外測(cè)式超聲波液位開關(guān)在常壓罐區(qū)SIS 系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉德華

（中國(guó)石油四川石化有限責(zé)任公司）

現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)過程中，儲(chǔ)罐液位測(cè)量至關(guān)重要。 浮頂罐液位測(cè)量若失準(zhǔn)，可能造成浮盤落底，輕則影響浮盤使用壽命，重則造成浮盤傾斜沉沒等重大事故。 筆者與相關(guān)設(shè)計(jì)人員分析了外測(cè)式液位開關(guān)的特點(diǎn)， 該類液位開關(guān)雖可以滿足SIL要求及現(xiàn)場(chǎng)具體工況，但若需在運(yùn)行儲(chǔ)罐上開孔則風(fēng)險(xiǎn)極高，因此最優(yōu)方案為將原音叉開關(guān)改為外測(cè)式超聲波液位開關(guān)，可滿足運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的替代要求。

1 現(xiàn)場(chǎng)基本工況

化工區(qū)中間產(chǎn)品罐區(qū)是中國(guó)石油四川石化有限責(zé)任公司的重要輔助設(shè)施， 主要用于乙烯、丙烯、丁二烯、裂解碳四、抽余碳四及裂解汽油等中間產(chǎn)品物料的儲(chǔ)存和中轉(zhuǎn)。 正常生產(chǎn)時(shí)，上下游生產(chǎn)裝置間除乙烯可直接供料外，其他物料一般通過中間罐區(qū)轉(zhuǎn)送。 化工區(qū)各裝置開、停車或上、下游裝置不同步生產(chǎn)時(shí)，中間罐區(qū)可起到平衡物料和緩沖的作用。

筆者所分析的項(xiàng)目為中國(guó)石油四川石化化工中間罐區(qū)內(nèi)浮頂罐液位低低聯(lián)鎖開關(guān)整改項(xiàng)目，設(shè)計(jì)范圍為內(nèi)浮頂罐525-V-2001A/B/C、525-V-2004、525-V-2005A/B、525-V-2006A/B 液 位 低低開關(guān)位置高度調(diào)整、液位開關(guān)儀表更換以及相應(yīng)線纜、安全儀表系統(tǒng)（SIS）機(jī)柜內(nèi)接線改造等。

化工中間罐區(qū)有內(nèi)浮頂罐8 座，液位測(cè)量設(shè)置頂裝法蘭式雷達(dá)液位計(jì)1 臺(tái)，側(cè)裝法蘭式高高液位音叉開關(guān)1 臺(tái)，側(cè)裝法蘭式低低液位音叉開關(guān)1 臺(tái)。 其中，雷達(dá)液位計(jì)［1］為連續(xù)液位測(cè)量，在DCS 中設(shè)置有高高、高、低和低低液位報(bào)警，低液位報(bào)警值為浮盤落底位置上部， 防止浮盤落底。音叉液位開關(guān)為開關(guān)量?jī)x表，高高液位開關(guān)聯(lián)鎖進(jìn)口切斷閥，防止冒罐；低低液位開關(guān)聯(lián)鎖出口切斷閥和出口輸送泵，防止罐抽空或泵汽蝕。 音叉液位開關(guān)聯(lián)鎖進(jìn)出口閥門為安全聯(lián)鎖， 在SIS系統(tǒng)［2］中實(shí)現(xiàn)。

原設(shè)計(jì)8 臺(tái)內(nèi)浮頂罐液位低聯(lián)鎖為音叉開關(guān)，聯(lián)鎖位置在距離儲(chǔ)罐底部500 m 處，作為安全聯(lián)鎖，當(dāng)觸發(fā)聯(lián)鎖時(shí)浮盤已落底，存在安全隱患。 為消除浮盤落底隱患，需將聯(lián)鎖位置上移至高于浮盤頂部位置［3］。 本項(xiàng)目?jī)?nèi)浮頂罐處于正常運(yùn)行過程， 改造方案應(yīng)以盡量不影響正常生產(chǎn)、盡量利用現(xiàn)有儀表設(shè)備減少施工工程量為原則?？紤]到內(nèi)浮頂罐浮盤落底位置上部附近無備用管口，且儲(chǔ)罐當(dāng)前處于正常運(yùn)行過程，不便于新增管口，故擬將原有的側(cè)裝法蘭式低低音叉開關(guān)廢除，在浮盤落底位置上方新增一臺(tái)貼壁式超聲波液位開關(guān)。

2 液位計(jì)的選型

本項(xiàng)目中中間罐區(qū)正在使用的液位測(cè)量?jī)x表均為接觸式儀表，如音叉開關(guān)、雷達(dá)液位計(jì)、伺服液位計(jì)及靜壓液位計(jì)等，如改用上述液位計(jì)均需要在儲(chǔ)罐上開孔，但實(shí)際工況無法滿足開孔要求，只有外測(cè)式超聲波液位計(jì)的安裝無需開孔且滿足SIL2 等級(jí)要求。

2.1 外測(cè)式超聲波液位開關(guān)的測(cè)量原理及應(yīng)用特點(diǎn)

外測(cè)式超聲波液位開關(guān)傳感器探頭能產(chǎn)生可變頻的超聲波脈沖，脈沖信號(hào)在儲(chǔ)罐等容器內(nèi)傳播，并透過容器內(nèi)的介質(zhì)（液體、氣體）。 由于液體和氣體中的超聲波透射率不同，超聲波接觸罐壁返回的信號(hào)也不同，通過接收和分析返回的超聲波信號(hào)， 可判斷儲(chǔ)罐內(nèi)是否有介質(zhì) （液體、氣體）， 超聲波變送器將判斷結(jié)果以開關(guān)量信號(hào)輸出，信號(hào)送至機(jī)柜間SIS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的聯(lián)鎖控制。 變頻超聲波在容器內(nèi)傳播不會(huì)受到介質(zhì)氣泡、壓力以及外界天氣的影響，但安裝時(shí)對(duì)介質(zhì)溫度有要求。 超聲波液位開關(guān)變送器表頭帶有LED 顯示屏， 可實(shí)時(shí)顯示信號(hào)強(qiáng)度和故障代碼，便于巡檢、維護(hù)。

與常規(guī)液位計(jì)需要與介質(zhì)接觸才能測(cè)量不同，外測(cè)式超聲波液位開關(guān)采用非接觸式測(cè)量技術(shù)，依據(jù)超聲波在液體中透射率不同判斷液體有無，精度高、易安裝維護(hù)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)適用環(huán)境

浮盤落底是指當(dāng)浮頂儲(chǔ)罐的液位過低時(shí)，浮盤落在了支腿上，此時(shí)由支腿支撐浮盤，當(dāng)儲(chǔ)罐液面繼續(xù)下降時(shí)，浮盤和液面之間會(huì)形成氣相空間，儲(chǔ)罐進(jìn)出料管線流速過快時(shí)管線管口可能產(chǎn)生靜電聚集，靜電與氣相的油氣相遇極易引發(fā)爆炸事故；此外當(dāng)浮盤落底后，也可能導(dǎo)致支腿坍塌事故。

2021 年，上級(jí)單位在安全生產(chǎn)集中整治督查時(shí)提出： 化工中間罐區(qū)內(nèi)浮頂罐浮盤的高度為1.85 m，實(shí)際聯(lián)鎖點(diǎn)位置距離罐底不足0.5 m，聯(lián)鎖點(diǎn)低于浮盤落底的高度，存在安全隱患，應(yīng)設(shè)置在距離罐底2.2 m 以上位置［4，5］。 原設(shè)計(jì)內(nèi)浮頂罐低低液位聯(lián)鎖設(shè)置位置過低，不符合國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令第84 號(hào) 《油氣罐區(qū)防火防爆十條規(guī)定》第六條：嚴(yán)禁內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐運(yùn)行中浮盤落底。

原設(shè)計(jì)低低液位聯(lián)鎖儀表為音叉開關(guān)，若將音叉開關(guān)上移，需對(duì)儲(chǔ)罐開孔，而裝置運(yùn)行中無法實(shí)現(xiàn)開孔操作。 由于外測(cè)式液位開關(guān)作業(yè)量小，改造難度低，精度可靠，因此為了不影響裝置運(yùn)行，選用外測(cè)式非接觸式液位開關(guān)［6］。經(jīng)調(diào)研定華外測(cè)式超聲波液位開關(guān)可滿足SIL 等級(jí)、在線安裝、調(diào)試、易維護(hù)等要求。

3 項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

化工中間罐區(qū)有8 臺(tái)內(nèi)浮頂罐低低聯(lián)鎖開關(guān)不符合《油氣罐區(qū)防火防爆十條規(guī)定》，需要進(jìn)行整改，計(jì)劃在原有音叉開關(guān)基礎(chǔ)上更換外測(cè)式超聲波液位開關(guān)，電纜利舊；原有的低低液位音叉開關(guān)接線拆除，采用金屬密封堵頭完成電氣接口封堵。 音叉液位開關(guān)至接線箱的分支電纜拆除， 采用金屬密封堵頭完成接線箱電氣接口封堵。 新增的外測(cè)式超聲波液位開關(guān)將安裝于距罐底2.2 m 位置處，采用磁吸和耦合劑的方式固定。現(xiàn)場(chǎng)需在安裝位置處根據(jù)磁吸面積去除外漆并保證光滑。 新增的外測(cè)式超聲波液位開關(guān)增加現(xiàn)場(chǎng)接線箱和分支電纜，電纜可利用罐區(qū)現(xiàn)有多芯電纜。 外測(cè)式超聲波液位開關(guān)安裝位置較低，遵照罐區(qū)現(xiàn)有的防雷設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)場(chǎng)側(cè)和機(jī)柜側(cè)不設(shè)置電涌保護(hù)器。

外測(cè)式超聲波液位開關(guān)現(xiàn)場(chǎng)安裝探頭與變送器，24 V 電源電纜和信號(hào)電纜使用原DCS 音叉開關(guān)電纜，機(jī)柜內(nèi)將原DCS 供電改為SIS 系統(tǒng)，原信號(hào)線從DCS 柜改至SIS 柜開關(guān)量端子板， 實(shí)現(xiàn)SIS 系統(tǒng)控制。在化工中間罐區(qū)SIS 系統(tǒng)對(duì)外測(cè)式超聲波液位開關(guān)進(jìn)行組態(tài)，信號(hào)采用無源干接點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)繼電器輸出通斷為聯(lián)鎖觸發(fā)條件， 繼電器輸出“1”為正常，輸出“0”為觸發(fā)聯(lián)鎖。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，儀表運(yùn)行正常。

測(cè)量介質(zhì)為裂解汽油、碳九和調(diào)制油，介質(zhì)壓力均為微正壓，溫度為30～60 ℃，儲(chǔ)罐罐壁為不銹鋼材料，外測(cè)式超聲波液位開關(guān)選用西安定華電子股份有限公司產(chǎn)品，型號(hào)為ELL-SA，產(chǎn)品規(guī)格GEICRDBFC-H2，液位開關(guān)為四線制，防爆等級(jí)為Ex d IIC T6，SIL 認(rèn)證， 安裝投用日期2021 年8 月31 日，目前運(yùn)行狀況良好。

4 外測(cè)式超聲波液位開關(guān)的適用場(chǎng)景及前景展望

外測(cè)式超聲波液位開關(guān)利用“變頻超聲波技術(shù)”實(shí)現(xiàn)非接觸式液位測(cè)量，屬于從儲(chǔ)罐外檢測(cè)液位的完全非接觸檢測(cè)儀表。 與傳統(tǒng)超聲波液位儀表相比，外測(cè)式超聲波液位開關(guān)的測(cè)量準(zhǔn)確率不會(huì)受罐壁附著物的影響。 隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前非接觸式儀表可通過自動(dòng)變頻變幅技術(shù)有效消除噪聲干擾，能適應(yīng)各種復(fù)雜工況，穩(wěn)定性高。 儲(chǔ)罐液位超高或抽空容易引起安全事故并導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，根據(jù)規(guī)范要求儲(chǔ)罐需要安裝液位開關(guān)，當(dāng)儲(chǔ)罐的液位達(dá)到設(shè)定的上限或下限值時(shí)通過及時(shí)報(bào)警防止事故發(fā)生。

外測(cè)式超聲波液位開關(guān)由于其可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性高及安裝維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)可被廣泛應(yīng)用于化工等各行業(yè)。 因其使用范圍廣，安裝方便，也適用于各種改造項(xiàng)目以及多點(diǎn)聯(lián)鎖 （如三選二，十選三）等重要聯(lián)鎖中。

5 結(jié)束語

新修訂的 《中華人民共和國(guó)安全生產(chǎn)法》自2021 年9 月1 日起施行，本法律相比修訂之前新增了“安全生產(chǎn)工作堅(jiān)持人民至上，生命至上；把保護(hù)人民生命安全擺放在首位；樹牢安全發(fā)展理念；從源頭上防范化解重大安全風(fēng)險(xiǎn)”等規(guī)定，明確了安全是化工領(lǐng)域的底線。 液位測(cè)量是罐區(qū)運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，接觸式測(cè)量?jī)x表是當(dāng)前液位測(cè)量的主流設(shè)備，隨著非接觸式儀表測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)和不斷改進(jìn)，其精度、可靠性不斷增強(qiáng)，已能滿足當(dāng)前安全、穩(wěn)定的生產(chǎn)需求，在特定場(chǎng)合、特殊要求下，非接觸式測(cè)量?jī)x表彌補(bǔ)了接觸式測(cè)量?jī)x表的不足，近年來，在各種新建項(xiàng)目、改擴(kuò)建項(xiàng)目中獲得廣泛應(yīng)用。