外测式超声波液位开关在常压罐区SIS 系统中的应用

刘德华

（中国石油四川石化有限责任公司）

现场安全生产过程中，储罐液位测量至关重要。 浮顶罐液位测量若失准，可能造成浮盘落底，轻则影响浮盘使用寿命，重则造成浮盘倾斜沉没等重大事故。 笔者与相关设计人员分析了外测式液位开关的特点， 该类液位开关虽可以满足SIL要求及现场具体工况，但若需在运行储罐上开孔则风险极高，因此最优方案为将原音叉开关改为外测式超声波液位开关，可满足运行可靠、维护方便的替代要求。

1 现场基本工况

化工区中间产品罐区是中国石油四川石化有限责任公司的重要辅助设施， 主要用于乙烯、丙烯、丁二烯、裂解碳四、抽余碳四及裂解汽油等中间产品物料的储存和中转。 正常生产时，上下游生产装置间除乙烯可直接供料外，其他物料一般通过中间罐区转送。 化工区各装置开、停车或上、下游装置不同步生产时，中间罐区可起到平衡物料和缓冲的作用。

笔者所分析的项目为中国石油四川石化化工中间罐区内浮顶罐液位低低联锁开关整改项目，设计范围为内浮顶罐525-V-2001A/B/C、525-V-2004、525-V-2005A/B、525-V-2006A/B 液 位 低低开关位置高度调整、液位开关仪表更换以及相应线缆、安全仪表系统（SIS）机柜内接线改造等。

化工中间罐区有内浮顶罐8 座，液位测量设置顶装法兰式雷达液位计1 台，侧装法兰式高高液位音叉开关1 台，侧装法兰式低低液位音叉开关1 台。 其中，雷达液位计［1］为连续液位测量，在DCS 中设置有高高、高、低和低低液位报警，低液位报警值为浮盘落底位置上部， 防止浮盘落底。音叉液位开关为开关量仪表，高高液位开关联锁进口切断阀，防止冒罐；低低液位开关联锁出口切断阀和出口输送泵，防止罐抽空或泵汽蚀。 音叉液位开关联锁进出口阀门为安全联锁， 在SIS系统［2］中实现。

原设计8 台内浮顶罐液位低联锁为音叉开关，联锁位置在距离储罐底部500 m 处，作为安全联锁，当触发联锁时浮盘已落底，存在安全隐患。 为消除浮盘落底隐患，需将联锁位置上移至高于浮盘顶部位置［3］。 本项目内浮顶罐处于正常运行过程， 改造方案应以尽量不影响正常生产、尽量利用现有仪表设备减少施工工程量为原则。考虑到内浮顶罐浮盘落底位置上部附近无备用管口，且储罐当前处于正常运行过程，不便于新增管口，故拟将原有的侧装法兰式低低音叉开关废除，在浮盘落底位置上方新增一台贴壁式超声波液位开关。

2 液位计的选型

本项目中中间罐区正在使用的液位测量仪表均为接触式仪表，如音叉开关、雷达液位计、伺服液位计及静压液位计等，如改用上述液位计均需要在储罐上开孔，但实际工况无法满足开孔要求，只有外测式超声波液位计的安装无需开孔且满足SIL2 等级要求。

2.1 外测式超声波液位开关的测量原理及应用特点

外测式超声波液位开关传感器探头能产生可变频的超声波脉冲，脉冲信号在储罐等容器内传播，并透过容器内的介质（液体、气体）。 由于液体和气体中的超声波透射率不同，超声波接触罐壁返回的信号也不同，通过接收和分析返回的超声波信号， 可判断储罐内是否有介质 （液体、气体）， 超声波变送器将判断结果以开关量信号输出，信号送至机柜间SIS 系统，实现对液位的联锁控制。 变频超声波在容器内传播不会受到介质气泡、压力以及外界天气的影响，但安装时对介质温度有要求。 超声波液位开关变送器表头带有LED 显示屏， 可实时显示信号强度和故障代码，便于巡检、维护。

与常规液位计需要与介质接触才能测量不同，外测式超声波液位开关采用非接触式测量技术，依据超声波在液体中透射率不同判断液体有无，精度高、易安装维护。

2.2 现场适用环境

浮盘落底是指当浮顶储罐的液位过低时，浮盘落在了支腿上，此时由支腿支撑浮盘，当储罐液面继续下降时，浮盘和液面之间会形成气相空间，储罐进出料管线流速过快时管线管口可能产生静电聚集，静电与气相的油气相遇极易引发爆炸事故；此外当浮盘落底后，也可能导致支腿坍塌事故。

2021 年，上级单位在安全生产集中整治督查时提出： 化工中间罐区内浮顶罐浮盘的高度为1.85 m，实际联锁点位置距离罐底不足0.5 m，联锁点低于浮盘落底的高度，存在安全隐患，应设置在距离罐底2.2 m 以上位置［4，5］。 原设计内浮顶罐低低液位联锁设置位置过低，不符合国家安全生产监督管理总局令第84 号 《油气罐区防火防爆十条规定》第六条：严禁内浮顶储罐运行中浮盘落底。

原设计低低液位联锁仪表为音叉开关，若将音叉开关上移，需对储罐开孔，而装置运行中无法实现开孔操作。 由于外测式液位开关作业量小，改造难度低，精度可靠，因此为了不影响装置运行，选用外测式非接触式液位开关［6］。经调研定华外测式超声波液位开关可满足SIL 等级、在线安装、调试、易维护等要求。

3 项目现场实施

化工中间罐区有8 台内浮顶罐低低联锁开关不符合《油气罐区防火防爆十条规定》，需要进行整改，计划在原有音叉开关基础上更换外测式超声波液位开关，电缆利旧；原有的低低液位音叉开关接线拆除，采用金属密封堵头完成电气接口封堵。 音叉液位开关至接线箱的分支电缆拆除， 采用金属密封堵头完成接线箱电气接口封堵。 新增的外测式超声波液位开关将安装于距罐底2.2 m 位置处，采用磁吸和耦合剂的方式固定。现场需在安装位置处根据磁吸面积去除外漆并保证光滑。 新增的外测式超声波液位开关增加现场接线箱和分支电缆，电缆可利用罐区现有多芯电缆。 外测式超声波液位开关安装位置较低，遵照罐区现有的防雷设计方案，现场侧和机柜侧不设置电涌保护器。

外测式超声波液位开关现场安装探头与变送器，24 V 电源电缆和信号电缆使用原DCS 音叉开关电缆，机柜内将原DCS 供电改为SIS 系统，原信号线从DCS 柜改至SIS 柜开关量端子板， 实现SIS 系统控制。在化工中间罐区SIS 系统对外测式超声波液位开关进行组态，信号采用无源干接点，现场继电器输出通断为联锁触发条件， 继电器输出“1”为正常，输出“0”为触发联锁。 现场测试，仪表运行正常。

测量介质为裂解汽油、碳九和调制油，介质压力均为微正压，温度为30～60 ℃，储罐罐壁为不锈钢材料，外测式超声波液位开关选用西安定华电子股份有限公司产品，型号为ELL-SA，产品规格GEICRDBFC-H2，液位开关为四线制，防爆等级为Ex d IIC T6，SIL 认证， 安装投用日期2021 年8 月31 日，目前运行状况良好。

4 外测式超声波液位开关的适用场景及前景展望

外测式超声波液位开关利用“变频超声波技术”实现非接触式液位测量，属于从储罐外检测液位的完全非接触检测仪表。 与传统超声波液位仪表相比，外测式超声波液位开关的测量准确率不会受罐壁附着物的影响。 随着技术的不断进步，目前非接触式仪表可通过自动变频变幅技术有效消除噪声干扰，能适应各种复杂工况，稳定性高。 储罐液位超高或抽空容易引起安全事故并导致经济损失，根据规范要求储罐需要安装液位开关，当储罐的液位达到设定的上限或下限值时通过及时报警防止事故发生。

外测式超声波液位开关由于其可靠性强、稳定性高及安装维护简单等优点可被广泛应用于化工等各行业。 因其使用范围广，安装方便，也适用于各种改造项目以及多点联锁 （如三选二，十选三）等重要联锁中。

5 结束语

新修订的 《中华人民共和国安全生产法》自2021 年9 月1 日起施行，本法律相比修订之前新增了“安全生产工作坚持人民至上，生命至上；把保护人民生命安全摆放在首位；树牢安全发展理念；从源头上防范化解重大安全风险”等规定，明确了安全是化工领域的底线。 液位测量是罐区运行的关键参数，接触式测量仪表是当前液位测量的主流设备，随着非接触式仪表测量技术的出现和不断改进，其精度、可靠性不断增强，已能满足当前安全、稳定的生产需求，在特定场合、特殊要求下，非接触式测量仪表弥补了接触式测量仪表的不足，近年来，在各种新建项目、改扩建项目中获得广泛应用。