摘 要：針對乙 A 類危險化學(xué)品工業(yè)萘儲罐，根據(jù) SIL等級分析確定儲罐 PLC 控制系統(tǒng)的控制參數(shù)，設(shè)計外貼式超聲波液位計的PLC 安全儀表系統(tǒng)，以及聯(lián)鎖控制方案。

 

1 外貼式超聲波液位計原理與應(yīng)用

        石化領(lǐng)域儲罐應(yīng)用的液位開關(guān)有多種形式，如下超聲波式、浮球液位開關(guān)、音叉式液位開關(guān)、壓力式、浸入式、電容式等，其中的大多數(shù)是接觸式 [2] 。工業(yè)萘在升溫后屬極易揮發(fā)性物質(zhì)，揮發(fā)的萘凝固在罐頂儀表連接口處，導(dǎo)致接觸式液位計都無法正常工作。因此工業(yè)萘儲罐需要一種非接觸式的，且儲罐不能開孔插入式的特殊液位開關(guān)，而外貼式超聲波液位計滿足這些特殊要求，適合工業(yè)萘類物料儲罐液位的測量。

 

1.1 外貼式超聲波液位計工作原理

        檢測超聲波液位計的方法有脈沖回波法、共振法、頻差法和聲衰減法，非常為廣泛使用的是脈沖回波法 [3] 。超聲波被環(huán)繞并反射到罐壁，不受氣泡、壓力等各種因素的影響。可以用本身的探頭發(fā)射的高頻超聲波脈沖通過罐壁，脈沖傳播信號和在罐壁和液體表面進(jìn)行反射，通過檢測和計算這些反射的特征信號，確定在儲液罐的檢測點是否有物料，檢測液體液位的同時發(fā)出報警，此時液位開關(guān)將繼電器產(chǎn)生的信號輸出到 PLC 過程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)液位聯(lián)鎖控制。

 

1.2 外貼式超聲波液位計的應(yīng)用優(yōu)勢

        外置式超聲波液位計不直接接觸物料，和溫度、密度等沒有關(guān)系，測量時不會對物料的泡沫產(chǎn)生影響，保證工作的可靠性。可以配置成各式探頭，不僅測量常溫、常壓甚至高壓儲罐，而且還能應(yīng)用于對質(zhì)量要求嚴(yán)格苛刻的物料儲罐。為測量厚壁儲罐液位報警，液位開關(guān)測量厚度＜60 mm。非接觸式液位開關(guān)安裝在罐外壁，不用動火作業(yè)，不用對儲罐開孔，安裝費用低，施工安全，不需要生產(chǎn)停車運行就能安裝維護(hù)及使用。安裝方式基本都是磁力吸附或膠粘。這種開關(guān)的重復(fù)性及穩(wěn)定性高，很少產(chǎn)生誤報警。沒有傳動部件，可以做到無腐蝕、無磨損，使用壽命長。環(huán)境的溫度可以高至 300 ℃，與壓力無關(guān)。如果裝有復(fù)合探頭的還能自動校準(zhǔn)、免調(diào)試 [4] 。結(jié)合工業(yè)萘的物理特性實際要求，選用西安定華儀表的外貼式超聲波液位計，圖 1 所示為液位開關(guān)安裝示意。

 

2 儲罐 PLC 參數(shù)設(shè)計

        整個工業(yè)萘罐區(qū)的生產(chǎn)過程采用 PLC 控制，對罐體壓力、溫度、液位參數(shù)，進(jìn)行設(shè)置聲光報警以及聯(lián)鎖系統(tǒng)。因為儲罐是“兩重點一重大”（重點監(jiān)管危險化學(xué)品、重點監(jiān)管危險化工工藝、危險化學(xué)品重大危險源），危險化學(xué)品的儲罐進(jìn)行重大危險源辨識和計算后，確定工業(yè)萘儲罐為二級重大危險源。危險與可操作性分析（HAZOP）后，確定工業(yè)萘儲罐安全風(fēng)險等級 SIL2級，為進(jìn)一步提高罐區(qū)的本質(zhì)安全性，保證安全生產(chǎn)，防止事故發(fā)生，設(shè)置 PLC 安全儀表控制系統(tǒng)，一旦儲罐出現(xiàn)安全事故狀況時，PLC 系統(tǒng)瞬間進(jìn)行準(zhǔn)確的動作，將生產(chǎn)過程安全停止，或是自動進(jìn)入安全狀態(tài)，為工業(yè)過程中更為重要的安全控制措施 [5] 。

2.1 主要控制參數(shù)

        儲罐 PLC 控制系統(tǒng)中，罐內(nèi)物料的溫度和壓力、液位是關(guān)鍵控制20190918082919.jpg的參數(shù)。由于工業(yè)萘罐因為生產(chǎn)工藝裝置輸送來的物料流量變動，能夠發(fā)生原料被泵抽干，或者是物料裝滿儲罐的風(fēng)險，所以PLC 控制的核心數(shù)據(jù)就是工業(yè)萘罐的液位，檢測裝置和獨立的設(shè)置取樣點，采用外貼式超聲波液位計和外貼式超聲波液位計兩種液位傳感器，共同構(gòu)成“二選二”的連鎖，液位開關(guān)和液位計分別設(shè)置成高高液位報警，將兩者的信號發(fā)送到 PLC 控制系統(tǒng)，只要 2 個都達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)送出信號進(jìn)行緊急事故聯(lián)鎖。設(shè)置的緊急事故切斷和聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料閥門都采用冗余電磁閥，為分別帶 2 個電磁閥的開關(guān)閥，系統(tǒng)正常操作條件下帶電，聯(lián)鎖啟動時將不帶電。PLC 控制系統(tǒng)的邏輯包括冗余輸入信號的各類偏差報警，其中包括 2 個變送器信號的偏差，信號報警值設(shè)定在 5%。

 

2.2 PLC 系統(tǒng)設(shè)計

        PLC 系統(tǒng)包括現(xiàn)場儀表和執(zhí)行器，按照故障安全型設(shè)計，可以和 DCS 之間進(jìn)行通信，但 DCS（Distribution Control System 分散控制系統(tǒng)）。不能將數(shù)據(jù)寫入 PLC 系統(tǒng)，避免出現(xiàn) PLC 控制系統(tǒng)與 DCS 控制系統(tǒng)之間的連接信號產(chǎn)生錯誤。PLC 控制系統(tǒng)配備獨立的控制機(jī)柜、工程師站、操作員站、獨立通信網(wǎng)、冗余雙電源等。PLC 控制系統(tǒng)所用的軟件硬件都是官方版本，取得國家防爆、計量等強(qiáng)制性認(rèn)證。

        儲罐 PLC 控制系統(tǒng)聯(lián)鎖控制流程見圖 2，LSA 的儀表點是一個外置式液位開關(guān)，LISA 儀表點是一個外置式液位計。PLC 系統(tǒng)聯(lián)鎖控制：當(dāng)工業(yè)萘儲罐外貼液位開關(guān)和外貼液位計的液位都高于設(shè)定值時，PLC 系統(tǒng)聲光報警，同時送出兩路開關(guān)量聯(lián)鎖信號至執(zhí)行器電磁閥，聯(lián)鎖關(guān)閉儲罐進(jìn)料切斷閥停止向儲罐內(nèi)進(jìn)料，防止儲罐液位繼續(xù)升高，引發(fā)冒罐風(fēng)險；也可手動停止工業(yè)萘儲罐的緊急停車按鈕，此時聯(lián)鎖動作關(guān)閉儲罐進(jìn)料切斷閥，系統(tǒng)緊急停車。工業(yè)萘儲罐 PLC 控制系統(tǒng)聯(lián)鎖邏輯見圖 3。

        用非接觸式外貼超聲波液位計和液位計報警裝置，同時采用 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計，避免罐上開孔及動火焊接作業(yè)，減少有害危險物質(zhì)的泄漏和爆炸的概率。PLC 控制系統(tǒng)工作可靠，使用方便，維護(hù)量少，提高了安全性能。PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計完畢并投入使用，工業(yè)萘罐的安全性顯著提升，生產(chǎn)過程不會出現(xiàn)由于PLC 控制系統(tǒng)誤動作導(dǎo)致的工業(yè)萘罐緊急停車、影響裝置生產(chǎn)20190918085638.jpg20190918090612.jpg的故障。

3 結(jié)語

        伴隨著儀器儀表行業(yè)的快速發(fā)展，化工裝置項目的設(shè)計，尤其在儲罐液位測量領(lǐng)域，非接觸式液位儀表得到廣泛應(yīng)用 [6,7] 。PLC 控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域特殊的安全保障制度，嚴(yán)格按照安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范設(shè)計，尤其是在設(shè)備的設(shè)計、選型、使用、維修中，儀器的設(shè)計和選擇必須充分考慮裝置的穩(wěn)定性和操作現(xiàn)場的安全。

        本項目從工程設(shè)計到實際應(yīng)用，工業(yè)萘罐的超聲波液位計運行穩(wěn)定，PLC 控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作維修方便，根據(jù)罐區(qū)裝置的生產(chǎn)實際，采用多種綜合安全性和可靠性措施，保證系統(tǒng)安全功能的實現(xiàn)，保證工業(yè)萘罐長周期穩(wěn)定生產(chǎn)。