油罐新型緊急關(guān)斷裝置研究

彭 楊，趙曉剛，石凌旭

(1.中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系，重慶 401311；2.北京第一工作處，北京 100070)

油罐新型緊急關(guān)斷裝置研究

彭 楊1，趙曉剛1，石凌旭2

(1.中國(guó)人民解放軍后勤工程學(xué)院 軍事供油工程系，重慶 401311；2.北京第一工作處，北京 100070)

針對(duì)油罐收油冒油問題，在對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外有關(guān)液位監(jiān)測(cè)和緊急關(guān)斷技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了一種油罐新型緊急關(guān)斷裝置。研究結(jié)果表明，該裝置具有安全可靠、加裝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)新穎、可自力關(guān)斷等特征。

油罐；冒油；緊急關(guān)斷

安全問題是油庫(kù)日常技術(shù)管理工作的首要問題，而儲(chǔ)油罐的安全狀況則是安全工作的重要內(nèi)容。儲(chǔ)油罐是油庫(kù)的關(guān)鍵設(shè)備，儲(chǔ)油罐收發(fā)油時(shí)的安全運(yùn)行是油庫(kù)安全的重要管理內(nèi)容。在儲(chǔ)油罐收發(fā)油日常管理中，稍有不慎，即可能發(fā)生溢油、冒油、跑油和漏油事故，造成油料的損失和浪費(fèi)，同時(shí)，還易造成環(huán)境中油蒸汽過濃，引起人員中毒和油料發(fā)生火災(zāi)爆炸等事故。上千例油庫(kù)事故分類統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)說明，跑油是油庫(kù)常見事故，占事故總數(shù)的28.1%[1]。油罐在儲(chǔ)存油料時(shí)，為了充分發(fā)揮油罐的儲(chǔ)油能力，裝油體積應(yīng)盡量達(dá)到油罐的安全容量，使油罐內(nèi)液面高度達(dá)到一定值，而頂部留有一定的膨脹空間以防油液在溫度升高時(shí)因體積膨脹而造成溢油。而在收發(fā)油的過程中，由于多種原因可能造成的上頂冒油事故是重要的安全隱患[2]。在實(shí)際操作中，常?；蛞?yàn)闇y(cè)量方面的疏忽，或因操作人員離崗，或機(jī)械故障，受油油罐進(jìn)油量超過規(guī)定值后繼續(xù)進(jìn)油，造成油罐頂部出現(xiàn)冒油事故。

為此，本文提出了一種油罐新型緊急關(guān)斷裝置，以確保儲(chǔ)輸油設(shè)備安全運(yùn)行。

該裝置有以下突出的創(chuàng)新點(diǎn)：保持原儲(chǔ)罐工藝中輸油管路閥組及附件的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，不在儲(chǔ)油罐上開口取壓，無需更換現(xiàn)有設(shè)備，方便在現(xiàn)有的油庫(kù)進(jìn)行改裝；結(jié)構(gòu)新穎；改裝費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)效益好；可自動(dòng)(自力式)也可手動(dòng)操作，操作簡(jiǎn)單；安全可靠。

1 目前國(guó)內(nèi)外油罐液位監(jiān)測(cè)與緊急關(guān)斷技術(shù)現(xiàn)狀

油罐的液位監(jiān)測(cè)技術(shù)與緊急關(guān)斷技術(shù)組成了有效的油罐防溢油控制技術(shù)。為了設(shè)計(jì)一種適用于油庫(kù)收油實(shí)際情況且安全可靠的新型油罐緊急關(guān)斷裝置，研究液位實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)和收油過程關(guān)斷技術(shù)十分必要。

1.1 油罐液位監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)前，世界上許多國(guó)家對(duì)罐內(nèi)液高的監(jiān)控是十分重視的。以美國(guó)為例：20世紀(jì)90年代美國(guó)油庫(kù)就開始采用HTG靜壓測(cè)量系統(tǒng)、FTG浮子液位測(cè)量系統(tǒng)、STG伺服式液位測(cè)量系統(tǒng)、光纖液位傳感器等方式對(duì)油罐液位進(jìn)行監(jiān)控，防止油罐在收油過程中發(fā)生冒油事故。目前對(duì)液位測(cè)量較為準(zhǔn)確的技術(shù)有靜壓法、微波法、超聲波法等，油罐液位測(cè)量?jī)x表也正向高精度、多功能、高度自動(dòng)化方向發(fā)展[3]。

浮子(光導(dǎo)電子式)鋼帶液位計(jì)的準(zhǔn)確度為10 mm。由于滑輪、盤簧機(jī)構(gòu)與機(jī)械計(jì)數(shù)器的摩擦，這種液位計(jì)的可靠性較差;伺服式液位計(jì)不僅可以測(cè)量液位，也可以測(cè)量油水界位。對(duì)于大于40 m的測(cè)量油罐的準(zhǔn)確度上限一般只能達(dá)到1 m，可見這種測(cè)量方法的準(zhǔn)確度有待提高。光纖液位傳感器雖具有無電源、靈敏度高、抗腐蝕和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，但動(dòng)輒十幾萬元乃至上百萬元的價(jià)格也無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的使用。

我國(guó)由于技術(shù)條件相對(duì)落后，過去往往通過人工檢尺方法測(cè)量液位。隨著石油工業(yè)的迅速發(fā)展，油品儲(chǔ)量日益增加，收發(fā)油作業(yè)日漸頻繁，人工測(cè)量液位已不能適應(yīng)形勢(shì)的發(fā)展。我國(guó)在21世紀(jì)初才逐步展開相關(guān)方面的研究。孫正鼐等[4]設(shè)計(jì)了基于紅外熱像儀的油罐液位測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油罐液位的非接觸式自動(dòng)測(cè)量。唐鵬等[5]對(duì)分布式油罐液位激光測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，在考慮防爆性能的基礎(chǔ)上，通過單片微機(jī)系統(tǒng)的多機(jī)通訊技術(shù)對(duì)罐區(qū)各罐的液位實(shí)現(xiàn)了集中式和網(wǎng)絡(luò)化管理。王偉麗等[6]在浮球液位檢測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)及應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，這種測(cè)量方式安全可靠、操作簡(jiǎn)單，能直觀反映大罐液位，具有雙重高度計(jì)量，誤差實(shí)時(shí)可校正，具有很好的實(shí)用性。

1.2 油罐收油緊急關(guān)斷技術(shù)現(xiàn)狀

油罐在收油的過程中，主要通過2種方式實(shí)現(xiàn)緊急關(guān)斷：輸油泵停止工作；進(jìn)油通道閥門關(guān)斷。

1.2.1 輸油泵停止工作

當(dāng)罐內(nèi)液位高度達(dá)到要求值時(shí)，泵停止工作，即可達(dá)到停止輸送的目的?？紤]到技術(shù)成熟性、成本等各方面原因，在大多數(shù)油庫(kù)特別是軍用油庫(kù)中大多采用“人工檢測(cè)+人工關(guān)斷”的方法。即依據(jù)作業(yè)前儲(chǔ)油罐液位的容積V1與安全容量V2之差ΔV(ΔV=V2-V1)以及輸油泵的流量與作業(yè)時(shí)間來大致確定輸油泵的關(guān)閥停泵時(shí)間。這樣的操作存在的主要問題是不能準(zhǔn)確地確定在收油過程中儲(chǔ)罐達(dá)到安全容量時(shí)的關(guān)閥時(shí)間。一方面，未到安全容量便實(shí)施關(guān)閥停泵，儲(chǔ)油罐液位未到最高允許液位，造成儲(chǔ)油罐利用率下降，增大油品蒸發(fā)損耗等；另一方面，若收油過程中超過儲(chǔ)罐安全液位仍未關(guān)閥停泵，便造成儲(chǔ)罐溢油、冒油等事故，危及油庫(kù)安全。此外，由于多數(shù)油庫(kù)在收油作業(yè)中往往涉及油罐的輸轉(zhuǎn)，即某一油罐裝滿后隨即切換到另一油罐進(jìn)行收油，若頻繁停泵起泵，則會(huì)嚴(yán)重縮短泵的壽命。故通過停泵達(dá)到緊急安全保護(hù)的方法有一定的缺陷。

1.2.2 進(jìn)油通道的閥門關(guān)斷

當(dāng)油罐里的液位高度達(dá)到要求值時(shí)，進(jìn)油通道的閥門關(guān)斷最簡(jiǎn)單、最可靠，也是最方便的。進(jìn)油通道閥門的關(guān)斷主要有以下3種方法。

1) 人工關(guān)斷法

由人來判斷罐內(nèi)液位高度并根據(jù)液位高度值或接到關(guān)閥指令來主動(dòng)關(guān)斷正在輸送的進(jìn)油通道的閥門。優(yōu)點(diǎn)：工作可靠；缺點(diǎn)：不能自動(dòng)關(guān)斷，增加油庫(kù)管理人員負(fù)擔(dān)。

2) 電動(dòng)/電磁關(guān)斷法

當(dāng)液位達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)值時(shí)，罐內(nèi)油液傳感器發(fā)出信號(hào)，通過轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并送給閥門控制器，啟動(dòng)閥門，達(dá)到關(guān)斷的目的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。優(yōu)點(diǎn)：節(jié)約人力，可通過集中放置控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)全局控制；缺點(diǎn)：成本較高，傳感器維護(hù)和更換復(fù)雜。

圖1 電動(dòng)/電磁關(guān)斷法結(jié)構(gòu)

3) 自力自動(dòng)關(guān)斷法

根據(jù)罐內(nèi)靜壓力來控制先導(dǎo)閥，當(dāng)罐內(nèi)液位高度達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，先導(dǎo)閥起作用，根據(jù)管線內(nèi)的高壓力來關(guān)斷主閥，以達(dá)到停止輸油的目的，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)喂蕺?dú)立，自動(dòng)保護(hù)，成本較低，安全可靠，加裝容易，省時(shí)省力，維修簡(jiǎn)單。

2 油罐新型緊急關(guān)斷裝置的設(shè)計(jì)

“油罐新型緊急關(guān)斷裝置”是一種能在油罐收油時(shí)自動(dòng)限定液位高度的裝置。其功能是：油面高度未達(dá)到規(guī)定值時(shí)不起作用；油罐進(jìn)油時(shí)，油面高度達(dá)到規(guī)定值時(shí)自動(dòng)關(guān)斷進(jìn)油通道；油罐再發(fā)油時(shí)，關(guān)斷裝置不影響發(fā)油通道的發(fā)油作業(yè)。該裝置不得對(duì)現(xiàn)有油罐進(jìn)行破壞，任何對(duì)現(xiàn)有油罐的改動(dòng)須受到嚴(yán)格控制。此外，還需盡量降低裝置的成本。

新型緊急關(guān)斷裝置由信號(hào)傳感、前置控制和關(guān)斷執(zhí)行裝置3部分組成。

圖2 自力自動(dòng)關(guān)斷法結(jié)構(gòu)

2.1 信號(hào)傳感部分的分析研究

由于罐內(nèi)不同液面高度對(duì)應(yīng)不同的液體壓強(qiáng)，且當(dāng)罐內(nèi)液體種類確定時(shí)，壓強(qiáng)只與罐內(nèi)液體的高度有關(guān)，因此將壓強(qiáng)選用為信號(hào)感應(yīng)來源。設(shè)置引壓管通過液體介質(zhì)傳遞壓力信號(hào)。通過油罐底部原有的排污管引出罐內(nèi)液壓。在油罐上引出支管，引出罐內(nèi)油品的靜壓。在引出的支管上設(shè)置過濾器。油罐底部引壓如圖3所示。

圖3 油罐底部引壓

另外，輸油時(shí)所需關(guān)閉閥門的高壓和動(dòng)壓可直接在進(jìn)油管路上插設(shè)引壓管引取，如圖4所示。

2.2 前置控制部分的分析研究

前置控制部分的主要任務(wù)是對(duì)油面與規(guī)定高度進(jìn)行比較判斷，當(dāng)達(dá)到控制油高時(shí)，及時(shí)向關(guān)斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出信號(hào)。

對(duì)前置控制部分的要求是：進(jìn)油時(shí)，當(dāng)油面高度未達(dá)到控制油高時(shí)，前置控制部分不起作用；當(dāng)油面高度達(dá)到控制高度時(shí)，前置控制部分及時(shí)做出動(dòng)作；當(dāng)油面高度又降至控制油高以下時(shí)，已動(dòng)作的前置控制部分必須恢復(fù)原位，不影響再次進(jìn)油。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)先導(dǎo)閥，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖4 進(jìn)油管路引壓

圖5 先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)示意圖

先導(dǎo)閥采用滑閥形式，其中：1為膜片；2為彈簧；3、4、5、6、7為引壓管；8為閥芯。膜片的作用主要是為了將腔V與前4個(gè)腔分離。因?yàn)榍?個(gè)腔工作時(shí)是充滿油液的，而腔V由于設(shè)有彈簧調(diào)節(jié)螺釘而與大氣連通，故需要在腔IV和腔V之間設(shè)一膜片。彈簧式先導(dǎo)閥核心部件的作用是承受一定的壓力，當(dāng)壓力值超過某一值時(shí)，彈簧收縮變形，帶動(dòng)閥芯移動(dòng)；當(dāng)壓力回到這一值以下時(shí)，彈簧恢復(fù)原形，從而帶動(dòng)閥芯回歸原位。管3的主要作用是將油罐與腔IV接通，壓強(qiáng)將通過膜片對(duì)彈簧施力，當(dāng)油面超過安全容量時(shí)，即油壓超過某一值時(shí)迫使彈簧壓縮變形。管4的作用是排出和引入腔I的油液。由于腔I的體積在閥芯做運(yùn)動(dòng)的過程中是不斷變化的，所以就必須有一條通路為之排出或引入油液。管5和管6可以互相連通。管6與關(guān)斷執(zhí)行裝置相連，其作用是將信號(hào)傳至關(guān)斷執(zhí)行裝置，從而使關(guān)斷執(zhí)行裝置動(dòng)作。管7與閥前進(jìn)油管相連，其作用是引取高壓油。在進(jìn)油管中，閥前的油液由于受到泵的能量轉(zhuǎn)換，其動(dòng)壓是非常高的，比之油罐內(nèi)的靜壓要高得多。閥芯的作用是將閥的內(nèi)部分隔成4個(gè)腔室，通過閥芯的移動(dòng)可以改變4個(gè)腔室的位置或大小。

先導(dǎo)閥的工作過程如下：閥芯的初始位置如圖5所示，此時(shí)管5與管6相連通，所以其感受和傳遞的也是低壓；由于管6輸出的是低壓，所以關(guān)斷執(zhí)行裝置接收的也是低壓，故不做出動(dòng)作；此時(shí)，管7雖與高壓油連通，但高壓只引至腔III內(nèi)，故不起作用；當(dāng)罐內(nèi)的油品達(dá)到安全容量時(shí)，即油面達(dá)到一定高度時(shí)，管3所引的油壓也達(dá)到一定值，并克服彈簧的彈力，使之壓縮變形，膜片右移，帶動(dòng)閥芯右移。

由于腔II右移，將管5、管6隔離在互不相通的兩個(gè)腔內(nèi)，而將管6、管7接通。此時(shí)，管7所引的高壓油通過管6傳給關(guān)斷執(zhí)行裝置，關(guān)斷執(zhí)行裝置將及時(shí)做出動(dòng)作。

當(dāng)罐內(nèi)的油面有所下降時(shí)，管3所引的油壓不足以克服彈簧彈力，從而彈簧恢復(fù)原長(zhǎng)，閥芯移回原位，管6重新與管5接通，而與管7斷開。

另外，為了限制閥芯左右移動(dòng)的距離，還在閥芯左右兩側(cè)各設(shè)置了一個(gè)限位裝置，用于限定閥芯移動(dòng)的極左和極右位置。

2.3 關(guān)斷執(zhí)行裝置的分析研究

關(guān)斷執(zhí)行裝置的主要作用是根據(jù)前置控制部分傳來的信號(hào)，執(zhí)行關(guān)斷進(jìn)油通道的動(dòng)作。以成本、效率和可靠性為原則進(jìn)行考慮，純機(jī)械類裝置的自力自動(dòng)關(guān)斷法是最佳選擇。

閥門應(yīng)盡量采用已有的閥門樣品，可做稍微改動(dòng)，但改動(dòng)不宜過大。對(duì)關(guān)斷的要求是力求迅速，因?yàn)檠舆t的時(shí)間越長(zhǎng)，則發(fā)生冒油的可能就越大。

主閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。圖6中：1為膜片，將主閥分隔成互不連通的上下兩腔；2為彈簧，其主要作用是在來油頂開閥芯進(jìn)油時(shí)給閥芯一個(gè)緩沖；管3與先導(dǎo)閥的管6連接，其主要作用是將先導(dǎo)閥傳來的高壓油導(dǎo)入主閥上腔，從而推動(dòng)閥芯做關(guān)斷運(yùn)動(dòng)；管4的主要作用是從閥前進(jìn)油管路上引取高壓油。

當(dāng)油罐內(nèi)的油面未達(dá)安全高度時(shí)，管3從先導(dǎo)閥引來的油壓是低壓，不足以克服進(jìn)油管路上的高油壓，油壓沖頂起閥芯，向油罐內(nèi)輸油；當(dāng)油罐內(nèi)的油面再次低于安全高度時(shí)，進(jìn)油通道再一次打開。

圖6 主閥結(jié)構(gòu)示意圖

3 整體系統(tǒng)分析

如圖7所示，當(dāng)油罐進(jìn)油時(shí)，閥2關(guān)閉，閥1打開，油品通過進(jìn)油管路進(jìn)油。當(dāng)罐內(nèi)油面未達(dá)安全高度時(shí)，先導(dǎo)閥不動(dòng)作，主閥處于開通狀態(tài)。隨著油品的繼續(xù)輸入，罐內(nèi)油面不斷上升。當(dāng)罐內(nèi)油面達(dá)到安全高度時(shí)，先導(dǎo)閥從油罐得到信號(hào)，做出動(dòng)作，使主閥關(guān)閉，阻止油品繼續(xù)進(jìn)入油罐。此時(shí)，油泵仍在工作，工作人員必需先將閥1關(guān)閉，然后才停泵。此裝置的一大優(yōu)點(diǎn)就是無須工作人員在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的輸油過程中一直注意罐內(nèi)油品液面高度，系統(tǒng)在油面達(dá)到安全高度時(shí)將自動(dòng)停止進(jìn)油。

圖7 實(shí)施過程示意圖

發(fā)油時(shí)，由于油液從逆向不能重開主閥，故必須在主閥前后并行一段管路作為發(fā)油管路。閥2在進(jìn)油、儲(chǔ)油時(shí)始終關(guān)閉。另外，當(dāng)罐內(nèi)所儲(chǔ)油液未達(dá)安全高度時(shí)，先導(dǎo)閥不起作用，主閥處于開通狀態(tài)，此時(shí)收油必須關(guān)斷閥1。當(dāng)再一次進(jìn)油時(shí)，關(guān)閉閥2，開通閥1。只要罐內(nèi)油面未達(dá)安全高度先導(dǎo)閥就不起作用，油液就能沖頂起主閥閥芯向罐內(nèi)進(jìn)油。

4 該裝置優(yōu)點(diǎn)

1) 是一種自力式控制裝置，無需外動(dòng)力；

2) 為純機(jī)械，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，且成本較低；

3) 單罐配置，工作相互獨(dú)立，互不影響；

4) 安裝方便，無需對(duì)現(xiàn)有油罐進(jìn)行改動(dòng)；

5) 能減小油庫(kù)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使工作人員無需在油罐進(jìn)油時(shí)長(zhǎng)時(shí)間集中精力注意罐內(nèi)油面高度；

6) 油罐新型緊急關(guān)斷裝置能有效地防止油罐在收油時(shí)發(fā)生冒油事故。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Research on New Type Emergency Shutdown Device of Oil Tank

PENG Yang1， ZHAO Xiao-gang1, SHI Ling-xu2

(1.Department of Petroleum Supply Engineering, Logistic Engineering University, Chongqing 401311, China； 2.The First Office of Beijing, Beijing 100070, China)

For the oil leakage problem of the oil tank in the process of taking oil, based on a comparative analysis of the domestic and foreign related level monitoring and emergency shutdown technology on the current situation, this paper proposes a new tank emergency shutdown device, and it is safe and reliable with simple and novel structure, self shutdown feature and so on.

oil tank;oil leakage;emergency shutdown

2016-11-22 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51276195)

彭?xiàng)?1994—)，男，碩士研究生，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)研究，E-mail:156616144@qq.com; 通訊作者 趙曉剛，男，教授，博士，主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)及安全系統(tǒng)工程研究。

彭?xiàng)?，趙曉剛，石凌旭.油罐新型緊急關(guān)斷裝置研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(3):77-81.

format：PENG Yang，ZHAO Xiao-gang, SHI Ling-xu.Research on New Type Emergency Shutdown Device of Oil Tank[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(3):77-81.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.03.011

TH816

A

1674-8425(2017)03-0077-05