浅析超声波水位计及联锁在工业萘储罐上的应用

1 外贴式超声波水位计原理与应用

石化领域储罐应用的液位开关有多种形式，如下超声波式、浮力式、音叉式、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，而外贴式超声波水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 外贴式超声波水位计工作原理

检测超声波水位计的方法有脉冲回波法、共振法、频差法和声衰减法，zui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 外贴式超声波水位计的应用优势

外置式超声波水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水位计，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] 。

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，采用外贴式超声波水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执行器，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 控制系统所用的软件硬件都是官方版本，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执行器电磁阀，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。

用非接触式外贴超声波水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，工业萘罐的超声波水位计运行稳定，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。