超聲波液位開關及聯(lián)鎖在工業(yè)萘儲罐上的應用

常政剛

（中國石油吉林石化公司高碳醇廠，吉林吉林 132022）

0 引言

《中國石油天然氣股份有限公司輕質(zhì)油品儲罐技術導則》要求“儲罐應設置液位檢測、溫度檢測、高液位、高高液位、低液位、低低液位報警設施”[1]。高碳醇廠精萘裝置10 臺儲罐均為利舊原高碳醇裝置儲罐，無高高液位、低低液位報警設施，不符合規(guī)定。設計增設10 臺高高液位報警設施和10 臺進料管道切斷閥，在高高液位報警達到聯(lián)鎖設定值時能自動關閉切斷閥，切斷進料；增設10 臺低低液位報警設施，并與出料泵聯(lián)鎖，在低低液位報警達到聯(lián)鎖設定值時自動停泵。

1 外貼式超聲波液位開關原理與應用

石化領域儲罐應用的液位開關有多種形式，如下超聲波式、浮力式、音叉式、壓力式、浸入式、電容式等，其中的大多數(shù)是接觸式[2]。工業(yè)萘在升溫后屬極易揮發(fā)性物質(zhì)，揮發(fā)的萘凝固在罐頂儀表連接口處，導致接觸式液位計都無法正常工作。因此工業(yè)萘儲罐需要一種非接觸式的，且儲罐不能開孔插入式的特殊液位開關，而外貼式超聲波液位開關滿足這些特殊要求，適合工業(yè)萘類物料儲罐液位的測量。

1.1 外貼式超聲波液位開關工作原理

檢測超聲波液位開關的方法有脈沖回波法、共振法、頻差法和聲衰減法，最為廣泛使用的是脈沖回波法[3]。超聲波被環(huán)繞并反射到罐壁，不受氣泡、壓力等各種因素的影響?？梢杂帽旧淼奶筋^發(fā)射的高頻超聲波脈沖通過罐壁，脈沖傳播信號和在罐壁和液體表面進行反射，通過檢測和計算這些反射的特征信號，確定在儲液罐的檢測點是否有物料，檢測液體液位的同時發(fā)出報警，此時液位開關將繼電器產(chǎn)生的信號輸出到PLC 過程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)液位聯(lián)鎖控制。

1.2 外貼式超聲波液位開關的應用優(yōu)勢

外置式超聲波液位開關不直接接觸物料，和溫度、密度等沒有關系，測量時不會對物料的泡沫產(chǎn)生影響，保證工作的可靠性?？梢耘渲贸筛魇教筋^，不僅測量常溫、常壓甚至高壓儲罐，而且還能應用于對質(zhì)量要求嚴格苛刻的物料儲罐。為測量厚壁儲罐液位報警，液位開關測量厚度＜60 mm。非接觸式液位開關安裝在罐外壁，不用動火作業(yè)，不用對儲罐開孔，安裝費用低，施工安全，不需要生產(chǎn)停車運行就能安裝維護及使用。安裝方式基本都是磁力吸附或膠粘。這種開關的重復性及穩(wěn)定性高，很少產(chǎn)生誤報警。沒有傳動部件，可以做到無腐蝕、無磨損，使用壽命長。環(huán)境的溫度可以高至300 ℃，與壓力無關。如果裝有復合探頭的還能自動校準、免調(diào)試[4]。結合工業(yè)萘的物理特性實際要求，選用西安定華儀表的外貼式超聲波液位開關，圖1 所示為液位開關安裝示意。

圖1 外貼式超聲波液位開關安裝示意

2 儲罐PLC 參數(shù)設計

整個工業(yè)萘罐區(qū)的生產(chǎn)過程采用PLC 控制，對罐體壓力、溫度、液位參數(shù)，進行設置聲光報警以及聯(lián)鎖系統(tǒng)。因為儲罐是“兩重點一重大”（重點監(jiān)管危險化學品、重點監(jiān)管危險化工工藝、危險化學品重大危險源），危險化學品的儲罐進行重大危險源辨識和計算后，確定工業(yè)萘儲罐為二級重大危險源。危險與可操作性分析（HAZOP）后，確定工業(yè)萘儲罐安全風險等級SIL2級，為進一步提高罐區(qū)的本質(zhì)安全性，保證安全生產(chǎn)，防止事故發(fā)生，設置PLC 安全儀表控制系統(tǒng)，一旦儲罐出現(xiàn)安全事故狀況時，PLC 系統(tǒng)瞬間進行準確的動作，將生產(chǎn)過程安全停止，或是自動進入安全狀態(tài)，為工業(yè)過程中更為重要的安全控制措施[5]。

2.1 主要控制參數(shù)

儲罐PLC 控制系統(tǒng)中，罐內(nèi)物料的溫度和壓力、液位是關鍵控制的參數(shù)。由于工業(yè)萘罐因為生產(chǎn)工藝裝置輸送來的物料流量變動，能夠發(fā)生原料被泵抽干，或者是物料裝滿儲罐的風險，所以PLC 控制的核心數(shù)據(jù)就是工業(yè)萘罐的液位，檢測裝置和獨立的設置取樣點，采用外貼式超聲波液位開關和外貼式超聲波液位計兩種液位傳感器，共同構成“二選二”的連鎖，液位開關和液位計分別設置成高高液位報警，將兩者的信號發(fā)送到PLC 控制系統(tǒng)，只要2 個都達到設定值，系統(tǒng)送出信號進行緊急事故聯(lián)鎖。

設置的緊急事故切斷和聯(lián)鎖關閉進料閥門都采用冗余電磁閥，為分別帶2 個電磁閥的開關閥，系統(tǒng)正常操作條件下帶電，聯(lián)鎖啟動時將不帶電。PLC 控制系統(tǒng)的邏輯包括冗余輸入信號的各類偏差報警，其中包括2 個變送器信號的偏差，信號報警值設定在5%。

2.2 PLC 系統(tǒng)設計

PLC 系統(tǒng)包括現(xiàn)場儀表和執(zhí)行器，按照故障安全型設計，可以和DCS 之間進行通信，但DCS（Distribution Control System 分散控制系統(tǒng)）。不能將數(shù)據(jù)寫入PLC 系統(tǒng)，避免出現(xiàn)PLC 控制系統(tǒng)與DCS 控制系統(tǒng)之間的連接信號產(chǎn)生錯誤。PLC 控制系統(tǒng)配備獨立的控制機柜、工程師站、操作員站、獨立通信網(wǎng)、冗余雙電源等。PLC 控制系統(tǒng)所用的軟件硬件都是官方版本，取得國家防爆、計量等強制性認證。

儲罐PLC 控制系統(tǒng)聯(lián)鎖控制流程見圖2，LSA 的儀表點是一個外置式液位開關，LISA 儀表點是一個外置式液位計。

PLC 系統(tǒng)聯(lián)鎖控制：當工業(yè)萘儲罐外貼液位開關和外貼液位計的液位都高于設定值時，PLC 系統(tǒng)聲光報警，同時送出兩路開關量聯(lián)鎖信號至執(zhí)行器電磁閥，聯(lián)鎖關閉儲罐進料切斷閥停止向儲罐內(nèi)進料，防止儲罐液位繼續(xù)升高，引發(fā)冒罐風險；也可手動停止工業(yè)萘儲罐的緊急停車按鈕，此時聯(lián)鎖動作關閉儲罐進料切斷閥，系統(tǒng)緊急停車。工業(yè)萘儲罐PLC 控制系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯見圖3。

用非接觸式外貼超聲波液位開關和液位計報警裝置，同時采用PLC 控制系統(tǒng)設計，避免罐上開孔及動火焊接作業(yè)，減少有害危險物質(zhì)的泄漏和爆炸的概率。PLC 控制系統(tǒng)工作可靠，使用方便，維護量少，提高了安全性能。PLC 控制系統(tǒng)設計完畢并投入使用，工業(yè)萘罐的安全性顯著提升，生產(chǎn)過程不會出現(xiàn)由于PLC 控制系統(tǒng)誤動作導致的工業(yè)萘罐緊急停車、影響裝置生產(chǎn)的故障。

圖2 儲罐PLC 系統(tǒng)聯(lián)鎖控制流程

圖3 工業(yè)萘儲罐PLC 控制系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯

3 結語

伴隨著儀器儀表行業(yè)的快速發(fā)展，化工裝置項目的設計，尤其在儲罐液位測量領域，非接觸式液位儀表得到廣泛應用[6,7]。PLC 控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)領域特殊的安全保障制度，嚴格按照安全標準和規(guī)范設計，尤其是在設備的設計、選型、使用、維修中，儀器的設計和選擇必須充分考慮裝置的穩(wěn)定性和操作現(xiàn)場的安全。

本項目從工程設計到實際應用，工業(yè)萘罐的超聲波液位開關運行穩(wěn)定，PLC 控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作維修方便，根據(jù)罐區(qū)裝置的生產(chǎn)實際，采用多種綜合安全性和可靠性措施，保證系統(tǒng)安全功能的實現(xiàn)，保證工業(yè)萘罐長周期穩(wěn)定生產(chǎn)。