石油化工油品儲(chǔ)罐自動(dòng)化儀表及工程設(shè)計(jì)分析

李增太/齊魯石化運(yùn)行維護(hù)中心橡膠儀表車間

石油化工油品儲(chǔ)罐自動(dòng)化儀表及工程設(shè)計(jì)分析

李增太/齊魯石化運(yùn)行維護(hù)中心橡膠儀表車間

近年來(lái)，石油企業(yè)加快了轉(zhuǎn)型和升級(jí)步伐，為自身戰(zhàn)略投資擴(kuò)大堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。石油化工儲(chǔ)罐區(qū)運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)越來(lái)越多，各種新型測(cè)量?jī)x表也得到了廣泛的應(yīng)用且提高了企業(yè)生產(chǎn)效率。為了增強(qiáng)油品設(shè)備質(zhì)量，就要制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，來(lái)解決生產(chǎn)中存在的安全問(wèn)題。

石油化工油品儲(chǔ)罐；測(cè)量?jī)x表；自動(dòng)化；設(shè)計(jì)

一、石油化工油品儲(chǔ)罐自動(dòng)化儀表種類

（一）液位測(cè)量?jī)x表

用于測(cè)量液位的自動(dòng)化儀表根據(jù)油品儲(chǔ)罐容積大小的不同所測(cè)量范圍也不相同。對(duì)于容積較小(<1x105m3)的油品儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)，液位測(cè)量?jī)x表應(yīng)安裝在灌頂，且適合采用連續(xù)液位測(cè)量?jī)x表;對(duì)于容積較大(>1x105m3)白勺油品儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)，應(yīng)安裝兩套連續(xù)液位測(cè)量?jī)x表，并在罐旁配置指示儀，對(duì)液位測(cè)量?jī)x表測(cè)量出的液位進(jìn)行顯示。在實(shí)際使用過(guò)程中，為防止液位超標(biāo)或過(guò)低，還需要在自動(dòng)化儀表系統(tǒng)中安裝監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，以便當(dāng)液位出現(xiàn)異常時(shí)系統(tǒng)能夠立刻發(fā)出警報(bào)。較之不常動(dòng)作的開(kāi)關(guān)類儀表，連續(xù)液位測(cè)量?jī)x表由于可以實(shí)時(shí)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)液位變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并能對(duì)測(cè)量?jī)x表工作狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)觀察，因而其可靠性更高。對(duì)于對(duì)可靠性要求較高的石油化工油品儲(chǔ)罐區(qū)，一般適宜采用這種連續(xù)液位測(cè)量?jī)x表。此外，體積計(jì)量法也是石油儲(chǔ)罐常用的一種方法。用于測(cè)量油品液位的儀表還有雷達(dá)液位計(jì)、靜壓液位計(jì)、混合計(jì)量法、伺服液位計(jì)等。其中，雷達(dá)液位計(jì)適用于重、輕質(zhì)油品等油品儲(chǔ)罐的液位測(cè)量。在應(yīng)用過(guò)程中需要對(duì)測(cè)量精度、介質(zhì)性質(zhì)、油品儲(chǔ)罐類型等各因素進(jìn)行充分考慮，確保雷達(dá)天線選擇的合理適用。目前，雷達(dá)天線主要有桿式天線、平面天線等幾種類型。

（二）溫度測(cè)量?jī)x表

在油品儲(chǔ)罐區(qū)中，溫度是計(jì)量?jī)?chǔ)罐溫度補(bǔ)償?shù)闹匾獏?shù)之一，所以溫度測(cè)量非常重要。這就需要用到科學(xué)溫度測(cè)量?jī)x表。計(jì)量用油品儲(chǔ)罐溫度測(cè)量在油品密度、體積等參數(shù)上應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。目前，對(duì)于石油化工油品儲(chǔ)罐溫度的測(cè)量大多采用的是Pt100鉑熱電阻元件。采用不同溫度測(cè)量元件需要參照不同的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。例如，對(duì)于熱敏電阻、光纖測(cè)量元件等元件在常壓油罐中的使用必須要經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)且滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定才可以投入使用。

某相關(guān)文獻(xiàn)資料對(duì)計(jì)量級(jí)石油化工油品儲(chǔ)罐溫度測(cè)量?jī)x表現(xiàn)場(chǎng)安裝后精度與固有精度所允許的最大誤差進(jìn)行了明確規(guī)定?，F(xiàn)場(chǎng)安裝后精度基于質(zhì)量和體積計(jì)量的最大允許誤差分別為1.0℃和0.5℃，固有精度基于質(zhì)量和體積計(jì)量的最大允許誤差分別為0.5℃和0.25℃。

（三）壓力儀表

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)GB50160規(guī)定，按照油品儲(chǔ)罐壓力設(shè)計(jì)，可以分為常壓儲(chǔ)罐、低壓儲(chǔ)罐和壓力儲(chǔ)罐三種類型。對(duì)于這些儲(chǔ)罐壓力的測(cè)量需要采用對(duì)應(yīng)的壓力儀表，如低壓儲(chǔ)罐壓力測(cè)量和壓力儲(chǔ)罐壓力測(cè)量均可以采用壓力變送器。擁有液體密度補(bǔ)償計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算功能的伺服液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)多用于混合法計(jì)量石油化工油品儲(chǔ)罐壓力。采用混合法對(duì)油品儲(chǔ)罐進(jìn)行測(cè)量，有質(zhì)量計(jì)量和體積計(jì)量?jī)煞N方式，將其與連續(xù)液位測(cè)量?jī)x配套使用，往往可以達(dá)到精確的計(jì)量結(jié)果。

二、油品損耗的影響因素

儲(chǔ)油罐內(nèi)氣相傳質(zhì)的三種形式：分子擴(kuò)散、熱擴(kuò)散及強(qiáng)制對(duì)流。分子擴(kuò)散是由于儲(chǔ)油罐內(nèi)上部氣體空間油氣濃度分布不均勻，油蒸汽在濃度差的作用下從高濃度向低濃度運(yùn)移的過(guò)程。在儲(chǔ)油罐內(nèi)油氣分子由下向上遷移，從而使得儲(chǔ)油罐內(nèi)上部氣體空間油氣濃度增加。熱擴(kuò)散是由于溫度的變化引起罐內(nèi)空間溫度分布不均勻而產(chǎn)生的油氣擴(kuò)散過(guò)程，油蒸汽從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域擴(kuò)散。強(qiáng)制對(duì)流是由于罐內(nèi)壓強(qiáng)分布不均引起油蒸汽從高壓區(qū)域向低壓區(qū)域運(yùn)移的過(guò)程。儲(chǔ)油罐內(nèi)的油品在一定的壓力、溫度條件下就會(huì)發(fā)生氣化。

引起油品發(fā)生損耗的原因大致有儲(chǔ)存蒸發(fā)損耗、作業(yè)損耗及設(shè)備故障損耗這三種，其中儲(chǔ)存蒸發(fā)損耗起主導(dǎo)作用。

（一）儲(chǔ)存蒸發(fā)損耗

儲(chǔ)油罐內(nèi)油品的損耗主要來(lái)自于儲(chǔ)存蒸發(fā)損耗。儲(chǔ)存損耗又包括自然蒸發(fā)損耗、小呼吸損耗及大呼吸損耗。自然蒸發(fā)損耗是由于儲(chǔ)罐密封性不好引起油品與大氣流通而發(fā)生的油品損耗；大呼吸損耗是由于罐內(nèi)自由液面的升降導(dǎo)致油蒸汽經(jīng)機(jī)械呼吸閥排出；小呼吸損耗是由于晝夜溫差，使得儲(chǔ)罐內(nèi)的油蒸汽壓力發(fā)生變化，吸入空氣造成的油氣損耗。

（二）作業(yè)損耗

作業(yè)損耗主要包括裝卸油損耗、設(shè)備維護(hù)損耗及其他操作損耗。裝卸損耗是在裝卸油品的過(guò)程中造成的油品損耗，主要表現(xiàn)為大呼吸損耗，有時(shí)也會(huì)表現(xiàn)為飽和損耗；設(shè)備維護(hù)損耗是在對(duì)管線、泵機(jī)組等設(shè)備進(jìn)行維護(hù)的過(guò)程中造成的油品損耗；其他操作損耗是在清洗罐底、油品倒灌以及灌泵時(shí)造成的油品損耗。

（三）設(shè)備故障損耗

有時(shí)候設(shè)備發(fā)生故障也會(huì)導(dǎo)致油品的損耗。如浮頂罐密封圈不嚴(yán)，油罐、泵機(jī)組等設(shè)備泄漏，機(jī)械呼吸閥漏氣造成的損耗。

三、降低油品損耗的措施

工藝上常采用嚴(yán)格控制油品儲(chǔ)存的條件，優(yōu)化操作、加強(qiáng)管理，油氣回收等措施來(lái)降低儲(chǔ)油罐內(nèi)油品損耗。

（一）嚴(yán)格控制油品儲(chǔ)存的條件

油品的儲(chǔ)存溫度、壓力直接影響著油品損耗。從溫度方面著手可采用淋水、刷涂料（白色）、縮小晝夜溫差等方式減少油品損耗；從壓力方面著手可以控制外界環(huán)境的壓強(qiáng)，提高油罐承壓能力來(lái)減少油品的小呼吸損耗。如采用球形罐可明顯提高儲(chǔ)罐的承壓能力，但是造價(jià)較高。同時(shí)適當(dāng)通風(fēng)，既能保證油氣的流通，也可以使油品的損耗量降到最低。

（二）優(yōu)化操作、加強(qiáng)管理

優(yōu)化操作：檢尺人員應(yīng)盡量在清晨或傍晚作業(yè)，此時(shí)儲(chǔ)油罐內(nèi)外壓差較小，排氣損耗較少，檢尺完成后應(yīng)盡快蓋上油蓋；化驗(yàn)人員對(duì)油品進(jìn)行水含量等各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)時(shí)應(yīng)緩慢放油，降低油品的通風(fēng)損耗及小呼吸損耗；盡量高液位儲(chǔ)油，減小油氣空間；平時(shí)盡量不要打開(kāi)儲(chǔ)油罐上的透光孔和量油孔等；縮短收發(fā)油之間的時(shí)間間隔；裝油進(jìn)罐時(shí)采用液下密閉的形式。

加強(qiáng)管理：定期檢查機(jī)械呼吸閥、計(jì)量裝置等設(shè)備的密封狀況；盡量減少油品輸轉(zhuǎn)次數(shù)，減少油品與空氣接觸的機(jī)會(huì)；定期檢尺檢測(cè)油罐液位，及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種異常情況；提高操作及管理自動(dòng)化水平，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控儲(chǔ)油罐溫度、壓力、液位等參數(shù)的變化，防止意外事故的發(fā)生；加強(qiáng)對(duì)相關(guān)工作人員的培訓(xùn)，提高員工的安全意識(shí)及技術(shù)水平；及時(shí)統(tǒng)計(jì)、傳遞罐區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及情況。

（三）油氣回收

常用的油氣回收技術(shù)有三種：冷凝法、吸附法及吸收法。冷凝法是采用多級(jí)冷凝器對(duì)油氣進(jìn)行深度冷凝，實(shí)現(xiàn)回收油蒸汽的目的；吸附法是通過(guò)活性炭、天然沸石等固體吸附體在一定條件下對(duì)油氣進(jìn)行選擇性吸附來(lái)回收油氣；吸收法是利用油氣的化學(xué)性質(zhì)，使用適宜的吸收劑與油氣在吸收塔內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)回收油氣的技術(shù)。在這三種技術(shù)基礎(chǔ)上，又衍生出了一些改進(jìn)工藝，如工業(yè)上常采用管線連通儲(chǔ)存同一種油品的油罐，再通過(guò)一根集氣管連接集氣罐，構(gòu)成密閉的油氣回收系統(tǒng)有效回收揮發(fā)損耗的油蒸汽，對(duì)于輕組分氣體油氣回收系統(tǒng)的回收率可達(dá)90％以上。

四、石油化工油品儲(chǔ)罐自動(dòng)化儀表工程設(shè)計(jì)

（一）儀表防護(hù)防爆設(shè)置

由于自動(dòng)化儀表工作在易燃易爆的石油化工產(chǎn)品油罐區(qū)域，因而需要對(duì)儀表進(jìn)行良好的防護(hù)防爆設(shè)置。按照國(guó)家有關(guān)防護(hù)等級(jí)規(guī)定，用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的儀表外殼防護(hù)等級(jí)應(yīng)至少達(dá)到GBIP65，安裝在地下的自動(dòng)化測(cè)量?jī)x表，其外殼防護(hù)等級(jí)應(yīng)至少達(dá)到GBIP68。在防爆方面的性能設(shè)計(jì)，國(guó)家規(guī)定所有用于爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的自動(dòng)化儀表防爆性能都必須符合對(duì)應(yīng)爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的防爆標(biāo)準(zhǔn)要求，并通過(guò)國(guó)家等級(jí)防爆檢驗(yàn)合格證。這是石油化工油品儲(chǔ)罐用自動(dòng)化儀表工程設(shè)計(jì)中，所必須達(dá)到的兩個(gè)基本指標(biāo)。目前，基于服務(wù)器的石油化工產(chǎn)品儲(chǔ)罐安全系統(tǒng)是較為先進(jìn)和安全的一種設(shè)備。

（二）罐區(qū)安全設(shè)置

正常情況下，石油化工油品儲(chǔ)罐區(qū)的日常運(yùn)行是較為穩(wěn)定的，風(fēng)險(xiǎn)與事故發(fā)生概率較低，所以對(duì)于沒(méi)有特殊要求的罐區(qū)一般只設(shè)置報(bào)警裝置和聯(lián)鎖機(jī)制。若依據(jù)實(shí)際情況需要設(shè)置自動(dòng)化儀表系統(tǒng)，則應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》來(lái)對(duì)自動(dòng)化儀表工程進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保其符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。同時(shí)，還要對(duì)設(shè)計(jì)出的自動(dòng)化儀表安全等級(jí)與可操作性進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)估，以便合理確定出儀表所需安全等級(jí)，確保儀表能夠切實(shí)發(fā)揮效用對(duì)危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安全測(cè)量，并為自動(dòng)化儀表系統(tǒng)安裝方案的制定提供理論依據(jù)和支持。

根據(jù)以往石油化工油品儲(chǔ)罐區(qū)發(fā)生的重大事故原因分析，違章作業(yè)是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因之一，所以除了防護(hù)防爆之外，還要對(duì)各作業(yè)環(huán)節(jié)、操作行為等可能引發(fā)火災(zāi)等事故因素進(jìn)行認(rèn)真檢測(cè)與控制，提高油品罐區(qū)安全系數(shù)。

（三）有毒氣體、可燃?xì)怏w檢測(cè)

對(duì)于自動(dòng)化儀表在有毒有害氣體、可燃性氣體方面的檢測(cè)設(shè)計(jì)，許多相關(guān)規(guī)范中都進(jìn)行了明確的規(guī)定，如《石油化工可燃?xì)怏w及有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》等。即在儀表工程實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，需嚴(yán)格按照這些規(guī)范來(lái)進(jìn)行。但值得注意的是，由于編制原則和側(cè)重點(diǎn)存在一定差異，因而各規(guī)范規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，有些差別較大，所以自動(dòng)化儀表對(duì)有毒氣體、可燃?xì)怏w檢測(cè)功能與標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，應(yīng)對(duì)石油化工油品罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)及要求進(jìn)行綜合考慮。

五、儲(chǔ)罐計(jì)量設(shè)計(jì)方案

石油化工產(chǎn)品儲(chǔ)罐在采用靜壓法的時(shí)候，要嚴(yán)格遵守國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。靜壓法主要是針對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)液體壓力和差壓測(cè)量，對(duì)于壓力變送器具有依賴性。靜壓法的優(yōu)點(diǎn)是：將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行換算，并可以迅速得到參數(shù)值，投資成本比較低，設(shè)計(jì)方案也是比較簡(jiǎn)單的。但是，這種方法不能得到儲(chǔ)罐內(nèi)全部液體的平均密度，會(huì)使得測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)偏差。在確定最佳設(shè)計(jì)方案時(shí)，要對(duì)測(cè)量?jī)x表結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)儀表結(jié)構(gòu)、自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并制定出適合這些裝置的集成方案。對(duì)于要求低的小型罐區(qū)，可以將軟件組態(tài)方式應(yīng)用到自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中，從而提高了石油的計(jì)量管理水平。對(duì)于計(jì)算相對(duì)來(lái)說(shuō)較復(fù)雜的計(jì)量裝置，則在儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加入計(jì)量軟件。

由于在設(shè)計(jì)方案中所含的變量比較多，設(shè)計(jì)人員要在儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)中設(shè)置信號(hào)通信單元，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的信號(hào)傳輸方式，增強(qiáng)儲(chǔ)罐自動(dòng)化控制運(yùn)行率。同時(shí)，在各種輔助數(shù)據(jù)表作用下，設(shè)計(jì)人員選擇的計(jì)算方法可以提高準(zhǔn)確性，得到儲(chǔ)罐油品質(zhì)量信息及體積參考信息，進(jìn)而對(duì)儲(chǔ)罐服務(wù)功能有了提高。

六、結(jié)束語(yǔ)

總之，與油品罐區(qū)安全等級(jí)、各指標(biāo)測(cè)量息息相關(guān)的，用于石油化工油品罐區(qū)的自動(dòng)化儀表及其設(shè)計(jì)需要考慮諸多因素，這樣才能保證設(shè)計(jì)的科學(xué)合理，設(shè)計(jì)符合國(guó)家各相規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。我國(guó)自動(dòng)化儀表工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)努力提高自身專業(yè)能力與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為新一代高自動(dòng)化、高測(cè)量精度石油化工油品罐區(qū)自動(dòng)化儀表的產(chǎn)生而努力。

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