吳德起

(中石化管道儲運公司濰坊輸油處， 山東 濰坊 261021)

油氣儲運設(shè)施自動化運行程度越來越高，機(jī)泵的在線監(jiān)控保護(hù)與報警系統(tǒng)日臻完善，管道自動監(jiān)測系統(tǒng)也日益成熟。大型儲油罐特別是浮頂罐，通過雷達(dá)液位計和高低液位報警裝置進(jìn)行檢測，已經(jīng)實現(xiàn)罐位在線監(jiān)測。但是，儲油罐的浮頂運行狀態(tài)監(jiān)測，特別是一些浮頂有卡阻問題的儲油罐，還需要定期人工上罐檢查浮梯、密封及浮頂?shù)冗\動部件的運行狀態(tài)，以免浮梯或密封發(fā)生卡阻時浮頂偏斜過大造成浮頂傾覆事故。定期人工檢查浮頂工作狀態(tài)不僅增加了值班人員的工作強(qiáng)度，而且不能及時發(fā)現(xiàn)浮頂存在的問題。因此儲油罐實現(xiàn)全面自動化運行是亟待解決的問題。

1 浮頂罐已經(jīng)實現(xiàn)自動控制方面

現(xiàn)階段大型儲油罐已經(jīng)實現(xiàn)的自動監(jiān)控手段主要是液位自動監(jiān)控與火災(zāi)自動監(jiān)控等。液位自動監(jiān)控是把雷達(dá)液位計的數(shù)據(jù)自動遠(yuǎn)傳至中控，通過打開或關(guān)閉油罐的進(jìn)出口閥來自動控制油罐的液位在一定的范圍內(nèi)。同時，油罐還安裝有高低液位檢測裝置。當(dāng)油罐的液位自動控制失效時，液位達(dá)到高低液位報警高度后，自動給出報警信號并同時打開或關(guān)閉油罐進(jìn)出口閥。

大型浮頂罐還有火災(zāi)自動監(jiān)控系統(tǒng)，在浮頂罐的浮頂二次密封處，安裝有光纖光柵。當(dāng)浮頂與罐壁的油氣空間著火在時，通過光纖光柵報警系統(tǒng)報警，大型油罐的消防系統(tǒng)自動啟動，通過泡沫管線向浮頂?shù)呐菽瓝醢鍍?nèi)噴撒泡沫，及時消滅發(fā)生在油罐初期的火災(zāi)。

2 浮頂罐尚未實現(xiàn)自動控制的方面

要實現(xiàn)浮頂罐的自動運行還要保證油罐進(jìn)出油過程中的浮頂及其他運動部件的安全可靠。對浮頂及運動部件的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時給出報警和處置，才能保證儲油罐的運行真正實現(xiàn)自動控制。現(xiàn)階段對浮頂?shù)冗\動部件的監(jiān)測主要通過人工定期檢查各部位運行狀態(tài)，對異常情況由人工進(jìn)行判斷并作出是否退出儲油罐的運行。

浮頂罐在進(jìn)出油時的運動部件主要包括： 浮頂及密封、導(dǎo)向裝置、浮梯、中央排水管等。浮頂罐的浮頂及運動部件發(fā)生故障主要有以下幾種類型： 浮梯發(fā)生偏斜時與浮梯軌道發(fā)生卡阻，當(dāng)浮梯卡住不動時油罐繼續(xù)進(jìn)出油，會發(fā)生浮頂偏斜，再繼續(xù)進(jìn)出油就可能發(fā)生浮頂傾覆事故；一、二次密封局部發(fā)生卡阻，當(dāng)油罐進(jìn)出油時密封與罐壁發(fā)生卡阻，浮頂同樣會發(fā)生傾斜，嚴(yán)重時發(fā)生傾覆事故；當(dāng)浮頂上發(fā)生積水或積雪等重物不能及時排除時，或當(dāng)浮頂上堆積物質(zhì)量過大時，或浮艙發(fā)生進(jìn)油故障時，可能發(fā)生浮頂進(jìn)油下沉或傾覆事故。幾種類型的浮頂故障大多是發(fā)生在油罐進(jìn)出油操作時，浮頂不能正常運行造成浮頂進(jìn)油后發(fā)生傾覆事故。這種由浮頂非正常運行引起的故障需要進(jìn)行自動監(jiān)控，以減少值班人員的勞動強(qiáng)度及提高浮頂罐的自動化運行程度。

3 浮頂異常時的主要表現(xiàn)形式及檢測手段

浮頂異常主要表現(xiàn)為浮頂?shù)膬A斜和浮頂?shù)南鲁?。可以通過一定的檢測手段來及時反映浮頂?shù)臓顟B(tài)，對三種浮頂故障狀態(tài)時浮頂下表面不同點的壓力分布分析。當(dāng)發(fā)生浮頂傾斜時，在浮頂下沉端的浮頂下表面的壓力大于對徑的浮頂下表面的壓力。當(dāng)發(fā)生浮頂均勻下沉?xí)r，在整個浮頂下表面的壓力都同時出現(xiàn)壓力增大現(xiàn)象。三種浮頂故障現(xiàn)象都伴隨發(fā)生浮頂下表面壓力的變化，因而通過檢測浮頂下表面的壓力變化值，即通過檢測浮頂對徑壓力差或浮頂壓力變化，可以判斷出浮頂工作狀態(tài)。當(dāng)浮頂對徑壓力出現(xiàn)變化時，或者檢測到浮頂整體壓力大于正常壓力時，計算各點的壓力差。當(dāng)壓力差大于設(shè)定的報警值時，可以通過上位機(jī)發(fā)出警報，提醒值班人員進(jìn)行油罐檢查，并可以實現(xiàn)自動停止油罐的進(jìn)出油操作。

為了提高浮頂傾斜檢測的準(zhǔn)確程度，及時反映出浮頂在各方向發(fā)生的傾斜，設(shè)置的檢測點越多越能夠提高檢測精度。為了滿足最低檢測要求，同時能夠獲得相對準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)圓形浮頂平面分布特點，浮頂上最少均布的檢測點為4個。當(dāng)發(fā)生1個測點壓力增大時，或連續(xù)2個測點壓力增大時，可以判斷浮頂發(fā)生傾斜。在判斷浮頂傾斜角度時，要結(jié)合對徑壓力檢測數(shù)值進(jìn)行分析，如1個測點壓力增大，對徑測點壓力降低，可以直接判斷浮頂發(fā)生傾斜及計算傾斜的角度。當(dāng)連續(xù)2個測點壓力增大，或?qū)搅?個測點壓力降低時，應(yīng)先根據(jù)2測點(1號，2號)壓力計算出最大下沉點和上升點的壓力，然后根據(jù)該計算數(shù)據(jù)判斷浮頂發(fā)生傾斜和計算傾斜的角度，如圖1所示。

圖1 浮頂最大傾斜點壓力計算示意

4 光纖壓力傳感器的選擇

由于浮頂在儲油罐的內(nèi)部，處于油氣環(huán)境中，同時浮頂?shù)膬A斜角度引起的浮頂下部壓力變化較小，因在選擇壓力檢測裝置時要求選用檢測準(zhǔn)確及分辨率高的檢測儀表；同時由于檢測儀表安裝在儲油罐內(nèi)的浮頂上，檢測儀表工作在油氣環(huán)境中，需使用防爆要求高的本質(zhì)安全型儀表設(shè)備；壓力檢測儀表還需有遠(yuǎn)傳功能，以便對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算。由于浮頂允許傾斜角度取決于四周浮艙外壁的高度，當(dāng)浮頂傾斜超過浮艙高度時，浮頂將繼續(xù)進(jìn)油并發(fā)生傾覆事故；浮頂還存在由自重引起的下沉，減少了浮頂?shù)陌踩叨?，因而浮頂傾斜時壓力變化范圍較小。因此，選擇一個合適的壓力檢測部件是浮頂傾斜檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵，在選擇檢測裝置時對量程要嚴(yán)格控制，以提高檢測精度。

4．1 光纖壓力傳感器的特點

在浮頂傾斜檢測系統(tǒng)中可選擇的壓力檢測核心部件是光纖壓力傳感器[1]。在多種壓力檢測儀表中，光纖壓力傳感器具有檢測精度高、分辨率高、可以遠(yuǎn)傳壓力數(shù)據(jù)的特點，屬于本質(zhì)安全型檢測儀器。光纖壓力傳感器作為一種新型的傳感器，與傳統(tǒng)的壓力傳感器相比體積小、質(zhì)量輕，具有電絕緣性、不受電磁干擾、可用于易燃易爆的環(huán)境中等優(yōu)點，符合在浮頂罐浮頂上安裝使用的要求。

4．2 光纖壓力傳感器的原理

光纖壓力傳感器的重要傳感元件是法布利-比洛特(FP)型光學(xué)干涉儀[2]。干涉儀的兩面鏡子分別是位于一端的薄膜內(nèi)表面和位于另一端的光纖尖端。所施加的壓力引起了薄膜的偏移，而此偏移又直接轉(zhuǎn)換成FP干涉儀空腔長度的變化。為得到薄膜偏移和所施加的壓力間的線性關(guān)系，傳感器的形狀和材料都經(jīng)過了嚴(yán)格選擇。

其關(guān)系可表示為

Lcav(p)=L0+(p-p0S)

式中：p——施加到薄膜外表面上的壓力，Pa；p0——FP干涉儀空腔內(nèi)的壓力，Pa，通常定義為p=p0；Lcav——由信號解調(diào)器所測得的空腔長度，nm；L0——處于零點初始狀態(tài)的空腔長度，nm；S——傳感器的靈敏度，nm。

壓力傳感器有三種不同的類型： 量規(guī)型、絕對型和差分型。量規(guī)型傳感器的p0等于周圍壓力或大氣壓；絕對型壓力傳感器的p0=0，工廠生產(chǎn)時其空腔在真空狀態(tài)下密封；而差分型傳感器的p0等于任意的壓力，這種類型的傳感器有1個通氣孔接頭，用于維持空腔內(nèi)給定的壓力。

4．3 信號解調(diào)處理原理

所有傳感器的信號解調(diào)器都是根據(jù)白光干涉技術(shù)制成的。信號解調(diào)器將來自傳感器的光信號轉(zhuǎn)換成絕對FP干涉儀空腔長度。該空腔長度之所以被稱為絕對是因為它對應(yīng)著測量該光信號時的FP干涉儀的物理空腔長度。因為許多光纖傳感技術(shù)，尤其是基于單色光干涉技術(shù)(與白光干涉技術(shù)相反)的傳感技術(shù)，僅能測量長度變化，所以在要求長期靜態(tài)測量的應(yīng)用中，絕對測量是至關(guān)重要的。光信號以信號解調(diào)器采樣速度所確定的頻率被轉(zhuǎn)化。壓力傳感器在1×104nm的工作范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化準(zhǔn)確度為±1nm。

一旦測得空腔長度Lcav，解調(diào)器根據(jù)下式計算：

p-p0p-p0=(Lcav-L0)/S

然后記錄并在解調(diào)器上顯示該壓力值。S(由儀器序列號決定)及L0的初始定義值提供將所測得的空腔長度轉(zhuǎn)化為壓力所需要的信息。

5 浮頂傾斜檢測系統(tǒng)布置方案

5．1 測量單元的布置

為了提高檢測壓力的準(zhǔn)確性，安裝壓力傳感器需在浮頂上開孔，開孔必須靠近單盤邊緣，但開孔會人為制造多個泄漏點，給油罐的安全運行帶來安全隱患。因此，需要在浮頂上建立一個獨立于油罐儲存液體之外的壓力系統(tǒng)，同時還能準(zhǔn)確反映出浮頂?shù)膬A斜狀態(tài)。該系統(tǒng)采用在浮艙上表面安裝一個裝滿液體的環(huán)形管道，環(huán)形管道應(yīng)與泡沫擋板固定。管道上面均布4個光纖壓力傳感器，在每個壓力傳感器旁設(shè)置1個高于泡沫擋板高度的立管，立管固定在泡沫擋板上，立管上方具有補液口，立管上部應(yīng)有不小于浮艙外壁高度的空管以接收下沉?xí)r對方流過來的液體。在環(huán)形管道上測得的壓力變化能夠真實反映浮艙傾斜狀態(tài)時下表面壓力變化。對由于浮頂因降雪或積水引起的浮頂整體下沉狀態(tài)檢測，可以通過設(shè)置在浮頂中央通往浮頂下表面的與油液相連的管道上安裝的光纖傳感器測得的壓力來檢測和判斷。

5．2 傳輸系統(tǒng)的布置

檢測數(shù)據(jù)主要通過光纜傳輸，光纜由光纖壓力傳感器引出后，集中由浮梯固定向罐外敷設(shè)，到達(dá)罐外地面位置后進(jìn)入防爆接線箱，通過解調(diào)后引入中控機(jī)房，再通過上位機(jī)計算并進(jìn)行浮頂狀態(tài)顯示及異常報警。

6 數(shù)據(jù)的邏輯分析計算

1) 檢測數(shù)據(jù)的分析計算程序。壓力變送器安裝完成后，應(yīng)根據(jù)所在位置對其進(jìn)行編號。油罐進(jìn)油前應(yīng)對壓力變送器進(jìn)行校驗，當(dāng)油罐進(jìn)油浮頂上浮時，保存各壓力變送器的數(shù)值作為各測點的初始壓力，上位機(jī)根據(jù)設(shè)定周期對各測點壓力數(shù)值檢查讀取。把讀取的各測點檢測數(shù)值與之前讀取的數(shù)值對比(和初始值對比的目的是防止檢測數(shù)據(jù)失真，造成錯誤計算。當(dāng)前檢測數(shù)據(jù)與一個檢測周期之前的數(shù)據(jù)對比之后再與初始數(shù)據(jù)對比，如有方向性偏差，則為檢測數(shù)據(jù)錯誤)。當(dāng)壓力數(shù)值有變化時，再看測點變化個數(shù)。如1個測點壓力增大，對徑測點壓力降低，其他測點壓力無變化，應(yīng)計算該2點的壓力差。當(dāng)超過設(shè)定的報警數(shù)值時，可以判斷浮頂發(fā)生傾斜并給出警報。當(dāng)連續(xù)2個測點壓力增大，對徑另2個測點壓力降低時，應(yīng)先根據(jù)2測點壓力計算出最大下沉點和上升點的壓力，再計算出實際下沉點與對徑點的壓力差值，然后根據(jù)設(shè)定的報警定值，判斷浮頂發(fā)生傾斜并給出警報。

2) 實際下沉點計算方法。4個壓力傳感器在浮頂處于正常狀態(tài)時設(shè)置初始值，以后的每個計算都是參照該初始壓力計算。當(dāng)浮頂處于偏斜狀態(tài)時，必有1個或2個壓力上升，另1個或2個壓力下降。當(dāng)只有1個壓力升高另1個對徑壓力降低時，可直接判斷壓力升高的壓力傳感器位置為下沉點，通過計算壓力差得出浮頂傾斜角度。當(dāng)有2個壓力升高2個壓力降低時，先進(jìn)行實際下沉點與上升點計算，使用三角函數(shù)通過2個升高壓力數(shù)據(jù)計算出最大下沉點壓力升高值和角度，再通過2個下降值計算出最大上升點壓力下降值和角度，從而給出浮頂實際傾斜的方向，最后根據(jù)壓力差計算出傾斜角度。

3) 浮頂傾斜報警時除了有聲音的提示外，還可以在屏幕上給出浮頂傾斜動畫顯示。報警時在相應(yīng)的儲油罐圖標(biāo)的浮頂上可以突顯浮頂傾斜狀態(tài)，在浮頂俯視圖上可以給出浮頂?shù)膬A斜方面和下沉深度。

7 結(jié)束語

浮頂罐的浮頂傾斜監(jiān)測系統(tǒng)可以連續(xù)監(jiān)測儲油罐浮頂?shù)倪\行狀態(tài)，監(jiān)測其傾斜程度，及時對浮頂?shù)漠惓＿M(jìn)行報警。系統(tǒng)投入使用后，減少了人工上罐檢查的頻率，可以把工作重點放在檢查儲油罐標(biāo)尺的準(zhǔn)確性、密封的嚴(yán)密性和檢測壓變的靈敏度上。

浮頂傾斜自動檢測系統(tǒng)從設(shè)備部件的選型到實施方案都具有可操作性，特別是光纖壓力傳感器的應(yīng)用解決了在油罐內(nèi)的油氣空間中要求使用本質(zhì)安全型設(shè)備的問題。系統(tǒng)中采用測點少，線路布置合理，采用罐外解調(diào)方式可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳送，顯示設(shè)計簡單明了，系統(tǒng)使用及維護(hù)方便。系統(tǒng)設(shè)計中邏輯計算及分析程序簡單實用，不需大型服務(wù)器即可完成，可節(jié)省系統(tǒng)安裝成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魏自科，李劍.油氣儲運設(shè)備完整性管理[J].設(shè)備管理與維修，2012(01)： 15-16.

[2] 朱培明，陳志華，鄒斌，等.克烏成品油管道復(fù)線泵機(jī)組的優(yōu)化運行方案[J].油氣儲運，2012，31(03)： 221-224.

[3] 趙會軍，武偉強(qiáng)，王克華，等.基于次聲波法的油氣管道泄漏檢測與定位[J].油氣儲運，2012，31(03)： 215-218.

[4] 陸萬林，韓鈞，周家祥，等.GB 50074—2002 石油庫設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2003： 21-22.

[5] 王廣輝，劉澤年，劉志海，等.SY/T 5921—2011 立式圓筒形鋼制焊接油罐操作維護(hù)修理規(guī)程[S].北京： 中國計劃出版社，2011： 2-7.

[6] 中國石化集團(tuán)洛陽石油化工工程公司，中國石化工程建設(shè)公司，中國成達(dá)工程公司，等.GB 50160—2008 石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2008： 38-39.

[7] 王夫安，金維昂，孫正國，等.GB 50341—2003 立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社，2003： 41-45.

[8] 劉樹墀.大型浮頂罐非平面傾斜糾偏實踐[J].工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2004，20(08)： 41-44.

[9] 楊保祥，章良海，興自中，等.GB 3836.4—2000 爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第4部分： 本質(zhì)安全型[S].北京： 中國計劃出版社，2000： 1-10.

[10] 于清旭，王曉娜，寧世德，等.光纖FP腔壓力傳感器在高溫油井下的應(yīng)用研究[J].光電子·激光，2007，18(03)： 299-302.

[11] FANG Juanhua.光纖壓力傳感器原理[EB/OL].(2011-5-17)[2013-12-30].http：//www.hqew.com/tech/sheji/113500.html.