代碼)》中規(guī)定的IP65[10]，地下安裝的儀表防護等級應(yīng)為IP68。

6.3罐區(qū)的安全運行

通常罐區(qū)的運行比較平穩(wěn)，工藝條件不苛刻，過程時間較長，運行風險和工藝事故率較低，所以一般僅根據(jù)工藝需要設(shè)置報警和聯(lián)鎖。當可能需要設(shè)置安全儀表系統(tǒng)時，應(yīng)按照GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》和有關(guān)規(guī)范進行“風險及可操作性評估”[11]，確定所需要的安全等級，再確定是否需要及如何設(shè)置安全儀表系統(tǒng)。

根據(jù)多年來罐區(qū)運行的事故報告，罐區(qū)的重大事故絕大多數(shù)是火災和清罐作業(yè)事故，很多是由于違章作業(yè)造成的，所以不僅要關(guān)注罐區(qū)液位的報警和聯(lián)鎖，更要重點防范易燃易爆介質(zhì)的泄漏和引燃、雷電災害、違章作業(yè)等。

6.4罐區(qū)的可燃氣體及有毒氣體檢測

有關(guān)可燃氣體和有毒氣體檢測器的設(shè)計，多個規(guī)范有相應(yīng)的規(guī)定： GB 50493—2009《石油化工可燃氣體及有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》、GB 50116—2013《火災自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》、GB 50074—2014《石油庫設(shè)計規(guī)范》等，還有其他一些相關(guān)的規(guī)范和規(guī)定，設(shè)計時都應(yīng)該遵循[12-14]。

這些規(guī)范的編制原則和關(guān)注重點不同，各規(guī)范之間有關(guān)條文不完全一致，有些規(guī)定的差別較大，需要設(shè)計人員根據(jù)規(guī)范的規(guī)定和設(shè)計經(jīng)驗確定。

設(shè)計輸入也與設(shè)計分工有關(guān)，各設(shè)計單位、各歷史階段的設(shè)計分工不一樣，以前多由儀表專業(yè)完成可燃氣體和有毒氣體檢測器的布點，但近年來已經(jīng)由上游專業(yè)向儀表專業(yè)提設(shè)計條件作為儀表專業(yè)的設(shè)計輸入，儀表專業(yè)不再負責檢測器的布點。上游專業(yè)根據(jù)各設(shè)計單位的分工，涉及工藝、安全、配管、工廠系統(tǒng)等專業(yè)。

6.5儀表取源過程接口規(guī)格

考慮到儲罐液位測量儀表的結(jié)構(gòu)特點，儲罐上安裝的儀表取源過程接口規(guī)格和連接形式與裝置略有不同，罐區(qū)管道安裝的通用儀表取源過程接口規(guī)格與裝置相同。

儲罐上安裝的儀表采用法蘭連接，法蘭密封面形式應(yīng)與設(shè)備法蘭相匹配，應(yīng)特別注意球罐等壓力容器法蘭密封面形式的一致性。雷達液位計、伺服液位計有其特殊性，有的還需要在設(shè)備內(nèi)做導波管。

儲罐多屬于低壓、常溫，設(shè)備和過程的壓力等級較低。儀表及儀表過程連接法蘭的壓力等級應(yīng)與設(shè)備壓力等級相同，也可高于設(shè)備等級。但是雷達液位計、伺服液位計等就是專為儲罐液位測量用的儀表，生產(chǎn)廠家和品牌有限，如果隨便提高壓力等級，可能會造成可選的供貨商減少和采購價格升高。

儀表法蘭材質(zhì)應(yīng)符合所在設(shè)備和安裝管道的《管道材料等級規(guī)定》。

罐區(qū)常用儀表取源過程接口參考規(guī)格見表5所列，是根據(jù)目前儲罐儀表主流產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格整理而成，具體規(guī)格應(yīng)根據(jù)設(shè)計需要確定。

表5罐區(qū)常用儀表取源過程接口參考規(guī)格

儀表分類儀 表 名 稱過程接口規(guī)格安 裝 位 置備 注溫度儀表多點熱電阻溫度計與罐底油水界位傳感器集成DN50法蘭單點熱電阻溫度計與罐底油水界位傳感器集成DN50法蘭單點熱電阻帶整體式現(xiàn)場溫度變送器DN40法蘭雙金屬溫度計DN40法蘭罐頂—罐下部—壓力儀表壓力表壓力變送器壓力(或差壓)變送器DN20法蘭DN20法蘭DN50,DN80法蘭DN20法蘭罐頂—常壓罐和密閉罐下部p1*,p2*密閉罐頂p3*用于密度測量液位儀表雷達液位計DN100,DN150,DN200,DN250法蘭伺服液位計DN150,DN200法蘭磁致伸縮液位計DN80,DN100,DN150法蘭超聲波位開關(guān)外貼式音叉液位開關(guān)DN50法蘭(元件伸入設(shè)備壁內(nèi)),DN100法蘭(元件在取源管嘴內(nèi),不伸入設(shè)備壁內(nèi))罐頂—罐壁—氮封閥(外取壓)DN15法蘭儲罐氮氣入口管線取壓點設(shè)在罐頂

注： *——壓力變送器。

6.6電纜敷設(shè)

罐區(qū)的儀表電纜可采用地上電纜槽敷設(shè)，也可采用埋地方式敷設(shè)。從防火和防護的角度來說，宜采用埋地方式敷設(shè)，埋地方式可采用電纜溝、電纜保護管、直埋等地下敷設(shè)方式，應(yīng)符合SH/T 3019—2003《石油化工儀表管道線路設(shè)計規(guī)范》[15]。

對于不便于在地下敷設(shè)電纜的區(qū)域，采用鍍鋅鋼保護管或帶蓋板的全封閉金屬電纜槽的方式敷設(shè)。鋼材的強度和電磁防護功能比鋁材好，但在沿?；虺睗竦貐^(qū)容易銹蝕。非金屬材料不具備電磁防護功能，為減少雷擊或其他電磁干擾影響，不能采用非金屬材料的保護管或電纜槽。電纜槽比橋架的保護功能好，如果采用橋架，電纜應(yīng)采用鎧裝，但鎧裝電纜成本較高。

6.7供電

6.7.1控制系統(tǒng)供電

罐區(qū)控制系統(tǒng)和儀表交流、直流供電應(yīng)符合SH/T 3082—2003《石油化工儀表供電設(shè)計規(guī)范》[16]。

控制系統(tǒng)供配電還應(yīng)符合SH/T 3092—2013《石油化工分散控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[17]。非過程控制相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)備不得使用控制系統(tǒng)交流配電柜的電源。

6.7.2現(xiàn)場交流儀表供電

現(xiàn)場儀表需采用380 V(AC)，220 V(AC)電源時，為保證用電安全，應(yīng)由現(xiàn)場提供并按照相應(yīng)的電氣專業(yè)規(guī)范設(shè)計交流供、配電。按照安全用電規(guī)范，凡涉及工業(yè)、民用建筑的交流供配電應(yīng)當由相關(guān)專業(yè)和具備相關(guān)技術(shù)和技能的人員完成，應(yīng)當改變以往某些局部用電由儀表專業(yè)設(shè)計交流供配電的錯誤習慣。

不應(yīng)采用從控制室、機柜室的儀表配電柜向現(xiàn)場儀表交流供電的方式。罐區(qū)儀表分散，與控制室、機柜室距離較遠，有些儀表用電負荷較大，如雷達液位計、電動閥等，從機柜室遠距離向現(xiàn)場儀表提供交流供配電存在很大危險和風險，所以應(yīng)采用現(xiàn)場交流供配電，由電氣專業(yè)實施。

電動執(zhí)行機構(gòu)及電液執(zhí)行機構(gòu)采用380 V電源，電動閥不用于安全儀表系統(tǒng)，罐區(qū)也不同于裝置的連續(xù)過程控制，屬于功率較大的間歇負荷，因而按照SH/T 3038—2000《石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設(shè)計技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定[18]，為一級負荷用電，不采用UPS供電。

220 V(AC)電源的雷達液位計、伺服液位計用于罐區(qū)的液位測量，還有現(xiàn)場分析儀表、質(zhì)量流量計等，工藝過程變化較慢，時間常數(shù)較大，交流電源的瞬時中斷對測量和控制影響不大，因而應(yīng)為一級負荷，不需要UPS供電，也可以避免由于UPS供電產(chǎn)生的問題。為避免儀表從機柜室遠距離向現(xiàn)場提供交流供配電的危險和風險，應(yīng)由電氣專業(yè)提供現(xiàn)場用電的供配電。

現(xiàn)場儀表采用直流供電時，不應(yīng)超過儀表的24 V(DC)供電有效距離，否則應(yīng)采用220 V(AC)供電方案。雷達液位計、伺服液位計等大功率用電的現(xiàn)場儀表，24 V(DC)供電的有效距離不等，儀表選型時應(yīng)確定供電的有效距離。

6.8供氣

罐區(qū)儀表供氣應(yīng)符合SH/T 3020—2013《石油化工儀表供氣設(shè)計規(guī)范》[19]。罐區(qū)應(yīng)采用分散供氣方式，即每個供氣點前設(shè)置獨立的空氣過濾器減壓閥。儀表供風管采用鍍鋅鋼管，螺紋鍍鋅管件連接，經(jīng)過氣源球閥后以及濾器減壓閥后宜采用不銹鋼Tube管及管件。

7結(jié)束語

石油化工油品儲罐的儀表選型和工程設(shè)計應(yīng)適應(yīng)儲運工藝運行的需要，適應(yīng)工廠的自動控制水平和管理水平，根據(jù)油品儲罐的測量與計量的需要，兼顧過程控制的特點綜合考慮。罐區(qū)生產(chǎn)運行的主要作業(yè)是油品收發(fā)的運行，重要的監(jiān)控儀表是液位連續(xù)測量儀表和開關(guān)閥。

儲罐測量與計量儀表選型要考慮合適的測量方式，滿足計量標準所需的儀表精度，在設(shè)計時就應(yīng)該合理地選擇和配備相應(yīng)的儀表，從長計議，適應(yīng)罐區(qū)的計量要求和計量方法，還需要考慮儲罐計量系統(tǒng)與自動控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)集成的方案。

參考文獻：

[1]魏進祥，董海風，黃岑越，等. GB/T 25964—2010 石油和液體石油產(chǎn)品采用混合式油罐測量系統(tǒng)測量立式圓筒形油罐內(nèi)油品體積、密度和質(zhì)量的方法[S].北京： 中國標準出版社，2011.

[2]魏進祥，關(guān)鴻權(quán)，董海風，等. GB/T 21451.4—2008 石油和液體石油產(chǎn)品儲罐中液位和溫度自動測量法 常壓罐中的溫度測量[S].北京： 中國標準出版社，2009.

[3]張繼培，吳淑緩，張筱萍.JB/T 8622—1997 工業(yè)鉑熱電阻技術(shù)條件及分度表[S].北京： 機械工業(yè)出版社，1997.

[4]International Electrotechnical Commission. IEC 60751 AMD 2—1995 Industrial platinum resistance thermometer sensors: Amendment 2[S]. International Electrotechnical Commission, 1995.

[5]李蘇秦，胡晨，董繼軍，等.GB/T 50160—2008 石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2008.

[6]王曉鈞，黃明亞，林美. GB/T 13927—2008工業(yè)閥門壓力試驗[S].北京： 機械工業(yè)出版社，2008.

[7]American Petroleum Institute.API 598—2009 Valve Inspection and Testing[S]. Washington： American Petroleum Institute, 2009.

[8]American Petroleum Institute. API 607—2010 Fire Test for Quarter-Turn Valves and Valves Equipped with Nonmetallic Seats[S]. Washington： American Petroleum Institute, 2010.

[9]American Petroleum Institute.API 6FA—1999 Specification for Fire Test for Valves[S]. Washington： American Petroleum Institute, 1999.

[10]郭汀，方曉燕，季慧玉，等.GB 4208—2008 外殼防護等級(IP)代碼[S].北京： 中國標準出版社，2008.

[11]中國石化工程建設(shè)有限公司.GB/T 50770—2013 石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2013.

[12]文科武，李蘇秦，羅明，等. GB 50493—2009 石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2013.

[13]丁宏軍，張穎琮，劉凱，等. GB 50116—2013 火災自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2013.

[14]中國石油化工股份有限公司.GB 50074—2014 石油庫設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2014.

[15]蔡勁宏，馮仁銘.SH/T 3019—2003 石油化工儀表管道線路設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國石化出版社，2003.

[16]周懋忠，呂明倫，劉一笑.SH/T 3082—2003 石油化工儀表供電設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國石化出版社，2003.

[17]楊剛，馮欣，葉向東.SH/T 3092—2013 石油化工分散控制系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國石化出版社，2013.

[18]陳增柱，趙永明，曾云龍，等.SH/T 3038—2000 石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設(shè)計技術(shù)規(guī)范[S].北京： 中國石化出版社，2000.

[19]楊晨，王同堯，嚴春明，等. SH/T 3020—2013 石油化工儀表供氣設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國石化出版社，2013.

Automated Instrument and Engineering Design for Petrochemical Processing Oil Storage Tank

Zhang Huasha

(Sinopec Engineering Inc., Beijing, 100101, China)

Abstract：Automated Instruments selection and engineering design strategies used for petrochemical processing oil storage tank are summarized. According to requirement for production operation, automatic measurement and control for tank farm, instruments selection of temperature, pressure and liquid level for oil storage tank are introduced. The key points of design for continuous liquid level measurement instrument for several main storage tanks are expounded with emphasis. Common used instruments process connection specifications are illustrated. Installation and type selection for on-off valve are discussed according to tank farm characteristics with covering relative content of engineering design on power supply, gas supply and cable laying. Problems about instrument assignment and all kinds of factors related to engineering design are analyzed. Practical and feasible engineering design methods are introduced from the point of engineering implementation.

Key words：petrochemical industry; oil storage tank; tank automated instruments; tank level measuring instrument; tank farm on-off valve; engineering design

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)06-0006-08

作者簡介：張華莎(1955—)，女，吉林長春人，1982年畢業(yè)于撫順石油學院自動化系過程控制專業(yè)，獲學士學位，現(xiàn)工作于中國石化工程建設(shè)有限公司，任教授級高級工程師。

稿件收到日期： 2015-10-20。