董曉圓

華陸工程科技有限責(zé)任公司 陜西西安 710065

1 儀表選型設(shè)計

根據(jù)《石油化工罐區(qū)自動化系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（SHT 3184—2017）要求，對于計量級別的低壓儲罐，容積大于100m3 的儲罐應(yīng)在罐頂設(shè)置液位連續(xù)測量儀表，液位連續(xù)測量儀表應(yīng)配罐旁指示儀顯示液位，應(yīng)在控制系統(tǒng)中設(shè)置高、低液位報警，并根據(jù)工藝要求在控制系統(tǒng)中設(shè)置高高、低低液位報警及聯(lián)鎖，信號所用的測量儀表應(yīng)單獨設(shè)置，宜采用連續(xù)測量儀表，也可采用液位開關(guān)。由于連續(xù)測量儀表的信號是連續(xù)的，可以實時測量過程變量確定儀表的工作狀態(tài)，比不常動作的開關(guān)類儀表更可靠，并且報警值的設(shè)定不受安裝位置的限制?？煽啃砸筝^高的場合應(yīng)采用連續(xù)液位測量儀表代替液位開關(guān)，采用連續(xù)液位測量儀表代替液位開關(guān)的儲罐應(yīng)設(shè)置2 套連續(xù)液位測量儀表，即一套用于液位連續(xù)測量和高、低液位報警，另一套用于高高、低低液位報警及聯(lián)鎖。當(dāng)儲罐需要測量油品的標(biāo)準(zhǔn)體積、標(biāo)準(zhǔn)密度時，計量級的儲罐應(yīng)設(shè)置多點熱電阻溫度計測量并計算罐內(nèi)油品的平均溫度，輸出信號直接接入儲罐的液位連續(xù)測量儀表，多點熱電阻溫度計安裝于罐頂，宜按照儲罐有效高度范圍內(nèi)每3m 等間距平均布置的方式確定測溫點數(shù)，多點溫度檢測元件的最少點數(shù)應(yīng)符合《石油和液體石油產(chǎn)品儲罐中液位和溫度自動測量法第4 部分：常壓罐中的溫度測量》（GB/ T 21451.4—2008）中8.3.3 表1 的規(guī)定。

儲罐應(yīng)設(shè)置用于密度計算的壓力變送器或差壓變送器，取源口設(shè)置在正常操作的最低液位以下、油水界位以上，輸出信號接入儲罐液位連續(xù)測量儀表或儲罐數(shù)據(jù)管理單元。低壓儲罐及需要氮氣等惰性氣體密封的儲罐，應(yīng)在罐頂設(shè)置壓力變送器測量壓力。計量級壓力儲罐的液位連續(xù)測量儀表信號連接見圖1。

圖1 計量級壓力儲罐液位連續(xù)測量儀表信號連接

因此，該物流倉儲項目汽油儲罐的儀表設(shè)計主要為：液位信號采用三重化冗余配置，設(shè)置1 套SIL2 等級的伺服液位計并配套罐旁指示儀顯示液位，1 套SIL2 等級的雷達(dá)液位計并配套罐旁指示儀顯示液位，1 套SIL2 等級的外側(cè)式液位計測量汽油儲罐液位，設(shè)置9 點平均溫度計以測量并計算罐內(nèi)汽油的平均溫度，罐底設(shè)置用于密度計算的隔膜密封差壓變送器（壓力），罐頂設(shè)置差壓變送器測量汽油儲罐壓力，同時采用罐表系統(tǒng)完成對汽油儲罐的各項工藝數(shù)據(jù)的采集和實時監(jiān)控。

1.1 伺服液位計

伺服液位計的測量基于阿基米德原理。測量液位時測量浮子處于被測液體的表面，測量浮子的底部浸沒于液面1～2mm。此時，測量浮子除了受到其本身向下的重力和液體向上的浮力外，還受到一個向上的鋼絲拉力，其大小等于測量浮子所受重力和浮力之差。當(dāng)液位靜止時，測量浮子處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。此時，測量鋼絲、測量磁鼓及力傳感器以杠桿滑輪原理構(gòu)成力平衡。

當(dāng)液面下降時，測量浮子所受浮力減小，而測量鋼絲上的拉力增加，力傳感器立即檢測到這一變化，控制器隨即發(fā)出命令，伺服電機帶動測量磁鼓順時針轉(zhuǎn)動，伺服電機以0.05mm 的步幅放下測量鋼絲，測量浮子不斷地跟蹤液位下降的同時，計數(shù)器記錄了伺服電機的轉(zhuǎn)動步數(shù)，自動地計算出測量浮子的位移量，即液位的變化量。當(dāng)液面上升時，過程相反。伺服液位計的測量原理見圖2。

圖2 伺服液位計測量原理

考慮到該物流倉儲項目汽油儲罐為計量級儲罐，以貿(mào)易交接為目的，因此選用的伺服液位計是一種高精度、高可靠性、移動部件少、集多種測量功能為一體的交接級自動計量儲罐液位計。該伺服液位計的接口設(shè)于汽油儲罐罐頂，采用6 寸法蘭連接，液位測量精度為±1mm，并配套罐旁顯示器實時顯示液位，可接收Pt100 單點溫度信號、多點平均溫度計信號、帶HART 協(xié)議的壓力信號，輸出一路帶HART 協(xié)議的4～20mA 液位模擬信號進(jìn)DCS系統(tǒng)用于液位監(jiān)測和報警，輸出一對SPDT 硬接點信號進(jìn)SIS 系統(tǒng)用于安全聯(lián)鎖，輸入輸出端配置防雷模塊，配套標(biāo)定腔室。

該物流倉儲項目汽油儲罐是容積為20000m3的內(nèi)浮頂罐，由于浮盤存在移動和轉(zhuǎn)動的可能，為了保護(hù)測量鋼絲不受浮盤的影響，需要設(shè)計安裝穩(wěn)液管。穩(wěn)液管的安裝需要注意三點：第一，穩(wěn)液管必須豎直安裝，偏心度不超過3mm，否則液位計可能無法正常工作；第二，穩(wěn)液管必須筆直，如果是用多節(jié)無縫鋼管焊接構(gòu)成，則不得存在變徑和彎曲，焊接必須使用套焊，整個穩(wěn)液管在罐底的投影必須是與管徑一致且無變形的正圓；第三，穩(wěn)液管內(nèi)部必須光滑沒有毛刺，焊縫干凈，開孔后將毛刺清除干凈。

1.2 雷達(dá)液位計

雷達(dá)液位計具有不受介質(zhì)壓力、真空、電導(dǎo)率、介電常數(shù)、比重、水蒸汽、粉塵、結(jié)垢、泡沫等影響的特點，其測量原理為其發(fā)射的雷達(dá)信號被儲罐內(nèi)介質(zhì)表面反射，由天線接收回波信號，由于信號的頻率發(fā)生變化，因此與發(fā)射時的信號相比，回波的頻率稍有不同，此頻率差與液面距離成正比，從而可以計算出液位。該物流倉儲項目汽油儲罐罐頂設(shè)置一臺雷達(dá)液位計，采用6 寸法蘭連接，測量精度為±1mm，天線型式為喇叭口型，輸出一路帶HART 協(xié)議的4～20mA 液位模擬信號進(jìn)DCS 系統(tǒng)用于液位監(jiān)測和報警，輸出一對SPDT 硬接點信號進(jìn)SIS 系統(tǒng)用于安全聯(lián)鎖，輸入輸出端配置防雷模塊。

1.3 外測式液位計

外測式液位計屬于非接觸式液位測量儀表，不需要在設(shè)備上開孔，其安裝和維護(hù)相對簡單，可以實現(xiàn)在線安裝和維護(hù)，其測量結(jié)果不受介質(zhì)工藝特性的影響，可以測量易燃易爆、強腐蝕性、劇毒等特性的介質(zhì)。外測式液位計的測量原理基于設(shè)備本體始終具有一定的微小的機械振動，而設(shè)備外壁的微小機械振動的波形是由液體振動特性和設(shè)備振動特性共同決定的，將此微小的機械振動信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過濾波和識別，可以計算出介質(zhì)的液位。

該物流倉儲項目汽油儲罐設(shè)置一套外測式液位計，形式為外貼探頭，采用強磁力吸附固定，測量元件包括1 個外測探頭和1 個校準(zhǔn)探頭，輸入輸出端配置防雷模塊。

2 罐表系統(tǒng)

2.1 儲罐自動計量原理

目前通用的儲罐計量技術(shù)通常分為以下方法：一種是以體積為基礎(chǔ)的計量系統(tǒng)，建立在對液位和溫度的精確測量基礎(chǔ)上，又稱體積法；另一種是以質(zhì)量為基礎(chǔ)的計量系統(tǒng)，建立在對液體產(chǎn)生的靜壓力的精確測量基礎(chǔ)上，又稱靜壓法。然而在一些儲罐計量應(yīng)用中，需要同時得到精確的體積參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)，從而產(chǎn)生了結(jié)合體積測量和質(zhì)量測量的第三種方法，又稱混合法。采用混合法測量介質(zhì)密度時，通過壓強原理，可以得到視密度（式1）。

式中：pt——視密度（當(dāng)前t 溫度下的液體密度），kg/ m3；

P1——液柱壓力；

H——液位到差壓變送器的距離，m；

g——重力加速度，m/ s2。

通過靜態(tài)計量方法可以得出儲罐內(nèi)液體的質(zhì)量，見式（2）。

式中：Vt——當(dāng)前t 溫度下的液體體積，m3；

Aeq——等效面積（與液位相對應(yīng)的儲罐截面積），m2。

同時，可以得到儲罐內(nèi)液體的體積（式3）。

式中：VCF——體積修正系數(shù)。

2.2 系統(tǒng)組成與構(gòu)架

罐區(qū)的自動控制系統(tǒng)應(yīng)具備罐區(qū)運行的過程控制、信號檢測、數(shù)據(jù)處理、記錄存儲、人機接口、生產(chǎn)操作、報表、數(shù)據(jù)服務(wù)等功能。計量級儲罐的雷達(dá)液位計、伺服液位計信號可接入專用的儲罐數(shù)據(jù)管理單元（TMU）進(jìn)行罐容計算和管理，也可接入罐區(qū)自動控制系統(tǒng)，在分散控制系統(tǒng)（DCS）中通過組態(tài)實現(xiàn)。計量級儲罐的液位、多點平均溫度、密度等信號應(yīng)直接接入儲罐液位連續(xù)測量儀表，轉(zhuǎn)換成通信信號，通過儲罐信號通信單元接入儲罐數(shù)據(jù)管理單元（TMU）或罐區(qū)自動控制系統(tǒng)?？刂剖覂?nèi)儲罐數(shù)據(jù)管理單元（TMU），用于儲罐液位系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的相應(yīng)計算，提供罐區(qū)庫存統(tǒng)計和信息管理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。儲罐數(shù)據(jù)管理單元（TMU）采用通信方式與分散控制系統(tǒng)（DCS）連接。

儲罐數(shù)據(jù)管理單元（TMU）可以提供實時的高精度的在線密度測量和質(zhì)量測量，實現(xiàn)真正的油罐自動計量。在自動化實現(xiàn)之后，需要將物料的管理、現(xiàn)場的操作、作業(yè)的結(jié)果和績效以及報警信息通過網(wǎng)絡(luò)直接與分散控制系統(tǒng)（DCS）連接，不再存在手工和紙面上傳數(shù)據(jù)的情況。

罐表系統(tǒng)配置見圖3。

圖3 罐表系統(tǒng)配置圖

所有的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過一根屏蔽雙絞電纜傳輸?shù)焦薇硐到y(tǒng)的通信接口單元和計算單元，進(jìn)入庫存管理系統(tǒng)中，分散控制系統(tǒng)（DCS）可以通過計算單元或者庫存管理系統(tǒng)獲得現(xiàn)場的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

現(xiàn)代的儲運自動化管理系統(tǒng)，能夠為罐區(qū)的日常運行提供管理的全部功能，使罐區(qū)始終處于一種安全、可靠和可追溯的運行狀態(tài)。儲運自動化管理系統(tǒng)將各類現(xiàn)場設(shè)備集成與企業(yè)管理系統(tǒng)集成在一起，對各類液體產(chǎn)品以最有效的方式進(jìn)行工藝操作，每時每刻為企業(yè)提供實時的計量數(shù)據(jù)，既保證了生產(chǎn)運營安全有序地進(jìn)行，又最大限度地降低了運行成本，提高自動化水平。