浮顶罐浮顶倾斜自动监测系统研究

吴德起

(中石化管道储运公司潍坊输油处， 山东 潍坊 261021)

油气储运设施自动化运行程度越来越高，机泵的在线监控保护与报警系统日臻完善，管道自动监测系统也日益成熟。大型储油罐特别是浮顶罐，通过雷达液位计和高低液位报警装置进行检测，已经实现罐位在线监测。但是，储油罐的浮顶运行状态监测，特别是一些浮顶有卡阻问题的储油罐，还需要定期人工上罐检查浮梯、密封及浮顶等运动部件的运行状态，以免浮梯或密封发生卡阻时浮顶偏斜过大造成浮顶倾覆事故。定期人工检查浮顶工作状态不仅增加了值班人员的工作强度，而且不能及时发现浮顶存在的问题。因此储油罐实现全面自动化运行是亟待解决的问题。

1 浮顶罐已经实现自动控制方面

现阶段大型储油罐已经实现的自动监控手段主要是液位自动监控与火灾自动监控等。液位自动监控是把雷达液位计的数据自动远传至中控，通过打开或关闭油罐的进出口阀来自动控制油罐的液位在一定的范围内。同时，油罐还安装有高低液位检测装置。当油罐的液位自动控制失效时，液位达到高低液位报警高度后，自动给出报警信号并同时打开或关闭油罐进出口阀。

大型浮顶罐还有火灾自动监控系统，在浮顶罐的浮顶二次密封处，安装有光纤光栅。当浮顶与罐壁的油气空间着火在时，通过光纤光栅报警系统报警，大型油罐的消防系统自动启动，通过泡沫管线向浮顶的泡沫挡板内喷撒泡沫，及时消灭发生在油罐初期的火灾。

2 浮顶罐尚未实现自动控制的方面

要实现浮顶罐的自动运行还要保证油罐进出油过程中的浮顶及其他运动部件的安全可靠。对浮顶及运动部件的状态进行监测，根据监测结果及时给出报警和处置，才能保证储油罐的运行真正实现自动控制。现阶段对浮顶等运动部件的监测主要通过人工定期检查各部位运行状态，对异常情况由人工进行判断并作出是否退出储油罐的运行。

浮顶罐在进出油时的运动部件主要包括： 浮顶及密封、导向装置、浮梯、中央排水管等。浮顶罐的浮顶及运动部件发生故障主要有以下几种类型： 浮梯发生偏斜时与浮梯轨道发生卡阻，当浮梯卡住不动时油罐继续进出油，会发生浮顶偏斜，再继续进出油就可能发生浮顶倾覆事故；一、二次密封局部发生卡阻，当油罐进出油时密封与罐壁发生卡阻，浮顶同样会发生倾斜，严重时发生倾覆事故；当浮顶上发生积水或积雪等重物不能及时排除时，或当浮顶上堆积物质量过大时，或浮舱发生进油故障时，可能发生浮顶进油下沉或倾覆事故。几种类型的浮顶故障大多是发生在油罐进出油操作时，浮顶不能正常运行造成浮顶进油后发生倾覆事故。这种由浮顶非正常运行引起的故障需要进行自动监控，以减少值班人员的劳动强度及提高浮顶罐的自动化运行程度。

3 浮顶异常时的主要表现形式及检测手段

浮顶异常主要表现为浮顶的倾斜和浮顶的下沉。可以通过一定的检测手段来及时反映浮顶的状态，对三种浮顶故障状态时浮顶下表面不同点的压力分布分析。当发生浮顶倾斜时，在浮顶下沉端的浮顶下表面的压力大于对径的浮顶下表面的压力。当发生浮顶均匀下沉时，在整个浮顶下表面的压力都同时出现压力增大现象。三种浮顶故障现象都伴随发生浮顶下表面压力的变化，因而通过检测浮顶下表面的压力变化值，即通过检测浮顶对径压力差或浮顶压力变化，可以判断出浮顶工作状态。当浮顶对径压力出现变化时，或者检测到浮顶整体压力大于正常压力时，计算各点的压力差。当压力差大于设定的报警值时，可以通过上位机发出警报，提醒值班人员进行油罐检查，并可以实现自动停止油罐的进出油操作。

为了提高浮顶倾斜检测的准确程度，及时反映出浮顶在各方向发生的倾斜，设置的检测点越多越能够提高检测精度。为了满足最低检测要求，同时能够获得相对准确的检测数据，根据圆形浮顶平面分布特点，浮顶上最少均布的检测点为4个。当发生1个测点压力增大时，或连续2个测点压力增大时，可以判断浮顶发生倾斜。在判断浮顶倾斜角度时，要结合对径压力检测数值进行分析，如1个测点压力增大，对径测点压力降低，可以直接判断浮顶发生倾斜及计算倾斜的角度。当连续2个测点压力增大，或对径另2个测点压力降低时，应先根据2测点(1号，2号)压力计算出最大下沉点和上升点的压力，然后根据该计算数据判断浮顶发生倾斜和计算倾斜的角度，如图1所示。

图1 浮顶最大倾斜点压力计算示意

4 光纤压力传感器的选择

由于浮顶在储油罐的内部，处于油气环境中，同时浮顶的倾斜角度引起的浮顶下部压力变化较小，因在选择压力检测装置时要求选用检测准确及分辨率高的检测仪表；同时由于检测仪表安装在储油罐内的浮顶上，检测仪表工作在油气环境中，需使用防爆要求高的本质安全型仪表设备；压力检测仪表还需有远传功能，以便对压力数据进行分析计算。由于浮顶允许倾斜角度取决于四周浮舱外壁的高度，当浮顶倾斜超过浮舱高度时，浮顶将继续进油并发生倾覆事故；浮顶还存在由自重引起的下沉，减少了浮顶的安全高度，因而浮顶倾斜时压力变化范围较小。因此，选择一个合适的压力检测部件是浮顶倾斜检测系统的关键，在选择检测装置时对量程要严格控制，以提高检测精度。

4．1 光纤压力传感器的特点

在浮顶倾斜检测系统中可选择的压力检测核心部件是光纤压力传感器[1]。在多种压力检测仪表中，光纤压力传感器具有检测精度高、分辨率高、可以远传压力数据的特点，属于本质安全型检测仪器。光纤压力传感器作为一种新型的传感器，与传统的压力传感器相比体积小、质量轻，具有电绝缘性、不受电磁干扰、可用于易燃易爆的环境中等优点，符合在浮顶罐浮顶上安装使用的要求。

4．2 光纤压力传感器的原理

光纤压力传感器的重要传感元件是法布利-比洛特(FP)型光学干涉仪[2]。干涉仪的两面镜子分别是位于一端的薄膜内表面和位于另一端的光纤尖端。所施加的压力引起了薄膜的偏移，而此偏移又直接转换成FP干涉仪空腔长度的变化。为得到薄膜偏移和所施加的压力间的线性关系，传感器的形状和材料都经过了严格选择。

其关系可表示为

Lcav(p)=L0+(p-p0S)

式中：p——施加到薄膜外表面上的压力，Pa；p0——FP干涉仪空腔内的压力，Pa，通常定义为p=p0；Lcav——由信号解调器所测得的空腔长度，nm；L0——处于零点初始状态的空腔长度，nm；S——传感器的灵敏度，nm。

压力传感器有三种不同的类型： 量规型、绝对型和差分型。量规型传感器的p0等于周围压力或大气压；绝对型压力传感器的p0=0，工厂生产时其空腔在真空状态下密封；而差分型传感器的p0等于任意的压力，这种类型的传感器有1个通气孔接头，用于维持空腔内给定的压力。

4．3 信号解调处理原理

所有传感器的信号解调器都是根据白光干涉技术制成的。信号解调器将来自传感器的光信号转换成绝对FP干涉仪空腔长度。该空腔长度之所以被称为绝对是因为它对应着测量该光信号时的FP干涉仪的物理空腔长度。因为许多光纤传感技术，尤其是基于单色光干涉技术(与白光干涉技术相反)的传感技术，仅能测量长度变化，所以在要求长期静态测量的应用中，绝对测量是至关重要的。光信号以信号解调器采样速度所确定的频率被转化。压力传感器在1×104nm的工作范围内转化准确度为±1nm。

一旦测得空腔长度Lcav，解调器根据下式计算：

p-p0p-p0=(Lcav-L0)/S

然后记录并在解调器上显示该压力值。S(由仪器序列号决定)及L0的初始定义值提供将所测得的空腔长度转化为压力所需要的信息。

5 浮顶倾斜检测系统布置方案

5．1 测量单元的布置

为了提高检测压力的准确性，安装压力传感器需在浮顶上开孔，开孔必须靠近单盘边缘，但开孔会人为制造多个泄漏点，给油罐的安全运行带来安全隐患。因此，需要在浮顶上建立一个独立于油罐储存液体之外的压力系统，同时还能准确反映出浮顶的倾斜状态。该系统采用在浮舱上表面安装一个装满液体的环形管道，环形管道应与泡沫挡板固定。管道上面均布4个光纤压力传感器，在每个压力传感器旁设置1个高于泡沫挡板高度的立管，立管固定在泡沫挡板上，立管上方具有补液口，立管上部应有不小于浮舱外壁高度的空管以接收下沉时对方流过来的液体。在环形管道上测得的压力变化能够真实反映浮舱倾斜状态时下表面压力变化。对由于浮顶因降雪或积水引起的浮顶整体下沉状态检测，可以通过设置在浮顶中央通往浮顶下表面的与油液相连的管道上安装的光纤传感器测得的压力来检测和判断。

5．2 传输系统的布置

检测数据主要通过光缆传输，光缆由光纤压力传感器引出后，集中由浮梯固定向罐外敷设，到达罐外地面位置后进入防爆接线箱，通过解调后引入中控机房，再通过上位机计算并进行浮顶状态显示及异常报警。

6 数据的逻辑分析计算

1) 检测数据的分析计算程序。压力变送器安装完成后，应根据所在位置对其进行编号。油罐进油前应对压力变送器进行校验，当油罐进油浮顶上浮时，保存各压力变送器的数值作为各测点的初始压力，上位机根据设定周期对各测点压力数值检查读取。把读取的各测点检测数值与之前读取的数值对比(和初始值对比的目的是防止检测数据失真，造成错误计算。当前检测数据与一个检测周期之前的数据对比之后再与初始数据对比，如有方向性偏差，则为检测数据错误)。当压力数值有变化时，再看测点变化个数。如1个测点压力增大，对径测点压力降低，其他测点压力无变化，应计算该2点的压力差。当超过设定的报警数值时，可以判断浮顶发生倾斜并给出警报。当连续2个测点压力增大，对径另2个测点压力降低时，应先根据2测点压力计算出最大下沉点和上升点的压力，再计算出实际下沉点与对径点的压力差值，然后根据设定的报警定值，判断浮顶发生倾斜并给出警报。

2) 实际下沉点计算方法。4个压力传感器在浮顶处于正常状态时设置初始值，以后的每个计算都是参照该初始压力计算。当浮顶处于偏斜状态时，必有1个或2个压力上升，另1个或2个压力下降。当只有1个压力升高另1个对径压力降低时，可直接判断压力升高的压力传感器位置为下沉点，通过计算压力差得出浮顶倾斜角度。当有2个压力升高2个压力降低时，先进行实际下沉点与上升点计算，使用三角函数通过2个升高压力数据计算出最大下沉点压力升高值和角度，再通过2个下降值计算出最大上升点压力下降值和角度，从而给出浮顶实际倾斜的方向，最后根据压力差计算出倾斜角度。

3) 浮顶倾斜报警时除了有声音的提示外，还可以在屏幕上给出浮顶倾斜动画显示。报警时在相应的储油罐图标的浮顶上可以突显浮顶倾斜状态，在浮顶俯视图上可以给出浮顶的倾斜方面和下沉深度。

7 结束语

浮顶罐的浮顶倾斜监测系统可以连续监测储油罐浮顶的运行状态，监测其倾斜程度，及时对浮顶的异常进行报警。系统投入使用后，减少了人工上罐检查的频率，可以把工作重点放在检查储油罐标尺的准确性、密封的严密性和检测压变的灵敏度上。

浮顶倾斜自动检测系统从设备部件的选型到实施方案都具有可操作性，特别是光纤压力传感器的应用解决了在油罐内的油气空间中要求使用本质安全型设备的问题。系统中采用测点少，线路布置合理，采用罐外解调方式可实现数据的远距离传送，显示设计简单明了，系统使用及维护方便。系统设计中逻辑计算及分析程序简单实用，不需大型服务器即可完成，可节省系统安装成本。

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