王 麗,荊煥雷,李國(guó)明
(河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453700)
石油化工生產(chǎn)企業(yè)大都具有高溫、高壓、易燃、易爆、易中毒的特點(diǎn),而儲(chǔ)罐是每個(gè)石化企業(yè)儲(chǔ)存各類(lèi)化學(xué)介質(zhì)必不可少的重要設(shè)備。這些化學(xué)介質(zhì)有不少屬于易燃、易爆介質(zhì),如液氨、一氧化碳、二甲醚、甲醇等危險(xiǎn)化學(xué)品。
國(guó)家安監(jiān)總局于2017年發(fā)布《化工和危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)單位重大生產(chǎn)安全事故隱患判定標(biāo)準(zhǔn)(試行)》,多個(gè)省份對(duì)其進(jìn)行深度分析,并形成了《化工企業(yè)本質(zhì)安全診斷治理驗(yàn)收檢查細(xì)則》,細(xì)則中明確提出:“帶有高液位聯(lián)鎖功能的可燃液體和劇毒液體儲(chǔ)罐應(yīng)配備兩種不同原理的液位計(jì)或液位開(kāi)關(guān),高液位聯(lián)鎖測(cè)量?jī)x表和基本控制回路液位計(jì)應(yīng)分開(kāi)設(shè)置。壓力儲(chǔ)罐液位測(cè)量應(yīng)設(shè)一套遠(yuǎn)傳儀表和就地指示儀表,并應(yīng)另設(shè)一套專(zhuān)用于高高液位或低低液位報(bào)警并聯(lián)鎖切斷儲(chǔ)罐進(jìn)料(出料)閥門(mén)的液位測(cè)量?jī)x表或液位開(kāi)關(guān)”。公司其中設(shè)有一套一氧化碳生產(chǎn)裝置,配備的一氧化碳儲(chǔ)罐設(shè)有兩臺(tái)差壓式液位計(jì),其中一臺(tái)作為指示儀表進(jìn)入DCS控制系統(tǒng),另外一臺(tái)進(jìn)入SIS系統(tǒng),參與聯(lián)鎖切斷功能的實(shí)現(xiàn)。因此,目前的液位測(cè)量裝置不符合當(dāng)?shù)卣咭?,需要進(jìn)行改造。
在化工生產(chǎn)過(guò)程中,及時(shí)得到各類(lèi)容器內(nèi)的液位高度是十分重要的。液位計(jì)作為化工自動(dòng)化生產(chǎn)中的重要儀表傳感器設(shè)備,在不同的生產(chǎn)場(chǎng)合選擇一款合適的液位計(jì)十分必要。適用于石油化工行業(yè)的液位計(jì)有很多種類(lèi),根據(jù)測(cè)量原理的不同和介質(zhì)特性的差異,在不同的場(chǎng)合需擇優(yōu)選擇最合適的液位計(jì)。各種液位計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。
表1 各類(lèi)液位計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)分析Table 1 Advantages and disadvantages analysis of various level meters
外貼式液位計(jì)采用聲波測(cè)距原理,利用微振動(dòng)分析技術(shù),是一種從容器外部測(cè)量液位的液位儀表。
聲波測(cè)距原理:由安裝在容器底部的測(cè)量探頭發(fā)射聲波,穿透容器壁后在介質(zhì)內(nèi)傳播,當(dāng)聲波到達(dá)液面后,聲波在液面發(fā)生反射形成回波信號(hào),回波信號(hào)到達(dá)容器底部,再次穿透容器壁,測(cè)量探頭將接收到的回波信號(hào)發(fā)送給表頭。表頭根據(jù)測(cè)量探頭從發(fā)射到接收到聲波的時(shí)間差,從而計(jì)算出液位高度。
微振動(dòng)分析技術(shù)原理:在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,液位測(cè)量可能會(huì)受到容器內(nèi)的內(nèi)件、盤(pán)管、工藝介質(zhì)的粘稠度、雜質(zhì)、溫度變化等綜合因素的影響,使測(cè)量探頭接收到的回波信號(hào)變復(fù)雜,微振動(dòng)分析技術(shù)會(huì)自動(dòng)判斷正確的液位信號(hào)來(lái)解決回波干擾的問(wèn)題。
自動(dòng)校正功能:當(dāng)介質(zhì)的溫度或組分發(fā)生變化時(shí),會(huì)影響聲波信號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度,產(chǎn)生測(cè)量誤差。為保證液位計(jì)的測(cè)量精度不受影響,可通過(guò)加裝校正探頭。由于從校正探頭到容器壁之間的距離是恒定的,所以利用校正探頭可測(cè)量出當(dāng)前工況下聲波在介質(zhì)中的實(shí)際傳播速度,液位計(jì)表頭自動(dòng)對(duì)液位的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償修正,消除介質(zhì)溫度和組分變化對(duì)測(cè)量精度的影響[3]。
外貼式液位計(jì)無(wú)需在容器或儲(chǔ)罐上開(kāi)孔,不接觸容器內(nèi)的介質(zhì),探頭直接磁吸或膠粘在容器或儲(chǔ)罐外壁上,由測(cè)量探頭發(fā)射和接收聲波信號(hào),信號(hào)穿透容器外壁在介質(zhì)中形成回波來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距[4]。外貼式液位計(jì)優(yōu)點(diǎn)如下:
1)無(wú)需在容器上開(kāi)孔,可在不影響生產(chǎn)的情況下進(jìn)行安裝、調(diào)試,安裝方便。
2)不接觸容器內(nèi)部介質(zhì),安全性較高,適合多數(shù)工況要求,維護(hù)量小。
3)測(cè)量量程寬廣,最高可達(dá)30m,測(cè)量精度高。
4)遠(yuǎn)傳輸出(4~20)mA信號(hào)和開(kāi)關(guān)量報(bào)警輸出,自帶顯示屏,可現(xiàn)場(chǎng)顯示液位。
首先,數(shù)據(jù)分析主要是在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上,分析數(shù)據(jù)中的價(jià)值,更好地位教學(xué)服務(wù)。大數(shù)據(jù)時(shí)代,高職教師也要重視從網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)中獲取資源和信息,更好地契合時(shí)代發(fā)展的需求,并根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)和進(jìn)度,提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)方案和計(jì)劃,并對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行分析,從而更好地改進(jìn)教學(xué)策略。
目前,大部分常規(guī)型的液位計(jì)都需要在罐體上開(kāi)孔,如果開(kāi)孔的話(huà),需要廠(chǎng)家重新計(jì)算并提供圖紙并向鍋檢所報(bào)批備案,程序比較復(fù)雜。公司的一氧化碳生產(chǎn)裝置長(zhǎng)年處于生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài),不能停工動(dòng)火,不具備清罐沖洗置換的安裝條件。經(jīng)過(guò)對(duì)目前工業(yè)用的各類(lèi)液位計(jì)的分析,發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的液位計(jì)都是需要與介質(zhì)直接接觸,或者傳感器部分安裝在容器內(nèi)部,也就是必須在容器上安裝閥門(mén)或者通過(guò)法蘭連接??紤]到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況,最終決定選擇外貼式液位計(jì)進(jìn)行改造。該液位計(jì)可連續(xù)測(cè)量,穩(wěn)定性好,可靠性高,安裝簡(jiǎn)便,可在不停車(chē)、不清洗置換、不動(dòng)火的前提下進(jìn)行安裝,符合當(dāng)前的改造安裝條件。
公司的一氧化碳儲(chǔ)罐設(shè)有一臺(tái)進(jìn)料氣動(dòng)切斷閥和一臺(tái)出料氣動(dòng)切斷閥,氣動(dòng)切斷閥由SIS系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置好的聯(lián)鎖邏輯控制其打開(kāi)和關(guān)閉。當(dāng)液位達(dá)到高高指標(biāo)時(shí),聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料切斷閥;當(dāng)液位達(dá)到低低指標(biāo)時(shí),聯(lián)鎖關(guān)閉出料切斷閥。目前該儲(chǔ)罐設(shè)置有兩臺(tái)差壓式液位計(jì),其中一臺(tái)作為指示儀表進(jìn)入DCS控制系統(tǒng),另外一臺(tái)進(jìn)入SIS系統(tǒng),參與上述聯(lián)鎖切斷功能的實(shí)現(xiàn)。
外貼式液位計(jì)由測(cè)量探頭、校正探頭和表頭3部分組成(如圖1)。表頭固定安裝在位于立罐旁邊的2寸立柱上,表頭將測(cè)量探頭輸入的信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算后,轉(zhuǎn)換成(4~20)mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入控制系統(tǒng)。
圖1 外貼式液位計(jì)立罐安裝方式Fig.1 Installation method for vertical tank of external stick type level gauge
測(cè)量探頭安裝在立罐底部,且測(cè)量探頭必須與被測(cè)液面垂直,遠(yuǎn)離出液管道和排污管道。聲波信號(hào)從測(cè)量探頭發(fā)射出去,經(jīng)過(guò)液面反射后接收回波信號(hào),回波信號(hào)送入表頭,由表頭內(nèi)的CPU計(jì)算出液面高度,計(jì)算關(guān)系式如下:
其中:h——液位高度。
a——修正系數(shù)。
c——聲波在介質(zhì)中傳播的聲速。
t——聲波從發(fā)射到返回所用的時(shí)間。
校正探頭安裝在立罐的側(cè)面,主要作用是對(duì)測(cè)量探頭測(cè)得的液位高度進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)一氧化碳的溫度發(fā)生變化時(shí),會(huì)對(duì)測(cè)量探頭發(fā)出的聲波信號(hào)在介質(zhì)中的傳播速度產(chǎn)生影響,帶來(lái)測(cè)量誤差,立罐的直徑是固定的,利用校正探頭得到聲波在介質(zhì)中的實(shí)際傳播速度,消除介質(zhì)溫度變化對(duì)測(cè)量精度的影響。
此次新增的外貼式液位計(jì)屬于安全整改項(xiàng)目,即用本次新增的液位計(jì)替代原來(lái)已投用的其中一臺(tái)差壓式液位計(jì),且原來(lái)的差壓式液位計(jì)表頭的安裝形式與本次整改所用外貼式液位計(jì)表頭安裝形式一樣。因此,現(xiàn)場(chǎng)更換液位計(jì)時(shí),只需要把原液位計(jì)的根部閥門(mén)關(guān)閉,然后將原液位計(jì)的取壓管和表頭拆下,利用原有的2寸安裝立柱,將外貼式液位計(jì)表頭安裝于立柱上即可。外貼式液位計(jì)和原差壓式液位計(jì)都屬于二線(xiàn)制儀表,不需要敷設(shè)電源電纜,將原差壓變送器的信號(hào)電纜直接接入外貼式液位計(jì)的供電端子即可。鑒于外貼式液位計(jì)獨(dú)特簡(jiǎn)便的安裝形式,整個(gè)改造過(guò)程不涉及動(dòng)火作業(yè)和高處作業(yè),大大降低了改造過(guò)程中的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。
安全儀表系統(tǒng)(SIS系統(tǒng)),也稱(chēng)緊急停車(chē)系統(tǒng),用于監(jiān)視生產(chǎn)裝置或獨(dú)立單元的操作,如果生產(chǎn)過(guò)程超出安全操作范圍,可以使其進(jìn)入安全狀態(tài),確保裝置具有一定的安全度[5]。
公司的一氧化碳儲(chǔ)罐屬于“兩重點(diǎn)一重大”(重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝、重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化學(xué)品和危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源)[6]的范疇。該儲(chǔ)罐經(jīng)過(guò)重大危險(xiǎn)源辨識(shí)和計(jì)算后,確定該儲(chǔ)罐為4級(jí)重大危險(xiǎn)源。根據(jù)國(guó)家安監(jiān)總局的要求:所有涉及“兩重點(diǎn)一重大”的危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存設(shè)施要設(shè)計(jì)符合要求的安全儀表系統(tǒng)。為響應(yīng)政策要求,提高一氧化碳生產(chǎn)裝置的本質(zhì)安全,一氧化碳儲(chǔ)罐在原始設(shè)計(jì)和施工安裝時(shí),已有一套安全儀表系統(tǒng),其控制邏輯如圖2。
圖2 一氧化碳儲(chǔ)罐SIS控制邏輯Fig.2 SIS Control logic of carbon monoxide storage tank
經(jīng)HAZOP分析(危險(xiǎn)與可操作性分析)和LOPA分析(保護(hù)層分析)后得出SIL定級(jí)報(bào)告[7],確認(rèn)涉及到一氧化碳儲(chǔ)罐SIF回路的安全完整性等級(jí)為SIL1級(jí),按照《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的要求,可采用單一的液位測(cè)量?jī)x表和單一的氣動(dòng)控制閥參與SIS聯(lián)鎖邏輯控制?,F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)料切斷閥和出料切斷閥的電磁閥采用常帶電的控制模式,當(dāng)一氧化碳儲(chǔ)罐液位達(dá)到高高指標(biāo)后,進(jìn)料切斷閥的電磁閥線(xiàn)圈失電,聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料切斷閥,防止繼續(xù)進(jìn)料導(dǎo)致液位升高。當(dāng)一氧化碳儲(chǔ)罐液位達(dá)到低低指標(biāo)后,出料切斷閥的電磁閥線(xiàn)圈失電,聯(lián)鎖關(guān)閉出料切斷閥,防止繼續(xù)出料導(dǎo)致液位過(guò)低。聯(lián)鎖關(guān)閉切斷閥后,只有當(dāng)液位回歸到正常指標(biāo)后,才能通過(guò)SIS操作畫(huà)面上的復(fù)位按鈕打開(kāi)切斷閥,保證設(shè)備安全。除了聯(lián)鎖關(guān)閉切斷閥的自控控制模式外,也可以通過(guò)SIS系統(tǒng)輔操臺(tái)上的急停按鈕或SIS操作畫(huà)面上的關(guān)閉按鈕手動(dòng)關(guān)閉氣動(dòng)切斷閥。
該SIS聯(lián)鎖邏輯的測(cè)量?jī)x表采用的是進(jìn)口的差壓式變送器,其原理是當(dāng)液位高低發(fā)生變化時(shí),液相側(cè)(正壓側(cè))和氣相側(cè)(負(fù)壓側(cè))之間的壓力差也隨之發(fā)生線(xiàn)性變化,通過(guò)差壓式變送器測(cè)得的正負(fù)壓側(cè)間的壓差值輸出(4~20)mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入給SIS系統(tǒng),從而計(jì)算出實(shí)時(shí)液位。差壓變送器是目前很成熟的技術(shù),鑒于其精度高、可靠性高、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用到石化、醫(yī)藥、食品、鋼鐵等多個(gè)領(lǐng)域。公司的一氧化碳儲(chǔ)罐內(nèi)的介質(zhì)無(wú)雜質(zhì)、顆粒和懸浮物,完全符合差壓式變送器的安裝使用條件,并且該變送器已取得SIL認(rèn)證,可以利用到安全儀表系統(tǒng)中。為降低安裝使用成本和后期維護(hù)量,經(jīng)過(guò)綜合考慮,本次改造新增的外貼式液位計(jì)只引入到DCS系統(tǒng)作為指示儀表,涉及SIS系統(tǒng)的液位測(cè)量?jī)x表保持不變。
外貼式液位計(jì)因其安裝簡(jiǎn)便,無(wú)需在容器上開(kāi)孔作業(yè),與介質(zhì)完全隔離,屬于非接觸式液位測(cè)量?jī)x表,消除了液位計(jì)受介質(zhì)腐蝕、結(jié)晶等帶來(lái)的負(fù)面影響。同時(shí),在不具備停車(chē)沖洗置換條件的情況下,可在線(xiàn)安裝,降低安裝成本,減少維護(hù)工作量。在易燃易爆的場(chǎng)合下使用,減少靜密封面泄漏的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),保證公司一氧化碳生產(chǎn)裝置的安全生產(chǎn)和企業(yè)的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。