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浅析超声波液位计及联锁在工业萘储罐上的应用

来源: 编辑: 发布日期:2020-04-30
        摘 要:针对乙 A 类危险化学品工业萘储罐,根据 SIL等级分析确定储罐 PLC 控制系统的控制参数,设计外贴式超声波液位计的PLC 安全仪表系统,以及联锁控制方案。
 
1 外贴式超声波液位计原理与应用
        石化领域储罐应用的液位开关有多种形式,如下超声波式、浮球液位开关、音叉式液位开关、压力式、浸入式、电容式等,其中的大多数是接触式 [2] 。工业萘在升温后属极易挥发性物质,挥发的萘凝固在罐顶仪表连接口处,导致接触式液位计都无法正常工作。因此工业萘储罐需要一种非接触式的,且储罐不能开孔插入式的特殊液位开关,而外贴式超声波液位计满足这些特殊要求,适合工业萘类物料储罐液位的测量。
 
1.1 外贴式超声波液位计工作原理
        检测超声波液位计的方法有脉冲回波法、共振法、频差法和声衰减法,非常为广泛使用的是脉冲回波法 [3] 。超声波被环绕并反射到罐壁,不受气泡、压力等各种因素的影响。可以用本身的探头发射的高频超声波脉冲通过罐壁,脉冲传播信号和在罐壁和液体表面进行反射,通过检测和计算这些反射的特征信号,确定在储液罐的检测点是否有物料,检测液体液位的同时发出报警,此时液位开关将继电器产生的信号输出到 PLC 过程控制系统,实现液位联锁控制。
 
1.2 外贴式超声波液位计的应用优势
        外置式超声波液位计不直接接触物料,和温度、密度等没有关系,测量时不会对物料的泡沫产生影响,保证工作的可靠性。可以配置成各式探头,不仅测量常温、常压甚至高压储罐,而且还能应用于对质量要求严格苛刻的物料储罐。为测量厚壁储罐液位报警,液位开关测量厚度<60 mm。非接触式液位开关安装在罐外壁,不用动火作业,不用对储罐开孔,安装费用低,施工安全,不需要生产停车运行就能安装维护及使用。安装方式基本都是磁力吸附或胶粘。这种开关的重复性及稳定性高,很少产生误报警。没有传动部件,可以做到无腐蚀、无磨损,使用寿命长。环境的温度可以高至 300 ℃,与压力无关。如果装有复合探头的还能自动校准、免调试 [4] 。结合工业萘的物理特性实际要求,选用西安定华仪表的外贴式超声波液位计,图 1 所示为液位开关安装示意。
 
2 储罐 PLC 参数设计
        整个工业萘罐区的生产过程采用 PLC 控制,对罐体压力、温度、液位参数,进行设置声光报警以及联锁系统。因为储罐是“两重点一重大”(重点监管危险化学品、重点监管危险化工工艺、危险化学品重大危险源),危险化学品的储罐进行重大危险源辨识和计算后,确定工业萘储罐为二级重大危险源。危险与可操作性分析(HAZOP)后,确定工业萘储罐安全风险等级 SIL2级,为进一步提高罐区的本质安全性,保证安全生产,防止事故发生,设置 PLC 安全仪表控制系统,一旦储罐出现安全事故状况时,PLC 系统瞬间进行准确的动作,将生产过程安全停止,或是自动进入安全状态,为工业过程中更为重要的安全控制措施 [5] 。
储罐PLC接线安装
2.1 主要控制参数
        储罐 PLC 控制系统中,罐内物料的温度和压力、液位是关键控制20190918082919.jpg的参数。由于工业萘罐因为生产工艺装置输送来的物料流量变动,能够发生原料被泵抽干,或者是物料装满储罐的风险,所以PLC 控制的核心数据就是工业萘罐的液位,检测装置和独立的设置取样点,采用外贴式超声波液位计和外贴式超声波液位计两种液位传感器,共同构成“二选二”的连锁,液位开关和液位计分别设置成高高液位报警,将两者的信号发送到 PLC 控制系统,只要 2 个都达到设定值,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都采用冗余电磁阀,为分别带 2 个电磁阀的开关阀,系统正常操作条件下带电,联锁启动时将不带电。PLC 控制系统的逻辑包括冗余输入信号的各类偏差报警,其中包括 2 个变送器信号的偏差,信号报警值设定在 5%。
 
2.2 PLC 系统设计
        PLC 系统包括现场仪表和实行器,按照故障安全型设计,可以和 DCS 之间进行通信,但 DCS(Distribution Control System 分散控制系统)。不能将数据写入 PLC 系统,避免出现 PLC 控制系统与 DCS 控制系统之间的连接信号产生错误。PLC 控制系统配备独立的控制机柜、工程师站、操作员站、独立通信网、冗余双电源等。PLC 控制系统所用的App硬件都是官方版本,取得国家防爆、计量等强制性认证。
        储罐 PLC 控制系统联锁控制流程见图 2,LSA 的仪表点是一个外置式液位开关,LISA 仪表点是一个外置式液位计。PLC 系统联锁控制:当工业萘储罐外贴液位开关和外贴液位计的液位都高于设定值时,PLC 系统声光报警,同时送出两路开关量联锁信号至实行器电磁阀,联锁关闭储罐进料切断阀停止向储罐内进料,防止储罐液位继续升高,引发冒罐风险;也可手动停止工业萘储罐的紧急停车按钮,此时联锁动作关闭储罐进料切断阀,系统紧急停车。工业萘储罐 PLC 控制系统联锁逻辑见图 3。
超声波液位计和报警装置组合图
        用非接触式外贴超声波液位计和液位计报警装置,同时采用 PLC 控制系统设计,避免罐上开孔及动火焊接作业,减少有害危险物质的泄漏和爆炸的概率。PLC 控制系统工作可靠,使用方便,维护量少,提高了安全性能。PLC 控制系统设计完毕并投入使用,工业萘罐的安全性显著提升,生产过程不会出现由于PLC 控制系统误动作导致的工业萘罐紧急停车、影响装置生产20190918085638.jpg20190918090612.jpg的故障。
3 结语
        伴随着仪器仪表行业的快速发展,化工装置项目的设计,尤其在储罐液位测量领域,非接触式液位仪表得到广泛应用 [6,7] 。PLC 控制系统在工业生产领域特殊的安全保障制度,严格按照安全标准和规范设计,尤其是在设备的设计、选型、使用、维修中,仪器的设计和选择必须充分考虑装置的稳定性和操作现场的安全。
        本项目从工程设计到实际应用,工业萘罐的超声波液位计运行稳定,PLC 控制系统稳定可靠,操作维修方便,根据罐区装置的生产实际,采用多种综合安全性和可靠性措施,保证系统安全功能的实现,保证工业萘罐长周期稳定生产。

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