油罐新型緊急關斷裝置研究

彭 楊，趙曉剛，石凌旭

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

油罐新型緊急關斷裝置研究

彭 楊1，趙曉剛1，石凌旭2

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

針對油罐收油冒油問題，在對比分析了國內外有關液位監測和緊急關斷技術現狀的基礎上，提出了一種油罐新型緊急關斷裝置。研究結果表明，該裝置具有安全可靠、加裝簡單、結構新穎、可自力關斷等特征。

油罐；冒油；緊急關斷

安全問題是油庫日常技術管理工作的首要問題，而儲油罐的安全狀況則是安全工作的重要內容。儲油罐是油庫的關鍵設備，儲油罐收發油時的安全運行是油庫安全的重要管理內容。在儲油罐收發油日常管理中，稍有不慎，即可能發生溢油、冒油、跑油和漏油事故，造成油料的損失和浪費，同時，還易造成環境中油蒸汽過濃，引起人員中毒和油料發生火災爆炸等事故。上千例油庫事故分類統計的數據說明，跑油是油庫常見事故，占事故總數的28.1%[1]。油罐在儲存油料時，為了充分發揮油罐的儲油能力，裝油體積應盡量達到油罐的安全容量，使油罐內液面高度達到一定值，而頂部留有一定的膨脹空間以防油液在溫度升高時因體積膨脹而造成溢油。而在收發油的過程中，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]。在實際操作中，常常或因為測量方面的疏忽，或因操作人員離崗，或機械故障，受油油罐進油量超過規定值后繼續進油，造成油罐頂部出現冒油事故。

為此，本文提出了一種油罐新型緊急關斷裝置，以確保儲輸油設備安全運行。

該裝置有以下突出的創新點：保持原儲罐工藝中輸油管路閥組及附件的設備運行狀態，不在儲油罐上開口取壓，無需更換現有設備，方便在現有的油庫進行改裝；結構新穎；改裝費用低，經濟效益好；可自動(自力式)也可手動操作，操作簡單；安全可靠。

1 目前國內外油罐液位監測與緊急關斷技術現狀

油罐的液位監測技術與緊急關斷技術組成了有效的油罐防溢油控制技術。為了設計一種適用于油庫收油實際情況且安全可靠的新型油罐緊急關斷裝置，研究液位實時測量技術和收油過程關斷技術十分必要。

1.1 油罐液位監測技術現狀

當前，世界上許多國家對罐內液高的監控是十分重視的。以美國為例：20世紀90年代美國油庫就開始采用HTG靜壓測量系統、FTG浮子液位測量系統、STG伺服式液位測量系統、光纖液位傳感器等方式對油罐液位進行監控，防止油罐在收油過程中發生冒油事故。目前對液位測量較為準確的技術有靜壓法、微波法、超聲波法等，油罐液位測量儀表也正向高精度、多功能、高度自動化方向發展[3]。

浮子(光導電子式)鋼帶液位計的準確度為10 mm。由于滑輪、盤簧機構與機械計數器的摩擦，這種液位計的可靠性較差;伺服式液位計不僅可以測量液位，也可以測量油水界位。對于大于40 m的測量油罐的準確度上限一般只能達到1 m，可見這種測量方法的準確度有待提高。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等特點，但動輒十幾萬元乃至上百萬元的價格也無法實現大規模的使用。

我國由于技術條件相對落后，過去往往通過人工檢尺方法測量液位。隨著石油工業的迅速發展，油品儲量日益增加，收發油作業日漸頻繁，人工測量液位已不能適應形勢的發展。我國在21世紀初才逐步展開相關方面的研究。孫正鼐等[4]設計了基于紅外熱像儀的油罐液位測量系統，對硬件和軟件進行了設計，實現了對油罐液位的非接觸式自動測量。唐鵬等[5]對分布式油罐液位激光測控系統的特點進行了分析，在考慮防爆性能的基礎上，通過單片微機系統的多機通訊技術對罐區各罐的液位實現了集中式和網絡化管理。王偉麗等[6]在浮球液位檢測系統的試驗及應用中發現，這種測量方式安全可靠、操作簡單，能直觀反映大罐液位，具有雙重高度計量，誤差實時可校正，具有很好的實用性。

1.2 油罐收油緊急關斷技術現狀

油罐在收油的過程中，主要通過2種方式實現緊急關斷：輸油泵停止工作；進油通道閥門關斷。

1.2.1 輸油泵停止工作

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

1.2.2 進油通道的閥門關斷

當油罐里的液位高度達到要求值時，進油通道的閥門關斷最簡單、最可靠，也是最方便的。進油通道閥門的關斷主要有以下3種方法。

1) 人工關斷法

由人來判斷罐內液位高度并根據液位高度值或接到關閥指令來主動關斷正在輸送的進油通道的閥門。優點：工作可靠；缺點：不能自動關斷，增加油庫管理人員負擔。

2) 電動/電磁關斷法

當液位達到預先設計值時，罐內油液傳感器發出信號，通過轉換變成電信號，并送給閥門控制器，啟動閥門，達到關斷的目的，其結構如圖1所示。優點：節約人力，可通過集中放置控制器實現自動全局控制；缺點：成本較高，傳感器維護和更換復雜。

圖1 電動/電磁關斷法結構

3) 自力自動關斷法

根據罐內靜壓力來控制先導閥，當罐內液位高度達到預設值時，先導閥起作用，根據管線內的高壓力來關斷主閥，以達到停止輸油的目的，其結構如圖2所示。優點：單罐獨立，自動保護，成本較低，安全可靠，加裝容易，省時省力，維修簡單。

2 油罐新型緊急關斷裝置的設計

“油罐新型緊急關斷裝置”是一種能在油罐收油時自動限定液位高度的裝置。其功能是：油面高度未達到規定值時不起作用；油罐進油時，油面高度達到規定值時自動關斷進油通道；油罐再發油時，關斷裝置不影響發油通道的發油作業。該裝置不得對現有油罐進行破壞，任何對現有油罐的改動須受到嚴格控制。此外，還需盡量降低裝置的成本。

新型緊急關斷裝置由信號傳感、前置控制和關斷執行裝置3部分組成。

圖2 自力自動關斷法結構

2.1 信號傳感部分的分析研究

由于罐內不同液面高度對應不同的液體壓強，且當罐內液體種類確定時，壓強只與罐內液體的高度有關，因此將壓強選用為信號感應來源。設置引壓管通過液體介質傳遞壓力信號。通過油罐底部原有的排污管引出罐內液壓。在油罐上引出支管，引出罐內油品的靜壓。在引出的支管上設置過濾器。油罐底部引壓如圖3所示。

圖3 油罐底部引壓

另外，輸油時所需關閉閥門的高壓和動壓可直接在進油管路上插設引壓管引取，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是對油面與規定高度進行比較判斷，當達到控制油高時，及時向關斷執行機構發出信號。

對前置控制部分的要求是：進油時，當油面高度未達到控制油高時，前置控制部分不起作用；當油面高度達到控制高度時，前置控制部分及時做出動作；當油面高度又降至控制油高以下時，已動作的前置控制部分必須恢復原位，不影響再次進油。為此，設計了一個先導閥，其結構示意圖如圖5所示。

圖4 進油管路引壓

圖5 先導閥結構示意圖

先導閥采用滑閥形式，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個腔分離。因為前4個腔工作時是充滿油液的，而腔V由于設有彈簧調節螺釘而與大氣連通，故需要在腔IV和腔V之間設一膜片。彈簧式先導閥核心部件的作用是承受一定的壓力，當壓力值超過某一值時，彈簧收縮變形，帶動閥芯移動；當壓力回到這一值以下時，彈簧恢復原形，從而帶動閥芯回歸原位。管3的主要作用是將油罐與腔IV接通，壓強將通過膜片對彈簧施力，當油面超過安全容量時，即油壓超過某一值時迫使彈簧壓縮變形。管4的作用是排出和引入腔I的油液。由于腔I的體積在閥芯做運動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與關斷執行裝置相連，其作用是將信號傳至關斷執行裝置，從而使關斷執行裝置動作。管7與閥前進油管相連，其作用是引取高壓油。在進油管中，閥前的油液由于受到泵的能量轉換，其動壓是非常高的，比之油罐內的靜壓要高得多。閥芯的作用是將閥的內部分隔成4個腔室，通過閥芯的移動可以改變4個腔室的位置或大小。

先導閥的工作過程如下：閥芯的初始位置如圖5所示，此時管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，所以關斷執行裝置接收的也是低壓，故不做出動作；此時，管7雖與高壓油連通，但高壓只引至腔III內，故不起作用；當罐內的油品達到安全容量時，即油面達到一定高度時，管3所引的油壓也達到一定值，并克服彈簧的彈力，使之壓縮變形，膜片右移，帶動閥芯右移。

由于腔II右移，將管5、管6隔離在互不相通的兩個腔內，而將管6、管7接通。此時，管7所引的高壓油通過管6傳給關斷執行裝置，關斷執行裝置將及時做出動作。

當罐內的油面有所下降時，管3所引的油壓不足以克服彈簧彈力，從而彈簧恢復原長，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的距離，還在閥芯左右兩側各設置了一個限位裝置，用于限定閥芯移動的極左和極右位置。

2.3 關斷執行裝置的分析研究

關斷執行裝置的主要作用是根據前置控制部分傳來的信號，執行關斷進油通道的動作。以成本、效率和可靠性為原則進行考慮，純機械類裝置的自力自動關斷法是最佳選擇。

閥門應盡量采用已有的閥門樣品，可做稍微改動，但改動不宜過大。對關斷的要求是力求迅速，因為延遲的時間越長，則發生冒油的可能就越大。

主閥結構示意圖如圖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油時給閥芯一個緩沖；管3與先導閥的管6連接，其主要作用是將先導閥傳來的高壓油導入主閥上腔，從而推動閥芯做關斷運動；管4的主要作用是從閥前進油管路上引取高壓油。

當油罐內的油面未達安全高度時，管3從先導閥引來的油壓是低壓，不足以克服進油管路上的高油壓，油壓沖頂起閥芯，向油罐內輸油；當油罐內的油面再次低于安全高度時，進油通道再一次打開。

圖6 主閥結構示意圖

3 整體系統分析

如圖7所示，當油罐進油時，閥2關閉，閥1打開，油品通過進油管路進油。當罐內油面未達安全高度時，先導閥不動作，主閥處于開通狀態。隨著油品的繼續輸入，罐內油面不斷上升。當罐內油面達到安全高度時，先導閥從油罐得到信號，做出動作，使主閥關閉，阻止油品繼續進入油罐。此時，油泵仍在工作，工作人員必需先將閥1關閉，然后才停泵。此裝置的一大優點就是無須工作人員在長時間內的輸油過程中一直注意罐內油品液面高度，系統在油面達到安全高度時將自動停止進油。

圖7 實施過程示意圖

發油時，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油管路。閥2在進油、儲油時始終關閉。另外，當罐內所儲油液未達安全高度時，先導閥不起作用，主閥處于開通狀態，此時收油必須關斷閥1。當再一次進油時，關閉閥2，開通閥1。只要罐內油面未達安全高度先導閥就不起作用，油液就能沖頂起主閥閥芯向罐內進油。

4 該裝置優點

1) 是一種自力式控制裝置，無需外動力；

2) 為純機械，結構簡單，可靠性高，且成本較低；

3) 單罐配置，工作相互獨立，互不影響；

4) 安裝方便，無需對現有油罐進行改動；

5) 能減小油庫工作人員的勞動強度，使工作人員無需在油罐進油時長時間集中精力注意罐內油面高度；

6) 油罐新型緊急關斷裝置能有效地防止油罐在收油時發生冒油事故。

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(責任編輯 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 基金項目：國家自然科學基金資助項目(51276195)

彭楊(1994—)，男，碩士研究生，主要從事油氣儲運研究，E-mail:156616144@qq.com; 通訊作者 趙曉剛，男，教授，博士，主要從事油氣儲運及安全系統工程研究。

彭楊，趙曉剛，石凌旭.油罐新型緊急關斷裝置研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，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