外測式超聲波液位開關在常壓罐區SIS 系統中的應用

劉德華

（中國石油四川石化有限責任公司）

現場安全生產過程中，儲罐液位測量至關重要。 浮頂罐液位測量若失準，可能造成浮盤落底，輕則影響浮盤使用壽命，重則造成浮盤傾斜沉沒等重大事故。 筆者與相關設計人員分析了外測式液位開關的特點， 該類液位開關雖可以滿足SIL要求及現場具體工況，但若需在運行儲罐上開孔則風險極高，因此最優方案為將原音叉開關改為外測式超聲波液位開關，可滿足運行可靠、維護方便的替代要求。

1 現場基本工況

化工區中間產品罐區是中國石油四川石化有限責任公司的重要輔助設施， 主要用于乙烯、丙烯、丁二烯、裂解碳四、抽余碳四及裂解汽油等中間產品物料的儲存和中轉。 正常生產時，上下游生產裝置間除乙烯可直接供料外，其他物料一般通過中間罐區轉送。 化工區各裝置開、停車或上、下游裝置不同步生產時，中間罐區可起到平衡物料和緩沖的作用。

筆者所分析的項目為中國石油四川石化化工中間罐區內浮頂罐液位低低聯鎖開關整改項目，設計范圍為內浮頂罐525-V-2001A/B/C、525-V-2004、525-V-2005A/B、525-V-2006A/B 液 位 低低開關位置高度調整、液位開關儀表更換以及相應線纜、安全儀表系統（SIS）機柜內接線改造等。

化工中間罐區有內浮頂罐8 座，液位測量設置頂裝法蘭式雷達液位計1 臺，側裝法蘭式高高液位音叉開關1 臺，側裝法蘭式低低液位音叉開關1 臺。 其中，雷達液位計［1］為連續液位測量，在DCS 中設置有高高、高、低和低低液位報警，低液位報警值為浮盤落底位置上部， 防止浮盤落底。音叉液位開關為開關量儀表，高高液位開關聯鎖進口切斷閥，防止冒罐；低低液位開關聯鎖出口切斷閥和出口輸送泵，防止罐抽空或泵汽蝕。 音叉液位開關聯鎖進出口閥門為安全聯鎖， 在SIS系統［2］中實現。

原設計8 臺內浮頂罐液位低聯鎖為音叉開關，聯鎖位置在距離儲罐底部500 m 處，作為安全聯鎖，當觸發聯鎖時浮盤已落底，存在安全隱患。 為消除浮盤落底隱患，需將聯鎖位置上移至高于浮盤頂部位置［3］。 本項目內浮頂罐處于正常運行過程， 改造方案應以盡量不影響正常生產、盡量利用現有儀表設備減少施工工程量為原則。考慮到內浮頂罐浮盤落底位置上部附近無備用管口，且儲罐當前處于正常運行過程，不便于新增管口，故擬將原有的側裝法蘭式低低音叉開關廢除，在浮盤落底位置上方新增一臺貼壁式超聲波液位開關。

2 液位計的選型

本項目中中間罐區正在使用的液位測量儀表均為接觸式儀表，如音叉開關、雷達液位計、伺服液位計及靜壓液位計等，如改用上述液位計均需要在儲罐上開孔，但實際工況無法滿足開孔要求，只有外測式超聲波液位計的安裝無需開孔且滿足SIL2 等級要求。

2.1 外測式超聲波液位開關的測量原理及應用特點

外測式超聲波液位開關傳感器探頭能產生可變頻的超聲波脈沖，脈沖信號在儲罐等容器內傳播，并透過容器內的介質（液體、氣體）。 由于液體和氣體中的超聲波透射率不同，超聲波接觸罐壁返回的信號也不同，通過接收和分析返回的超聲波信號， 可判斷儲罐內是否有介質 （液體、氣體）， 超聲波變送器將判斷結果以開關量信號輸出，信號送至機柜間SIS 系統，實現對液位的聯鎖控制。 變頻超聲波在容器內傳播不會受到介質氣泡、壓力以及外界天氣的影響，但安裝時對介質溫度有要求。 超聲波液位開關變送器表頭帶有LED 顯示屏， 可實時顯示信號強度和故障代碼，便于巡檢、維護。

與常規液位計需要與介質接觸才能測量不同，外測式超聲波液位開關采用非接觸式測量技術，依據超聲波在液體中透射率不同判斷液體有無，精度高、易安裝維護。

2.2 現場適用環境

浮盤落底是指當浮頂儲罐的液位過低時，浮盤落在了支腿上，此時由支腿支撐浮盤，當儲罐液面繼續下降時，浮盤和液面之間會形成氣相空間，儲罐進出料管線流速過快時管線管口可能產生靜電聚集，靜電與氣相的油氣相遇極易引發爆炸事故；此外當浮盤落底后，也可能導致支腿坍塌事故。

2021 年，上級單位在安全生產集中整治督查時提出： 化工中間罐區內浮頂罐浮盤的高度為1.85 m，實際聯鎖點位置距離罐底不足0.5 m，聯鎖點低于浮盤落底的高度，存在安全隱患，應設置在距離罐底2.2 m 以上位置［4，5］。 原設計內浮頂罐低低液位聯鎖設置位置過低，不符合國家安全生產監督管理總局令第84 號 《油氣罐區防火防爆十條規定》第六條：嚴禁內浮頂儲罐運行中浮盤落底。

原設計低低液位聯鎖儀表為音叉開關，若將音叉開關上移，需對儲罐開孔，而裝置運行中無法實現開孔操作。 由于外測式液位開關作業量小，改造難度低，精度可靠，因此為了不影響裝置運行，選用外測式非接觸式液位開關［6］。經調研定華外測式超聲波液位開關可滿足SIL 等級、在線安裝、調試、易維護等要求。

3 項目現場實施

化工中間罐區有8 臺內浮頂罐低低聯鎖開關不符合《油氣罐區防火防爆十條規定》，需要進行整改，計劃在原有音叉開關基礎上更換外測式超聲波液位開關，電纜利舊；原有的低低液位音叉開關接線拆除，采用金屬密封堵頭完成電氣接口封堵。 音叉液位開關至接線箱的分支電纜拆除， 采用金屬密封堵頭完成接線箱電氣接口封堵。 新增的外測式超聲波液位開關將安裝于距罐底2.2 m 位置處，采用磁吸和耦合劑的方式固定。現場需在安裝位置處根據磁吸面積去除外漆并保證光滑。 新增的外測式超聲波液位開關增加現場接線箱和分支電纜，電纜可利用罐區現有多芯電纜。 外測式超聲波液位開關安裝位置較低，遵照罐區現有的防雷設計方案，現場側和機柜側不設置電涌保護器。

外測式超聲波液位開關現場安裝探頭與變送器，24 V 電源電纜和信號電纜使用原DCS 音叉開關電纜，機柜內將原DCS 供電改為SIS 系統，原信號線從DCS 柜改至SIS 柜開關量端子板， 實現SIS 系統控制。在化工中間罐區SIS 系統對外測式超聲波液位開關進行組態，信號采用無源干接點，現場繼電器輸出通斷為聯鎖觸發條件， 繼電器輸出“1”為正常，輸出“0”為觸發聯鎖。 現場測試，儀表運行正常。

測量介質為裂解汽油、碳九和調制油，介質壓力均為微正壓，溫度為30～60 ℃，儲罐罐壁為不銹鋼材料，外測式超聲波液位開關選用西安定華電子股份有限公司產品，型號為ELL-SA，產品規格GEICRDBFC-H2，液位開關為四線制，防爆等級為Ex d IIC T6，SIL 認證， 安裝投用日期2021 年8 月31 日，目前運行狀況良好。

4 外測式超聲波液位開關的適用場景及前景展望

外測式超聲波液位開關利用“變頻超聲波技術”實現非接觸式液位測量，屬于從儲罐外檢測液位的完全非接觸檢測儀表。 與傳統超聲波液位儀表相比，外測式超聲波液位開關的測量準確率不會受罐壁附著物的影響。 隨著技術的不斷進步，目前非接觸式儀表可通過自動變頻變幅技術有效消除噪聲干擾，能適應各種復雜工況，穩定性高。 儲罐液位超高或抽空容易引起安全事故并導致經濟損失，根據規范要求儲罐需要安裝液位開關，當儲罐的液位達到設定的上限或下限值時通過及時報警防止事故發生。

外測式超聲波液位開關由于其可靠性強、穩定性高及安裝維護簡單等優點可被廣泛應用于化工等各行業。 因其使用范圍廣，安裝方便，也適用于各種改造項目以及多點聯鎖 （如三選二，十選三）等重要聯鎖中。

5 結束語

新修訂的 《中華人民共和國安全生產法》自2021 年9 月1 日起施行，本法律相比修訂之前新增了“安全生產工作堅持人民至上，生命至上；把保護人民生命安全擺放在首位；樹牢安全發展理念；從源頭上防范化解重大安全風險”等規定，明確了安全是化工領域的底線。 液位測量是罐區運行的關鍵參數，接觸式測量儀表是當前液位測量的主流設備，隨著非接觸式儀表測量技術的出現和不斷改進，其精度、可靠性不斷增強，已能滿足當前安全、穩定的生產需求，在特定場合、特殊要求下，非接觸式測量儀表彌補了接觸式測量儀表的不足，近年來，在各種新建項目、改擴建項目中獲得廣泛應用。