基于外贴式液位开关的球罐SIS安全仪表系统设计

兰天（福斯特惠勒（河北）工程设计有限公司，河北 石家庄 050061）



基于外贴式液位开关的球罐SIS安全仪表系统设计

兰天（福斯特惠勒（河北）工程设计有限公司，河北 石家庄 050061）

摘要：液位是储罐主要的控制参数，形式不同的储罐液位测量要求也不尽相同，本文根据外贴式液位开关的工作原理分析了其在实际使用中的优势。在化工生产中，为防止和降低石油化工工厂或装置的过程风险需设置SIS安全仪表系统，该系统的合理设计以及运行情况直接影响到装置的安全运行。本文针对某项目中的重大危险源丁二烯球罐，根据其SIL等级分析确定了球罐SIS系统的主要控制参数，具体设计了基于外贴式超声波液位开关的SIS安全仪表系统及完整的联锁控制，并投入生产运行。在实际生产中外贴式超声波液位开关可靠性高、维护简单，工作量小，设计的SIS系统安全稳定性高、运行情况良好，保证了项目罐区和整个厂区的安全生产。

关键词：外贴式液位开关；SIS安全仪表系统；球罐；联锁控制

河北某年产100kt胶乳项目罐区储运生产过程中存在大量的易燃和易爆物质，如丁二烯、苯乙烯、醋酸乙烯等，其中丁二烯储存在1000m3的压力球罐，其他物料存放在相应的立式储罐。根据《SH/T3007-2007石油化工储运系统罐区设计规范》，压力储罐应设置液位计、高液位报警器和高高液位自动联锁切断进料装置[1]。设计中储罐液位计一般采用压差式液位计，同时设置高液位报警和高高液位联锁停卸车泵，高液位报警器一般选用液位开关。

1　外贴液位开关的工作原理及应用优势

现在工业上使用的液位开关有超声波式、浮力式、浸入式电容式、音叉式、压力式液位开关。其中大部分是接触式[2]。在本项目中，针对球罐容积大、尽量不开孔，储存物料易燃易爆、不接触外界空气等环境条件，需要选用一种非接触式、不开孔插入的液位开关，外贴式超声波液位开关正好满足这种要求。

1.1工作原理

超声波液位检测有脉冲回波法、共振法、频差法以及声衰减法等，其中应用较广的是脉冲回波法[3]。超声波在罐壁内环绕及反射不受介质气泡、压力等因素的影响。外贴式超声波液位开关及其探头产生高频超声波脉冲可穿过容器壁，此脉冲在容器壁和液体中传播以及被反射回来，通过对这种反射特性的检测和计算，判断出检测点处容器内是否有液，对液位进行检测报警。同时液位开关输出继电器信号送入DCS系统或其他过程控制系统，实现对液位的联锁控制。

1.2应用优势

外贴式超声波液位开关采用非接触式测量，测量过程中不与介质直接接触，不受介质的温度、比重、腐蚀性的影响，并有效剔除介质挂壁及上部起雾和泡沫影响，较好地保证了工作的可靠性。测量介质包含纯净液体、乳状液体、悬浮状液体，也可配多种探头，不仅可测量常压和高压的储罐装置，还适用于对卫生要求严格的环保型罐；解决了厚壁储罐液位报警测量的难题，最大可测罐壁厚达到60mm。非接触式罐壁外安装、不开孔、不动火、工作量小、安装费用低，不需要停止生产运行即可安装维护和使用；目前安装方式较多的是磁力吸附方式和胶粘安装方式。开关重复性和稳定性高，不易造成误报警；没有可动部件，几乎可以做到无磨损、无腐蚀，使用寿命较长；环境温度可高至300℃，并且和压力无关；装有复合探头的此装置还能自动校准，免调试[4]。

图1为液位开关安装示意图（以立式储罐为例）。

图1　外贴式超声波液位开关安装示意

2　球罐SIS系统控制参数和设计

罐区生产过程主要使用DCS系统进行控制，对储罐的压力、液位等参数设置声光报警和联锁系统。因罐区涉及“两重点一重大”（即重点监管危险化学品、重点监管危险化工工艺和危险化学品重大危险源），经过对罐区内危险化学品重大危险源进行辨识和计算，确定丁二烯球罐属于一级重大危险源；通过进行危险与可操作性（HAZOP）分析，确定丁二烯球罐的安全危险等级为SIL2级，为了进一步提高罐区的本质安全性水平、保证安全生产，防止事故发生，设置了安全仪表系统(SIS，Safety Instrumented System)，正常生产时SIS系统处于休眠或静止状态，一旦球罐出现可能导致安全事故的情况时，系统能够瞬间准确动作，进行紧急事故切断和联锁控制，使生产过程安全停止运行或自动导入预定的安全状态，作为工业过程中更为重要的安全控制措施[5]。

2.1主要控制参数

在大容量球罐检测控制中，罐体的温度、罐内的压力和液位为主要的控制参数。丁二烯球罐的液位由于生产装置的用料和罐区装卸鹤管的进料不断发生变化，可能会出现丁二烯物料抽干和物料冒顶泄漏的危险，因此SIS系统的主要控制参数为球罐的液位，仪表检测元件和取源点独立设置，分别采用外贴式超声波液位开关和磁致伸缩液位计两种测量方式不同的液位传感器构成“1oo2”冗余，液位开关和磁致伸缩液位计分别进行高高液位报警，信号送至SIS系统进行比较，只要有一个达到设定值，系统送出信号进行紧急事故联锁。

设置的紧急事故切断和联锁关闭进料阀门采用冗余电磁阀，为分别带两个电磁阀的开关阀，系统正常操作条件下带电，联锁时不带电；冗余输入的SIS系统逻辑包括输入信号偏差报警，其中2个变送器的信号偏差，报警设定值为5%。

2.2SIS系统设计

SIS系统整体包括现场仪表和执行器，按照故障安全型设计；系统独立于DCS系统设置，采用经过SIL认证的PLC系统进行联锁控制；可与DCS进行通讯，但DCS系统不能向SIS系统写入数据。为避免SIS系统和DCS系统的信号接线出现差错，SIS系统配置独立的控制机柜、工程师站、操作员站和独立的通信网络、冗余电源等。SIS系统中使用的软件、硬件和仪表必须遵守正式版本并已商业化，同时必须获得国家有关防爆、计量、压力容器等强制认证。严禁使用任何试验产品。

设计的球罐SIS系统联锁控制流程如图2所示。图2中LSA仪表点为外贴式液位开关，LISA仪表点为磁致伸缩液位计。

图2　球罐SIS系统联锁控制流程示意图

设计的SIS系统具体联锁控制如下：

当丁二烯球罐外贴液位开关或磁致伸缩液位计任一液位高于设定值时，SIS系统进行声光报警，同时送出两路开关量联锁信号，送至执行器上的电磁阀，联锁关闭球罐进料切断阀，停止向球罐内打料，防止球罐液位继续升高，引发冒顶危险；也可手动拍下丁二烯球罐紧急停车按钮，联锁关闭球罐进料切断阀，紧急停车。球罐SIS系统联锁控制逻辑示意图，如图3所示。

图3　球罐SIS系统联锁控制逻辑示意图

设计的SIS系统由于采用外贴式超声波液位开关这种非接触式液位报警仪表，减少了在承压球罐上的开口和动火，降低了重大危险源危险物料泄漏和燃烧爆炸的概率，仪表的维护和检修强度降低；控制系统运行可靠，使用比较方便，维护量小，安全性能得到提高。SIS系统设计完成投入使用后，丁二烯球罐的安全性明显增高，罐区生产的可靠性提高，生产过程中没有一次因SIS系统误动作造成丁二烯球罐紧急停车及无法继续向罐内打料而影响装置生产。

3　结语

由于仪表行业的发展，在化工项目生产设计中，特别是在罐区储罐液位测量中，非接触液位仪表使用越来越多[6,7]。 SIS安全仪表系统由于其在工业生产中重要的特殊安全性，系统在设计、选型、使用和维护中需要严格遵循安全标准和设计规范[8]，设计选用的仪表需要充分考虑现场的安全性、仪表使用的可靠性以及系统的稳定和操作性[9]。

本项目自设计投产应用以来，丁二烯球罐的SIS系统工作稳定可靠，操作维护方便，同时企业根据自身实际情况，综合采取多种安全可靠性措施[10]，确保系统功能安全实现，充分可靠地保证了企业丁二烯球罐的安全生产、环境安全以及全厂长周期、持续稳定安全生产。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. SH/T 3007 - 2007, 石油化工储运系统罐区设计规范[S]. 北京: 中国石化出版社, 2008: 12 - 13.

[2] 刘志伟. 全新概念的液位开关[J]. 仪表技术与传感器, 1998 (12): 48.

[3] 才勇智, 林成武. 超声波液位计在原油储油罐中的应用[J]. 微计算机信息化. 2009, 25 (7 - 1) : 92.

[4] 金梅, 王昌波, 白任彦. 外贴式超声波液位开关在储罐上的应用[J]. 科技创新导报. 2013, 2: 86.

[5] 张建国. 安全仪表系统在过程工业中的应用[M]. 北京: 中国电力出版社, 2010.

[6] 张琳. ZWCK系列新一代智能外贴超声液位开关[J]. 石油化工自动化.2002, 4: 86 - 88.

[7] 张燕明, 陈永军. 超声波液位开关在顺酐装置中的应用[J]. 中国化工贸易. 2013, 2: 132 - 133.

[8] 中国石油化工集团公司. GB/T 50770-2013, 石油化工安全仪表系统设计规范[S].

[9] 李胜利, 卢金芳. 石油化工装置安全仪表系统的设计[J]. 石油化工自动化, 2007 (02) : 18 - 22.

[10] 王娟娟. 安全仪表系统中F&GS系统的设计[J]. 自动化与仪表, 2014, 29 (4) : 10 - 14.

文献标识码：B

文章编号：1003-0492（2016）04-0094-03中图分类号：TP273

作者简介

兰天（1985-），男，河北灵寿人，工程师，硕士，现就职于福斯特惠勒（河北）工程设计有限公司，主要研究方向为自动化仪表应用。

Design of Spherical Tanks Safety Instrument Systems Based on External Liquid Level Switch

Abstract:The liquid level is the main control parameters of the tank. Its measurement requirements are not same for the different type of tanks. According to the working principle of the external switch of the liquid level, we analyzed its advantages in practical applications. In order to prevent and reduce the process risk of the petrochemical plant or equipment, it is necessary to set up the SIS safety instrument system in the chemical production. The reasonable design and operation of the system will directly affect the safe operation of the device. In this project, according to the major hazard source (butadiene sphere tank), we analyzed and determined the key control parameters of the sphere tank based on the SIL level, and designed the spherical tank safety instrumented system (SIS) and complete interlock control based on external ultrasonic liquid level switch of butadiene sphere tank. This system is put into operation. In the actual production, the external ultrasonic liquid level switch is high reliability, simple maintenance, and small workload. The designed SIS is high security and stability which ensures safety of the tank area and the entire project plant in production.

Key words:External liquid level switch; Safety Instrument Systems（SIS）; Spherical tanks; Interlock and control