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)閥門的液位測(cè)量?jī)x表或液位開關(guān)”。河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司其中設(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)卣咭螅枰M(jìn)行改造。
1、液位計(jì)選型
1.1 石化行業(yè)常用液位計(jì)的特點(diǎn)分析
在化工生產(chǎn)過(guò)程中，及時(shí)得到各類容器內(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，在對(duì)比各種液位計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)、測(cè)量原理的差異，按應(yīng)用場(chǎng)合擇優(yōu)選擇最合適的液位計(jì)。
1.2 外貼式超聲波液位計(jì)的工作原理及特點(diǎn)分析
外貼式超聲波液位計(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。為保證外貼式超聲波液位計(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，外貼式超聲波液位計(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。
外貼式超聲波液位計(jì)無(wú)需在容器或儲(chǔ)罐上開孔，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。
外貼式超聲波液位計(jì)優(yōu)點(diǎn)如下：
①無(wú)需在容器上開孔，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)50m，測(cè)量精度高。
④遠(yuǎn)傳輸出4-20mA信號(hào)和開關(guān)量報(bào)警輸出，自帶顯示屏，可現(xiàn)場(chǎng)顯示液位。
1.3 一氧化碳儲(chǔ)罐新增液位計(jì)選型
目前，大部分常規(guī)型的液位計(jì)都需要在罐體上開孔，如果開孔的話，需要廠家重新計(jì)算并提供圖紙并向鍋檢所報(bào)批備案，程序比較復(fù)雜。河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限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或者通過(guò)法蘭連接。考慮到現(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、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。
2、現(xiàn)場(chǎng)安裝改造
2.1 現(xiàn)場(chǎng)一氧化碳儲(chǔ)罐情況
河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司的一氧化碳儲(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)。
2.2 外貼式液位計(jì)結(jié)構(gòu)
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4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入控制系統(tǒng)。
圖1 外貼式超聲波液位計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖
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：h=act/2，其中：h為液位高度；a為修正系數(shù)；c為聲波在介質(zhì)中傳播的聲速；t為聲波從發(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。
2.3 現(xiàn)場(chǎng)安裝改造
此次新增的外貼式液位計(jì)屬于安全整改項(xiàng)目，即用本次新增的外貼式液位計(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)。
圖2 外貼式超聲波液位計(jì)安裝示意圖
2.4 安全儀表系統(tǒng)控制邏輯介紹
安全儀表系統(tǒng)(SIS系統(tǒng))，也稱緊急停車系統(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。
河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司的一氧化碳儲(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)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3。
圖3一氧化碳儲(chǔ)罐SIS控制邏輯
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，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。現(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操作畫面上的復(fù)位按鈕打開切斷閥，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表采用的是單晶硅差壓變送器，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4-20mA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。
3、結(jié)束語(yǔ)
外貼式超聲波液位計(jì)因其安裝簡(jiǎn)便，無(wú)需在容器上開孔作業(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)，在不具備停車沖洗置換條件的情況下，可在線安裝，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)，保證河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司一氧化碳生產(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。
作者：王麗、荊煥雷、李國(guó)明
