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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)，僅異常時排放，避免了環(huán)境污染和經(jīng)濟損失。

    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，不符合重大危險源至少有兩種不同方法測量液位的安全要求。

    為了達到化工廠區(qū)原料安全貯存的目的，充分考慮安全為主，經(jīng)濟、實用、可靠、性價比高的原則，在此設計、實施液位測量安全改造，最經(jīng)濟地實現(xiàn)重大危險源兩種不同方法測量液位，做到安全第一，預防為主，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鍵所在。既要可靠、實用地測量液位，又不能把危險因素引入罐區(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、外側(cè)液位計等新型液位計。

    各種原理液位計的主要特點：
●  直讀法液位計主要有人工檢測尺和玻璃液位計等
    人工檢測尺利用浸入式刻度鋼皮尺測量液位，簡單、實用，但不方便，可以作為參考、比對手段；玻璃液位計直觀、便宜，但液位高時開孔較多。

●  浮力法液位計有浮子鋼帶、伺服式、浮球式、翻板式、浮筒式液位計等多種
    浮子鋼帶液位計用于開口容器，比較直觀，價格較便宜，但傳動部件多，容易發(fā)生故障，尤其是安裝要求高；伺服式液位計功能強，可測液位、界位、比重等，精度高（±0.9mm），可達到計量級，故障率較低，但價格較高，安裝較困難；浮球式和浮筒式液位計測量高度小；翻板式液位計比較可靠、實用，但遠傳裝置故障率較高，罐高時相對笨重。

●  靜壓式液位計有擴散硅、單晶硅、電容式變送器等多種
    這類液位計都是把靜壓通過不同方式轉(zhuǎn)換成標準信號輸出，相對小而輕，精度高（高精度的3051S電容式變送器可以做到計量級），穩(wěn)定性較好，應用較廣泛，尤其是1151電容式變送器穩(wěn)定性更佳。

●  電容式液位計
    電容式液位計以罐中的介質(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
    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。

●  微波液位計主要是雷達液位計
    不接觸介質(zhì)，無可動部件，故障率低，精度很高，有計量級雷達液位計，但價格偏高。

●  磁致伸縮液位計
    是一種新型液位計。它利用磁場脈沖波，測量時液位計的頭部發(fā)出電流"詢問脈沖"，此脈沖同時產(chǎn)生一個磁場，該磁場沿著波導管內(nèi)的磁致伸縮線向下運行，與液位計管外隨液位沿管上下移動的浮子內(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，維護工作量小，可同時測量溫度，但僅適宜于常溫液體。

●  外測液位計
    也是一種新型液位計。該儀表利用振動分析原理，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波形和容器振動波形，得出液位高度h與振動特征量y及液體溫度t之間的數(shù)學模型關系：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（起溫度補償作用，溫度測量頭同樣安裝在容器壁外），y是振動特征量。安裝維護容易，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，價格高。

表1   幾種儀表的應用對比表

注：可選為普通、隔爆、本安選擇其一

    幾種儀表的應用對比表見表1。
    舊罐改造，現(xiàn)場不能動火，不能進罐作業(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，考慮實際安裝、實用、投資少、性價比高等因素，綜合平衡，選用進口1151電容式差壓變送器。

    安裝時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。為了不把危險因素引入危險罐區(qū)，設計時應留出安全裕量系數(shù)，合理選型隔離式安全柵、本安型差壓變送器和信號電纜。

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

3.2  本安變送器
    本安型差壓變送器的本安級別越高越不易引起爆炸。在一定的本安級別下，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越小越容易構成本安回路。而且需要滿足C_i<C₀，L_i<L₀。

3.3  信號電纜
    在本安防爆系統(tǒng)的設計中，正確地設計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，變送器和導線同為安全柵的負載，當安全柵和變送器選定后，導線的最大允許長度也就決定了。

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

3.4  驗算
    安全柵和變送器要經(jīng)過聯(lián)合認證，而且接入導線構成本安回路，要按實際導線長度進行驗算。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分別為回路電感實際最大儲存能量、回路電容實際最大儲存能量，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
    信號在傳輸過程中會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直流電源的負極、儀表盤、線管、匯線槽等金屬構件可靠接地。
●  信號電纜采用屏蔽單端接地，克服靜電干擾。
●  對絞線減小電磁干擾效果明顯，通常采用1~2寸絞距。
●  線路敷設時增加導線與干擾源的距離。
    通常設計施工中，本安系統(tǒng)電纜都穿金屬線管或沿金屬匯線槽敷設，而金屬管和線槽本身已起到靜電屏蔽作用，因此電纜選型時主要考慮克服電磁干擾。

4  系統(tǒng)構成

    實現(xiàn)重大危險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)控機組成的監(jiān)控方法相對準確、科學、使用簡便。

4.1  硬件
    系統(tǒng)由Dell監(jiān)控機、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開關電源組成，形成RS485通訊協(xié)議的小型局域網(wǎng)。

    24VDC開關電源給安全區(qū)的安全柵供電，安全柵的危險側(cè)采用二線制，既給危險區(qū)的變送器供電，又接收變送器的4~20mA標準信號，安全側(cè)供給A/D模入模塊4~20mA信號，A/D模塊把4~20mA信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，監(jiān)控機通過RS485協(xié)議定時查詢各個模塊讀取信號。

    系統(tǒng)構成示意圖如圖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，在MCGS組態(tài)環(huán)境下完成主控窗口、設備窗口、用戶窗口、實時數(shù)據(jù)庫、運行策略的組態(tài)，其中設備窗口完成設備測試和數(shù)據(jù)處理，生成組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫；運行環(huán)境下在線調(diào)試，實現(xiàn)液位、體積數(shù)據(jù)的實時顯示、動畫顯示、歷史趨勢查詢等功能。

5  總結(jié)

    通過規(guī)范設計，科學嚴謹?shù)赜嬎悖瑯藴适┕ぃ恼{(diào)試，達到了罐區(qū)液位測量安全改造的目的。目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定，受到了使用單位的好評；同時方便了操作，減輕了工人的勞動強度，提高了工作效率。