李增太/齊魯石化運(yùn)行維護(hù)中心橡膠儀表車間

石油化工油品儲罐自動化儀表及工程設(shè)計(jì)分析

李增太/齊魯石化運(yùn)行維護(hù)中心橡膠儀表車間

近年來，石油企業(yè)加快了轉(zhuǎn)型和升級步伐，為自身戰(zhàn)略投資擴(kuò)大堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。石油化工儲罐區(qū)運(yùn)用自動化技術(shù)越來越多，各種新型測量儀表也得到了廣泛的應(yīng)用且提高了企業(yè)生產(chǎn)效率。為了增強(qiáng)油品設(shè)備質(zhì)量，就要制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，來解決生產(chǎn)中存在的安全問題。

石油化工油品儲罐；測量儀表；自動化；設(shè)計(jì)

一、石油化工油品儲罐自動化儀表種類

（一）液位測量儀表

用于測量液位的自動化儀表根據(jù)油品儲罐容積大小的不同所測量范圍也不相同。對于容積較小(<1x105m3)的油品儲罐來說，液位測量儀表應(yīng)安裝在灌頂，且適合采用連續(xù)液位測量儀表;對于容積較大(>1x105m3)白勺油品儲罐來說，應(yīng)安裝兩套連續(xù)液位測量儀表，并在罐旁配置指示儀，對液位測量儀表測量出的液位進(jìn)行顯示。在實(shí)際使用過程中，為防止液位超標(biāo)或過低，還需要在自動化儀表系統(tǒng)中安裝監(jiān)測報(bào)警裝置，以便當(dāng)液位出現(xiàn)異常時系統(tǒng)能夠立刻發(fā)出警報(bào)。較之不常動作的開關(guān)類儀表，連續(xù)液位測量儀表由于可以實(shí)時對儲罐內(nèi)液位變化情況進(jìn)行監(jiān)測，并能對測量儀表工作狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)觀察，因而其可靠性更高。對于對可靠性要求較高的石油化工油品儲罐區(qū)，一般適宜采用這種連續(xù)液位測量儀表。此外，體積計(jì)量法也是石油儲罐常用的一種方法。用于測量油品液位的儀表還有雷達(dá)液位計(jì)、靜壓液位計(jì)、混合計(jì)量法、伺服液位計(jì)等。其中，雷達(dá)液位計(jì)適用于重、輕質(zhì)油品等油品儲罐的液位測量。在應(yīng)用過程中需要對測量精度、介質(zhì)性質(zhì)、油品儲罐類型等各因素進(jìn)行充分考慮，確保雷達(dá)天線選擇的合理適用。目前，雷達(dá)天線主要有桿式天線、平面天線等幾種類型。

（二）溫度測量儀表

在油品儲罐區(qū)中，溫度是計(jì)量儲罐溫度補(bǔ)償?shù)闹匾獏?shù)之一，所以溫度測量非常重要。這就需要用到科學(xué)溫度測量儀表。計(jì)量用油品儲罐溫度測量在油品密度、體積等參數(shù)上應(yīng)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。目前，對于石油化工油品儲罐溫度的測量大多采用的是Pt100鉑熱電阻元件。采用不同溫度測量元件需要參照不同的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。例如，對于熱敏電阻、光纖測量元件等元件在常壓油罐中的使用必須要經(jīng)過校準(zhǔn)且滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定才可以投入使用。

某相關(guān)文獻(xiàn)資料對計(jì)量級石油化工油品儲罐溫度測量儀表現(xiàn)場安裝后精度與固有精度所允許的最大誤差進(jìn)行了明確規(guī)定?，F(xiàn)場安裝后精度基于質(zhì)量和體積計(jì)量的最大允許誤差分別為1.0℃和0.5℃，固有精度基于質(zhì)量和體積計(jì)量的最大允許誤差分別為0.5℃和0.25℃。

（三）壓力儀表

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)GB50160規(guī)定，按照油品儲罐壓力設(shè)計(jì)，可以分為常壓儲罐、低壓儲罐和壓力儲罐三種類型。對于這些儲罐壓力的測量需要采用對應(yīng)的壓力儀表，如低壓儲罐壓力測量和壓力儲罐壓力測量均可以采用壓力變送器。擁有液體密度補(bǔ)償計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)體積計(jì)算功能的伺服液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)多用于混合法計(jì)量石油化工油品儲罐壓力。采用混合法對油品儲罐進(jìn)行測量，有質(zhì)量計(jì)量和體積計(jì)量兩種方式，將其與連續(xù)液位測量儀配套使用，往往可以達(dá)到精確的計(jì)量結(jié)果。

二、油品損耗的影響因素

儲油罐內(nèi)氣相傳質(zhì)的三種形式：分子擴(kuò)散、熱擴(kuò)散及強(qiáng)制對流。分子擴(kuò)散是由于儲油罐內(nèi)上部氣體空間油氣濃度分布不均勻，油蒸汽在濃度差的作用下從高濃度向低濃度運(yùn)移的過程。在儲油罐內(nèi)油氣分子由下向上遷移，從而使得儲油罐內(nèi)上部氣體空間油氣濃度增加。熱擴(kuò)散是由于溫度的變化引起罐內(nèi)空間溫度分布不均勻而產(chǎn)生的油氣擴(kuò)散過程，油蒸汽從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域擴(kuò)散。強(qiáng)制對流是由于罐內(nèi)壓強(qiáng)分布不均引起油蒸汽從高壓區(qū)域向低壓區(qū)域運(yùn)移的過程。儲油罐內(nèi)的油品在一定的壓力、溫度條件下就會發(fā)生氣化。

引起油品發(fā)生損耗的原因大致有儲存蒸發(fā)損耗、作業(yè)損耗及設(shè)備故障損耗這三種，其中儲存蒸發(fā)損耗起主導(dǎo)作用。

（一）儲存蒸發(fā)損耗

儲油罐內(nèi)油品的損耗主要來自于儲存蒸發(fā)損耗。儲存損耗又包括自然蒸發(fā)損耗、小呼吸損耗及大呼吸損耗。自然蒸發(fā)損耗是由于儲罐密封性不好引起油品與大氣流通而發(fā)生的油品損耗；大呼吸損耗是由于罐內(nèi)自由液面的升降導(dǎo)致油蒸汽經(jīng)機(jī)械呼吸閥排出；小呼吸損耗是由于晝夜溫差，使得儲罐內(nèi)的油蒸汽壓力發(fā)生變化，吸入空氣造成的油氣損耗。

（二）作業(yè)損耗

作業(yè)損耗主要包括裝卸油損耗、設(shè)備維護(hù)損耗及其他操作損耗。裝卸損耗是在裝卸油品的過程中造成的油品損耗，主要表現(xiàn)為大呼吸損耗，有時也會表現(xiàn)為飽和損耗；設(shè)備維護(hù)損耗是在對管線、泵機(jī)組等設(shè)備進(jìn)行維護(hù)的過程中造成的油品損耗；其他操作損耗是在清洗罐底、油品倒灌以及灌泵時造成的油品損耗。

（三）設(shè)備故障損耗

有時候設(shè)備發(fā)生故障也會導(dǎo)致油品的損耗。如浮頂罐密封圈不嚴(yán)，油罐、泵機(jī)組等設(shè)備泄漏，機(jī)械呼吸閥漏氣造成的損耗。

三、降低油品損耗的措施

工藝上常采用嚴(yán)格控制油品儲存的條件，優(yōu)化操作、加強(qiáng)管理，油氣回收等措施來降低儲油罐內(nèi)油品損耗。

（一）嚴(yán)格控制油品儲存的條件

油品的儲存溫度、壓力直接影響著油品損耗。從溫度方面著手可采用淋水、刷涂料（白色）、縮小晝夜溫差等方式減少油品損耗；從壓力方面著手可以控制外界環(huán)境的壓強(qiáng)，提高油罐承壓能力來減少油品的小呼吸損耗。如采用球形罐可明顯提高儲罐的承壓能力，但是造價較高。同時適當(dāng)通風(fēng)，既能保證油氣的流通，也可以使油品的損耗量降到最低。

（二）優(yōu)化操作、加強(qiáng)管理

優(yōu)化操作：檢尺人員應(yīng)盡量在清晨或傍晚作業(yè)，此時儲油罐內(nèi)外壓差較小，排氣損耗較少，檢尺完成后應(yīng)盡快蓋上油蓋；化驗(yàn)人員對油品進(jìn)行水含量等各項(xiàng)指標(biāo)檢測時應(yīng)緩慢放油，降低油品的通風(fēng)損耗及小呼吸損耗；盡量高液位儲油，減小油氣空間；平時盡量不要打開儲油罐上的透光孔和量油孔等；縮短收發(fā)油之間的時間間隔；裝油進(jìn)罐時采用液下密閉的形式。

加強(qiáng)管理：定期檢查機(jī)械呼吸閥、計(jì)量裝置等設(shè)備的密封狀況；盡量減少油品輸轉(zhuǎn)次數(shù)，減少油品與空氣接觸的機(jī)會；定期檢尺檢測油罐液位，及時發(fā)現(xiàn)各種異常情況；提高操作及管理自動化水平，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控儲油罐溫度、壓力、液位等參數(shù)的變化，防止意外事故的發(fā)生；加強(qiáng)對相關(guān)工作人員的培訓(xùn)，提高員工的安全意識及技術(shù)水平；及時統(tǒng)計(jì)、傳遞罐區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及情況。

（三）油氣回收

常用的油氣回收技術(shù)有三種：冷凝法、吸附法及吸收法。冷凝法是采用多級冷凝器對油氣進(jìn)行深度冷凝，實(shí)現(xiàn)回收油蒸汽的目的；吸附法是通過活性炭、天然沸石等固體吸附體在一定條件下對油氣進(jìn)行選擇性吸附來回收油氣；吸收法是利用油氣的化學(xué)性質(zhì)，使用適宜的吸收劑與油氣在吸收塔內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)回收油氣的技術(shù)。在這三種技術(shù)基礎(chǔ)上，又衍生出了一些改進(jìn)工藝，如工業(yè)上常采用管線連通儲存同一種油品的油罐，再通過一根集氣管連接集氣罐，構(gòu)成密閉的油氣回收系統(tǒng)有效回收揮發(fā)損耗的油蒸汽，對于輕組分氣體油氣回收系統(tǒng)的回收率可達(dá)90％以上。

四、石油化工油品儲罐自動化儀表工程設(shè)計(jì)

（一）儀表防護(hù)防爆設(shè)置

由于自動化儀表工作在易燃易爆的石油化工產(chǎn)品油罐區(qū)域，因而需要對儀表進(jìn)行良好的防護(hù)防爆設(shè)置。按照國家有關(guān)防護(hù)等級規(guī)定，用于現(xiàn)場測量的儀表外殼防護(hù)等級應(yīng)至少達(dá)到GBIP65，安裝在地下的自動化測量儀表，其外殼防護(hù)等級應(yīng)至少達(dá)到GBIP68。在防爆方面的性能設(shè)計(jì)，國家規(guī)定所有用于爆炸危險場所的自動化儀表防爆性能都必須符合對應(yīng)爆炸危險場所的防爆標(biāo)準(zhǔn)要求，并通過國家等級防爆檢驗(yàn)合格證。這是石油化工油品儲罐用自動化儀表工程設(shè)計(jì)中，所必須達(dá)到的兩個基本指標(biāo)。目前，基于服務(wù)器的石油化工產(chǎn)品儲罐安全系統(tǒng)是較為先進(jìn)和安全的一種設(shè)備。

（二）罐區(qū)安全設(shè)置

正常情況下，石油化工油品儲罐區(qū)的日常運(yùn)行是較為穩(wěn)定的，風(fēng)險與事故發(fā)生概率較低，所以對于沒有特殊要求的罐區(qū)一般只設(shè)置報(bào)警裝置和聯(lián)鎖機(jī)制。若依據(jù)實(shí)際情況需要設(shè)置自動化儀表系統(tǒng)，則應(yīng)嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》來對自動化儀表工程進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保其符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。同時，還要對設(shè)計(jì)出的自動化儀表安全等級與可操作性進(jìn)行檢驗(yàn)和評估，以便合理確定出儀表所需安全等級，確保儀表能夠切實(shí)發(fā)揮效用對危險現(xiàn)場進(jìn)行安全測量，并為自動化儀表系統(tǒng)安裝方案的制定提供理論依據(jù)和支持。

根據(jù)以往石油化工油品儲罐區(qū)發(fā)生的重大事故原因分析，違章作業(yè)是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因之一，所以除了防護(hù)防爆之外，還要對各作業(yè)環(huán)節(jié)、操作行為等可能引發(fā)火災(zāi)等事故因素進(jìn)行認(rèn)真檢測與控制，提高油品罐區(qū)安全系數(shù)。

（三）有毒氣體、可燃?xì)怏w檢測

對于自動化儀表在有毒有害氣體、可燃性氣體方面的檢測設(shè)計(jì)，許多相關(guān)規(guī)范中都進(jìn)行了明確的規(guī)定，如《石油化工可燃?xì)怏w及有毒氣體檢測報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》等。即在儀表工程實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，需嚴(yán)格按照這些規(guī)范來進(jìn)行。但值得注意的是，由于編制原則和側(cè)重點(diǎn)存在一定差異，因而各規(guī)范規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，有些差別較大，所以自動化儀表對有毒氣體、可燃?xì)怏w檢測功能與標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，應(yīng)對石油化工油品罐區(qū)現(xiàn)場及要求進(jìn)行綜合考慮。

五、儲罐計(jì)量設(shè)計(jì)方案

石油化工產(chǎn)品儲罐在采用靜壓法的時候，要嚴(yán)格遵守國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。靜壓法主要是針對儲罐內(nèi)液體壓力和差壓測量，對于壓力變送器具有依賴性。靜壓法的優(yōu)點(diǎn)是：將測量結(jié)果進(jìn)行換算，并可以迅速得到參數(shù)值，投資成本比較低，設(shè)計(jì)方案也是比較簡單的。但是，這種方法不能得到儲罐內(nèi)全部液體的平均密度，會使得測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。在確定最佳設(shè)計(jì)方案時，要對測量儀表結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場儀表結(jié)構(gòu)、自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并制定出適合這些裝置的集成方案。對于要求低的小型罐區(qū)，可以將軟件組態(tài)方式應(yīng)用到自動控制系統(tǒng)當(dāng)中，從而提高了石油的計(jì)量管理水平。對于計(jì)算相對來說較復(fù)雜的計(jì)量裝置，則在儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中加入計(jì)量軟件。

由于在設(shè)計(jì)方案中所含的變量比較多，設(shè)計(jì)人員要在儲罐結(jié)構(gòu)中設(shè)置信號通信單元，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)選擇合適的信號傳輸方式，增強(qiáng)儲罐自動化控制運(yùn)行率。同時，在各種輔助數(shù)據(jù)表作用下，設(shè)計(jì)人員選擇的計(jì)算方法可以提高準(zhǔn)確性，得到儲罐油品質(zhì)量信息及體積參考信息，進(jìn)而對儲罐服務(wù)功能有了提高。

六、結(jié)束語

總之，與油品罐區(qū)安全等級、各指標(biāo)測量息息相關(guān)的，用于石油化工油品罐區(qū)的自動化儀表及其設(shè)計(jì)需要考慮諸多因素，這樣才能保證設(shè)計(jì)的科學(xué)合理，設(shè)計(jì)符合國家各相規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。我國自動化儀表工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)努力提高自身專業(yè)能力與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為新一代高自動化、高測量精度石油化工油品罐區(qū)自動化儀表的產(chǎn)生而努力。

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