液氨罐區(qū)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪志偉

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

液氨是無(wú)色透明的液體，常壓下極易氣化形成氨氣。氨氣屬于易燃、有毒化學(xué)品，不僅具有極強(qiáng)的腐蝕性，還容易在空氣中揮發(fā)，對(duì)人身安全造成嚴(yán)重的危害。2014年9月，寧夏捷美豐友化工有限公司氨氣泄漏造成裝置周邊200 m范圍內(nèi)41人急性氨中毒[1]，2015年11月，河北省邯鄲市龍港化工有限公司發(fā)生液氨泄漏事故，造成3死4傷[2]。在行政監(jiān)管方面，國(guó)家安監(jiān)總局于2014年下發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)化學(xué)品罐區(qū)安全管理的通知》，以加強(qiáng)化學(xué)品罐區(qū)的安全管理，防范生產(chǎn)安全事故[3]。由此可見(jiàn)，液氨罐區(qū)應(yīng)設(shè)計(jì)行之有效的監(jiān)控系統(tǒng)，以防泄漏造成的人身財(cái)產(chǎn)損失[4-5]。結(jié)合某3.5×104m3液氨儲(chǔ)罐項(xiàng)目，提出了一種液氨罐區(qū)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)共設(shè)分散控制系統(tǒng)(DCS)、緊急停車(chē)系統(tǒng)(ESD)、罐表系統(tǒng)(TGS)、有毒氣體檢測(cè)系統(tǒng)(GDS)等子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)罐區(qū)的正常狀態(tài)監(jiān)控、緊急狀態(tài)停車(chē)、儲(chǔ)罐料位在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和有毒氣體監(jiān)測(cè)等功能。此外，針對(duì)內(nèi)外全容罐環(huán)隙的特殊環(huán)境，還設(shè)計(jì)了泄漏檢測(cè)方法及多點(diǎn)壁溫和罐內(nèi)閥等特殊儀表的選型方法。

1 液氨罐區(qū)工藝流程

該液氨罐區(qū)為上游裝置和下游產(chǎn)品之間的庫(kù)存儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)容積為3.5×104m3，其工藝流程如圖1所示。項(xiàng)目所在地年平均氣溫26 ℃，歷史極端低溫-5 ℃，極端高溫53 ℃。罐體采用固定頂內(nèi)外全容罐設(shè)計(jì)方案，內(nèi)外罐環(huán)隙設(shè)保溫隔熱層，儲(chǔ)罐工作于微正壓，正常工況下罐內(nèi)液氨溫度為-33.2 ℃。上游裝置的成品液氨通過(guò)罐頂法蘭接口進(jìn)入儲(chǔ)罐，進(jìn)料通過(guò)開(kāi)關(guān)閥(XV-01)控制，出料通過(guò)開(kāi)關(guān)閥(XV-02)控制。液態(tài)氨通過(guò)泵(P-01A/B)從罐底抽出，與換熱器內(nèi)的低壓蒸汽進(jìn)行熱量交換，將液氨加熱至環(huán)境溫度后，在管線(xiàn)壓力升高的情況下，仍然通過(guò)液態(tài)形式送往下游裝置。此外，還為換熱后的液氨預(yù)留了接口，實(shí)現(xiàn)了就地裝車(chē)業(yè)務(wù)。

液氨為深冷介質(zhì)，極易氣化。氣化后的氣態(tài)氨聚集在罐頂，與裝車(chē)過(guò)程中回流的氨氣一并通過(guò)小冰機(jī)降溫至液態(tài)，然后送回罐內(nèi)。相同摩爾質(zhì)量的液氨氣化后體積膨脹，會(huì)導(dǎo)致罐內(nèi)壓力變大，該方案設(shè)計(jì)罐頂壓力聯(lián)鎖邏輯，自動(dòng)控制小冰機(jī)的啟停。

圖1 液氨罐區(qū)工藝流程示意

外罐頂部設(shè)溫度和壓力檢測(cè)儀表，可實(shí)時(shí)檢測(cè)罐頂溫度和壓力變化。罐頂設(shè)安全閥，當(dāng)罐內(nèi)壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)自動(dòng)開(kāi)閥卸壓。內(nèi)罐內(nèi)壁設(shè)置多點(diǎn)壁溫測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)罐內(nèi)溫度環(huán)境。此外，該方案還在罐內(nèi)出料管線(xiàn)上設(shè)罐內(nèi)閥XV-03，異常狀態(tài)下可在控制室內(nèi)遠(yuǎn)程操控閥XV-03，進(jìn)一步保障了儲(chǔ)罐的安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

一般情況下，液氨罐區(qū)的溫度、壓力、流量、液位和閥門(mén)等測(cè)量?jī)x表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)DCS進(jìn)行監(jiān)控和聯(lián)鎖。該液氨罐區(qū)自動(dòng)監(jiān)控各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系如圖2所示，除DCS和GDS外，其余系統(tǒng)均不設(shè)操作站，GDS還設(shè)有大屏幕顯示器，以方便操作人員清晰地了解各氣體檢測(cè)器周?chē)钡男孤┣闆r。此外，控制室內(nèi)設(shè)輔助操作臺(tái)(CD)，為ESD和GDS設(shè)置輔助操作按鈕。

1) 根據(jù)API RP 505—2013《爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分》，液氨罐區(qū)的電氣防爆等級(jí)為IIA T2，現(xiàn)場(chǎng)儀表優(yōu)先采用本安防爆型式，當(dāng)無(wú)法達(dá)到本安要求時(shí)，可采用隔爆型式。為此，DCS需配置安全柵，以防控制室內(nèi)的高能量信號(hào)傳導(dǎo)至現(xiàn)場(chǎng)。該方案DCS由操作站、工程師站、I/O機(jī)柜、輔助機(jī)柜、打印機(jī)等組成。DCS采用冗余容錯(cuò)技術(shù)與系統(tǒng)自診斷功能，控制器峰值負(fù)荷低于60%。

圖2 液氨罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架示意

2) 液氨極易揮發(fā)，屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，應(yīng)關(guān)閉進(jìn)/出料閥門(mén)，防止罐內(nèi)液氨的擴(kuò)散，即XV-01和XV-02對(duì)安全的要求較高。該方案通過(guò)ESD實(shí)現(xiàn)了進(jìn)/出料閥門(mén)的安全聯(lián)鎖。ESD遵循IEC 61508—2010FunctionalSafetyofElectrical/Electronic/ProgrammableElectronicSafety-relatedSystems，采用滿(mǎn)足SIL 3或AK6認(rèn)證要求的可編程序控制器，其功能獨(dú)立于DCS設(shè)置，在DCS失效時(shí)，仍能保證對(duì)進(jìn)/出料閥門(mén)的控制。

3) GDS用于檢測(cè)罐區(qū)裝置內(nèi)的氨氣泄漏情況，當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí)，通過(guò)內(nèi)部聯(lián)鎖觸發(fā)現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警，警示裝置周邊人員盡快撤離。此外，GDS通過(guò)Modbus RTU將報(bào)警信息傳送至DCS操作站，通知控制室內(nèi)的操作人員。

4) TGS為液氨罐區(qū)提供無(wú)干擾、自動(dòng)和精確的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能，由于TGS不設(shè)操作站，其通過(guò)Modbus RTU將檢測(cè)的溫度和液位信息傳送至DCS操作站進(jìn)行顯示。

5) 小冰機(jī)設(shè)備及控制系統(tǒng)由廠家成套提供，它由壓縮機(jī)(C-01A/B)、潤(rùn)滑油泵、油分離器和換熱器等部分組成。冰機(jī)廠家提供的就地控制盤(pán)(LCP)位于現(xiàn)場(chǎng)，LCP用于接受和顯示冰機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的儀表信號(hào)。LCP預(yù)留4個(gè)硬接線(xiàn)接口，用于和DCS進(jìn)行控制信息交互，這4個(gè)信號(hào)分別是小冰機(jī)的運(yùn)行指示、故障指示、遠(yuǎn)程啟動(dòng)和遠(yuǎn)程停止等；其余信號(hào)均通過(guò)Modbus RTU與DCS進(jìn)行通信連接。

2.2 罐表系統(tǒng)

如前文所述，TGS用于對(duì)儲(chǔ)罐狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)控。它由伺服液位計(jì)、平均溫度計(jì)、罐旁指示儀、巡檢儀和主站五部分組成，該方案TGS的配置如圖3所示。當(dāng)儲(chǔ)罐狀態(tài)異常時(shí)，TGS及時(shí)通知DCS進(jìn)行相應(yīng)的聯(lián)鎖動(dòng)作，保障儲(chǔ)罐穩(wěn)定和人員的安全。為提高儲(chǔ)罐監(jiān)測(cè)的可靠性，該方案對(duì)伺服液位計(jì)、平均溫度計(jì)和罐旁指示儀等進(jìn)行三冗余配置，在DCS端通過(guò)“2oo3”作為聯(lián)鎖觸發(fā)信號(hào)。

1) 伺服液位計(jì)。用于在線(xiàn)檢測(cè)儲(chǔ)罐液位高度，其選型為電源隔爆、信號(hào)本安的組合防爆型式，最高測(cè)量精度可達(dá)0.3 mm。伺服液位計(jì)內(nèi)部設(shè)計(jì)比較模塊，用于輸出液位高高(LSHH)和液位低低(LSLL)供DCS用于聯(lián)鎖。在現(xiàn)場(chǎng)，伺服液位計(jì)為主站，分別同平均溫度計(jì)和罐旁指示儀進(jìn)行參數(shù)信息交換，并最終將結(jié)果傳送給控制室內(nèi)的巡檢儀。

2) 平均溫度計(jì)。檢測(cè)罐體豎直方向的溫度，從內(nèi)罐底部開(kāi)始，每間隔2 m設(shè)置1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。平均溫度計(jì)通過(guò)HART協(xié)議接收伺服液位計(jì)的液位信息，然后返回3種溫度參數(shù)： 每個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的原始測(cè)量溫度值，氣相測(cè)溫點(diǎn)的平均溫度，液相測(cè)溫點(diǎn)的平均溫度。伺服液位計(jì)和平均溫度計(jì)均采用頂裝式，且通過(guò)穩(wěn)波管在儲(chǔ)罐頂部安裝，管口法蘭距離地面高度約為34.5 m。為方便現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員及時(shí)了解儲(chǔ)罐狀態(tài)，該系統(tǒng)在罐底設(shè)計(jì)罐旁指示儀，罐旁指示儀接受伺服液位計(jì)的信息，并將各自通道的液位和3種溫度等信息就地顯示在液晶屏上。

圖3 TGS配置示意

2.3 有毒氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)GB 50493—2009《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]要求，氨氣為有毒氣體，短時(shí)間允許接觸氨的質(zhì)量濃度為30 mg/m3，直接致害氨的質(zhì)量濃度為360 mg/m3。因此，該方案為液氨罐區(qū)設(shè)置了GDS。

GDS為獨(dú)立于DCS之外的對(duì)裝置內(nèi)的氨等有毒氣體進(jìn)行檢測(cè)、顯示、報(bào)警和聯(lián)鎖的系統(tǒng)，它由有毒氣體檢測(cè)器、現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警器和系統(tǒng)控制器等組成，系統(tǒng)配置如圖4所示。該方案GDS采用硬冗余CPU和I/O卡件，整個(gè)GDS控制器的平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)為1.8 085×107h，平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)為8 h，控制器的故障率為5.529 5×10-8，具有很強(qiáng)的可靠性和有效性。

圖4 GDS系統(tǒng)配置示意

液氨儲(chǔ)罐頂部的管道、儀表法蘭口，小冰機(jī)和換熱器等部位接口處均可能發(fā)生氨氣泄漏，這些部位均應(yīng)考慮設(shè)置有毒氣體檢測(cè)器。有毒氣體檢測(cè)器的具體數(shù)量、安裝位置及報(bào)警閾值設(shè)定等按文獻(xiàn)[6]規(guī)范要求執(zhí)行，本文不展開(kāi)討論。聲光報(bào)警器置于界區(qū)出入口附近，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)提醒周邊人員撤離。由于液氨罐區(qū)為電氣防爆區(qū)域，氣體檢測(cè)器和聲光報(bào)警器均需采用隔爆類(lèi)型產(chǎn)品。

3 儀表選型設(shè)計(jì)

3.1 多點(diǎn)壁溫溫度計(jì)選型

該液氨儲(chǔ)罐采用圓柱形設(shè)計(jì)，內(nèi)罐直徑40.7 m，外罐直徑42.7 m，設(shè)計(jì)的最大液位高度24.3 m。多點(diǎn)壁溫在豎直方向上設(shè)13個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，水平方向沿直徑設(shè)17個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，共計(jì)30個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。原則上豎直和水平方向上的測(cè)溫點(diǎn)都均勻分布，如遇設(shè)備縱焊縫或環(huán)焊縫，相鄰測(cè)溫點(diǎn)之間的間距可適當(dāng)微調(diào)，以避開(kāi)焊縫。設(shè)備在每個(gè)測(cè)點(diǎn)預(yù)埋預(yù)焊塊，用于將測(cè)溫元件固定在罐壁，測(cè)溫元件插入罐內(nèi)的阻絲通過(guò)夾持板進(jìn)行固定。

由于所測(cè)介質(zhì)為-33.2 ℃的液氨，多點(diǎn)壁溫溫度計(jì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)均采用測(cè)量范圍為-50～100 ℃的A級(jí)Pt100熱電阻(RTD)作為檢測(cè)元件。考慮到測(cè)溫點(diǎn)數(shù)量較多，為便于運(yùn)輸和施工安裝，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均采用柔性雙通道RTD的檢測(cè)元件。每支RTD的長(zhǎng)度根據(jù)測(cè)點(diǎn)位置各異而互不相同，最長(zhǎng)的RTD長(zhǎng)度超過(guò)70 m。為消除RTD引線(xiàn)電阻影響，提高檢測(cè)精度，RTD均采用四線(xiàn)制型式。

此外，30支RTD共用1片頂裝法蘭與罐體進(jìn)行過(guò)程連接，每支RTD對(duì)應(yīng)1個(gè)溫度變送器，溫度變送器采用Exia IICT4防爆等級(jí)。考慮到罐頂平臺(tái)操作空間狹小，溫度變送器均采用導(dǎo)軌式掛接在1個(gè)接線(xiàn)箱內(nèi)，接線(xiàn)箱防爆等級(jí)為Exe IICT4。接線(xiàn)箱放置在RTD法蘭旁的平臺(tái)上，通過(guò)多芯電纜將各溫度變送器的4～20 mA信息傳送至控制室。

3.2 泄漏檢測(cè)

該液氨儲(chǔ)罐為內(nèi)外全容罐，內(nèi)罐泄漏后，液氨溢流至內(nèi)外罐環(huán)隙，通過(guò)外罐進(jìn)行保存。一般情況下，內(nèi)罐的泄漏需引起操作人員的注意，并向生產(chǎn)執(zhí)行層匯報(bào)以采取相應(yīng)措施。根據(jù)連通器原理，一旦內(nèi)罐泄漏，內(nèi)外罐環(huán)隙液氨和內(nèi)罐液氨將保持同一液位。為此，該方案在內(nèi)外罐環(huán)隙設(shè)置溫度和液位檢測(cè)儀表，以便更加準(zhǔn)確地判定內(nèi)罐液氨是否泄漏。

正常情況下內(nèi)罐無(wú)泄漏，內(nèi)外罐環(huán)隙液位為零。考慮到液氨極易揮發(fā)，液位上方氣化現(xiàn)象嚴(yán)重，非接觸式的喇叭口雷達(dá)或超聲波液位計(jì)不僅容易產(chǎn)生虛假液位，而且還會(huì)對(duì)發(fā)射和反射電磁波造成一定影響，因而該方案采用接觸式的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行內(nèi)外罐環(huán)隙的液位泄漏檢測(cè)。此外，內(nèi)外罐環(huán)隙內(nèi)的最大液位可達(dá)20 m以上，為方便運(yùn)輸，桿式導(dǎo)波雷達(dá)的導(dǎo)波桿長(zhǎng)度一般不超過(guò)6 m，該方案選擇纜繩式導(dǎo)波雷達(dá)。此外，揮發(fā)的氨氣對(duì)電磁波的衰減比較大，考慮到頻率越低電磁波的穿透性越好，因而該方案選擇低頻雷達(dá)。

另一方面，內(nèi)罐無(wú)泄漏時(shí)，在保溫材料的作用下，環(huán)隙內(nèi)的溫度高于罐內(nèi)液氨的溫度。當(dāng)內(nèi)罐泄漏時(shí)，液氨溢流至環(huán)隙，導(dǎo)致環(huán)隙內(nèi)溫度降低。為此，在環(huán)隙內(nèi)豎直方向布設(shè)多點(diǎn)測(cè)溫，通過(guò)溫度變化檢測(cè)內(nèi)罐是否泄漏。多點(diǎn)溫度計(jì)通過(guò)罐頂頂裝，每隔3 m設(shè)置1個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，多個(gè)測(cè)溫元件豎直排列。為保證環(huán)隙充滿(mǎn)液氨測(cè)點(diǎn)的位置不變，該方案為環(huán)隙內(nèi)的多點(diǎn)溫度計(jì)設(shè)計(jì)整體的保護(hù)管，保護(hù)管雙側(cè)開(kāi)流通孔，保證液體的正常流入。每個(gè)測(cè)溫元件均采用A級(jí)PT100熱電阻，可通過(guò)相鄰測(cè)點(diǎn)間的溫度差異粗略推算泄漏量的大小。

3.3 罐內(nèi)閥選型

液氨為有毒氣體，且極易揮發(fā)，當(dāng)罐外出料管線(xiàn)發(fā)生故障而導(dǎo)致泄漏時(shí)，檢修將非常困難，為此該方案在儲(chǔ)罐內(nèi)設(shè)置了罐內(nèi)閥。罐內(nèi)閥為球形開(kāi)關(guān)閥，閥體安裝在罐內(nèi)出料管線(xiàn)上，執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝于罐頂。正常狀態(tài)下，閥門(mén)開(kāi)啟，液氨正常出料。當(dāng)罐外出料管線(xiàn)發(fā)生故障時(shí)，閥門(mén)閉合，從罐內(nèi)進(jìn)行切斷，防止液氨泄漏到罐外大氣中。

根據(jù)API 625—2014TankSystemsforRefrigeratedLiquefiedGasStorage規(guī)定，罐內(nèi)閥在外部出料管道異常和系統(tǒng)斷電兩種情況下應(yīng)自動(dòng)關(guān)閉，且需配置遠(yuǎn)程啟動(dòng)和停止按鈕，方便操作人員的遠(yuǎn)程控制。由于罐內(nèi)閥為氣動(dòng)控制，為保證氣源故障等緊急情況下仍能對(duì)閥門(mén)進(jìn)行操作，該方案還為罐內(nèi)閥配置了儲(chǔ)氣罐和手輪，手輪位于儲(chǔ)罐頂部執(zhí)行機(jī)構(gòu)旁邊。為進(jìn)一步保障儲(chǔ)罐安全，罐內(nèi)閥閥體采用金屬硬密封結(jié)構(gòu)，ASME V級(jí)泄漏設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

液氨屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，液氨儲(chǔ)罐的泄漏容易導(dǎo)致較大的人身財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題。針對(duì)某3.5×104m3內(nèi)外全容液氨儲(chǔ)罐，提出了一種液氨罐區(qū)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)由DCS，ESD，TGS，GDS等子系統(tǒng)組成。此外，針對(duì)內(nèi)外全容罐環(huán)隙的特殊環(huán)境，設(shè)計(jì)了基于多點(diǎn)溫度和導(dǎo)波雷達(dá)的泄漏檢測(cè)方法，以及儲(chǔ)罐多點(diǎn)壁溫溫度計(jì)和

罐內(nèi)閥等特殊儀表的選型方法。該方案能穩(wěn)定監(jiān)控液氨罐區(qū)狀態(tài)，具有一定可行性。

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