汽油儲(chǔ)罐儀表設(shè)計(jì)及罐表系統(tǒng)探討

董曉圓

華陸工程科技有限責(zé)任公司 陜西西安 710065

1 儀表選型設(shè)計(jì)

根據(jù)《石油化工罐區(qū)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SHT 3184—2017）要求，對(duì)于計(jì)量級(jí)別的低壓儲(chǔ)罐，容積大于100m3 的儲(chǔ)罐應(yīng)在罐頂設(shè)置液位連續(xù)測(cè)量?jī)x表，液位連續(xù)測(cè)量?jī)x表應(yīng)配罐旁指示儀顯示液位，應(yīng)在控制系統(tǒng)中設(shè)置高、低液位報(bào)警，并根據(jù)工藝要求在控制系統(tǒng)中設(shè)置高高、低低液位報(bào)警及聯(lián)鎖，信號(hào)所用的測(cè)量?jī)x表應(yīng)單獨(dú)設(shè)置，宜采用連續(xù)測(cè)量?jī)x表，也可采用液位開(kāi)關(guān)。由于連續(xù)測(cè)量?jī)x表的信號(hào)是連續(xù)的，可以實(shí)時(shí)測(cè)量過(guò)程變量確定儀表的工作狀態(tài)，比不常動(dòng)作的開(kāi)關(guān)類儀表更可靠，并且報(bào)警值的設(shè)定不受安裝位置的限制。可靠性要求較高的場(chǎng)合應(yīng)采用連續(xù)液位測(cè)量?jī)x表代替液位開(kāi)關(guān)，采用連續(xù)液位測(cè)量?jī)x表代替液位開(kāi)關(guān)的儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)置2 套連續(xù)液位測(cè)量?jī)x表，即一套用于液位連續(xù)測(cè)量和高、低液位報(bào)警，另一套用于高高、低低液位報(bào)警及聯(lián)鎖。當(dāng)儲(chǔ)罐需要測(cè)量油品的標(biāo)準(zhǔn)體積、標(biāo)準(zhǔn)密度時(shí)，計(jì)量級(jí)的儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)置多點(diǎn)熱電阻溫度計(jì)測(cè)量并計(jì)算罐內(nèi)油品的平均溫度，輸出信號(hào)直接接入儲(chǔ)罐的液位連續(xù)測(cè)量?jī)x表，多點(diǎn)熱電阻溫度計(jì)安裝于罐頂，宜按照儲(chǔ)罐有效高度范圍內(nèi)每3m 等間距平均布置的方式確定測(cè)溫點(diǎn)數(shù)，多點(diǎn)溫度檢測(cè)元件的最少點(diǎn)數(shù)應(yīng)符合《石油和液體石油產(chǎn)品儲(chǔ)罐中液位和溫度自動(dòng)測(cè)量法第4 部分：常壓罐中的溫度測(cè)量》（GB/ T 21451.4—2008）中8.3.3 表1 的規(guī)定。

儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)置用于密度計(jì)算的壓力變送器或差壓變送器，取源口設(shè)置在正常操作的最低液位以下、油水界位以上，輸出信號(hào)接入儲(chǔ)罐液位連續(xù)測(cè)量?jī)x表或儲(chǔ)罐數(shù)據(jù)管理單元。低壓儲(chǔ)罐及需要氮?dú)獾榷栊詺怏w密封的儲(chǔ)罐，應(yīng)在罐頂設(shè)置壓力變送器測(cè)量壓力。計(jì)量級(jí)壓力儲(chǔ)罐的液位連續(xù)測(cè)量?jī)x表信號(hào)連接見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)量級(jí)壓力儲(chǔ)罐液位連續(xù)測(cè)量?jī)x表信號(hào)連接

因此，該物流倉(cāng)儲(chǔ)項(xiàng)目汽油儲(chǔ)罐的儀表設(shè)計(jì)主要為：液位信號(hào)采用三重化冗余配置，設(shè)置1 套SIL2 等級(jí)的伺服液位計(jì)并配套罐旁指示儀顯示液位，1 套SIL2 等級(jí)的雷達(dá)液位計(jì)并配套罐旁指示儀顯示液位，1 套SIL2 等級(jí)的外側(cè)式液位計(jì)測(cè)量汽油儲(chǔ)罐液位，設(shè)置9 點(diǎn)平均溫度計(jì)以測(cè)量并計(jì)算罐內(nèi)汽油的平均溫度，罐底設(shè)置用于密度計(jì)算的隔膜密封差壓變送器（壓力），罐頂設(shè)置差壓變送器測(cè)量汽油儲(chǔ)罐壓力，同時(shí)采用罐表系統(tǒng)完成對(duì)汽油儲(chǔ)罐的各項(xiàng)工藝數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.1 伺服液位計(jì)

伺服液位計(jì)的測(cè)量基于阿基米德原理。測(cè)量液位時(shí)測(cè)量浮子處于被測(cè)液體的表面，測(cè)量浮子的底部浸沒(méi)于液面1～2mm。此時(shí)，測(cè)量浮子除了受到其本身向下的重力和液體向上的浮力外，還受到一個(gè)向上的鋼絲拉力，其大小等于測(cè)量浮子所受重力和浮力之差。當(dāng)液位靜止時(shí)，測(cè)量浮子處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，測(cè)量鋼絲、測(cè)量磁鼓及力傳感器以杠桿滑輪原理構(gòu)成力平衡。

當(dāng)液面下降時(shí)，測(cè)量浮子所受浮力減小，而測(cè)量鋼絲上的拉力增加，力傳感器立即檢測(cè)到這一變化，控制器隨即發(fā)出命令，伺服電機(jī)帶動(dòng)測(cè)量磁鼓順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)以0.05mm 的步幅放下測(cè)量鋼絲，測(cè)量浮子不斷地跟蹤液位下降的同時(shí)，計(jì)數(shù)器記錄了伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，自動(dòng)地計(jì)算出測(cè)量浮子的位移量，即液位的變化量。當(dāng)液面上升時(shí)，過(guò)程相反。伺服液位計(jì)的測(cè)量原理見(jiàn)圖2。

圖2 伺服液位計(jì)測(cè)量原理

考慮到該物流倉(cāng)儲(chǔ)項(xiàng)目汽油儲(chǔ)罐為計(jì)量級(jí)儲(chǔ)罐，以貿(mào)易交接為目的，因此選用的伺服液位計(jì)是一種高精度、高可靠性、移動(dòng)部件少、集多種測(cè)量功能為一體的交接級(jí)自動(dòng)計(jì)量?jī)?chǔ)罐液位計(jì)。該伺服液位計(jì)的接口設(shè)于汽油儲(chǔ)罐罐頂，采用6 寸法蘭連接，液位測(cè)量精度為±1mm，并配套罐旁顯示器實(shí)時(shí)顯示液位，可接收Pt100 單點(diǎn)溫度信號(hào)、多點(diǎn)平均溫度計(jì)信號(hào)、帶HART 協(xié)議的壓力信號(hào)，輸出一路帶HART 協(xié)議的4～20mA 液位模擬信號(hào)進(jìn)DCS系統(tǒng)用于液位監(jiān)測(cè)和報(bào)警，輸出一對(duì)SPDT 硬接點(diǎn)信號(hào)進(jìn)SIS 系統(tǒng)用于安全聯(lián)鎖，輸入輸出端配置防雷模塊，配套標(biāo)定腔室。

該物流倉(cāng)儲(chǔ)項(xiàng)目汽油儲(chǔ)罐是容積為20000m3的內(nèi)浮頂罐，由于浮盤存在移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的可能，為了保護(hù)測(cè)量鋼絲不受浮盤的影響，需要設(shè)計(jì)安裝穩(wěn)液管。穩(wěn)液管的安裝需要注意三點(diǎn)：第一，穩(wěn)液管必須豎直安裝，偏心度不超過(guò)3mm，否則液位計(jì)可能無(wú)法正常工作；第二，穩(wěn)液管必須筆直，如果是用多節(jié)無(wú)縫鋼管焊接構(gòu)成，則不得存在變徑和彎曲，焊接必須使用套焊，整個(gè)穩(wěn)液管在罐底的投影必須是與管徑一致且無(wú)變形的正圓；第三，穩(wěn)液管內(nèi)部必須光滑沒(méi)有毛刺，焊縫干凈，開(kāi)孔后將毛刺清除干凈。

1.2 雷達(dá)液位計(jì)

雷達(dá)液位計(jì)具有不受介質(zhì)壓力、真空、電導(dǎo)率、介電常數(shù)、比重、水蒸汽、粉塵、結(jié)垢、泡沫等影響的特點(diǎn)，其測(cè)量原理為其發(fā)射的雷達(dá)信號(hào)被儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)表面反射，由天線接收回波信號(hào)，由于信號(hào)的頻率發(fā)生變化，因此與發(fā)射時(shí)的信號(hào)相比，回波的頻率稍有不同，此頻率差與液面距離成正比，從而可以計(jì)算出液位。該物流倉(cāng)儲(chǔ)項(xiàng)目汽油儲(chǔ)罐罐頂設(shè)置一臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)，采用6 寸法蘭連接，測(cè)量精度為±1mm，天線型式為喇叭口型，輸出一路帶HART 協(xié)議的4～20mA 液位模擬信號(hào)進(jìn)DCS 系統(tǒng)用于液位監(jiān)測(cè)和報(bào)警，輸出一對(duì)SPDT 硬接點(diǎn)信號(hào)進(jìn)SIS 系統(tǒng)用于安全聯(lián)鎖，輸入輸出端配置防雷模塊。

1.3 外測(cè)式液位計(jì)

外測(cè)式液位計(jì)屬于非接觸式液位測(cè)量?jī)x表，不需要在設(shè)備上開(kāi)孔，其安裝和維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)在線安裝和維護(hù)，其測(cè)量結(jié)果不受介質(zhì)工藝特性的影響，可以測(cè)量易燃易爆、強(qiáng)腐蝕性、劇毒等特性的介質(zhì)。外測(cè)式液位計(jì)的測(cè)量原理基于設(shè)備本體始終具有一定的微小的機(jī)械振動(dòng)，而設(shè)備外壁的微小機(jī)械振動(dòng)的波形是由液體振動(dòng)特性和設(shè)備振動(dòng)特性共同決定的，將此微小的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)濾波和識(shí)別，可以計(jì)算出介質(zhì)的液位。

該物流倉(cāng)儲(chǔ)項(xiàng)目汽油儲(chǔ)罐設(shè)置一套外測(cè)式液位計(jì)，形式為外貼探頭，采用強(qiáng)磁力吸附固定，測(cè)量元件包括1 個(gè)外測(cè)探頭和1 個(gè)校準(zhǔn)探頭，輸入輸出端配置防雷模塊。

2 罐表系統(tǒng)

2.1 儲(chǔ)罐自動(dòng)計(jì)量原理

目前通用的儲(chǔ)罐計(jì)量技術(shù)通常分為以下方法：一種是以體積為基礎(chǔ)的計(jì)量系統(tǒng)，建立在對(duì)液位和溫度的精確測(cè)量基礎(chǔ)上，又稱體積法；另一種是以質(zhì)量為基礎(chǔ)的計(jì)量系統(tǒng)，建立在對(duì)液體產(chǎn)生的靜壓力的精確測(cè)量基礎(chǔ)上，又稱靜壓法。然而在一些儲(chǔ)罐計(jì)量應(yīng)用中，需要同時(shí)得到精確的體積參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)，從而產(chǎn)生了結(jié)合體積測(cè)量和質(zhì)量測(cè)量的第三種方法，又稱混合法。采用混合法測(cè)量介質(zhì)密度時(shí)，通過(guò)壓強(qiáng)原理，可以得到視密度（式1）。

式中：pt——視密度（當(dāng)前t 溫度下的液體密度），kg/ m3；

P1——液柱壓力；

H——液位到差壓變送器的距離，m；

g——重力加速度，m/ s2。

通過(guò)靜態(tài)計(jì)量方法可以得出儲(chǔ)罐內(nèi)液體的質(zhì)量，見(jiàn)式（2）。

式中：Vt——當(dāng)前t 溫度下的液體體積，m3；

Aeq——等效面積（與液位相對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)罐截面積），m2。

同時(shí)，可以得到儲(chǔ)罐內(nèi)液體的體積（式3）。

式中：VCF——體積修正系數(shù)。

2.2 系統(tǒng)組成與構(gòu)架

罐區(qū)的自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)具備罐區(qū)運(yùn)行的過(guò)程控制、信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、記錄存儲(chǔ)、人機(jī)接口、生產(chǎn)操作、報(bào)表、數(shù)據(jù)服務(wù)等功能。計(jì)量級(jí)儲(chǔ)罐的雷達(dá)液位計(jì)、伺服液位計(jì)信號(hào)可接入專用的儲(chǔ)罐數(shù)據(jù)管理單元（TMU）進(jìn)行罐容計(jì)算和管理，也可接入罐區(qū)自動(dòng)控制系統(tǒng)，在分散控制系統(tǒng)（DCS）中通過(guò)組態(tài)實(shí)現(xiàn)。計(jì)量級(jí)儲(chǔ)罐的液位、多點(diǎn)平均溫度、密度等信號(hào)應(yīng)直接接入儲(chǔ)罐液位連續(xù)測(cè)量?jī)x表，轉(zhuǎn)換成通信信號(hào)，通過(guò)儲(chǔ)罐信號(hào)通信單元接入儲(chǔ)罐數(shù)據(jù)管理單元（TMU）或罐區(qū)自動(dòng)控制系統(tǒng)。控制室內(nèi)儲(chǔ)罐數(shù)據(jù)管理單元（TMU），用于儲(chǔ)罐液位系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的相應(yīng)計(jì)算，提供罐區(qū)庫(kù)存統(tǒng)計(jì)和信息管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。儲(chǔ)罐數(shù)據(jù)管理單元（TMU）采用通信方式與分散控制系統(tǒng)（DCS）連接。

儲(chǔ)罐數(shù)據(jù)管理單元（TMU）可以提供實(shí)時(shí)的高精度的在線密度測(cè)量和質(zhì)量測(cè)量，實(shí)現(xiàn)真正的油罐自動(dòng)計(jì)量。在自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)之后，需要將物料的管理、現(xiàn)場(chǎng)的操作、作業(yè)的結(jié)果和績(jī)效以及報(bào)警信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接與分散控制系統(tǒng)（DCS）連接，不再存在手工和紙面上傳數(shù)據(jù)的情況。

罐表系統(tǒng)配置見(jiàn)圖3。

圖3 罐表系統(tǒng)配置圖

所有的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過(guò)一根屏蔽雙絞電纜傳輸?shù)焦薇硐到y(tǒng)的通信接口單元和計(jì)算單元，進(jìn)入庫(kù)存管理系統(tǒng)中，分散控制系統(tǒng)（DCS）可以通過(guò)計(jì)算單元或者庫(kù)存管理系統(tǒng)獲得現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代的儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化管理系統(tǒng)，能夠?yàn)楣迏^(qū)的日常運(yùn)行提供管理的全部功能，使罐區(qū)始終處于一種安全、可靠和可追溯的運(yùn)行狀態(tài)。儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化管理系統(tǒng)將各類現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集成與企業(yè)管理系統(tǒng)集成在一起，對(duì)各類液體產(chǎn)品以最有效的方式進(jìn)行工藝操作，每時(shí)每刻為企業(yè)提供實(shí)時(shí)的計(jì)量數(shù)據(jù)，既保證了生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)安全有序地進(jìn)行，又最大限度地降低了運(yùn)行成本，提高自動(dòng)化水平。