石油儲(chǔ)備庫(kù)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

徐慶松

(中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司,山東 東營(yíng) 257026)

中國(guó)是目前世界第一大石油進(jìn)口國(guó),加快石油儲(chǔ)備庫(kù)建設(shè)對(duì)于國(guó)家能源安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要[1]。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某石油儲(chǔ)備庫(kù)自動(dòng)控制系統(tǒng),在結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)罐計(jì)量、流量計(jì)量及標(biāo)定、閥門選型及控制、可燃/有毒氣體檢測(cè)、火災(zāi)檢測(cè)及消防控制等方面,參照國(guó)家規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合廠商的先進(jìn)技術(shù),按照安全、可靠的原則進(jìn)行設(shè)計(jì),為石油儲(chǔ)備庫(kù)自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)某石油儲(chǔ)備庫(kù)庫(kù)容為2.0×106m3共計(jì)20座1.0×105m3外浮頂儲(chǔ)罐,外輸管線為DN800,輸量為2.7×103m3/h,主要流程為進(jìn)站—流量計(jì)—儲(chǔ)罐—輸油泵—流量計(jì)—外輸,本文針對(duì)該油庫(kù)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)探討。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為保證庫(kù)區(qū)的安全、平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,該油庫(kù)設(shè)置集成控制系統(tǒng)(ICS)。ICS由過程控制系統(tǒng)(PCS)、安全儀表系統(tǒng)(SIS)、可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)(GDS)、火災(zāi)報(bào)警及消防控制系統(tǒng)(FAS+FCS)和儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)(TFMS)等其他系統(tǒng)組成,各系統(tǒng)功能如下:

1)PCS完成庫(kù)區(qū)工藝過程的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、管理。

2)SIS完成庫(kù)區(qū)工藝過程的緊急切斷及聯(lián)鎖控制。

3)GDS對(duì)庫(kù)區(qū)的可燃?xì)怏w/H2S氣體泄漏進(jìn)行檢測(cè)并報(bào)警。

4)FAS+FCS完成建筑物內(nèi)、庫(kù)區(qū)、工藝區(qū)的火災(zāi)檢測(cè)及消防聯(lián)動(dòng)控制。

5)TFMS對(duì)庫(kù)區(qū)儲(chǔ)罐液體物料的靜態(tài)儲(chǔ)量進(jìn)行精確測(cè)量和統(tǒng)計(jì)。

PCS,SIS,GDS,FCS采用可編程控制器(PLC)搭建,FAS采用總線式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),ICS結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ICS結(jié)構(gòu)示意

2 儲(chǔ)罐計(jì)量

儲(chǔ)罐內(nèi)物料的準(zhǔn)確計(jì)量,對(duì)控制儲(chǔ)罐的存儲(chǔ)量,庫(kù)存管理及貿(mào)易結(jié)算有重要的意義。根據(jù)GB 50737—2011《石油儲(chǔ)備庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定: 儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)置液位連續(xù)檢測(cè)儀表,接入庫(kù)區(qū)液位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2]。根據(jù)SH/T 3184—2017《石油化工罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定: 對(duì)于貿(mào)易交接用途的計(jì)量級(jí)儲(chǔ)罐,各儲(chǔ)罐設(shè)置1臺(tái)連續(xù)測(cè)量液位計(jì),并配以壓力變送器、多點(diǎn)溫度計(jì)(界面儀)、罐旁指示儀,組成TFMS[3],如圖2所示。原油、重質(zhì)油儲(chǔ)罐宜設(shè)置非接觸儀表,建議采用高精度雷達(dá)液位計(jì),配套導(dǎo)波管,液位計(jì)精度優(yōu)于±1 mm[4]。液位計(jì)、多點(diǎn)溫度計(jì)等安裝在浮頂導(dǎo)向管處。

圖2 儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)組成示意

TFMS可以精確測(cè)量?jī)?chǔ)罐的液位、多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù),利用高精度壓力變送器測(cè)量實(shí)時(shí)在線的平均密度,從而獲得罐內(nèi)油品的體積和質(zhì)量數(shù)據(jù),以獲得貿(mào)易交接等級(jí)的測(cè)量效果。

3 儲(chǔ)罐液位報(bào)警及聯(lián)鎖

根據(jù)SH/T 3184—2017規(guī)定,庫(kù)容積不小于1.0×105m3的儲(chǔ)罐宜設(shè)置2套連續(xù)測(cè)量液位計(jì),除TFMS設(shè)置的液位計(jì),儲(chǔ)罐還需另外設(shè)置1套液位計(jì)用于連續(xù)測(cè)量。此外,根據(jù)GB 50737—2011的規(guī)定,儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)置高高、低低液位開關(guān)用于報(bào)警及聯(lián)鎖。

連續(xù)測(cè)量液位計(jì)宜選用雷達(dá)液位計(jì),液位開關(guān)可選用浮球液位開關(guān)、音叉液位開關(guān)、外貼式超聲液位開關(guān)。由于浮頂會(huì)隨液位升降,浮球液位開關(guān)、音叉液位開關(guān)不能直接插入浮頂罐內(nèi)部,必須在儲(chǔ)罐外壁設(shè)置短管,為減少物料在短管內(nèi)的沉積,短管可設(shè)置喇叭口形式[5],安裝方式如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)罐液位開關(guān)安裝示意

針對(duì)原油介質(zhì),浮球液位開關(guān)、音叉液位開關(guān)、外貼式超聲液位開關(guān)的性能對(duì)比見表1所列,原油儲(chǔ)罐建議采用外貼式超聲液位開關(guān)。

表1 三種液位開關(guān)性能對(duì)比

儲(chǔ)罐液位報(bào)警及聯(lián)鎖控制如圖4所示,雷達(dá)液位計(jì)、超聲液位開關(guān)的信號(hào)上傳至SIS,儲(chǔ)罐液位的高高報(bào)警可聯(lián)鎖切斷儲(chǔ)罐進(jìn)口緊急切斷閥,低低液位報(bào)警可聯(lián)鎖切斷儲(chǔ)罐出口閥及停輸油泵。采用“1oo2”邏輯,提高控制回路的安全性,SIS也可讀取TFMS的液位數(shù)據(jù),采用“2oo3”邏輯,提高控制回路的安全及可靠性。

圖4 儲(chǔ)罐液位報(bào)警及聯(lián)鎖控制示意

4 流量計(jì)量及標(biāo)定

根據(jù)GB 50737—2011條規(guī)定,原油外輸管道應(yīng)設(shè)置計(jì)量設(shè)施并宜采用體積流量計(jì)。通常原油計(jì)量采用容積式流量計(jì),如刮板流量計(jì)、雙轉(zhuǎn)子流量計(jì),配套流量計(jì)算機(jī)。根據(jù)GB/T 9109.1—2016《原油動(dòng)態(tài)計(jì)量 一般原則》規(guī)定,流量計(jì)精度應(yīng)優(yōu)于0.2%[6]。通常容積式流量計(jì)口徑不大于DN400,DN400以上流量計(jì)造價(jià)高,質(zhì)量大,標(biāo)定困難。原油黏度小于100 Pa·s,綜合流量、造價(jià)、標(biāo)定等因素,油庫(kù)計(jì)量建議設(shè)置DN300流量計(jì),準(zhǔn)確度0.2級(jí),流量計(jì)最大額定流量為1.0×103m3/h。根據(jù)文獻(xiàn)[7]規(guī)定,每臺(tái)流量計(jì)正常流量不應(yīng)大于最大流量值的75%,且應(yīng)設(shè)置30%備用。該油庫(kù)輸量2.7×103m3/h,計(jì)量應(yīng)配置“4用2備”DN300流量計(jì),可按照式(1)計(jì)算:

(1)

式中:n——流量計(jì)的總數(shù),臺(tái);qVp——1組流量計(jì)要計(jì)量的最大流量,m3/h;qVm——1臺(tái)流量計(jì)的額定最大流量,m3/h;s——連續(xù)計(jì)量時(shí)備用流量計(jì)數(shù),臺(tái),備用臺(tái)數(shù)不少于正常運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)的30%。

體積管用于流量計(jì)在線標(biāo)定,根據(jù)文獻(xiàn)[6],體積管重復(fù)性優(yōu)于0.02%,精度不低于0.05%;DN150以下流量計(jì)宜選用活動(dòng)式體積管(如標(biāo)定車),DN150以上且不少于4臺(tái)流量計(jì)時(shí)宜設(shè)置固定式體積管。根據(jù)文獻(xiàn)[8]規(guī)定,體積管的最大流量應(yīng)不低于被檢測(cè)流量計(jì)的最大工作流量。單向球式體積管相關(guān)參數(shù)見表2所列,由表2可知,最小應(yīng)選用DN350口徑固定式體積管對(duì)DN300流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。

表2 單向球式體積管相關(guān)參數(shù)

5 閥門選型及控制

石油儲(chǔ)備庫(kù)開關(guān)閥有兩類,一類是倒流程用的遠(yuǎn)程控制閥(ROV),對(duì)于原油管道,建議ROV采用“故障保位”,即在出現(xiàn)動(dòng)力源和控制信號(hào)故障時(shí),ROV保持故障前狀態(tài),這樣流程不會(huì)被打斷,可以繼續(xù)生產(chǎn),避免出現(xiàn)“水擊”;另一類為保障安全的緊急關(guān)斷閥(SDV)。SDV包括庫(kù)區(qū)的罐根閥和進(jìn)出站管道切斷閥,SDV要求有很高的安全性,需要具備“故障關(guān)”的基本特性,即在失去動(dòng)力源和控制信號(hào)時(shí),能自動(dòng)關(guān)斷。

根據(jù)以上基本要求,石油儲(chǔ)備庫(kù)ROV可采用電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或雙作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)“故障保位”;SDV可采用電液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)或單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)“故障關(guān)”。油庫(kù)主流程管道閥門口徑一般在DN600及以上,電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和雙作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對(duì)比見表3所列,單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對(duì)比見表4所列[9],石油儲(chǔ)備庫(kù)建議ROV配套電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),SDV配套電液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

表3 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和雙作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對(duì)比

表4 單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)的對(duì)比

SDV信號(hào)上傳至SIS,由SIS遠(yuǎn)程/聯(lián)鎖關(guān)斷,閥門關(guān)斷時(shí)間不宜過快,防止“水擊”作用。SDV在防火堤外設(shè)置緊急關(guān)斷按鈕,用于危險(xiǎn)情況時(shí)手動(dòng)操作。

ROV采用總線控制方式,總線通信協(xié)議采用Modbus/Profibus-DP協(xié)議[10],總線控制器接入PCS,該種方式節(jié)省信號(hào)電纜且可遠(yuǎn)程診斷、維護(hù)?？偩€型控制方式具有一定的延時(shí),對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的調(diào)節(jié)閥建議采用硬線直接接入PCS。

6 可燃/有毒氣體檢測(cè)

在儲(chǔ)罐的進(jìn)出口、中央排水口、原油泵房等可能泄漏可燃?xì)怏w的場(chǎng)所,設(shè)置可燃?xì)怏w探測(cè)器,根據(jù)油品屬性設(shè)置H2S氣體探測(cè)器,探測(cè)器信號(hào)接入GDS,中心控制室可對(duì)工藝裝置區(qū)的氣體泄漏集中監(jiān)測(cè)。

7 火災(zāi)檢測(cè)及消防控制

石油儲(chǔ)備庫(kù)一旦發(fā)生火災(zāi)事故,不但危及庫(kù)區(qū)內(nèi)人員的安全,對(duì)環(huán)境造成污染,給國(guó)家財(cái)產(chǎn)造成巨大損失,甚至?xí)?duì)周邊人員、設(shè)施造成危害,因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情,執(zhí)行消防操作,保證庫(kù)區(qū)安全至關(guān)重要[11]。

根據(jù)GB 50737—2011規(guī)定,石油儲(chǔ)備庫(kù)應(yīng)設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)?；馂?zāi)報(bào)警及消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)采用FAS+FCS結(jié)構(gòu),如圖5所示,在消防控制室設(shè)置火災(zāi)報(bào)警控制器,即FAS,集中監(jiān)視全庫(kù)區(qū)的火警信息。在室內(nèi)區(qū)域設(shè)置感溫探測(cè)器、感煙探測(cè)器、感溫電纜、手動(dòng)報(bào)警按鈕、聲光報(bào)警器等探測(cè)儀表;在原油罐浮盤的密封圈處設(shè)置線性光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器,用于自動(dòng)檢測(cè)油罐的安全狀態(tài);進(jìn)出罐閥組區(qū)、泵區(qū)設(shè)置火焰探測(cè)器;罐組周圍、泵區(qū)、計(jì)量閥組區(qū)等區(qū)域的巡檢道路旁設(shè)手動(dòng)報(bào)警按鈕、聲光報(bào)警器。

圖5 火災(zāi)報(bào)警及消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

為滿足消防控制的要求,FCS設(shè)置專用PLC實(shí)現(xiàn)消防控制[12],可遠(yuǎn)程/手動(dòng)控制庫(kù)區(qū)消防冷卻水系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)的消防泵及消防閥,對(duì)應(yīng)每個(gè)儲(chǔ)罐在輔助操作臺(tái)設(shè)置“一鍵啟動(dòng)”按鈕,實(shí)現(xiàn)各種消防預(yù)案的程序化控制。為防止遠(yuǎn)程/聯(lián)動(dòng)控制功能失效,各消防設(shè)備(如消防泵)應(yīng)能通過輔助操作臺(tái)直接手動(dòng)啟動(dòng)。

8 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于原油儲(chǔ)備庫(kù)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì),有如下建議:

1)選用高精度雷達(dá)液位計(jì),并配以壓力變送器、多點(diǎn)溫度計(jì)(界面儀),罐旁指示儀,組成TFMS。

2)儲(chǔ)罐設(shè)置2套雷達(dá)液位及超聲液位開關(guān),采用“2oo3”邏輯聯(lián)鎖切斷罐根閥及停外輸泵,提高控制回路的安全及可靠性。

3)工藝管道開關(guān)閥配套電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),緊急切斷閥配套電液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

4)火災(zāi)報(bào)警及消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)采用FAS+FCS結(jié)構(gòu),各探測(cè)儀表以總線形式接入FAS完成火災(zāi)檢測(cè),FCS設(shè)置專用PLC實(shí)現(xiàn)消防控制。