文/李政

分析外測式液位開關(guān)在實際使用中的特點，設(shè)計外測式超聲波液位開關(guān)加入安全儀表系統(tǒng)——液位是現(xiàn)代工業(yè)中重要且關(guān)鍵的監(jiān)控參數(shù)之一，不同形式的儲罐其液位測量的要求也不同，本文根據(jù)液態(tài)烴的物理特性，以及外測式超聲波液位開關(guān)工作原理、輸出形式，分析了外測式液位開關(guān)在實際使用中的特點。2014年國家安全監(jiān)管總局下發(fā)了《關(guān)于進一步加強化學品罐區(qū)安全管理的通知》。通知明確指出：加強化學品罐區(qū)的安全管理，要求化學品罐區(qū)必須增設(shè)SIS安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。針對危險化學品儲罐，根據(jù)SIL等級、現(xiàn)場具體工況，分析確定液態(tài)烴儲罐SIS系統(tǒng)的控制參數(shù)，設(shè)計了外測式超聲波液位開關(guān)加入的安全儀表系統(tǒng)，以及三取二聯(lián)鎖控制方案。

化工生產(chǎn)大多具有高溫、高壓、易燃、易爆等特點，裝置多、風險點分散，特別是儲罐區(qū)，儲存大量的易燃、易爆介質(zhì)。儲罐區(qū)的安全關(guān)系到整個企業(yè)的正常生產(chǎn)，如因安全措施不到位、管理手段不完善而發(fā)生安全事故，造成的損失是驚人的。在這一環(huán)節(jié)中，儲罐區(qū)液位的測量就顯得特別重要，選擇一款合適的液位計對于安全生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用。液化烴類物質(zhì)都屬于甲類和甲A類火災(zāi)危險性介質(zhì)，具有明顯的火災(zāi)爆炸危險性。

《危險化學品重大危險源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》（國家安監(jiān)總局令第40號）第13條：涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級或者二級重大危險源，配備獨立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。

液位測量方式選擇

由于罐區(qū)聯(lián)鎖改造在裝置不停工狀態(tài)下實施，我們考慮罐區(qū)要求、考慮常態(tài)下高高液位報警開關(guān)無法檢測的問題，以及在SIS系統(tǒng)中的應(yīng)用，新增液位開關(guān)須符合以下幾點：1.儲罐區(qū)為防爆區(qū)域，正常生產(chǎn)期間禁止動火安裝；2.儲罐區(qū)內(nèi)，均有物料，禁止開口安裝；3.液位開關(guān)符合現(xiàn)場防爆、防腐要求，1區(qū)；4.儀表智能自檢，設(shè)備本體故障遠傳輸出。

為此，在儀表選型工作中我們詳細比對了目前在用較多的液位開關(guān)，其特點如表1。

針對現(xiàn)場情況，從儀表可靠性，施工簡單性考慮，最終選擇ELL外測式超聲波液位開關(guān)。

ELL外測式超聲波液位開關(guān)

工作原理

ELL外測式超聲波液位開關(guān)和自身的探頭能夠產(chǎn)生變頻超聲波脈沖，并接收傳播后的剩余能量，這種脈沖在容器壁內(nèi)部折射，同時向容器內(nèi)液體或氣體中透射傳播，由于超聲波向液體和氣體中的透射率不同，也就是超聲波傳播后能量損失不同，導致被測點在有液狀態(tài)和無液狀態(tài)的剩余能量不同，外測式超聲波液位開關(guān)通過對剩余能量的接收和分析，最終判斷出檢測點處的儲罐內(nèi)是否存有液體，并輸出報警。

這時液位開關(guān)就輸出繼電器信號送至SIS系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)對液位的聯(lián)鎖控制。超聲波在儲罐壁內(nèi)環(huán)繞和折射是不受介質(zhì)氣泡、壓力等其他因素影響的。其工作原理如圖1。

圖1 原理圖示

聲納式外測液位計利用聲納回波測距（SONAR）原理，不接觸罐內(nèi)介質(zhì)，在容器壁外測量液位（連續(xù)量） 的儀表。測量探頭發(fā)射和接收聲納信號，穿透容器壁在液體中形成回波，實現(xiàn)測距。

圖2 超聲波液位開關(guān)在球罐高位的安裝示意圖

安裝說明

超聲波液位開關(guān)分為探頭安裝和主機安裝：探頭采用強力磁吸方式， 用于一個測量點的2個液位測量探頭，發(fā)射探頭和接收探頭，需安裝于同一水平面；間距1~1.2 m；主機就地安裝。

應(yīng)用特點

1.非接觸式測量。在儲罐壁外安裝，不動火、不開孔、不清罐，安裝工作量小、安裝費用低，不需要生產(chǎn)停車運行就能夠安裝維護及使用。

2.工作的可靠性高。采用變頻技術(shù)，不受介質(zhì)的溫度、密度變化及雨雪天氣的影響，并且有效的剔除物料掛壁或是上部起霧及泡沫的影響。

3.智能自檢，液位報警和儀表故障報警雙通道，報警信號遠傳輸出到控制室，儀表故障報警為DI信號，一旦報警信號到達，維護人員可到現(xiàn)場，在超聲波液位開關(guān)主機上查看錯誤代碼，分析故障原因。

4.儀表采用雙腔隔爆結(jié)構(gòu)，電路板腔和接線端子腔分離，防爆性能更可靠；自帶防雷防浪涌電路，安全性更高。

儲罐SIS系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)計

煉油部液態(tài)烴罐區(qū)共有儲罐21座，存儲液態(tài)烴、液態(tài)烴、液化氣，隸屬“兩重點一重大”，即重點監(jiān)管危險化學品、重點監(jiān)管危險化工工藝和危險化學品重大危險源，經(jīng)過對罐區(qū)內(nèi)危險化學品進行重大危險源辨識和計算，確定液化烴儲罐屬于二級重大危險源。同時進行危險與可操作性（HAZOP）分析，確定液化烴儲罐的安全危險等級是SIL2級，為進一步提高罐區(qū)的本質(zhì)安全性，保證安全生產(chǎn)，防止事故發(fā)生，設(shè)置SIS安全儀表控制系統(tǒng)，一旦儲罐出現(xiàn)可能導致安全事故狀況時，SIS系統(tǒng)能夠瞬間準確動作，進行緊急事故切斷的聯(lián)鎖控制，使生產(chǎn)過程安全停止運行，或是自動導入預定的安全狀態(tài)，為工業(yè)過程中更為重要的安全控制措施。

主要控制的參數(shù)

在儲罐的控制中，罐內(nèi)物料液位是主要的控制參數(shù)之一。液化烴儲罐的液位由于進料產(chǎn)生不斷變化，可能會出現(xiàn)冒罐泄漏的風險，因此SIS控制系統(tǒng)的關(guān)鍵控制參數(shù)是儲罐的液位，儀表的檢測元件及取源點都獨立設(shè)置，采用外測式超聲波液位開關(guān)、音叉開關(guān)和雷達液位計三種液位傳感器構(gòu)成“三選二”聯(lián)鎖，信號送至SIS系統(tǒng)進行比較，只要兩個同時達到設(shè)定值，系統(tǒng)送出信號進行緊急事故聯(lián)鎖。

SIS系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)安監(jiān)總局的要求，球罐液位、液位開關(guān)需要進入單獨的安全儀表系統(tǒng)。安全儀表系統(tǒng)選擇霍尼韋爾的SM系統(tǒng)，根據(jù)HAZOP分析，設(shè)計的SIS 系統(tǒng)聯(lián)鎖控制如下：當球罐的實際液位達到上下限或者液位開關(guān)動作時，根據(jù)程序計算進行聯(lián)鎖，關(guān)閉球罐進口根部切斷閥或者出口根部切斷閥，同時關(guān)閉進出口泵，防止液位繼續(xù)升高或者降低抽空，引發(fā)冒罐或者燒泵的危險，如圖4所示。SIS系統(tǒng)的操作界面如5所示。

圖4 罐區(qū)聯(lián)鎖邏輯組態(tài)

其他儲罐液位引入DCS，在儲運值班室顯示數(shù)據(jù)，同時設(shè)置液位高低限，聯(lián)鎖進出口切斷閥、物料機泵，有效保證罐區(qū)的儲存安全。

外測液位儀表維護

外測液位計一般是免維護的，但在日常維護的特殊情況中可能還會遇到一些問題，需要儀表維護人員進行處理，以我司的液態(tài)烴球罐為例進行幾點探討。

1.液態(tài)烴球罐在夏天溫度較高時，介質(zhì)容易產(chǎn)生汽化，早晚溫差大時現(xiàn)象較為明顯，汽液兩相對液位的測量存在影響。夏天時液態(tài)烴球罐一般進行噴淋，通過降溫，減少汽化量，從而實現(xiàn)液位的可靠測量。

2.液態(tài)烴球罐為三年一檢，在使用周期末期時，罐底的沉積物增多，會影響信號的強度?？深A設(shè)自復位功能進行復位檢測，或通過設(shè)置盲區(qū)和增益等參數(shù)排除干擾增加信號，無效時通過示波器監(jiān)測信號，重新選擇一個信號強度較大的位置進行安裝。

3.液態(tài)烴球罐的進行主要以管道輸送為主，由于輸送管線較長，管路可能存在汽化現(xiàn)象。在只對一個球罐進行進料的情況下，可能對液面波動較大影響測位的測量，此時可采用3個罐連通操作的方式，讓3個罐體平穩(wěn)進料，從而實現(xiàn)液位的可靠測量。

4.故障處理方法

圖5 罐區(qū)聯(lián)鎖邏輯示意圖

針對聲納式外測液位計使用過程中出現(xiàn)的故障，我們采用如下對策進行規(guī)避。

（1）軟件不能識別此類過程變化

經(jīng)過故障分析，針對空槽復裝后液位顯示盲區(qū)值不變化的故障，原因主要是二次表不能識別低液位過程變化的回波信號，我們）對二次表進行軟件升級。（2）虛假回波等干擾

針對屏蔽虛假回波等故障分析，通過調(diào)整主機的閾值電壓可屏蔽90%此類故障，如圖6所示。

圖6 屏蔽虛假回波等故障分析

（3）自動校準功能失效

自動校準功能失效主要原因為校準探頭與罐壁耦合不良，因長時間使用密封膠密封效果變差，導致罐壁外層氧化銹蝕，我們通過對設(shè)備面打磨清洗對探頭面清洗，加裝耦合劑，固定安裝后可屏蔽此類故障85%，如圖7所示。

圖7 對設(shè)備面加裝耦合劑清洗

結(jié)語

罐區(qū)儲罐液位測量中，非接觸液位儀表使用范圍越來越廣泛。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、使用和維護中需要嚴格遵循安全標準和設(shè)計規(guī)范，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。本項目自設(shè)計投產(chǎn)應(yīng)用以來，外測式超聲波液位開關(guān)在生產(chǎn)運行中可靠性滿足要求、維護簡單方便，為罐區(qū)的安全生產(chǎn)提供了保障。液化烴儲罐的SIS系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，操作維護方便，實現(xiàn)利用現(xiàn)有工況，在裝置正常生產(chǎn)期間完成的罐區(qū)SIS系統(tǒng)改造，具有一定推廣和參考價值。 ●