淺析超聲波水位計及聯鎖在工業萘儲罐上的應用

1 外貼式超聲波水位計原理與應用

石化領域儲罐應用的液位開關有多種形式，如下超聲波式、浮力式、音叉式、壓力式、浸入式、電容式等，其中的大多數是接觸式 [2] 。工業萘在升溫后屬極易揮發性物質，揮發的萘凝固在罐頂儀表連接口處，導致接觸式液位計都無法正常工作。因此工業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，而外貼式超聲波水位計滿足這些特殊要求，適合工業萘類物料儲罐液位的測量。

1.1 外貼式超聲波水位計工作原理

檢測超聲波水位計的方法有脈沖回波法、共振法、頻差法和聲衰減法，zui為廣泛使用的是脈沖回波法 [3] 。超聲波被環繞并反射到罐壁，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出報警，此時液位開關將繼電器產生的信號輸出到 PLC 過程控制系統，實現液位聯鎖控制。

1.2 外貼式超聲波水位計的應用優勢

外置式超聲波水位計不直接接觸物料，和溫度、密度等沒有關系，測量時不會對物料的泡沫產生影響，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，而且還能應用于對質量要求嚴格苛刻的物料儲罐。為測量厚壁儲罐液位報警，液位開關測量厚度＜60 mm。非接觸式液位開關安裝在罐外壁，不用動火作業，不用對儲罐開孔，安裝費用低，施工安全，不需要生產停車運行就能安裝維護及使用。安裝方式基本都是磁力吸附或膠粘。這種開關的重復性及穩定性高，很少產生誤報警。沒有傳動部件，可以做到無腐蝕、無磨損，使用壽命長。環境的溫度可以高至 300 ℃，與壓力無關。如果裝有復合探頭的還能自動校準、免調試 [4] 。結合工業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水位計，圖 1 所示為液位開關安裝示意。

2 儲罐 PLC 參數設計

整個工業萘罐區的生產過程采用 PLC 控制，對罐體壓力、溫度、液位參數，進行設置聲光報警以及聯鎖系統。因為儲罐是“兩重點一重大”（重點監管危險化學品、重點監管危險化工工藝、危險化學品重大危險源），危險化學品的儲罐進行重大危險源辨識和計算后，確定工業萘儲罐為二級重大危險源。危險與可操作性分析（HAZOP）后，確定工業萘儲罐安全風險等級 SIL2級，為進一步提高罐區的本質安全性，保證安全生產，防止事故發生，設置 PLC 安全儀表控制系統，一旦儲罐出現安全事故狀況時，PLC 系統瞬間進行準確的動作，將生產過程安全停止，或是自動進入安全狀態，為工業過程中更為重要的安全控制措施 [5] 。

2.1 主要控制參數

儲罐 PLC 控制系統中，罐內物料的溫度和壓力、液位是關鍵控制的參數。由于工業萘罐因為生產工藝裝置輸送來的物料流量變動，能夠發生原料被泵抽干，或者是物料裝滿儲罐的風險，所以PLC 控制的核心數據就是工業萘罐的液位，檢測裝置和獨立的設置取樣點，采用外貼式超聲波水位計和外貼式超聲波液位計兩種液位傳感器，共同構成“二選二”的連鎖，液位開關和液位計分別設置成高高液位報警，將兩者的信號發送到 PLC 控制系統，只要 2 個都達到設定值，系統送出信號進行緊急事故聯鎖。設置的緊急事故切斷和聯鎖關閉進料閥門都采用冗余電磁閥，為分別帶 2 個電磁閥的開關閥，系統正常操作條件下帶電，聯鎖啟動時將不帶電。PLC 控制系統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，信號報警值設定在 5%。

2.2 PLC 系統設計

PLC 系統包括現場儀表和執行器，按照故障安全型設計，可以和 DCS 之間進行通信，但 DCS（Distribution Control System 分散控制系統）。不能將數據寫入 PLC 系統，避免出現 PLC 控制系統與 DCS 控制系統之間的連接信號產生錯誤。PLC 控制系統配備獨立的控制機柜、工程師站、操作員站、獨立通信網、冗余雙電源等。PLC 控制系統所用的軟件硬件都是官方版本，取得國家防爆、計量等強制性認證。

儲罐 PLC 控制系統聯鎖控制流程見圖 2，LSA 的儀表點是一個外置式液位開關，LISA 儀表點是一個外置式液位計。PLC 系統聯鎖控制：當工業萘儲罐外貼液位開關和外貼液位計的液位都高于設定值時，PLC 系統聲光報警，同時送出兩路開關量聯鎖信號至執行器電磁閥，聯鎖關閉儲罐進料切斷閥停止向儲罐內進料，防止儲罐液位繼續升高，引發冒罐風險；也可手動停止工業萘儲罐的緊急停車按鈕，此時聯鎖動作關閉儲罐進料切斷閥，系統緊急停車。工業萘儲罐 PLC 控制系統聯鎖邏輯見圖 3。

用非接觸式外貼超聲波水位計和液位計報警裝置，同時采用 PLC 控制系統設計，避免罐上開孔及動火焊接作業，減少有害危險物質的泄漏和爆炸的概率。PLC 控制系統工作可靠，使用方便，維護量少，提高了安全性能。PLC 控制系統設計完畢并投入使用，工業萘罐的安全性顯著提升，生產過程不會出現由于PLC 控制系統誤動作導致的工業萘罐緊急停車、影響裝置生產的故障。

3 結語

伴隨著儀器儀表行業的快速發展，化工裝置項目的設計，尤其在儲罐液位測量領域，非接觸式液位儀表得到廣泛應用 [6,7] 。PLC 控制系統在工業生產領域特殊的安全保障制度，嚴格按照安全標準和規范設計，尤其是在設備的設計、選型、使用、維修中，儀器的設計和選擇必須充分考慮裝置的穩定性和操作現場的安全。

本項目從工程設計到實際應用，工業萘罐的超聲波水位計運行穩定，PLC 控制系統穩定可靠，操作維修方便，根據罐區裝置的生產實際，采用多種綜合安全性和可靠性措施，保證系統安全功能的實現，保證工業萘罐長周期穩定生產。