蘭天（福斯特惠勒（河北）工程設(shè)計有限公司，河北 石家莊 050061）

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基于外貼式液位開關(guān)的球罐SIS安全儀表系統(tǒng)設(shè)計

蘭天（福斯特惠勒（河北）工程設(shè)計有限公司，河北 石家莊 050061）

摘要：液位是儲罐主要的控制參數(shù)，形式不同的儲罐液位測量要求也不盡相同，本文根據(jù)外貼式液位開關(guān)的工作原理分析了其在實際使用中的優(yōu)勢。在化工生產(chǎn)中，為防止和降低石油化工工廠或裝置的過程風(fēng)險需設(shè)置SIS安全儀表系統(tǒng)，該系統(tǒng)的合理設(shè)計以及運行情況直接影響到裝置的安全運行。本文針對某項目中的重大危險源丁二烯球罐，根據(jù)其SIL等級分析確定了球罐SIS系統(tǒng)的主要控制參數(shù)，具體設(shè)計了基于外貼式超聲波液位開關(guān)的SIS安全儀表系統(tǒng)及完整的聯(lián)鎖控制，并投入生產(chǎn)運行。在實際生產(chǎn)中外貼式超聲波液位開關(guān)可靠性高、維護(hù)簡單，工作量小，設(shè)計的SIS系統(tǒng)安全穩(wěn)定性高、運行情況良好，保證了項目罐區(qū)和整個廠區(qū)的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：外貼式液位開關(guān)；SIS安全儀表系統(tǒng)；球罐；聯(lián)鎖控制

河北某年產(chǎn)100kt膠乳項目罐區(qū)儲運生產(chǎn)過程中存在大量的易燃和易爆物質(zhì)，如丁二烯、苯乙烯、醋酸乙烯等，其中丁二烯儲存在1000m3的壓力球罐，其他物料存放在相應(yīng)的立式儲罐。根據(jù)《SH/T3007-2007石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》，壓力儲罐應(yīng)設(shè)置液位計、高液位報警器和高高液位自動聯(lián)鎖切斷進(jìn)料裝置[1]。設(shè)計中儲罐液位計一般采用壓差式液位計，同時設(shè)置高液位報警和高高液位聯(lián)鎖停卸車泵，高液位報警器一般選用液位開關(guān)。

1　外貼液位開關(guān)的工作原理及應(yīng)用優(yōu)勢

現(xiàn)在工業(yè)上使用的液位開關(guān)有超聲波式、浮力式、浸入式電容式、音叉式、壓力式液位開關(guān)。其中大部分是接觸式[2]。在本項目中，針對球罐容積大、盡量不開孔，儲存物料易燃易爆、不接觸外界空氣等環(huán)境條件，需要選用一種非接觸式、不開孔插入的液位開關(guān)，外貼式超聲波液位開關(guān)正好滿足這種要求。

1.1工作原理

超聲波液位檢測有脈沖回波法、共振法、頻差法以及聲衰減法等，其中應(yīng)用較廣的是脈沖回波法[3]。超聲波在罐壁內(nèi)環(huán)繞及反射不受介質(zhì)氣泡、壓力等因素的影響。外貼式超聲波液位開關(guān)及其探頭產(chǎn)生高頻超聲波脈沖可穿過容器壁，此脈沖在容器壁和液體中傳播以及被反射回來，通過對這種反射特性的檢測和計算，判斷出檢測點處容器內(nèi)是否有液，對液位進(jìn)行檢測報警。同時液位開關(guān)輸出繼電器信號送入DCS系統(tǒng)或其他過程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對液位的聯(lián)鎖控制。

1.2應(yīng)用優(yōu)勢

外貼式超聲波液位開關(guān)采用非接觸式測量，測量過程中不與介質(zhì)直接接觸，不受介質(zhì)的溫度、比重、腐蝕性的影響，并有效剔除介質(zhì)掛壁及上部起霧和泡沫影響，較好地保證了工作的可靠性。測量介質(zhì)包含純凈液體、乳狀液體、懸浮狀液體，也可配多種探頭，不僅可測量常壓和高壓的儲罐裝置，還適用于對衛(wèi)生要求嚴(yán)格的環(huán)保型罐；解決了厚壁儲罐液位報警測量的難題，最大可測罐壁厚達(dá)到60mm。非接觸式罐壁外安裝、不開孔、不動火、工作量小、安裝費用低，不需要停止生產(chǎn)運行即可安裝維護(hù)和使用；目前安裝方式較多的是磁力吸附方式和膠粘安裝方式。開關(guān)重復(fù)性和穩(wěn)定性高，不易造成誤報警；沒有可動部件，幾乎可以做到無磨損、無腐蝕，使用壽命較長；環(huán)境溫度可高至300℃，并且和壓力無關(guān)；裝有復(fù)合探頭的此裝置還能自動校準(zhǔn)，免調(diào)試[4]。

圖1為液位開關(guān)安裝示意圖（以立式儲罐為例）。

圖1　外貼式超聲波液位開關(guān)安裝示意

2　球罐SIS系統(tǒng)控制參數(shù)和設(shè)計

罐區(qū)生產(chǎn)過程主要使用DCS系統(tǒng)進(jìn)行控制，對儲罐的壓力、液位等參數(shù)設(shè)置聲光報警和聯(lián)鎖系統(tǒng)。因罐區(qū)涉及“兩重點一重大”（即重點監(jiān)管危險化學(xué)品、重點監(jiān)管危險化工工藝和危險化學(xué)品重大危險源），經(jīng)過對罐區(qū)內(nèi)危險化學(xué)品重大危險源進(jìn)行辨識和計算，確定丁二烯球罐屬于一級重大危險源；通過進(jìn)行危險與可操作性（HAZOP）分析，確定丁二烯球罐的安全危險等級為SIL2級，為了進(jìn)一步提高罐區(qū)的本質(zhì)安全性水平、保證安全生產(chǎn)，防止事故發(fā)生，設(shè)置了安全儀表系統(tǒng)(SIS，Safety Instrumented System)，正常生產(chǎn)時SIS系統(tǒng)處于休眠或靜止?fàn)顟B(tài)，一旦球罐出現(xiàn)可能導(dǎo)致安全事故的情況時，系統(tǒng)能夠瞬間準(zhǔn)確動作，進(jìn)行緊急事故切斷和聯(lián)鎖控制，使生產(chǎn)過程安全停止運行或自動導(dǎo)入預(yù)定的安全狀態(tài)，作為工業(yè)過程中更為重要的安全控制措施[5]。

2.1主要控制參數(shù)

在大容量球罐檢測控制中，罐體的溫度、罐內(nèi)的壓力和液位為主要的控制參數(shù)。丁二烯球罐的液位由于生產(chǎn)裝置的用料和罐區(qū)裝卸鶴管的進(jìn)料不斷發(fā)生變化，可能會出現(xiàn)丁二烯物料抽干和物料冒頂泄漏的危險，因此SIS系統(tǒng)的主要控制參數(shù)為球罐的液位，儀表檢測元件和取源點獨立設(shè)置，分別采用外貼式超聲波液位開關(guān)和磁致伸縮液位計兩種測量方式不同的液位傳感器構(gòu)成“1oo2”冗余，液位開關(guān)和磁致伸縮液位計分別進(jìn)行高高液位報警，信號送至SIS系統(tǒng)進(jìn)行比較，只要有一個達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)送出信號進(jìn)行緊急事故聯(lián)鎖。

設(shè)置的緊急事故切斷和聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料閥門采用冗余電磁閥，為分別帶兩個電磁閥的開關(guān)閥，系統(tǒng)正常操作條件下帶電，聯(lián)鎖時不帶電；冗余輸入的SIS系統(tǒng)邏輯包括輸入信號偏差報警，其中2個變送器的信號偏差，報警設(shè)定值為5%。

2.2SIS系統(tǒng)設(shè)計

SIS系統(tǒng)整體包括現(xiàn)場儀表和執(zhí)行器，按照故障安全型設(shè)計；系統(tǒng)獨立于DCS系統(tǒng)設(shè)置，采用經(jīng)過SIL認(rèn)證的PLC系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖控制；可與DCS進(jìn)行通訊，但DCS系統(tǒng)不能向SIS系統(tǒng)寫入數(shù)據(jù)。為避免SIS系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)的信號接線出現(xiàn)差錯，SIS系統(tǒng)配置獨立的控制機柜、工程師站、操作員站和獨立的通信網(wǎng)絡(luò)、冗余電源等。SIS系統(tǒng)中使用的軟件、硬件和儀表必須遵守正式版本并已商業(yè)化，同時必須獲得國家有關(guān)防爆、計量、壓力容器等強制認(rèn)證。嚴(yán)禁使用任何試驗產(chǎn)品。

設(shè)計的球罐SIS系統(tǒng)聯(lián)鎖控制流程如圖2所示。圖2中LSA儀表點為外貼式液位開關(guān)，LISA儀表點為磁致伸縮液位計。

圖2　球罐SIS系統(tǒng)聯(lián)鎖控制流程示意圖

設(shè)計的SIS系統(tǒng)具體聯(lián)鎖控制如下：

當(dāng)丁二烯球罐外貼液位開關(guān)或磁致伸縮液位計任一液位高于設(shè)定值時，SIS系統(tǒng)進(jìn)行聲光報警，同時送出兩路開關(guān)量聯(lián)鎖信號，送至執(zhí)行器上的電磁閥，聯(lián)鎖關(guān)閉球罐進(jìn)料切斷閥，停止向球罐內(nèi)打料，防止球罐液位繼續(xù)升高，引發(fā)冒頂危險；也可手動拍下丁二烯球罐緊急停車按鈕，聯(lián)鎖關(guān)閉球罐進(jìn)料切斷閥，緊急停車。球罐SIS系統(tǒng)聯(lián)鎖控制邏輯示意圖，如圖3所示。

圖3　球罐SIS系統(tǒng)聯(lián)鎖控制邏輯示意圖

設(shè)計的SIS系統(tǒng)由于采用外貼式超聲波液位開關(guān)這種非接觸式液位報警儀表，減少了在承壓球罐上的開口和動火，降低了重大危險源危險物料泄漏和燃燒爆炸的概率，儀表的維護(hù)和檢修強度降低；控制系統(tǒng)運行可靠，使用比較方便，維護(hù)量小，安全性能得到提高。SIS系統(tǒng)設(shè)計完成投入使用后，丁二烯球罐的安全性明顯增高，罐區(qū)生產(chǎn)的可靠性提高，生產(chǎn)過程中沒有一次因SIS系統(tǒng)誤動作造成丁二烯球罐緊急停車及無法繼續(xù)向罐內(nèi)打料而影響裝置生產(chǎn)。

3　結(jié)語

由于儀表行業(yè)的發(fā)展，在化工項目生產(chǎn)設(shè)計中，特別是在罐區(qū)儲罐液位測量中，非接觸液位儀表使用越來越多[6,7]。 SIS安全儀表系統(tǒng)由于其在工業(yè)生產(chǎn)中重要的特殊安全性，系統(tǒng)在設(shè)計、選型、使用和維護(hù)中需要嚴(yán)格遵循安全標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范[8]，設(shè)計選用的儀表需要充分考慮現(xiàn)場的安全性、儀表使用的可靠性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定和操作性[9]。

本項目自設(shè)計投產(chǎn)應(yīng)用以來，丁二烯球罐的SIS系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，操作維護(hù)方便，同時企業(yè)根據(jù)自身實際情況，綜合采取多種安全可靠性措施[10]，確保系統(tǒng)功能安全實現(xiàn)，充分可靠地保證了企業(yè)丁二烯球罐的安全生產(chǎn)、環(huán)境安全以及全廠長周期、持續(xù)穩(wěn)定安全生產(chǎn)。

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文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1003-0492（2016）04-0094-03中圖分類號：TP273

作者簡介

蘭天（1985-），男，河北靈壽人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于福斯特惠勒（河北）工程設(shè)計有限公司，主要研究方向為自動化儀表應(yīng)用。

Design of Spherical Tanks Safety Instrument Systems Based on External Liquid Level Switch

Abstract:The liquid level is the main control parameters of the tank. Its measurement requirements are not same for the different type of tanks. According to the working principle of the external switch of the liquid level, we analyzed its advantages in practical applications. In order to prevent and reduce the process risk of the petrochemical plant or equipment, it is necessary to set up the SIS safety instrument system in the chemical production. The reasonable design and operation of the system will directly affect the safe operation of the device. In this project, according to the major hazard source (butadiene sphere tank), we analyzed and determined the key control parameters of the sphere tank based on the SIL level, and designed the spherical tank safety instrumented system (SIS) and complete interlock control based on external ultrasonic liquid level switch of butadiene sphere tank. This system is put into operation. In the actual production, the external ultrasonic liquid level switch is high reliability, simple maintenance, and small workload. The designed SIS is high security and stability which ensures safety of the tank area and the entire project plant in production.

Key words:External liquid level switch; Safety Instrument Systems（SIS）; Spherical tanks; Interlock and control