基于外貼式液位開關的球罐SIS安全儀表系統設計

蘭天（福斯特惠勒（河北）工程設計有限公司，河北 石家莊 050061）

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基于外貼式液位開關的球罐SIS安全儀表系統設計

蘭天（福斯特惠勒（河北）工程設計有限公司，河北 石家莊 050061）

摘要：液位是儲罐主要的控制參數，形式不同的儲罐液位測量要求也不盡相同，本文根據外貼式液位開關的工作原理分析了其在實際使用中的優勢。在化工生產中，為防止和降低石油化工工廠或裝置的過程風險需設置SIS安全儀表系統，該系統的合理設計以及運行情況直接影響到裝置的安全運行。本文針對某項目中的重大危險源丁二烯球罐，根據其SIL等級分析確定了球罐SIS系統的主要控制參數，具體設計了基于外貼式超聲波液位開關的SIS安全儀表系統及完整的聯鎖控制，并投入生產運行。在實際生產中外貼式超聲波液位開關可靠性高、維護簡單，工作量小，設計的SIS系統安全穩定性高、運行情況良好，保證了項目罐區和整個廠區的安全生產。

關鍵詞：外貼式液位開關；SIS安全儀表系統；球罐；聯鎖控制

河北某年產100kt膠乳項目罐區儲運生產過程中存在大量的易燃和易爆物質，如丁二烯、苯乙烯、醋酸乙烯等，其中丁二烯儲存在1000m3的壓力球罐，其他物料存放在相應的立式儲罐。根據《SH/T3007-2007石油化工儲運系統罐區設計規范》，壓力儲罐應設置液位計、高液位報警器和高高液位自動聯鎖切斷進料裝置[1]。設計中儲罐液位計一般采用壓差式液位計，同時設置高液位報警和高高液位聯鎖停卸車泵，高液位報警器一般選用液位開關。

1　外貼液位開關的工作原理及應用優勢

現在工業上使用的液位開關有超聲波式、浮力式、浸入式電容式、音叉式、壓力式液位開關。其中大部分是接觸式[2]。在本項目中，針對球罐容積大、盡量不開孔，儲存物料易燃易爆、不接觸外界空氣等環境條件，需要選用一種非接觸式、不開孔插入的液位開關，外貼式超聲波液位開關正好滿足這種要求。

1.1工作原理

超聲波液位檢測有脈沖回波法、共振法、頻差法以及聲衰減法等，其中應用較廣的是脈沖回波法[3]。超聲波在罐壁內環繞及反射不受介質氣泡、壓力等因素的影響。外貼式超聲波液位開關及其探頭產生高頻超聲波脈沖可穿過容器壁，此脈沖在容器壁和液體中傳播以及被反射回來，通過對這種反射特性的檢測和計算，判斷出檢測點處容器內是否有液，對液位進行檢測報警。同時液位開關輸出繼電器信號送入DCS系統或其他過程控制系統，實現對液位的聯鎖控制。

1.2應用優勢

外貼式超聲波液位開關采用非接觸式測量，測量過程中不與介質直接接觸，不受介質的溫度、比重、腐蝕性的影響，并有效剔除介質掛壁及上部起霧和泡沫影響，較好地保證了工作的可靠性。測量介質包含純凈液體、乳狀液體、懸浮狀液體，也可配多種探頭，不僅可測量常壓和高壓的儲罐裝置，還適用于對衛生要求嚴格的環保型罐；解決了厚壁儲罐液位報警測量的難題，最大可測罐壁厚達到60mm。非接觸式罐壁外安裝、不開孔、不動火、工作量小、安裝費用低，不需要停止生產運行即可安裝維護和使用；目前安裝方式較多的是磁力吸附方式和膠粘安裝方式。開關重復性和穩定性高，不易造成誤報警；沒有可動部件，幾乎可以做到無磨損、無腐蝕，使用壽命較長；環境溫度可高至300℃，并且和壓力無關；裝有復合探頭的此裝置還能自動校準，免調試[4]。

圖1為液位開關安裝示意圖（以立式儲罐為例）。

圖1　外貼式超聲波液位開關安裝示意

2　球罐SIS系統控制參數和設計

罐區生產過程主要使用DCS系統進行控制，對儲罐的壓力、液位等參數設置聲光報警和聯鎖系統。因罐區涉及“兩重點一重大”（即重點監管危險化學品、重點監管危險化工工藝和危險化學品重大危險源），經過對罐區內危險化學品重大危險源進行辨識和計算，確定丁二烯球罐屬于一級重大危險源；通過進行危險與可操作性（HAZOP）分析，確定丁二烯球罐的安全危險等級為SIL2級，為了進一步提高罐區的本質安全性水平、保證安全生產，防止事故發生，設置了安全儀表系統(SIS，Safety Instrumented System)，正常生產時SIS系統處于休眠或靜止狀態，一旦球罐出現可能導致安全事故的情況時，系統能夠瞬間準確動作，進行緊急事故切斷和聯鎖控制，使生產過程安全停止運行或自動導入預定的安全狀態，作為工業過程中更為重要的安全控制措施[5]。

2.1主要控制參數

在大容量球罐檢測控制中，罐體的溫度、罐內的壓力和液位為主要的控制參數。丁二烯球罐的液位由于生產裝置的用料和罐區裝卸鶴管的進料不斷發生變化，可能會出現丁二烯物料抽干和物料冒頂泄漏的危險，因此SIS系統的主要控制參數為球罐的液位，儀表檢測元件和取源點獨立設置，分別采用外貼式超聲波液位開關和磁致伸縮液位計兩種測量方式不同的液位傳感器構成“1oo2”冗余，液位開關和磁致伸縮液位計分別進行高高液位報警，信號送至SIS系統進行比較，只要有一個達到設定值，系統送出信號進行緊急事故聯鎖。

設置的緊急事故切斷和聯鎖關閉進料閥門采用冗余電磁閥，為分別帶兩個電磁閥的開關閥，系統正常操作條件下帶電，聯鎖時不帶電；冗余輸入的SIS系統邏輯包括輸入信號偏差報警，其中2個變送器的信號偏差，報警設定值為5%。

2.2SIS系統設計

SIS系統整體包括現場儀表和執行器，按照故障安全型設計；系統獨立于DCS系統設置，采用經過SIL認證的PLC系統進行聯鎖控制；可與DCS進行通訊，但DCS系統不能向SIS系統寫入數據。為避免SIS系統和DCS系統的信號接線出現差錯，SIS系統配置獨立的控制機柜、工程師站、操作員站和獨立的通信網絡、冗余電源等。SIS系統中使用的軟件、硬件和儀表必須遵守正式版本并已商業化，同時必須獲得國家有關防爆、計量、壓力容器等強制認證。嚴禁使用任何試驗產品。

設計的球罐SIS系統聯鎖控制流程如圖2所示。圖2中LSA儀表點為外貼式液位開關，LISA儀表點為磁致伸縮液位計。

圖2　球罐SIS系統聯鎖控制流程示意圖

設計的SIS系統具體聯鎖控制如下：

當丁二烯球罐外貼液位開關或磁致伸縮液位計任一液位高于設定值時，SIS系統進行聲光報警，同時送出兩路開關量聯鎖信號，送至執行器上的電磁閥，聯鎖關閉球罐進料切斷閥，停止向球罐內打料，防止球罐液位繼續升高，引發冒頂危險；也可手動拍下丁二烯球罐緊急停車按鈕，聯鎖關閉球罐進料切斷閥，緊急停車。球罐SIS系統聯鎖控制邏輯示意圖，如圖3所示。

圖3　球罐SIS系統聯鎖控制邏輯示意圖

設計的SIS系統由于采用外貼式超聲波液位開關這種非接觸式液位報警儀表，減少了在承壓球罐上的開口和動火，降低了重大危險源危險物料泄漏和燃燒爆炸的概率，儀表的維護和檢修強度降低；控制系統運行可靠，使用比較方便，維護量小，安全性能得到提高。SIS系統設計完成投入使用后，丁二烯球罐的安全性明顯增高，罐區生產的可靠性提高，生產過程中沒有一次因SIS系統誤動作造成丁二烯球罐緊急停車及無法繼續向罐內打料而影響裝置生產。

3　結語

由于儀表行業的發展，在化工項目生產設計中，特別是在罐區儲罐液位測量中，非接觸液位儀表使用越來越多[6,7]。 SIS安全儀表系統由于其在工業生產中重要的特殊安全性，系統在設計、選型、使用和維護中需要嚴格遵循安全標準和設計規范[8]，設計選用的儀表需要充分考慮現場的安全性、儀表使用的可靠性以及系統的穩定和操作性[9]。

本項目自設計投產應用以來，丁二烯球罐的SIS系統工作穩定可靠，操作維護方便，同時企業根據自身實際情況，綜合采取多種安全可靠性措施[10]，確保系統功能安全實現，充分可靠地保證了企業丁二烯球罐的安全生產、環境安全以及全廠長周期、持續穩定安全生產。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國國家發展和改革委員會. SH/T 3007 - 2007, 石油化工儲運系統罐區設計規范[S]. 北京: 中國石化出版社, 2008: 12 - 13.

[2] 劉志偉. 全新概念的液位開關[J]. 儀表技術與傳感器, 1998 (12): 48.

[3] 才勇智, 林成武. 超聲波液位計在原油儲油罐中的應用[J]. 微計算機信息化. 2009, 25 (7 - 1) : 92.

[4] 金梅, 王昌波, 白任彥. 外貼式超聲波液位開關在儲罐上的應用[J]. 科技創新導報. 2013, 2: 86.

[5] 張建國. 安全儀表系統在過程工業中的應用[M]. 北京: 中國電力出版社, 2010.

[6] 張琳. ZWCK系列新一代智能外貼超聲液位開關[J]. 石油化工自動化.2002, 4: 86 - 88.

[7] 張燕明, 陳永軍. 超聲波液位開關在順酐裝置中的應用[J]. 中國化工貿易. 2013, 2: 132 - 133.

[8] 中國石油化工集團公司. GB/T 50770-2013, 石油化工安全儀表系統設計規范[S].

[9] 李勝利, 盧金芳. 石油化工裝置安全儀表系統的設計[J]. 石油化工自動化, 2007 (02) : 18 - 22.

[10] 王娟娟. 安全儀表系統中F&GS系統的設計[J]. 自動化與儀表, 2014, 29 (4) : 10 - 14.

文獻標識碼：B

文章編號：1003-0492（2016）04-0094-03中圖分類號：TP273

作者簡介

蘭天（1985-），男，河北靈壽人，工程師，碩士，現就職于福斯特惠勒（河北）工程設計有限公司，主要研究方向為自動化儀表應用。

Design of Spherical Tanks Safety Instrument Systems Based on External Liquid Level Switch

Abstract:The liquid level is the main control parameters of the tank. Its measurement requirements are not same for the different type of tanks. According to the working principle of the external switch of the liquid level, we analyzed its advantages in practical applications. In order to prevent and reduce the process risk of the petrochemical plant or equipment, it is necessary to set up the SIS safety instrument system in the chemical production. The reasonable design and operation of the system will directly affect the safe operation of the device. In this project, according to the major hazard source (butadiene sphere tank), we analyzed and determined the key control parameters of the sphere tank based on the SIL level, and designed the spherical tank safety instrumented system (SIS) and complete interlock control based on external ultrasonic liquid level switch of butadiene sphere tank. This system is put into operation. In the actual production, the external ultrasonic liquid level switch is high reliability, simple maintenance, and small workload. The designed SIS is high security and stability which ensures safety of the tank area and the entire project plant in production.

Key words:External liquid level switch; Safety Instrument Systems（SIS）; Spherical tanks; Interlock and control