石化企业罐区仪表工程设计探讨

张卫更

（河北省石油化工设计院有限公司天津分公司， 300384 ）

摘要：介绍了一商业成品油罐区仪表工程的设计方案，并对常见的仪表方案进行了对比和论述。

关键词： 罐区仪表；雷达液位计；仪表工程设计；储罐监控

•  概述

罐区储运系统一般可分为两种类型：石油化工企业中的液体罐区储运系统和具有独立性和商业性的罐区储运系统。储罐压力等级一般在 3MPa 以下，介质温度一般都不高，大多为常温，对某些粘度较大的油品和液体化学品需要加温储存，其温度一般也在 30 ～ 90 ℃，最高不会超过 250 ℃ 。罐区储运仪表控制系统的可靠运行直接关系到企业生产的可靠运行和经济效益。本文以某一商业性的成品油罐区为例，来讨论罐区仪表控制系统的设计。

•  罐区仪表控制系统的组成

罐区仪表控制系统采用模块化结构设计，根据其作用和功能可分为：

1 ）罐区仪表测量控制系统；

2 ）安全仪表控制系统；

3 ）紧急停车仪表控制系统（ ESD ）；

4 ）辅助生产装置仪表控制系统等。

系统图如下：

•  罐区仪表测量控制系统

关于油品计量标准，英、美等国采用 ASTM 标准，以体积为计量单位（加仑、桶等），计量检测用体积法，要求测量的参数只要是液位、温度，以便计算出标准温度（ 15 ℃ ）的体积。

我国的国家标准以质量为计量单位（千克、吨等），计量检测用体积重量法，要求测量的参数是体积、温度、密度，以便计算出重量。国家计量局规定商业交接的重量精度是：国内 0.35% ，国际 0.2% 。

储罐计量中一个基本的参数是罐体几何参数，它的检定是由计量部门根据标准进行的，其精度等级是 0.2% 。因此，要在这个基础数据上来分析液位、温度、密度测量的误差对整个重量测量的影响。

油品计量的检测一般分静态检测和动态检测。

油罐的油品计量的检测一般用静态检测，有三种方法：体积法、体积重量法、重量法。

管道批量输转、大容器对不规则小容器的油品输转的检测则用动态检测，即流量检测。

对于大型油品储罐来说，称重测量是不可取的，液位的准确测量是油品计量的关键点，也是其难点。

储罐常见的液位测量仪表和测量方法有：

•  直接式液位仪表

储罐直接式液位检测仪表有彩色石英玻璃管液位计，玻璃板液位计，基于磁耦合原理的磁浮子翻板式液位计和磁浮球式液位计等，磁浮子或浮球式液位仪表配上各种变送装置，可将液位转换成标准的电信号远传至控制室显示，但是精度不高，一般均在± 10mm 。这些仪表具有直观、价格低的特点，作为一般的储罐监视是可行的。

•  力平衡式液位仪表

力平衡式液位检测仪表又称为浮子式或恒力盘簧式钢带液位计，它的原理基于力平衡原理，主要由检测部分（浮子及导向钢丝）、传送部分（穿孔钢带及滑轮组）和指示部分（恒力盘簧、链轮、钢带及收、放轮和盘簧轮、指示表头）组成。这种仪表的特点是结构简单、价格较低，精度± 4mm ，缺点是罐内安装，安装要求高，传动部件多，维修量大。

•  伺服式液位仪表

伺服式仪表是一种高精度的储罐液位测量仪表，它是在浮子液位计的基础上发展起来的，其测量原理基于阿基米德浮力平衡原理，平衡浮子（直径 30 ～ 70mm ）通过直径仅为 0.115 ～ 0 .4mm 的合金钢丝绳缠绕在线鼓中，浮子重量的变化使线鼓中磁耦力矩发生变化，信号送到智能模块 DTD 中，控制伺服电机的正反转，达到新的重量平衡，从而获得液位的变化。这种测量仪表的优点是多参数测量：液位、界面、密度，传动部件少，测量精度高：± 1mm , ± 0.7mm ，缺点是罐内接触安装，价格较高。

•  雷达液位仪表

雷达液位计是利用超高频电磁波经过天线向罐内的液面发射，通过检测回波与发射波的时差，来计算出液面的高度。这种测量方式的优点为非接触测量，可用于腐蚀性及粘稠介质，无传动部件，罐外安装，测量精度：± 0.5mm 、± 1mm 、± 5mm ，缺点是只能单参数测量。

•  静压式储罐测量系统 HTG

一般的 HTG 系统由底部、中部和顶部各一台高精度的智能压力变送器，罐温度测量采用平均温度变送器及 DCS 计算模块或计算仪构成。构成如图所示：

储罐介质质量 W=(PT1-PT3) × A/g

储罐介质密度 D=(PT1-PT2)/ （ g × H2 ）

储罐液位高度 L=(PT1-PT3)/D ＋ H1

储罐介质体积 V=W/D

储罐横截面积 A

由 DCS 或计算仪根据温度变送器 TT1 测量值对上面的等式进行补偿和计算可得到精确的参数测量值。这种测量方法的优点：直接测量重量，多参数测量，罐外安装，无可动部件，维护量小，缺点是密度分层时液位读数不准。

•  HIMS 混合储罐检测系统

HIMS 检测系统的构成是在罐上装一台伺服式液位仪表或高精度的雷达液位仪表和平均温度计，在罐的顶部和底部各装一台高精度的压力变送器，雷达液位变送器精度可达± 0.5mm ，从而得到高精度的体积计量精度，而压力变送器可精确测量出储液压强，从而获得高精度的平均密度。 HIMS 检测系统除具有 HTG 的优点外，检测的精度高，符合计量要求，且适用于各种储罐形式，各种介质。

储罐介质质量 W=D × A × LT1

储罐介质密度 D=(PT1-PT2)/ （ g × LT1 ）

储罐介质体积 V=A × LT1

储罐横截面积 A

储罐常用液位检测仪表应用性能对比 ：

各种介质适用的液位仪表类型：

注：“ A ”表示好；“ B ”表示一般；“ C ”表示差。

本次工程中由于介质是成品油，且要求计量精度高，因此选用了由雷达液位计，智能压力变送器，和平均温度计组成的 HIMS 储罐液位测量方式 ，可以精确得到储罐的液位、密度、压力、温度、质量等参数值。

因储罐为内浮顶罐，雷达液位计选用导播管安装，导播管采用 DN150 不锈钢管制作每隔 300mm 开 180 °对开Φ 25 连通孔，并抛光处理。

温度计选用 12 点平均温度变送器，为保证温度的准确性，同样加保护 DN50 不锈钢保护套管，在套管上每隔 300mm 开 180 °对开Φ 20 连通孔，并抛光处理。

每个储罐设一音叉式液位开关用于超高液位联锁，音叉藏于短接管内，避免与内浮顶相撞。

储罐进出管线上的切断阀门因其管径达 DN400 ，且要求泄漏小，因此选用平行闸板阀，配国外进口智能电动驱动装置，驱动装置动力为 380VAC ，控制方式为开－停－关方式，并带有阀位反馈信号。

仪表信号采用 4 ～ 20mA 或 ON/OFF 信号制送 DCS 显示控制联锁。控制系统采用西门子 S7-400 系列 PLC 及相应的 I/O 卡件构成。设两个操作站，一个工程师站和一个控制站。系统接入厂内局域网，实现管控一体化。

2.2 安全仪表控制系统

罐区安全仪表控制系统包括可燃气体探测报警控制系统和闭路电视监控系统（ CCTV ）两部分。

因成品油易挥发，其蒸气属于可燃气体，在可能泄漏点依据 SH3063-1999 《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规定》设置探测器，探测器采用催化燃烧式，带现场声光报警，控制室设置可燃气体报警控制盘接收罐区可燃气体探测器信号并显示控制报警，报警设一级报警和二级报警。通过 RS485 通信将信号送至 DCS 进行记录显示报警。

在罐区周围主要道路口设置工业摄像装置，将信号送至门卫值班室实时显示，并通过上位机并入厂内局域网，供管理人员调阅。

•  紧急停车系统（ ESD ）

ESD 单独设置，由西门子 S7-200 系列 PLC 控制系统完成， ESD 的信号检测仪表和执行仪表与 DCS 共用，但执行优先，拥有最高的优先级。当出现储罐溢出，泵工作异常停止等事故时， ESD 将保证整个生产装置按顺序停车，进入安全状态，减少事故损失。

2.4 辅助生产装置控制系统

辅助生产装置包括锅炉房，空压站等，辅助生产装置控制系统单独设置，现场设置控制盘，对辅助生产装置进行控制，并通过通信将重要的监控参数如总蒸汽流量和总蒸汽压力送入中控室 DCS 控制系统中显示记录报警。

3 结论

罐区仪表可根据投资规模及工艺要求选择经济合理的仪表方案，以最少的投资来达到控制目标。

此套生产装置于 2006 年 7 月建成投产，经过一年多的运行，证明其仪表控制系统可靠、有效，保证了企业生产的正常、稳定、安全、可靠、高效的运行，满足了商业罐区对自控的要求。

参考文献

陆德民．《石油化工自动控制设计手册（第三版）》．化学工业出版社， 2001 年 5 月。

《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范（ SH3063-1999 ）》 ．国家石油和化学工业局， 1999 年

《自动化仪表选型设计规定 (HG/T20507-2000) 》 ．国家石油和化学工业局， 2000 年 11 月 22 日

附作者简介：

张卫更（ 1981 －），男，河北省河间市人， 2003 年毕业于重庆大学自动化专业，学士学位，现在在河北省石油化工设计院有限公司天津分公司（ TIANJIN BRANCH OF HEBEI PETROCHEMICAL DESIGN INSTITUTE CO.,LTD ）电仪部从事自控设计工作，任助理工程师。

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