低温丙烯储罐的自动控制

张伟，方留安

(中国天辰工程有限公司，天津 300400)

低温丙烯储罐的自动控制

张伟，方留安

(中国天辰工程有限公司，天津 300400)

大型低温储罐压力接近常压，环境变化极易引起储罐压力的变化，造成安全隐患。储罐装置控制系统和联锁系统采用独立的DCS和紧急停车系统(ESD)；精度伺服液位计和音叉式液位开关用于储罐液位的测量、控制和联锁；采用流量平衡法检测丙烯输送管线的泄漏，温度检测均匀分布在储罐吊顶内表面、罐底内表面、罐壁内表面；采用3台压力变送器对储罐的压力进行测量、控制和联锁。应用表明： 安全可靠的控制系统和联锁系统，既保障了储罐的安全运行又取得了良好的经济效益。

低温储罐 预冷 平均温度 管线泄漏量 热应力 平均值

随着低温技术的发展，低温液体产品已在国民经济、国防、科学研究等众多领域发挥着重要作用。而低温液体的有效应用必须建立在低温液体产品安全储存的基础上。丙烯是三大合成材料的基本原料，主要用于生产丙烯腈、异丙烯、丙酮和环氧丙烷等。为了减少储存体积，丙烯往往以液态形式储存，大型低温储罐由于造价低廉而得以使用。

低温储罐储存温度较低，压力接近常压，当外界环境变化时极易引起储罐压力的变化，对储罐的安全运行产生不利的影响。因此，设计可靠的控制系统和联锁系统来保障低温储罐的安全运行至关重要。笔者以2×104m3低温丙烯储存装置为例介绍低温储罐的控制与联锁。

1 低温储罐的控制系统

储罐装置控制系统和联锁系统采用独立的DCS和紧急停车系统(ESD)。在正常情况下DCS动态监控低温储罐的连续运行，保证储罐的稳定生产；ESD对储罐关键参数(如液位、压力等)进行连续的测量，在正常情况下ESD是“静止的”，不采取任何动作，但当这些参数发生异常波动或故障时，ESD会按照设定值和程序采取相应的安全动作，使装置处于安全状态，保证储罐的安全运行。

ESD与DCS采用RS-485通信，ESD的输入/输出信号和状态采用通信方式送到DCS显示，但有些关键的参数(如液位、压力等)既要在ESD中参与联锁，又要在DCS中参与控制和操作。这些信号先进入ESD，再从ESD输出AO信号，采用硬线连接到DCS。

2 低温储罐进料运行模式

丙烯储罐罐区设计采用低压全冷冻式储存丙烯，采用低压低温方式由卸船泵将驳船上的丙烯由卸船管线送至丙烯储罐。卸船系统包括卸船管线和预冷管线，如图1所示。管线上有5个阀门： 卸船阀HV1112，码头预冷阀HV1113，预冷旁路阀HV1114，罐区预冷阀HV1115，进储罐丙烯调节阀HV1229。其中HV1112，HV1113，HV1114，HV1115是二位开关阀，HV1229是调节阀。

图1 低温丙烯卸船系统示意

低温储罐进料采用三种运行方式： 停运、预冷、进料。不需要卸船时储罐进料处于停运模式；需要卸船时，需先对卸船管线进行预冷，此时储罐进料处于预冷模式；卸船管线预冷完毕后，开始向低温丙烯储罐送料，储罐处于进料模式。为防止操作人员误操作，实现三种运行模式的一键操作，在控制室辅操台上有3个按钮： 停运按钮、预冷按钮、进料按钮。按下停运按钮，HV1112，HV1113，HV1114，HV1115，HV1229阀门全部关闭，储罐进料处于停运模式。按下预冷按钮，HV1113，HV1115和HV1229阀门打开；HV 1112和HV1114阀门关闭，储罐进料处于预冷模式。按下进料按钮，V1112，HV1113，HV1114和HV1229阀门打开；HV1115阀门关闭，储罐处于进料模式。

3 储罐液位控制与联锁

丙烯储罐的液位测量采用2台高精度伺服液位计(LT1200，LT1201)加平均温度计(TE1200，可测16点温度)补偿的测量方案，如图2所示，同时配1台罐旁指示仪。罐旁指示仪不仅在罐底显示伺服液位计的数据，同时把温度、压力等信号进行集成监控，也可以通过罐旁指示仪对与之相连的各仪表进行访问。

图2 储罐液位与流量测量示意

LT1200和LT1201连续测量储罐液位，另外在储罐顶部安装了2台音叉式液位开关(LS1202，LS1203)用于储罐液位高高报警、联锁。当LT1200，LT1201，LS1202，LS1203中任意1台达到高高报警时，联锁关闭丙烯进料阀HV1229；当LT1200，LT1201任意1台达到低低报警时,联锁停丙烯输送泵P1201；当LT1200与LT1201的测量差值大于10mm时，系统将给出报警信号。

4 丙烯输送管线的泄漏检测

由于丙烯输送管线很长，丙烯温度较低可能会损坏管道造成丙烯泄漏。该装置采用流量平衡法，通过储罐液位的变化和进出储罐丙烯的流量判断丙烯输送管线是否有泄漏，管线泄漏量计算公式如下：

Δqm=qmFT1101-qmFT1217-ΔvHSρ

式中： Δqm——进出储罐丙烯流量的偏差；ΔvH——丙烯储罐液位LT1201的变化率，m/h；S——储罐的底面积，m2；ρ——丙烯液的密度，kg/m3；qmFT1101——进储罐丙烯流量，kg/h；qmFT1217——出储罐丙烯流量，kg/h。当偏差Δqm大于3000kg/h 时，系统给出报警信号。

流量平衡法基于管道流体流动的质量守恒关系，根据管道进出口的流量测量值确定管道是否发生泄漏。该方法简单直观，但不能实现泄漏的定位，只能简单地判断是否有泄漏发生，对于任何一个扰动或管道本身的动力变化都很敏感，易造成误检，且对小泄漏不敏感。

传统方法难以精确诊断输送管道泄漏，采用分布式光纤光栅传感技术可以实现管道泄漏的在线监测。分布式光纤光栅传感系统由分布式光纤光栅测温系统、感温光缆、数据采集分析、数据通信接口、上位机软件等组成，采用先进的高频脉冲激光技术、光纤喇曼光谱技术、光波分复用技术、光时域反射技术、高频信号采集技术以及微弱信号处理技术，实现了长距离敷设光纤上各点温度的实时监测。目前，分布式光纤光栅传感系统对温度的分辨率可达0.1℃，空间定位精度可达1m。

5 储罐温度的测量与控制

丙烯被装入储罐之前，必须对储罐进行气体置换和预冷操作，以保证储罐的安全运行。储罐的预冷是低温液体产品储存过程中不可缺少的一个环节，在预冷过程中如果操作不当往往会产生热应力损坏储罐，甚至有发生爆炸的危险。

在储罐的预冷过程中，储罐的温度测量十分重要。笔者在储罐吊顶内表面安装了2支温度计；罐底内表面安装了9支温度计，在两个不同半径的圆周上均匀分布；罐壁内表面安装了10支温度计，在储罐截面四分之一区域的整个高度上均匀分布。所有温度计均选用双支热电阻，其中一支显示当前测温点的温度，另外一支与相邻的测温点做温差指示、报警。

在预冷储罐的过程中要保证储罐的各处温度计正常灵敏，并在DCS中得到持续的检测记录，相邻的2个温度计温差超过5℃时报警，任何部位2个 温度计温差超过20℃时立即停止预冷操作。要确保储罐的预冷过程为可控的过程，防止热应力损伤储罐，控制平均冷却速率应小于2.5℃/h，短时间最大冷却速率不允许超过5℃/h，使储罐的温度在预冷过程中稳步持续地降低。

6 储罐压力的控制与联锁

低温丙烯储罐的正常操作压力为4～11kPa(G)。 引起储罐压力变化的因素很多，压力升高的因素有进料、预冷、储存过程受热，大气压力降低，补充氮气阀PCV1210C故障等；压力降低的因素有丙烯压缩机运行、向丙烯用户送料、大气压力升高、气温导致的热损失等。压力过高或过低都会造成储罐罐体的破坏，导致严重事故的发生，所以必须使储罐的压力稳定在正常工作范围内。

该装置采用3台压力变送器(PT1207，PT1209，PT1210)和1台就地压力表(PG1208)来测量储罐的压力，如图3所示。3台压力变送器的测量信号进ESD，然后从ESD输出变送信号到DCS。

图3 储罐压力测量示意

在ESD中采用“三取二”计算，当3台压力变送器中任意2台达到报警设定点(高高，高，低，低低)时系统给出报警信号。当高高报警信号出现时，立即联锁关闭丙烯进料阀HV1229；当低低报警信号出现时，立即联锁停丙烯输送泵P1201。

在DCS中采用平均值计算，以3台压力变送器测量值的平均值作为储罐的压力，储罐的压力控制如图4所示。在储罐压力升高过程中，当压力升至8kPa(G)时，启动丙烯压缩机并使负荷运行在50%；当压力升至11kPa(G)时，丙烯压缩机加载负荷至100%运行；当压力升至13kPa(G)时，排放到火炬去的控制阀PCV1210B开始打开；特殊情况下，如果储罐压力升至14kPa(G)后仍继续升高，则储罐安全阀PSV1224，PSV1225动作；当压力开始下降，降至11.5kPa(G)时关闭控制阀PCV1210B；当压力降至6kPa(G)时，丙烯压缩机减小负荷至50%运行；当压力降至4kPa(G)时，丙烯压缩机减负荷为0(即停压缩机状态)；当压力降至0.5kPa(G)时，补氮气阀PCV1210C开始打开；特殊情况下如果储罐压力降至-1.5kPa(G)时仍继续降低，则储罐真空泄压阀VSV1226,VSV1227动作；当压力升至2.5kPa(G)时，关闭补氮气阀PCV1210C。

图4 储罐压力控制示意

另外，当3台压力变送器中任意1台进行维护时，ESD中“三取二”计算将不可用，另2台压力变送器中任意1台达到报警设定点系统就给出报警信号；储罐的压力则由另外2台变送器测量值做平均值计算。

7 可燃气体报警器

丙烯气易燃易爆，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。该装置在储罐周围安装8台丙烯气可燃气体报警器，在储罐底部中心安装1台丙烯气可燃气体报警器。储罐底部配置有氮气吹扫管线，当丙烯气聚集过多引起可燃气体报警器报警时，使用氮气吹扫，避免发生爆炸，确保储罐的安全运行。

8 结束语

丙烯采用低温低压储存，工程造价低，储罐可以做到大型化，只要设计了安全可靠的控制系统和联锁系统，既能保障储罐的安全运行又可取得良好的经济效益。

[1] 陆德民，张振基，黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].3版,北京： 化学工业出版社，2000.

[2] 周春晖.过程控制工程手册[M].北京： 化学工业出版社，1993.

[3] 中国石化集团北京石油化工工程公司.SH 3005—1999石油化工自动化仪表选型设计规范[S].北京： 中国石化出版社，1999.

[4] 中国寰球化学工程公司，中国五环化学工程公司.HG/T 20507—2000自动化仪表选型设计规范[S].北京： 全国化工工程建设标准编辑中心，2000.

[5] 中国东华工程公司.HG/T 20511—2000信号报警、安全联锁系统设计规定[S].北京： 全国化工工程建设标准编辑中心，2000.

[6] 中国石油化工集团公司.GB 50493—2009石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范[S].北京： 中国计划出版社，2009.

[7] 王树清，乐嘉谦.自动化与仪表工程师手册[M].北京： 化学工业出版社，2010.

[8] 乐嘉谦.仪表工手册[M].北京： 化学工业出版社，2007.

[9] 邱宣振，贺大运，姜国平.工程自动化设计应用手册[M].北京： 国际教科文出版社，2004.

[10] 袁朝庆，刘燕，才英俊，等.利用光纤温度传感系统检测天然气管道泄漏[J].天然气工业,2006,26(08)： 117-119.

AutomaticControlforCryogenicPropyleneStorageTank

Zhang Wei, Fang Liuan

(China Tianchen Engineering Co. Ltd.， Tianjin， 300400， China)

Large cryogenic tank pressure is close to atmospheric pressure. The change of external environment easily causes change of tank pressure, and influences the safe operation of storage tank negatively. The storage tank is equipped with a set of DCS and a set of ESD. DCS and ESD are fully independent. Precision servo liquid level meter and tuning fork liquid level switch are used for tank level measurement, control and interlock. Flow balance method is used to detect leakage of propylene conveying pipeline. Temperature detection is uniformly distributed on the ceiling inner surface of tank, bottom inner surface and inner surface. Three pressure transmitters are used for tank pressure measurement, control and interlock. The results show the safe and reliable control and interlock system can not only guarantee safe operation of storage tank, but also can achieve good economie benefit.

low temperature storage tank； pre-cooling； average temperature； pipeline leakage quantity； thermal stress； average value

稿件收到日期： 2012-11-08，修改稿收到日期2013-03-06。

张伟(1980—)，男，2002年毕业于郑州大学工业自动化专业，现就职于中国天辰工程有限公司仪表电气部，从事石油化工自动化仪表设计工作，任工程师。

TP273

B

1007-7324(2013)03-0034-04