1  概述

    某公司北庫原料罐區(qū)貯存有苯、甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、一甲胺等化工原料。上述化工原料均有揮發(fā)性，改造前貯罐未密封，原料氣體直接排到大氣中，造成原料損耗、環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。此次改造加裝微壓呼吸閥，把原料氣體密封在貯罐內(nèi)，僅異常時(shí)排放，避免了環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。

    原有液位測量方法是從頂部觀察，人工檢測尺插入罐底部然后取出測量。這種方法雖直觀但不方便、不準(zhǔn)確，越來越不能滿足現(xiàn)代化安全生產(chǎn)管理的需要，而且僅有此一種測量方法，不符合重大危險(xiǎn)源至少有兩種不同方法測量液位的安全要求。

    為了達(dá)到化工廠區(qū)原料安全貯存的目的，充分考慮安全為主，經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠、性價(jià)比高的原則，在此設(shè)計(jì)、實(shí)施液位測量安全改造，最經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)重大危險(xiǎn)源兩種不同方法測量液位，做到安全第一，預(yù)防為主，消除安全隱患。

2  現(xiàn)場儀表的選型

    現(xiàn)場儀表即液位變送器的選型是這次液位改造的關(guān)鍵所在。既要可靠、實(shí)用地測量液位，又不能把危險(xiǎn)因素引入罐區(qū)。根據(jù)液位測量原理，有直讀法、浮力法、靜壓法、電容法、超聲波法、微波法等測量方法，此外有磁致伸縮液位計(jì)、外側(cè)液位計(jì)等新型液位計(jì)。

    各種原理液位計(jì)的主要特點(diǎn)：
●  直讀法液位計(jì)主要有人工檢測尺和玻璃液位計(jì)等
    人工檢測尺利用浸入式刻度鋼皮尺測量液位，簡單、實(shí)用，但不方便，可以作為參考、比對(duì)手段；玻璃液位計(jì)直觀、便宜，但液位高時(shí)開孔較多。

●  浮力法液位計(jì)有浮子鋼帶、伺服式、浮球式、翻板式、浮筒式液位計(jì)等多種
    浮子鋼帶液位計(jì)用于開口容器，比較直觀，價(jià)格較便宜，但傳動(dòng)部件多，容易發(fā)生故障，尤其是安裝要求高；伺服式液位計(jì)功能強(qiáng)，可測液位、界位、比重等，精度高（±0.9mm），可達(dá)到計(jì)量級(jí)，故障率較低，但價(jià)格較高，安裝較困難；浮球式和浮筒式液位計(jì)測量高度小；翻板式液位計(jì)比較可靠、實(shí)用，但遠(yuǎn)傳裝置故障率較高，罐高時(shí)相對(duì)笨重。

●  靜壓式液位計(jì)有擴(kuò)散硅、單晶硅、電容式變送器等多種
    這類液位計(jì)都是把靜壓通過不同方式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，相對(duì)小而輕，精度高（高精度的3051S電容式變送器可以做到計(jì)量級(jí)），穩(wěn)定性較好，應(yīng)用較廣泛，尤其是1151電容式變送器穩(wěn)定性更佳。

●  電容式液位計(jì)
    電容式液位計(jì)以罐中的介質(zhì)作電介質(zhì)，液位高度變化，電容量發(fā)生變化，把電容量的變化轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)的變化來檢測液位，精度較高，但不能測量成份變化的液體，高液位不適宜。

●  超聲波液位計(jì)
    利用超聲波在不同介質(zhì)中傳播速度不同和在不同介質(zhì)界面發(fā)生反射來測量液位，不接觸介質(zhì)，但不適宜測量揮發(fā)性介質(zhì)液位。

●  微波液位計(jì)主要是雷達(dá)液位計(jì)
    不接觸介質(zhì)，無可動(dòng)部件，故障率低，精度很高，有計(jì)量級(jí)雷達(dá)液位計(jì)，但價(jià)格偏高。

●  磁致伸縮液位計(jì)
    是一種新型液位計(jì)。它利用磁場脈沖波，測量時(shí)液位計(jì)的頭部發(fā)出電流"詢問脈沖"，此脈沖同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁場，該磁場沿著波導(dǎo)管內(nèi)的磁致伸縮線向下運(yùn)行，與液位計(jì)管外隨液位沿管上下移動(dòng)的浮子內(nèi)磁鐵產(chǎn)生的磁場相遇，隨之產(chǎn)生新的"返回脈沖"，測出"詢問脈沖"和"返回脈沖"的周期便可知道液體的變化位置。精度較高，安裝較簡單，維護(hù)工作量小，可同時(shí)測量溫度，但僅適宜于常溫液體。

●  外測液位計(jì)
    也是一種新型液位計(jì)。該儀表利用振動(dòng)分析原理，通過專用算法處理安裝在容器壁外的液位測量頭檢測到的液位振動(dòng)波形和容器振動(dòng)波形，得出液位高度h與振動(dòng)特征量y及液體溫度t之間的數(shù)學(xué)模型關(guān)系：h=f((a+bt)×y)。式中：a是液體特性系數(shù)，b是液體溫度系數(shù)，t是液體溫度（起溫度補(bǔ)償作用，溫度測量頭同樣安裝在容器壁外），y是振動(dòng)特征量。安裝維護(hù)容易，安全可靠，精度較高，可測量的液體范圍廣，但需要在罐底部安裝，價(jià)格高。

表1   幾種儀表的應(yīng)用對(duì)比表

注：可選為普通、隔爆、本安選擇其一

    幾種儀表的應(yīng)用對(duì)比表見表1。
    舊罐改造，現(xiàn)場不能動(dòng)火，不能進(jìn)罐作業(yè)，只能利用可拆離現(xiàn)場接近罐底的人孔蓋，以滿足本質(zhì)安全回路參數(shù)要求，以安全可靠為主，考慮實(shí)際安裝、實(shí)用、投資少、性價(jià)比高等因素，綜合平衡，選用進(jìn)口1151電容式差壓變送器。

    安裝時(shí)把氣相引至差壓變送器的低壓側(cè)，以平衡掉微壓呼吸閥產(chǎn)生的氣相微壓的影響。

3  本質(zhì)安全（以下簡稱本安）系統(tǒng)

    苯、甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、一甲胺等化工原料易燃易爆。為了不把危險(xiǎn)因素引入危險(xiǎn)罐區(qū)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留出安全裕量系數(shù)，合理選型隔離式安全柵、本安型差壓變送器和信號(hào)電纜。

3.1  安全柵
    隔離式安全柵的本安級(jí)別越高越不易引起爆炸。在一定的本安級(jí)別下，安全柵允許的負(fù)載電容C₀和負(fù)載電感L₀越大越容易構(gòu)成本安回路。

3.2  本安變送器
    本安型差壓變送器的本安級(jí)別越高越不易引起爆炸。在一定的本安級(jí)別下，本安型差壓變送器的內(nèi)部等效電容C_i和內(nèi)部等效電感Li越小越容易構(gòu)成本安回路。而且需要滿足C_i<C₀，L_i<L₀。

3.3  信號(hào)電纜
    在本安防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，正確地設(shè)計(jì)電纜長度和選擇電纜線的種類是不容忽視的問題。本安系統(tǒng)中，變送器和導(dǎo)線同為安全柵的負(fù)載，當(dāng)安全柵和變送器選定后，導(dǎo)線的最大允許長度也就決定了。

    導(dǎo)線存在著分布電容C_B和分布電感L_B，這兩者都是儲(chǔ)能元件。其大小須滿足C_Bm≤C₀-C_i，L_Bm≤L₀-L_i，其中C_Bm、L_Bm分別為允許導(dǎo)線最大分布電容、允許導(dǎo)線最大分布電感，其它參數(shù)意義同前。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的（或查閱有關(guān)資料）導(dǎo)線單位長度分布電容K_C、導(dǎo)線單位長度分布電感K_L，計(jì)算允許導(dǎo)線最大長度l_Cm=C_Bm/K_C，l_Lm=L_Bm/K_L，取其值較小者作為設(shè)計(jì)依據(jù)。實(shí)際導(dǎo)線長度小于允許導(dǎo)線最大長度。

3.4  驗(yàn)算
    安全柵和變送器要經(jīng)過聯(lián)合認(rèn)證，而且接入導(dǎo)線構(gòu)成本安回路，要按實(shí)際導(dǎo)線長度進(jìn)行驗(yàn)算。W_L=(L_i+L_B)×I₀²/2，W_C=(C_i+C_B)×U₀²/2，其中I₀、U₀分別為安全柵的允許最大輸出電流、允許最大輸出電壓，W_L、W_C分別為回路電感實(shí)際最大儲(chǔ)存能量、回路電容實(shí)際最大儲(chǔ)存能量，W_L和W_C中值較大者小于最易燃易爆物料的最小引爆能量，即滿足本安回路的要求。

3.5  干擾抑制
    信號(hào)在傳輸過程中會(huì)受到電場和磁場等干擾而產(chǎn)生非本安能量，必須采取措施加以克服或抑制。

●  接地
    正確接地不僅具有抑制干擾的作用，而且是儀表系統(tǒng)具有本安性質(zhì)的措施之一。安全柵接地端子、儀表的接地端子、24V直流電源的負(fù)極、儀表盤、線管、匯線槽等金屬構(gòu)件可靠接地。
●  信號(hào)電纜采用屏蔽單端接地，克服靜電干擾。
●  對(duì)絞線減小電磁干擾效果明顯，通常采用1~2寸絞距。
●  線路敷設(shè)時(shí)增加導(dǎo)線與干擾源的距離。
    通常設(shè)計(jì)施工中，本安系統(tǒng)電纜都穿金屬線管或沿金屬匯線槽敷設(shè)，而金屬管和線槽本身已起到靜電屏蔽作用，因此電纜選型時(shí)主要考慮克服電磁干擾。

4  系統(tǒng)構(gòu)成

    實(shí)現(xiàn)重大危險(xiǎn)源兩種方法測量液位。膜盒壓力表簡單、直觀；差壓液位變送器和監(jiān)控機(jī)組成的監(jiān)控方法相對(duì)準(zhǔn)確、科學(xué)、使用簡便。

4.1  硬件
    系統(tǒng)由Dell監(jiān)控機(jī)、RS232/RS485轉(zhuǎn)換器、A/D模擬量輸入模塊、本安型1151差壓變送器以及24V開關(guān)電源組成，形成RS485通訊協(xié)議的小型局域網(wǎng)。

    24VDC開關(guān)電源給安全區(qū)的安全柵供電，安全柵的危險(xiǎn)側(cè)采用二線制，既給危險(xiǎn)區(qū)的變送器供電，又接收變送器的4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，安全側(cè)供給A/D模入模塊4~20mA信號(hào)，A/D模塊把4~20mA信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，監(jiān)控機(jī)通過RS485協(xié)議定時(shí)查詢各個(gè)模塊讀取信號(hào)。

    系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖1所示。

4.2  軟件組態(tài)
    以Windows XP為系統(tǒng)軟件，MCGS組態(tài)軟件為平臺(tái)，在MCGS組態(tài)環(huán)境下完成主控窗口、設(shè)備窗口、用戶窗口、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、運(yùn)行策略的組態(tài)，其中設(shè)備窗口完成設(shè)備測試和數(shù)據(jù)處理，生成組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫；運(yùn)行環(huán)境下在線調(diào)試，實(shí)現(xiàn)液位、體積數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、動(dòng)畫顯示、歷史趨勢查詢等功能。

5  總結(jié)

    通過規(guī)范設(shè)計(jì)，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)赜?jì)算，標(biāo)準(zhǔn)施工，精心調(diào)試，達(dá)到了罐區(qū)液位測量安全改造的目的。目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，受到了使用單位的好評(píng)；同時(shí)方便了操作，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。