張偉，方留安

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

低溫丙烯儲罐的自動控制

張偉，方留安

(中國天辰工程有限公司，天津 300400)

大型低溫儲罐壓力接近常壓，環(huán)境變化極易引起儲罐壓力的變化，造成安全隱患。儲罐裝置控制系統(tǒng)和聯(lián)鎖系統(tǒng)采用獨立的DCS和緊急停車系統(tǒng)(ESD)；精度伺服液位計和音叉式液位開關(guān)用于儲罐液位的測量、控制和聯(lián)鎖；采用流量平衡法檢測丙烯輸送管線的泄漏，溫度檢測均勻分布在儲罐吊頂內(nèi)表面、罐底內(nèi)表面、罐壁內(nèi)表面；采用3臺壓力變送器對儲罐的壓力進行測量、控制和聯(lián)鎖。應(yīng)用表明： 安全可靠的控制系統(tǒng)和聯(lián)鎖系統(tǒng)，既保障了儲罐的安全運行又取得了良好的經(jīng)濟效益。

低溫儲罐 預(yù)冷 平均溫度 管線泄漏量 熱應(yīng)力 平均值

隨著低溫技術(shù)的發(fā)展，低溫液體產(chǎn)品已在國民經(jīng)濟、國防、科學(xué)研究等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。而低溫液體的有效應(yīng)用必須建立在低溫液體產(chǎn)品安全儲存的基礎(chǔ)上。丙烯是三大合成材料的基本原料，主要用于生產(chǎn)丙烯腈、異丙烯、丙酮和環(huán)氧丙烷等。為了減少儲存體積，丙烯往往以液態(tài)形式儲存，大型低溫儲罐由于造價低廉而得以使用。

低溫儲罐儲存溫度較低，壓力接近常壓，當外界環(huán)境變化時極易引起儲罐壓力的變化，對儲罐的安全運行產(chǎn)生不利的影響。因此，設(shè)計可靠的控制系統(tǒng)和聯(lián)鎖系統(tǒng)來保障低溫儲罐的安全運行至關(guān)重要。筆者以2×104m3低溫丙烯儲存裝置為例介紹低溫儲罐的控制與聯(lián)鎖。

1 低溫儲罐的控制系統(tǒng)

儲罐裝置控制系統(tǒng)和聯(lián)鎖系統(tǒng)采用獨立的DCS和緊急停車系統(tǒng)(ESD)。在正常情況下DCS動態(tài)監(jiān)控低溫儲罐的連續(xù)運行，保證儲罐的穩(wěn)定生產(chǎn)；ESD對儲罐關(guān)鍵參數(shù)(如液位、壓力等)進行連續(xù)的測量，在正常情況下ESD是“靜止的”，不采取任何動作，但當這些參數(shù)發(fā)生異常波動或故障時，ESD會按照設(shè)定值和程序采取相應(yīng)的安全動作，使裝置處于安全狀態(tài)，保證儲罐的安全運行。

ESD與DCS采用RS-485通信，ESD的輸入/輸出信號和狀態(tài)采用通信方式送到DCS顯示，但有些關(guān)鍵的參數(shù)(如液位、壓力等)既要在ESD中參與聯(lián)鎖，又要在DCS中參與控制和操作。這些信號先進入ESD，再從ESD輸出AO信號，采用硬線連接到DCS。

2 低溫儲罐進料運行模式

丙烯儲罐罐區(qū)設(shè)計采用低壓全冷凍式儲存丙烯，采用低壓低溫方式由卸船泵將駁船上的丙烯由卸船管線送至丙烯儲罐。卸船系統(tǒng)包括卸船管線和預(yù)冷管線，如圖1所示。管線上有5個閥門： 卸船閥HV1112，碼頭預(yù)冷閥HV1113，預(yù)冷旁路閥HV1114，罐區(qū)預(yù)冷閥HV1115，進儲罐丙烯調(diào)節(jié)閥HV1229。其中HV1112，HV1113，HV1114，HV1115是二位開關(guān)閥，HV1229是調(diào)節(jié)閥。

圖1 低溫丙烯卸船系統(tǒng)示意

低溫儲罐進料采用三種運行方式： 停運、預(yù)冷、進料。不需要卸船時儲罐進料處于停運模式；需要卸船時，需先對卸船管線進行預(yù)冷，此時儲罐進料處于預(yù)冷模式；卸船管線預(yù)冷完畢后，開始向低溫丙烯儲罐送料，儲罐處于進料模式。為防止操作人員誤操作，實現(xiàn)三種運行模式的一鍵操作，在控制室輔操臺上有3個按鈕： 停運按鈕、預(yù)冷按鈕、進料按鈕。按下停運按鈕，HV1112，HV1113，HV1114，HV1115，HV1229閥門全部關(guān)閉，儲罐進料處于停運模式。按下預(yù)冷按鈕，HV1113，HV1115和HV1229閥門打開；HV 1112和HV1114閥門關(guān)閉，儲罐進料處于預(yù)冷模式。按下進料按鈕，V1112，HV1113，HV1114和HV1229閥門打開；HV1115閥門關(guān)閉，儲罐處于進料模式。

3 儲罐液位控制與聯(lián)鎖

丙烯儲罐的液位測量采用2臺高精度伺服液位計(LT1200，LT1201)加平均溫度計(TE1200，可測16點溫度)補償?shù)臏y量方案，如圖2所示，同時配1臺罐旁指示儀。罐旁指示儀不僅在罐底顯示伺服液位計的數(shù)據(jù)，同時把溫度、壓力等信號進行集成監(jiān)控，也可以通過罐旁指示儀對與之相連的各儀表進行訪問。

圖2 儲罐液位與流量測量示意

LT1200和LT1201連續(xù)測量儲罐液位，另外在儲罐頂部安裝了2臺音叉式液位開關(guān)(LS1202，LS1203)用于儲罐液位高高報警、聯(lián)鎖。當LT1200，LT1201，LS1202，LS1203中任意1臺達到高高報警時，聯(lián)鎖關(guān)閉丙烯進料閥HV1229；當LT1200，LT1201任意1臺達到低低報警時,聯(lián)鎖停丙烯輸送泵P1201；當LT1200與LT1201的測量差值大于10mm時，系統(tǒng)將給出報警信號。

4 丙烯輸送管線的泄漏檢測

由于丙烯輸送管線很長，丙烯溫度較低可能會損壞管道造成丙烯泄漏。該裝置采用流量平衡法，通過儲罐液位的變化和進出儲罐丙烯的流量判斷丙烯輸送管線是否有泄漏，管線泄漏量計算公式如下：

Δqm=qmFT1101-qmFT1217-ΔvHSρ

式中： Δqm——進出儲罐丙烯流量的偏差；ΔvH——丙烯儲罐液位LT1201的變化率，m/h；S——儲罐的底面積，m2；ρ——丙烯液的密度，kg/m3；qmFT1101——進儲罐丙烯流量，kg/h；qmFT1217——出儲罐丙烯流量，kg/h。當偏差Δqm大于3000kg/h 時，系統(tǒng)給出報警信號。

流量平衡法基于管道流體流動的質(zhì)量守恒關(guān)系，根據(jù)管道進出口的流量測量值確定管道是否發(fā)生泄漏。該方法簡單直觀，但不能實現(xiàn)泄漏的定位，只能簡單地判斷是否有泄漏發(fā)生，對于任何一個擾動或管道本身的動力變化都很敏感，易造成誤檢，且對小泄漏不敏感。

傳統(tǒng)方法難以精確診斷輸送管道泄漏，采用分布式光纖光柵傳感技術(shù)可以實現(xiàn)管道泄漏的在線監(jiān)測。分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)由分布式光纖光柵測溫系統(tǒng)、感溫光纜、數(shù)據(jù)采集分析、數(shù)據(jù)通信接口、上位機軟件等組成，采用先進的高頻脈沖激光技術(shù)、光纖喇曼光譜技術(shù)、光波分復(fù)用技術(shù)、光時域反射技術(shù)、高頻信號采集技術(shù)以及微弱信號處理技術(shù)，實現(xiàn)了長距離敷設(shè)光纖上各點溫度的實時監(jiān)測。目前，分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)對溫度的分辨率可達0.1℃，空間定位精度可達1m。

5 儲罐溫度的測量與控制

丙烯被裝入儲罐之前，必須對儲罐進行氣體置換和預(yù)冷操作，以保證儲罐的安全運行。儲罐的預(yù)冷是低溫液體產(chǎn)品儲存過程中不可缺少的一個環(huán)節(jié)，在預(yù)冷過程中如果操作不當往往會產(chǎn)生熱應(yīng)力損壞儲罐，甚至有發(fā)生爆炸的危險。

在儲罐的預(yù)冷過程中，儲罐的溫度測量十分重要。筆者在儲罐吊頂內(nèi)表面安裝了2支溫度計；罐底內(nèi)表面安裝了9支溫度計，在兩個不同半徑的圓周上均勻分布；罐壁內(nèi)表面安裝了10支溫度計，在儲罐截面四分之一區(qū)域的整個高度上均勻分布。所有溫度計均選用雙支熱電阻，其中一支顯示當前測溫點的溫度，另外一支與相鄰的測溫點做溫差指示、報警。

在預(yù)冷儲罐的過程中要保證儲罐的各處溫度計正常靈敏，并在DCS中得到持續(xù)的檢測記錄，相鄰的2個溫度計溫差超過5℃時報警，任何部位2個 溫度計溫差超過20℃時立即停止預(yù)冷操作。要確保儲罐的預(yù)冷過程為可控的過程，防止熱應(yīng)力損傷儲罐，控制平均冷卻速率應(yīng)小于2.5℃/h，短時間最大冷卻速率不允許超過5℃/h，使儲罐的溫度在預(yù)冷過程中穩(wěn)步持續(xù)地降低。

6 儲罐壓力的控制與聯(lián)鎖

低溫丙烯儲罐的正常操作壓力為4～11kPa(G)。 引起儲罐壓力變化的因素很多，壓力升高的因素有進料、預(yù)冷、儲存過程受熱，大氣壓力降低，補充氮氣閥PCV1210C故障等；壓力降低的因素有丙烯壓縮機運行、向丙烯用戶送料、大氣壓力升高、氣溫導(dǎo)致的熱損失等。壓力過高或過低都會造成儲罐罐體的破壞，導(dǎo)致嚴重事故的發(fā)生，所以必須使儲罐的壓力穩(wěn)定在正常工作范圍內(nèi)。

該裝置采用3臺壓力變送器(PT1207，PT1209，PT1210)和1臺就地壓力表(PG1208)來測量儲罐的壓力，如圖3所示。3臺壓力變送器的測量信號進ESD，然后從ESD輸出變送信號到DCS。

圖3 儲罐壓力測量示意

在ESD中采用“三取二”計算，當3臺壓力變送器中任意2臺達到報警設(shè)定點(高高，高，低，低低)時系統(tǒng)給出報警信號。當高高報警信號出現(xiàn)時，立即聯(lián)鎖關(guān)閉丙烯進料閥HV1229；當?shù)偷蛨缶盘柍霈F(xiàn)時，立即聯(lián)鎖停丙烯輸送泵P1201。

在DCS中采用平均值計算，以3臺壓力變送器測量值的平均值作為儲罐的壓力，儲罐的壓力控制如圖4所示。在儲罐壓力升高過程中，當壓力升至8kPa(G)時，啟動丙烯壓縮機并使負荷運行在50%；當壓力升至11kPa(G)時，丙烯壓縮機加載負荷至100%運行；當壓力升至13kPa(G)時，排放到火炬去的控制閥PCV1210B開始打開；特殊情況下，如果儲罐壓力升至14kPa(G)后仍繼續(xù)升高，則儲罐安全閥PSV1224，PSV1225動作；當壓力開始下降，降至11.5kPa(G)時關(guān)閉控制閥PCV1210B；當壓力降至6kPa(G)時，丙烯壓縮機減小負荷至50%運行；當壓力降至4kPa(G)時，丙烯壓縮機減負荷為0(即停壓縮機狀態(tài))；當壓力降至0.5kPa(G)時，補氮氣閥PCV1210C開始打開；特殊情況下如果儲罐壓力降至-1.5kPa(G)時仍繼續(xù)降低，則儲罐真空泄壓閥VSV1226,VSV1227動作；當壓力升至2.5kPa(G)時，關(guān)閉補氮氣閥PCV1210C。

圖4 儲罐壓力控制示意

另外，當3臺壓力變送器中任意1臺進行維護時，ESD中“三取二”計算將不可用，另2臺壓力變送器中任意1臺達到報警設(shè)定點系統(tǒng)就給出報警信號；儲罐的壓力則由另外2臺變送器測量值做平均值計算。

7 可燃氣體報警器

丙烯氣易燃易爆，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險。該裝置在儲罐周圍安裝8臺丙烯氣可燃氣體報警器，在儲罐底部中心安裝1臺丙烯氣可燃氣體報警器。儲罐底部配置有氮氣吹掃管線，當丙烯氣聚集過多引起可燃氣體報警器報警時，使用氮氣吹掃，避免發(fā)生爆炸，確保儲罐的安全運行。

8 結(jié)束語

丙烯采用低溫低壓儲存，工程造價低，儲罐可以做到大型化，只要設(shè)計了安全可靠的控制系統(tǒng)和聯(lián)鎖系統(tǒng)，既能保障儲罐的安全運行又可取得良好的經(jīng)濟效益。

[1] 陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設(shè)計手冊[M].3版,北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[2] 周春暉.過程控制工程手冊[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，1993.

[3] 中國石化集團北京石油化工工程公司.SH 3005—1999石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國石化出版社，1999.

[4] 中國寰球化學(xué)工程公司，中國五環(huán)化學(xué)工程公司.HG/T 20507—2000自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范[S].北京： 全國化工工程建設(shè)標準編輯中心，2000.

[5] 中國東華工程公司.HG/T 20511—2000信號報警、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定[S].北京： 全國化工工程建設(shè)標準編輯中心，2000.

[6] 中國石油化工集團公司.GB 50493—2009石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2009.

[7] 王樹清，樂嘉謙.自動化與儀表工程師手冊[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[8] 樂嘉謙.儀表工手冊[M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[9] 邱宣振，賀大運，姜國平.工程自動化設(shè)計應(yīng)用手冊[M].北京： 國際教科文出版社，2004.

[10] 袁朝慶，劉燕，才英俊，等.利用光纖溫度傳感系統(tǒng)檢測天然氣管道泄漏[J].天然氣工業(yè),2006,26(08)： 117-119.

AutomaticControlforCryogenicPropyleneStorageTank

Zhang Wei, Fang Liuan

(China Tianchen Engineering Co. Ltd.， Tianjin， 300400， China)

Large cryogenic tank pressure is close to atmospheric pressure. The change of external environment easily causes change of tank pressure, and influences the safe operation of storage tank negatively. The storage tank is equipped with a set of DCS and a set of ESD. DCS and ESD are fully independent. Precision servo liquid level meter and tuning fork liquid level switch are used for tank level measurement, control and interlock. Flow balance method is used to detect leakage of propylene conveying pipeline. Temperature detection is uniformly distributed on the ceiling inner surface of tank, bottom inner surface and inner surface. Three pressure transmitters are used for tank pressure measurement, control and interlock. The results show the safe and reliable control and interlock system can not only guarantee safe operation of storage tank, but also can achieve good economie benefit.

low temperature storage tank； pre-cooling； average temperature； pipeline leakage quantity； thermal stress； average value

稿件收到日期： 2012-11-08，修改稿收到日期2013-03-06。

張偉(1980—)，男，2002年畢業(yè)于鄭州大學(xué)工業(yè)自動化專業(yè)，現(xiàn)就職于中國天辰工程有限公司儀表電氣部，從事石油化工自動化儀表設(shè)計工作，任工程師。

TP273

B

1007-7324(2013)03-0034-04