石油儲罐液位開關的應用分析
發布時間：2019-05-14 發布作者：
摘要：為了保證儲罐安全，大型石油儲備庫的儲罐需安裝獨立于液位連續測量儀表的液位開關，用于儲罐的高低液位報警和聯鎖。詳細描述了儲罐中常用的液位開關的類型、原理與特點，重點分析了音叉開關、行程開關、外貼式超聲波液位開關在應用中的優缺點。大型石油儲罐的高低液位測量儀表宜采用音叉開關，在役儲罐整改可考慮選用行程開關、外貼式超聲波液位開關。
儲罐液位是石油倉儲庫區的主要控制參數之一，根據ＧＢ５００７４—２０１４《石油庫設計規范》和ＧＢ５０７３７—２０１１《石油儲備庫設計規范》等規范［１－２］，選擇合適、可靠的高低液位測量儀表至關重要。
１石油儲罐常用液位開關概述
當前，大型石油儲罐中常用的液位開關主要有：音叉式、行程開關式、外貼式超聲波型、浮子式、電容式［３］等。
１.１音叉式液位開關
音叉式液位開關的主要原理［４］：音叉由晶體激勵產生一定頻率的振動，當音叉叉板被液體物質浸沒時，振動頻率會發生變化，該頻率的變化通過電子線路檢測出來并輸出１個開關量信號。音叉式液位開關環境適應性強、測量介質廣泛，結垢、攪動、湍流、氣泡、振動、中等黏度、高溫、高壓等惡劣條件對檢測均無影響，被測物料不同的密度對測量也不會產生影響。因為音叉式液位開關無活動部件，所以一經安裝，不需要維護調整。音叉式液位開關有頂裝、側裝兩種安裝類型，可以廣泛應用于儲罐的高高液位報警聯鎖及低低液位報警聯鎖。
１.１.１短型側裝音叉式液位開關
短型側裝音叉式液位開關叉體長度較短，一般叉長在１０ｃｍ以內，采用側面插入的方式安裝在儲罐罐壁上。但是對于浮頂罐來說，由于浮盤會隨液位的變化而升降，因而須注意音叉開關不能直接插入浮頂罐內部，必須在儲罐側壁加裝短管，將音叉開關安裝在短管內，短管不應太長，一般為１０～１５ｃｍ，否則原油或者燃料油隨著溫度降低將逐漸沉積在短管內，這將影響測量的準確性。短管也可采用喇叭口管，喇叭口管的傾斜角會減少油品在短管中的沉積。
短型側裝音叉式液位開關可用于高位和低位的液位報警。由于叉體較短，可以減少高黏度介質的粘附，具有較快的響應時間，但是安裝完成后，在儲罐運行期間，安裝位置無法調整，也無法進行維修和定期測試，特別是在應用于低低液位測量時，只有在空罐檢修時才能進行檢修和測試。如遇黏度較高的原油物料，油品容易在叉體上附著，造成響應滯后甚至無反應。
１.１.２長型頂裝音叉式液位開關
長型頂裝音叉式液位開關安裝在浮頂罐導向管頂部或拱頂罐罐頂，豎直向下插入罐內測量液位，測音叉叉長可達３～４ｍ。該型音叉式液位開關可用于儲罐高位的液位報警，無法用于低位液位報警。其優點是叉體垂直，可保證物料能較容易地從叉板之間流出，減少了高黏度物料在叉板的停留時間，可以有效地減少誤動作發生的概率，同時也解決了浮頂罐浮盤的干擾。但是，該型音叉式液位開關一般需要根據儲罐的實際情況由廠家訂做，費用相對較高，而且在設計時叉體長度計算必須確保準確無誤，以免出現聯鎖液位的偏差。另外，針對大型浮頂罐，一般只有２條導向管，１條常用于安裝
雷達液位計和量油
孔，另１條導向管則多用于安裝多點平均溫度計，因此如采用該型音叉式液位開關，一般與多點平均溫度計安裝在同１條導向管內。在實際生產中，儲罐進油時，常會造成多點平均溫度計在導向管內擺動的情況，由此可能會碰到音叉式液位開關叉體，引起誤動作。因此應保證安裝的導向管口徑較小為２５ｃｍ［５］，確保音叉式液位開關與多點平均溫度計保持一定的水平距離，以免觸發誤報警。該型音叉式液位開關一經安裝也很難調整位置和測試，但在控制風險的情況下可檢修和維護。
１.２行程開關式液位開關
行程開關式液位開關為兩線制，無需電源，適用于外浮頂儲罐的高高液位測量。行程開關式液位開關原理十分簡單，如圖１所示，在外浮頂罐導向管外側上部安裝１個行程開關，下方安放１個銅制圓棒，浮頂上浮到高高液位時，浮盤將圓棒向上頂起，觸發行程開關的觸點動作，無源干接點信號直接引入ＰＬＣ［６］或ＤＣＳ的ＤＩ模塊，從而實現控制系統的報警和聯鎖功能。
行程開關式液位開關的特性有如下幾方面：
１）結構簡單，相比較音叉式液位開關和超聲波外貼式液位開關，測量的可靠性更高，而且成本相對低，主要部件是１個防爆行程開關。
２）日常維護比較簡便，只需定期對圓棒和行程開關活動部件進行擦試和潤滑，確保圓棒能順利觸動行程開關即可，如遇行程開關故障，也可及時更換檢修。
３）利于測試和檢查，可定期人為觸發行程開關，檢查控制系統是否報警和聯鎖，由此可判斷開關功能是否正常。
４）該液位開關只能用于外浮頂儲罐的高高液位報警，無法用于其他類型儲罐的高高液位報警，也不能用于各類儲罐的低低液位報警。
５）行程開關活動部件比較容易銹蝕，需要通過定期檢查、潤滑、緊固和測試，以保證行程開關液位測量的準確、可靠。
１.３外貼式超聲波液位開關
外貼式超聲波液位開關是一種安裝在密封儲罐外壁，實現對石油介質定點液位測量和報警的裝置。外貼式超聲波液位開關安裝示意如圖２所示，探頭傳感器產生的高頻超聲波脈沖穿透儲罐罐壁，該脈沖會在罐壁和液體介質中傳播、反射。通過對該反射特性的檢測和計算，利用有液體和無液體時信號衰減特性的不同，即可判斷出監測點處儲罐內是否有介質。外貼式超聲波液位開關一般由發射探頭、接收探頭、變送器和連接器等組成，探頭緊貼在儲罐外壁，發射探頭把電信號轉換成音頻信號，接收探頭吸收音頻信號后再將其轉變為電信號，通過變送器傳送到連接器進行處理，連接器的繼電器觸點輸出信號接入控制系統，從而實現對液位的測量或控制。
外貼式超聲波液位開關的有如下幾方面特性：
１）可用于各類儲罐的高位和低位的液位報警。由于與儲罐內的液體介質不接觸，安裝較為方便［７］。針對未安裝液位測量儀表但已投運的石油儲罐，安裝接觸式液位開關需要開孔或動火作業［８］，該情況下需要清罐處理或等到儲罐大修時才能安裝。如果選用外貼式超聲波液位開關，就可避免清罐、動火的難題，在不影響生產作業的情況下完成安裝。
２）超聲波對液體和固體的穿透能力很強，當介質或分界面可能產生顯著的反射波形成反射回波，如浮頂罐浮盤的一二次密封或支柱被超聲波探測到時就有可能產生誤報警聯鎖。
３）儲罐運行過程中伴熱管線、攪拌機所引起的罐壁振動，也會影響測量的精度。
１.４浮子式液位開關
浮子式液位開關的工作原理：浮子在油品浮力的作用下［９］接近桿體，浮子中的磁鋼也接近桿體內的干簧管，干簧管的觸點在磁力的作用下閉合接通；當浮子遠離桿體時，干簧管觸點因失去磁力的作用而分離斷開；當液位達到設定的高低位時，該種液位開關的電觸點就斷開或閉合，將輸出開關信號接入控制系統中，即可實現報警和聯鎖。
浮子式液位開關有以下幾方面特性：
１）浮子式液位開關在儲罐上多采用側裝式。
２）當浮子式液位開關用于原油儲罐時，由于原油黏度較高，與浮子、杠桿等接觸后會造成傳動部件粘黏失效。
３）在用于外浮頂罐高液位報警時，由于浮子式液位開關長期處于自然環境中，尤其在沿海濕熱及鹽霧氣候條件下，極易造成傳動部件銹蝕失效，發生卡阻的現象；但由于采用側裝方式，特別是低液位測量時，測試、檢修都不能輕易開展，因而容易出現無法正確報警、也不能盡快修復的情況。
１.５電容式液位開關
電容式液位開關采用測量電容［１０］的變化來測量液位信號，它由控制器和發生器兩部分組成，探頭下部由２個電極構成１個電容，當被測介質進入兩電極之間時電容會發生變化，此時輸出開關信號送至控制器實現報警和聯鎖。電容式液位開關與音叉式液位開關的安裝方式和測量液位方式相同，但是對原油等黏度較大的介質容易出現掛料現象，測量準確性不高。
２大型石油倉儲庫液位開關應用分析
大型石油倉儲庫以外浮頂罐、內浮頂罐和拱頂罐為主，常用的液位開關以音叉式、行程開關式、外貼式超聲波為主。音叉式、行程開關式、外貼式超聲波液位開關的應用對比情況見表１所列。
３結束語
對于大型石油倉儲庫［１１］液位開關的選型與應用有以下建議：
１）音叉式液位開關，特別是短型側裝音叉式液位開關，由于具有較快的響應速度、較穩定的測量原理，依然廣泛應用于大型石油倉儲庫儲罐液位的測量。在新建儲罐或是大修改造中，建議還是首先選用短型側裝音叉式液位開關，但是應盡量選擇加裝喇叭口短管，以減少高黏度介質在叉板上的留存。
２）對于正在運行中的儲罐，如果無法清罐或動火開孔，且必須在一定時間內完成液位開關的安裝改造，可以優先選用外貼式超聲波液位開關，同時外浮頂罐的高高液位測量可以選擇行程開關式液位開關，這兩種液位開關的安裝比較簡單，不涉及動火作業等危險作業，特別適合在用儲罐液位測量的改造。
３）在應用中，行程開關式液位開關需要注意日常維護檢查；而外貼式超聲波液位開關目前市場上生產廠家眾多，產品質量參差不齊，價格差異也較大，部分品牌產品誤報率高、使用壽命短。因此在使用前，需要注意產品調研，較好采用試用等方式，以測試設備的可靠性。
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