外測式液位開關在液態烴儲罐聯鎖改造中的應用

文/李政

分析外測式液位開關在實際使用中的特點，設計外測式超聲波液位開關加入安全儀表系統——液位是現代工業中重要且關鍵的監控參數之一，不同形式的儲罐其液位測量的要求也不同，本文根據液態烴的物理特性，以及外測式超聲波液位開關工作原理、輸出形式，分析了外測式液位開關在實際使用中的特點。2014年國家安全監管總局下發了《關于進一步加強化學品罐區安全管理的通知》。通知明確指出：加強化學品罐區的安全管理，要求化學品罐區必須增設SIS安全聯鎖系統。針對危險化學品儲罐，根據SIL等級、現場具體工況，分析確定液態烴儲罐SIS系統的控制參數，設計了外測式超聲波液位開關加入的安全儀表系統，以及三取二聯鎖控制方案。

化工生產大多具有高溫、高壓、易燃、易爆等特點，裝置多、風險點分散，特別是儲罐區，儲存大量的易燃、易爆介質。儲罐區的安全關系到整個企業的正常生產，如因安全措施不到位、管理手段不完善而發生安全事故，造成的損失是驚人的。在這一環節中，儲罐區液位的測量就顯得特別重要，選擇一款合適的液位計對于安全生產起到至關重要的作用。液化烴類物質都屬于甲類和甲A類火災危險性介質，具有明顯的火災爆炸危險性。

《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》（國家安監總局令第40號）第13條：涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級或者二級重大危險源，配備獨立的安全儀表系統（SIS）。

液位測量方式選擇

由于罐區聯鎖改造在裝置不停工狀態下實施，我們考慮罐區要求、考慮常態下高高液位報警開關無法檢測的問題，以及在SIS系統中的應用，新增液位開關須符合以下幾點：1.儲罐區為防爆區域，正常生產期間禁止動火安裝；2.儲罐區內，均有物料，禁止開口安裝；3.液位開關符合現場防爆、防腐要求，1區；4.儀表智能自檢，設備本體故障遠傳輸出。

為此，在儀表選型工作中我們詳細比對了目前在用較多的液位開關，其特點如表1。

針對現場情況，從儀表可靠性，施工簡單性考慮，最終選擇ELL外測式超聲波液位開關。

ELL外測式超聲波液位開關

工作原理

ELL外測式超聲波液位開關和自身的探頭能夠產生變頻超聲波脈沖，并接收傳播后的剩余能量，這種脈沖在容器壁內部折射，同時向容器內液體或氣體中透射傳播，由于超聲波向液體和氣體中的透射率不同，也就是超聲波傳播后能量損失不同，導致被測點在有液狀態和無液狀態的剩余能量不同，外測式超聲波液位開關通過對剩余能量的接收和分析，最終判斷出檢測點處的儲罐內是否存有液體，并輸出報警。

這時液位開關就輸出繼電器信號送至SIS系統，實現系統對液位的聯鎖控制。超聲波在儲罐壁內環繞和折射是不受介質氣泡、壓力等其他因素影響的。其工作原理如圖1。

圖1 原理圖示

聲納式外測液位計利用聲納回波測距（SONAR）原理，不接觸罐內介質，在容器壁外測量液位（連續量） 的儀表。測量探頭發射和接收聲納信號，穿透容器壁在液體中形成回波，實現測距。

圖2 超聲波液位開關在球罐高位的安裝示意圖

安裝說明

超聲波液位開關分為探頭安裝和主機安裝：探頭采用強力磁吸方式， 用于一個測量點的2個液位測量探頭，發射探頭和接收探頭，需安裝于同一水平面；間距1~1.2 m；主機就地安裝。

應用特點

1.非接觸式測量。在儲罐壁外安裝，不動火、不開孔、不清罐，安裝工作量小、安裝費用低，不需要生產停車運行就能夠安裝維護及使用。

2.工作的可靠性高。采用變頻技術，不受介質的溫度、密度變化及雨雪天氣的影響，并且有效的剔除物料掛壁或是上部起霧及泡沫的影響。

3.智能自檢，液位報警和儀表故障報警雙通道，報警信號遠傳輸出到控制室，儀表故障報警為DI信號，一旦報警信號到達，維護人員可到現場，在超聲波液位開關主機上查看錯誤代碼，分析故障原因。

4.儀表采用雙腔隔爆結構，電路板腔和接線端子腔分離，防爆性能更可靠；自帶防雷防浪涌電路，安全性更高。

儲罐SIS系統控制參數設計

煉油部液態烴罐區共有儲罐21座，存儲液態烴、液態烴、液化氣，隸屬“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進行重大危險源辨識和計算，確定液化烴儲罐屬于二級重大危險源。同時進行危險與可操作性（HAZOP）分析，確定液化烴儲罐的安全危險等級是SIL2級，為進一步提高罐區的本質安全性，保證安全生產，防止事故發生，設置SIS安全儀表控制系統，一旦儲罐出現可能導致安全事故狀況時，SIS系統能夠瞬間準確動作，進行緊急事故切斷的聯鎖控制，使生產過程安全停止運行，或是自動導入預定的安全狀態，為工業過程中更為重要的安全控制措施。

主要控制的參數

在儲罐的控制中，罐內物料液位是主要的控制參數之一。液化烴儲罐的液位由于進料產生不斷變化，可能會出現冒罐泄漏的風險，因此SIS控制系統的關鍵控制參數是儲罐的液位，儀表的檢測元件及取源點都獨立設置，采用外測式超聲波液位開關、音叉開關和雷達液位計三種液位傳感器構成“三選二”聯鎖，信號送至SIS系統進行比較，只要兩個同時達到設定值，系統送出信號進行緊急事故聯鎖。

SIS系統的設計

根據安監總局的要求，球罐液位、液位開關需要進入單獨的安全儀表系統。安全儀表系統選擇霍尼韋爾的SM系統，根據HAZOP分析，設計的SIS 系統聯鎖控制如下：當球罐的實際液位達到上下限或者液位開關動作時，根據程序計算進行聯鎖，關閉球罐進口根部切斷閥或者出口根部切斷閥，同時關閉進出口泵，防止液位繼續升高或者降低抽空，引發冒罐或者燒泵的危險，如圖4所示。SIS系統的操作界面如5所示。

圖4 罐區聯鎖邏輯組態

其他儲罐液位引入DCS，在儲運值班室顯示數據，同時設置液位高低限，聯鎖進出口切斷閥、物料機泵，有效保證罐區的儲存安全。

外測液位儀表維護

外測液位計一般是免維護的，但在日常維護的特殊情況中可能還會遇到一些問題，需要儀表維護人員進行處理，以我司的液態烴球罐為例進行幾點探討。

1.液態烴球罐在夏天溫度較高時，介質容易產生汽化，早晚溫差大時現象較為明顯，汽液兩相對液位的測量存在影響。夏天時液態烴球罐一般進行噴淋，通過降溫，減少汽化量，從而實現液位的可靠測量。

2.液態烴球罐為三年一檢，在使用周期末期時，罐底的沉積物增多，會影響信號的強度?？深A設自復位功能進行復位檢測，或通過設置盲區和增益等參數排除干擾增加信號，無效時通過示波器監測信號，重新選擇一個信號強度較大的位置進行安裝。

3.液態烴球罐的進行主要以管道輸送為主，由于輸送管線較長，管路可能存在汽化現象。在只對一個球罐進行進料的情況下，可能對液面波動較大影響測位的測量，此時可采用3個罐連通操作的方式，讓3個罐體平穩進料，從而實現液位的可靠測量。

4.故障處理方法

圖5 罐區聯鎖邏輯示意圖

針對聲納式外測液位計使用過程中出現的故障，我們采用如下對策進行規避。

（1）軟件不能識別此類過程變化

經過故障分析，針對空槽復裝后液位顯示盲區值不變化的故障，原因主要是二次表不能識別低液位過程變化的回波信號，我們）對二次表進行軟件升級。（2）虛假回波等干擾

針對屏蔽虛假回波等故障分析，通過調整主機的閾值電壓可屏蔽90%此類故障，如圖6所示。

圖6 屏蔽虛假回波等故障分析

（3）自動校準功能失效

自動校準功能失效主要原因為校準探頭與罐壁耦合不良，因長時間使用密封膠密封效果變差，導致罐壁外層氧化銹蝕，我們通過對設備面打磨清洗對探頭面清洗，加裝耦合劑，固定安裝后可屏蔽此類故障85%，如圖7所示。

圖7 對設備面加裝耦合劑清洗

結語

罐區儲罐液位測量中，非接觸液位儀表使用范圍越來越廣泛。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，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。本項目自設計投產應用以來，外測式超聲波液位開關在生產運行中可靠性滿足要求、維護簡單方便，為罐區的安全生產提供了保障。液化烴儲罐的SIS系統工作穩定可靠，操作維護方便，實現利用現有工況，在裝置正常生產期間完成的罐區SIS系統改造，具有一定推廣和參考價值。 ●