油罐新型紧急关断装置研究

彭 杨，赵晓刚，石凌旭

(1.中国人民解放军后勤工程学院 军事供油工程系，重庆 401311；2.北京第一工作处，北京 100070)

油罐新型紧急关断装置研究

彭 杨1，赵晓刚1，石凌旭2

(1.中国人民解放军后勤工程学院 军事供油工程系，重庆 401311；2.北京第一工作处，北京 100070)

针对油罐收油冒油问题，在对比分析了国内外有关液位监测和紧急关断技术现状的基础上，提出了一种油罐新型紧急关断装置。研究结果表明，该装置具有安全可靠、加装简单、结构新颖、可自力关断等特征。

油罐；冒油；紧急关断

安全问题是油库日常技术管理工作的首要问题，而储油罐的安全状况则是安全工作的重要内容。储油罐是油库的关键设备，储油罐收发油时的安全运行是油库安全的重要管理内容。在储油罐收发油日常管理中，稍有不慎，即可能发生溢油、冒油、跑油和漏油事故，造成油料的损失和浪费，同时，还易造成环境中油蒸汽过浓，引起人员中毒和油料发生火灾爆炸等事故。上千例油库事故分类统计的数据说明，跑油是油库常见事故，占事故总数的28.1%[1]。油罐在储存油料时，为了充分发挥油罐的储油能力，装油体积应尽量达到油罐的安全容量，使油罐内液面高度达到一定值，而顶部留有一定的膨胀空间以防油液在温度升高时因体积膨胀而造成溢油。而在收发油的过程中，由于多种原因可能造成的上顶冒油事故是重要的安全隐患[2]。在实际操作中，常常或因为测量方面的疏忽，或因操作人员离岗，或机械故障，受油油罐进油量超过规定值后继续进油，造成油罐顶部出现冒油事故。

为此，本文提出了一种油罐新型紧急关断装置，以确保储输油设备安全运行。

该装置有以下突出的创新点：保持原储罐工艺中输油管路阀组及附件的设备运行状态，不在储油罐上开口取压，无需更换现有设备，方便在现有的油库进行改装；结构新颖；改装费用低，经济效益好；可自动(自力式)也可手动操作，操作简单；安全可靠。

1 目前国内外油罐液位监测与紧急关断技术现状

油罐的液位监测技术与紧急关断技术组成了有效的油罐防溢油控制技术。为了设计一种适用于油库收油实际情况且安全可靠的新型油罐紧急关断装置，研究液位实时测量技术和收油过程关断技术十分必要。

1.1 油罐液位监测技术现状

当前，世界上许多国家对罐内液高的监控是十分重视的。以美国为例：20世纪90年代美国油库就开始采用HTG静压测量系统、FTG浮子液位测量系统、STG伺服式液位测量系统、光纤液位传感器等方式对油罐液位进行监控，防止油罐在收油过程中发生冒油事故。目前对液位测量较为准确的技术有静压法、微波法、超声波法等，油罐液位测量仪表也正向高精度、多功能、高度自动化方向发展[3]。

浮子(光导电子式)钢带液位计的准确度为10 mm。由于滑轮、盘簧机构与机械计数器的摩擦，这种液位计的可靠性较差;伺服式液位计不仅可以测量液位，也可以测量油水界位。对于大于40 m的测量油罐的准确度上限一般只能达到1 m，可见这种测量方法的准确度有待提高。光纤液位传感器虽具有无电源、灵敏度高、抗腐蚀和抗干扰能力强等特点，但动辄十几万元乃至上百万元的价格也无法实现大规模的使用。

我国由于技术条件相对落后，过去往往通过人工检尺方法测量液位。随着石油工业的迅速发展，油品储量日益增加，收发油作业日渐频繁，人工测量液位已不能适应形势的发展。我国在21世纪初才逐步展开相关方面的研究。孙正鼐等[4]设计了基于红外热像仪的油罐液位测量系统，对硬件和软件进行了设计，实现了对油罐液位的非接触式自动测量。唐鹏等[5]对分布式油罐液位激光测控系统的特点进行了分析，在考虑防爆性能的基础上，通过单片微机系统的多机通讯技术对罐区各罐的液位实现了集中式和网络化管理。王伟丽等[6]在浮球液位检测系统的试验及应用中发现，这种测量方式安全可靠、操作简单，能直观反映大罐液位，具有双重高度计量，误差实时可校正，具有很好的实用性。

1.2 油罐收油紧急关断技术现状

油罐在收油的过程中，主要通过2种方式实现紧急关断：输油泵停止工作；进油通道阀门关断。

1.2.1 输油泵停止工作

当罐内液位高度达到要求值时，泵停止工作，即可达到停止输送的目的。考虑到技术成熟性、成本等各方面原因，在大多数油库特别是军用油库中大多采用“人工检测+人工关断”的方法。即依据作业前储油罐液位的容积V1与安全容量V2之差ΔV(ΔV=V2-V1)以及输油泵的流量与作业时间来大致确定输油泵的关阀停泵时间。这样的操作存在的主要问题是不能准确地确定在收油过程中储罐达到安全容量时的关阀时间。一方面，未到安全容量便实施关阀停泵，储油罐液位未到最高允许液位，造成储油罐利用率下降，增大油品蒸发损耗等；另一方面，若收油过程中超过储罐安全液位仍未关阀停泵，便造成储罐溢油、冒油等事故，危及油库安全。此外，由于多数油库在收油作业中往往涉及油罐的输转，即某一油罐装满后随即切换到另一油罐进行收油，若频繁停泵起泵，则会严重缩短泵的寿命。故通过停泵达到紧急安全保护的方法有一定的缺陷。

1.2.2 进油通道的阀门关断

当油罐里的液位高度达到要求值时，进油通道的阀门关断最简单、最可靠，也是最方便的。进油通道阀门的关断主要有以下3种方法。

1) 人工关断法

由人来判断罐内液位高度并根据液位高度值或接到关阀指令来主动关断正在输送的进油通道的阀门。优点：工作可靠；缺点：不能自动关断，增加油库管理人员负担。

2) 电动/电磁关断法

当液位达到预先设计值时，罐内油液传感器发出信号，通过转换变成电信号，并送给阀门控制器，启动阀门，达到关断的目的，其结构如图1所示。优点：节约人力，可通过集中放置控制器实现自动全局控制；缺点：成本较高，传感器维护和更换复杂。

图1 电动/电磁关断法结构

3) 自力自动关断法

根据罐内静压力来控制先导阀，当罐内液位高度达到预设值时，先导阀起作用，根据管线内的高压力来关断主阀，以达到停止输油的目的，其结构如图2所示。优点：单罐独立，自动保护，成本较低，安全可靠，加装容易，省时省力，维修简单。

2 油罐新型紧急关断装置的设计

“油罐新型紧急关断装置”是一种能在油罐收油时自动限定液位高度的装置。其功能是：油面高度未达到规定值时不起作用；油罐进油时，油面高度达到规定值时自动关断进油通道；油罐再发油时，关断装置不影响发油通道的发油作业。该装置不得对现有油罐进行破坏，任何对现有油罐的改动须受到严格控制。此外，还需尽量降低装置的成本。

新型紧急关断装置由信号传感、前置控制和关断执行装置3部分组成。

图2 自力自动关断法结构

2.1 信号传感部分的分析研究

由于罐内不同液面高度对应不同的液体压强，且当罐内液体种类确定时，压强只与罐内液体的高度有关，因此将压强选用为信号感应来源。设置引压管通过液体介质传递压力信号。通过油罐底部原有的排污管引出罐内液压。在油罐上引出支管，引出罐内油品的静压。在引出的支管上设置过滤器。油罐底部引压如图3所示。

图3 油罐底部引压

另外，输油时所需关闭阀门的高压和动压可直接在进油管路上插设引压管引取，如图4所示。

2.2 前置控制部分的分析研究

前置控制部分的主要任务是对油面与规定高度进行比较判断，当达到控制油高时，及时向关断执行机构发出信号。

对前置控制部分的要求是：进油时，当油面高度未达到控制油高时，前置控制部分不起作用；当油面高度达到控制高度时，前置控制部分及时做出动作；当油面高度又降至控制油高以下时，已动作的前置控制部分必须恢复原位，不影响再次进油。为此，设计了一个先导阀，其结构示意图如图5所示。

图4 进油管路引压

图5 先导阀结构示意图

先导阀采用滑阀形式，其中：1为膜片；2为弹簧；3、4、5、6、7为引压管；8为阀芯。膜片的作用主要是为了将腔V与前4个腔分离。因为前4个腔工作时是充满油液的，而腔V由于设有弹簧调节螺钉而与大气连通，故需要在腔IV和腔V之间设一膜片。弹簧式先导阀核心部件的作用是承受一定的压力，当压力值超过某一值时，弹簧收缩变形，带动阀芯移动；当压力回到这一值以下时，弹簧恢复原形，从而带动阀芯回归原位。管3的主要作用是将油罐与腔IV接通，压强将通过膜片对弹簧施力，当油面超过安全容量时，即油压超过某一值时迫使弹簧压缩变形。管4的作用是排出和引入腔I的油液。由于腔I的体积在阀芯做运动的过程中是不断变化的，所以就必须有一条通路为之排出或引入油液。管5和管6可以互相连通。管6与关断执行装置相连，其作用是将信号传至关断执行装置，从而使关断执行装置动作。管7与阀前进油管相连，其作用是引取高压油。在进油管中，阀前的油液由于受到泵的能量转换，其动压是非常高的，比之油罐内的静压要高得多。阀芯的作用是将阀的内部分隔成4个腔室，通过阀芯的移动可以改变4个腔室的位置或大小。

先导阀的工作过程如下：阀芯的初始位置如图5所示，此时管5与管6相连通，所以其感受和传递的也是低压；由于管6输出的是低压，所以关断执行装置接收的也是低压，故不做出动作；此时，管7虽与高压油连通，但高压只引至腔III内，故不起作用；当罐内的油品达到安全容量时，即油面达到一定高度时，管3所引的油压也达到一定值，并克服弹簧的弹力，使之压缩变形，膜片右移，带动阀芯右移。

由于腔II右移，将管5、管6隔离在互不相通的两个腔内，而将管6、管7接通。此时，管7所引的高压油通过管6传给关断执行装置，关断执行装置将及时做出动作。

当罐内的油面有所下降时，管3所引的油压不足以克服弹簧弹力，从而弹簧恢复原长，阀芯移回原位，管6重新与管5接通，而与管7断开。

另外，为了限制阀芯左右移动的距离，还在阀芯左右两侧各设置了一个限位装置，用于限定阀芯移动的极左和极右位置。

2.3 关断执行装置的分析研究

关断执行装置的主要作用是根据前置控制部分传来的信号，执行关断进油通道的动作。以成本、效率和可靠性为原则进行考虑，纯机械类装置的自力自动关断法是最佳选择。

阀门应尽量采用已有的阀门样品，可做稍微改动，但改动不宜过大。对关断的要求是力求迅速，因为延迟的时间越长，则发生冒油的可能就越大。

主阀结构示意图如图6所示。图6中：1为膜片，将主阀分隔成互不连通的上下两腔；2为弹簧，其主要作用是在来油顶开阀芯进油时给阀芯一个缓冲；管3与先导阀的管6连接，其主要作用是将先导阀传来的高压油导入主阀上腔，从而推动阀芯做关断运动；管4的主要作用是从阀前进油管路上引取高压油。

当油罐内的油面未达安全高度时，管3从先导阀引来的油压是低压，不足以克服进油管路上的高油压，油压冲顶起阀芯，向油罐内输油；当油罐内的油面再次低于安全高度时，进油通道再一次打开。

图6 主阀结构示意图

3 整体系统分析

如图7所示，当油罐进油时，阀2关闭，阀1打开，油品通过进油管路进油。当罐内油面未达安全高度时，先导阀不动作，主阀处于开通状态。随着油品的继续输入，罐内油面不断上升。当罐内油面达到安全高度时，先导阀从油罐得到信号，做出动作，使主阀关闭，阻止油品继续进入油罐。此时，油泵仍在工作，工作人员必需先将阀1关闭，然后才停泵。此装置的一大优点就是无须工作人员在长时间内的输油过程中一直注意罐内油品液面高度，系统在油面达到安全高度时将自动停止进油。

图7 实施过程示意图

发油时，由于油液从逆向不能重开主阀，故必须在主阀前后并行一段管路作为发油管路。阀2在进油、储油时始终关闭。另外，当罐内所储油液未达安全高度时，先导阀不起作用，主阀处于开通状态，此时收油必须关断阀1。当再一次进油时，关闭阀2，开通阀1。只要罐内油面未达安全高度先导阀就不起作用，油液就能冲顶起主阀阀芯向罐内进油。

4 该装置优点

1) 是一种自力式控制装置，无需外动力；

2) 为纯机械，结构简单，可靠性高，且成本较低；

3) 单罐配置，工作相互独立，互不影响；

4) 安装方便，无需对现有油罐进行改动；

5) 能减小油库工作人员的劳动强度，使工作人员无需在油罐进油时长时间集中精力注意罐内油面高度；

6) 油罐新型紧急关断装置能有效地防止油罐在收油时发生冒油事故。

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(责任编辑 刘 舸)

Research on New Type Emergency Shutdown Device of Oil Tank

PENG Yang1， ZHAO Xiao-gang1, SHI Ling-xu2

(1.Department of Petroleum Supply Engineering, Logistic Engineering University, Chongqing 401311, China； 2.The First Office of Beijing, Beijing 100070, China)

For the oil leakage problem of the oil tank in the process of taking oil, based on a comparative analysis of the domestic and foreign related level monitoring and emergency shutdown technology on the current situation, this paper proposes a new tank emergency shutdown device, and it is safe and reliable with simple and novel structure, self shutdown feature and so on.

oil tank;oil leakage;emergency shutdown

2016-11-22 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51276195)

彭杨(1994—)，男，硕士研究生，主要从事油气储运研究，E-mail:156616144@qq.com; 通讯作者 赵晓刚，男，教授，博士，主要从事油气储运及安全系统工程研究。

彭杨，赵晓刚，石凌旭.油罐新型紧急关断装置研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(3):77-81.

format：PENG Yang，ZHAO Xiao-gang, SHI Ling-xu.Research on New Type Emergency Shutdown Device of Oil Tank[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(3):77-81.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.03.011

TH816

A

1674-8425(2017)03-0077-05