可燃易挥发液体储罐液位的安全测试方案设计

胡极诸 过程装备与控制工程 092 班 B09360212 可燃易挥发液体储罐液位的安全测可燃易挥发液体储罐液位的安全测 试方案设计试方案设计 常用液体测试方法大概可分为常用液体测试方法大概可分为 6 6 大类 大类 一 一 玻璃管法 玻璃板法 双色水位法 人工检尺法玻璃管法 玻璃板法 双色水位法 人工检尺法 1 1 玻璃管法 玻璃管法 该方法利用连通器原理工作 如图 1 1 所示 图中 1 被测容器 2 玻璃管 3 指 示标度尺 4 5 阀 6 7 连通管 液位直接从指示标度尺读出 玻璃管液位计是一种直读式液位测量仪表 适用于工业 化工 石油等工业设备容器 上做液位显示 生产过程中一般贮液设备中的液体位置的现场检测 其结构简单 测量准 确 是传统的现场液位测量工具 该液位计两端各装有一个针形阀 当玻璃管发生意外事 故而破碎时 针形阀在容器压力作用下自动关闭 以防容器内介质继续外流 2 2 玻璃板法 玻璃板法 根据连通器原理 将容器内介质液体引至外部玻璃板液位计内 通过透明玻璃直接显 示容器内液位实际高度 具有结构简单 直观可靠 经久耐用等优点 但容器中的介质必 须是与钢 钢纸及石墨压环不起腐蚀作用的 玻璃板可通过连通器安装 也可在容器壁上 开孔安装 并可串联几段玻璃板以增大量程 3 3 双色水位计法 双色水位计法 它是通过光的反射 折射 透视等不同原理 使气相呈红色 液相呈绿色而制成的 运行人员在现场或集控室的监视器上可直接看到水位计里面水位的变化 直观可靠 水位计采用二极管冷光源 观看效果好 亮度可调 寿命常 易维护 能耗低 并且可视 胡极诸 过程装备与控制工程 092 班 B09360212 范围宽 水位计安装后光源基本无需调整 即可看到气红液绿 4 4 人工检尺法 人工检尺法 该方法用于测量油罐液位 测量时 测量员把量油尺投入油品中 并在尺砣与罐底接 触时提起量油尺 根据量油尺上的油品痕迹 读出油面高度 根据量油尺末端试水膏颜色 的变化确定水垫层的高度 从而确定油高和水高 以上 4 种方法都是人工测量方法 具有测量简单 可靠性高 直观 成本低的优点 二 吹气法 差压法 二 吹气法 差压法 HTGHTG 法法 1 1 吹气法 吹气法 该方法的工作原理如图 2 1 所示 图中 1 过滤器 2 减压阀 3 节流元件 4 转子流量计 5 变送器 将一根吹气管插入至被测液体的最低面 零液位 使吹气管通 入一定量的气体吹气管中压力与管口处液柱静压力相等 故 P gH 式中 液体密度 H 液位 故由静压力 P 即可测量液位 H 吹气法适用于测量腐蚀性强 有悬浊物的液体 主要应用在测量精度要求不高的场合 2 2 差压法 差压法 差压法利用容器内液位改变时 由液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的 如图 所示 差压变送器的一端接液相 另一端接气相时根据流体静力学原理 我们知道 变送器正压 室受到的压力为 Pl P 气十 H g 式中 H 液位高度 介质密度 g 重力加速度 P 气 气相压力 胡极诸 过程装备与控制工程 092 班 B09360212 差压变送器负压室压力 P2 P 气 则正负压室的差压为 P P1 P2 P P1 P2 通常 被测介质的密度是已知的 因此 测得差压值就能知道液位高度 若被测容器 是敞口的 气相压力为大气压力 则差压变送器的负压室通大气就可以了 这时也可用压 力变送器或压力计来直接测量液位的高低 图示容器是受压的 则将负压室与容器气相相 连接 以平衡气相压力的静压作用 差压式液位计是应用差压计或差压变送器来测量变送器液位的 是目前应用得最广泛 的一种液位测量仪表 3 3 HTGHTG 法法 该方法应用于油罐差压液位测量中 如图 2 3 所示 图中 P1 P2 P3 高精度压力 传感器 RTD 温度检测元件 HIU 接口单元 P1 位于罐底附近 的罐壳处 P2 比 P1 高 8 英尺 P3 位于罐顶附近的罐壳处 对于常压油罐 压力传感器 P3 可以省去 设压力 传感器 P1 P2 P3 测得的压力分别为 p1 p2 p3 则 式中 G 油品重量 Sav 油罐平均截面积 av 介于压力传感器 P1 P2 之间油品平均 密度 g 是重力加速度 H 是压力传感器 P1 P2 之间的距离 h 是油品高度 h0 是压力传 感器 P1 的高度 RTD 用于测量油品温度 以对测量数值进行温度补偿 HTG 测量系统价格 较低 但液位测量精度较低 安装须在罐壁开孔 以上 3 种方法都是利用液体的压力差来测量液位的 三 浮子法 浮筒法 浮球法 伺服法 沉筒法三 浮子法 浮筒法 浮球法 伺服法 沉筒法 胡极诸 过程装备与控制工程 092 班 B09360212 1 1 浮子法 浮子法 该方法采用浮子作为液位测量元件 并驱动编码盘或编码带等显示装置 或连接电子 变送器以便远距离传输测量信号 浮子用钢丝绳连接并且悬挂在滑轮上 钢丝绳的另一端 挂有平衡锤 使浮子所受的重力和浮力之差与平衡锤的拉力相平衡 保持浮子可以随机地 停留在任意液面上 这样 浮子跟随液面变化而变化 这种结构液位计的指针位移与被测 液位变化相同 从而达到了检测目的 适用于低温到高温 真空到高压等各种环境 是石油 化工等工业部门的理想液位测 量方法 2 2 浮筒法 浮筒法 浮筒法应用了阿基米德定律和磁藕合原理 浸在液体中的浮筒受到向下的重力 向上的浮力和弹簧弹力的复合作用 当这三个力 达到平衡时 浮筒就静止在某一位置 当液位发生变化时 浮筒所受浮力相应改变 平衡 状态被打破 从而引起弹力变化即弹簧的伸缩 以达到新的平衡 弹簧的伸缩使其与刚性 连接的磁钢产生位移 这样 通过指示器内磁感应元件和传动装置使其指示出液位 限位 开关的仪表即可实现液位信号的报警功能 基于位移测量原理 悬挂在测量弹簧上的位移筒体沉浸在被测液体中 并受到阿基米 德向上浮力作用 其作用力与排开液体质量成正比 根据液位高低 筒体浸入深度不同 向上浮力发生变化 测量弹簧将要作相应延伸 以达到测量结果 3 3 浮球法 浮球法 该方法利用杠杆原理工作 如图 3 2 所示 图中 1 浮球 2 连杆 3 转轴 4 平衡重 5 杠杆 浮球跟随液位变化而绕转轴旋转 带动转轴上的指针转动 并与杠杆另 一端的平衡重平衡 同时在刻度盘上指示出液位数值 浮球法有内浮球式和外浮球式两种 如图 3 2 所示 浮球法主要用于测量温度高 粘度大的液位 但量程较小 浮球液位计具有结构简单 调试方便 可靠性好 精度高等特点 浮球液位计可广泛 适用于高温 高压 粘稠 脏污介质 沥青 含腊等油品以及易燃 易爆 腐蚀性等介质 的液位 界位 的连续测量 浮球液位计可用于石油 化工原料储存 工业流程 生化 医药 食品饮料 罐区管理和加油站地下库存等各种液罐的液位工业计量和控制 浮球液 位计也适用于大坝水位 水库水位监测与污水处理等等 4 4 伺服法 伺服法 该方法采用波动积分电路 消除抖动 延长寿命 提高液位测量精度 现代伺服液位 仪的测量精度较高 已达到 40 m 量程内小于 1 mm 的精度 且一般都具有测量密度分布和 平均密度的功能 胡极诸 过程装备与控制工程 092 班 B09360212 5 5 沉筒法 沉筒法 沉筒的位置随着液位的变化而变化 但其变化量并不与液位变化量相等 在图 3 3a 中 4 液位与浮筒位置的关系如下 上式中 H 液位变化量 C 弹簧的弹性系数 A 沉筒截面积 液体密度 X 沉 筒位置变化量 通常情况下 浮筒位置变化量 X 远小于液位变化量 H 图 3 3b 是扭 力管式沉筒法原理 4 图中 1 沉筒 2 杠杆 3 扭力管 4 芯轴 5 外壳 沉筒 位置随液位变化而变化 在杠杆的作用下 扭力管芯轴的扭角发生变化 二次仪表根据扭 角的变化量计算出液位 以上 5 种方法都是利用浮力原理来工作的 四 电容法 电阻法 电感法四 电容法 电阻法 电感法 1 1 电容法 电容法 其基本工作原理是电容式物位传感器把物位转换为电容量的变化 然后再用测量电容 量的方法求知物位数值 电容式物位传感器是根据圆筒电容器原理进行工作的 其结构如同 2 个长度为 L 半 径分别为 R 和 r 的圆筒型金属导体 中间隔以绝缘物质 当中间所充介质是介电常数为 1 的气体时 两圆筒的电容量为 C1 2 1L R 如果电极的一部分被介电常数为 2 的液体 非导电性的 浸没时 则必须会有电容 量的增量 C 产生 因 2 1 此时两极间的电容量 C C1 C 假如电极被浸没长度为 l 则电容增量为 2 2 1 当 2 1 R r 不变时 电容量增量 C 与电极浸没的长度 l 成正比 因此测出电容增 量数值便可知道液位高度 如果被测介质为导电性液体时 电极要用绝缘物 如聚乙烯 覆盖作为中间介质 而液体 和外圆筒一起作为外电极 假设中间介质的介电常数为 3 电极被浸没长度为 l 则此时 电容器所具有的电容量为 C 2 3L R 其中 R 和 r 分别为绝缘覆盖层外半径和内电极外半径 由于 3 为常数 所以 C 与 l 成正比 电容式物位计适用于各种导电 非导电液体的液位或粘性料位的远距离连续测量和指 示 也可以和其它电动仪表配套使用 以实现液位或料位的自动记录 调节和控制 其亦 可用于导电和非导电液体之间及二种介电常数不同的非导电液体之间的界面测量 胡极诸 过程装备与控制工程 092 班 B09360212 2 2 电阻法 电阻法 该方法特别适用于导电液体的测量 敏感器件具有电阻特性 其电阻值随 液位的变化而变化 故将电阻变化值传送给二次电路即得到液位 探针式利用 跟踪测量法来测量液位 以液位上升的情形为例来说明液位测量原理 当液位 上升时 提起探针完全脱离液体 然后缓慢降低探针寻找液面 则探针与液体 刚接触时的位置即与液位相对应 探针式的特点是测量精度很高 控制电路复 杂 3 3 电感法 电感法 该方法适用于导电液体的液位测量 特别是液态金属 电感法的原理是 液位变化使 得电感元件的自感 互感或导磁率发生变化 故将该变化量送往二次电路即可得到相应的 液位数值 电感法应用最为广泛的是高频液位计 该液位计的测量原理是 频率调制信号 通过射频电缆耦合到传输线传感器谐振回路 谐振回路的输出电压经过检波电路和射频电 缆传送给低通滤波器 然后根据低通滤波器的输出电压控制调谐电路 产生新的振荡频率 直到传感器谐振电路处于完全谐振状态为止 则此时的振荡频率即与传感器的电感量相对 应 从而与液位相对应 电感式液位计是依靠被测液体内的涡流反映液位的 所用电源必须用交流 具体说 在平面螺旋 蚊香形 线圈内通以交流电 当导电液体表面接近线圈时 液体出现涡流将使 线圈的电感量改变 若线圈与电容并联 并联回路的谐振频率会有明显变化 利用这一原 理可构成液位开关 但不适合连续测液位 五 磁致伸缩法 超声波法 微波法 调制型光学法五 磁致伸缩法 超声波法 微波法 调制型光学法 1 1 磁致伸缩法 磁致伸缩法 该方法用于测量油罐液位的原理如图 5 1 所示 图 5 1 中有两个浮子 分别用来检 测油气界面和油水界面 各浮子内都藏有一组永久磁铁 用来产生固定磁场 测量时 液 位计头部发出低电流 询问 脉冲 该电流产生的磁场沿波导管向下传导 当电流磁场与 浮子磁场相遇时 产生 返回 脉冲 也称 波导扭曲 脉冲 询问脉冲与返回脉冲之间 的时间差即对应油水界面和油气界面的高度 磁致伸缩液位计安装容易 测量精度很高 但液体密度变化和温度变化会带来测量误差 浮子沿着波导管外的护导管上下移动 容易 被卡死 胡极诸 过程装备与控制工程 092 班 B09360212 磁致伸缩液位计用于石油 化工原料储存 工业流程 生化 医药 食品饮料 罐区 管理和加油站地下库存等各种液罐的液位工业计量和控制 大坝水位 水库水位监测与污 水处理等等 其优点表现在 可靠性强 精度高 安全性好 磁致伸缩液位计易于安装和维护简单 便于系统自动化工作 2 2 超声波法 超声波法 换能器将电功率脉冲转换为超声波 射向液面 经液面反射后再由换能器将该超声波 转换为电信号 脉冲发送和接收之间的时间 声波的运动时间 与换能器到物体表面的距 离成正比 声波传输的距离 S 与声速 C 和传输时间 T 之间的关系可以用公式表示 S C T 2 超声波是机械波 传播衰减小 界面反射信号强 且发射和接收电路简单 因而应用较为 广泛 但超声波的传播速度受介质的密度 浓度 温度 压力等因素影响 其测量精度较 低 3 3 微波法 微波法 微波通过天线 大多为口径天线 也有平面天线 辐射出去 经液面反射后被天线接 收 然后由二次电路计算发射信号与接收信号的时间差得液位 距离物料表面的距离 D 与 脉冲的时间行程 T 成正比 D C T 2 其中 C 为光速 因空罐的距离 E 已知 则物位 L 为 L E D 该种方法适用于对液体 浆料及颗粒料的物位进行非接触式连续测量 适用于温度 压力变化大 有惰性气体及挥发存在的场合 4 4 调制型光学法 调制型光学法 调制型光学法与微波法类似 只是采用相位或频率调制的光信号代替微波信号 但光 信号受水蒸汽 油蒸汽影响较大 并对液面波动很敏感 且必须采用易受污染的光学镜头 以上 3 种方法都是通过检测信号传播的时间来确定液位的 六 磁翻板法 振动法 核辐射法 光纤传感器法六 磁翻板法 振动法 核辐射法 光纤传感器法 1 1 磁翻板法 磁翻板法 磁翻板法原理如图 6 1a 所示 1 翻板指示组件 2 浮子 3 连通管组件 4 调 整螺钉 5 放泄塞 浮子装有一组永久磁铁 随液位变化而上下移动 通过磁耦合作用带 动磁翻板组件翻转 当液位上升时 磁翻板的红色面朝外 液位下降时 白色面朝外 故 根据磁翻板的颜色即可确定液位 浮子内磁铁与磁翻板磁性结构如图 6 1b 所示 每片翻 胡极诸 过程装备与控制工程 092 班 B09360212 板间的距离为 10 mm 采用几台磁翻板装置串联可增大量程 2 2 振动法 振动法 振动法的原理如图 6 2 所示 9 振动液位仪由导轨 测试架 激锤 振动传感器 伺服机构等组成 伺服机构控制振锤上下爬动并激振 激振后的自由振动被振动传感器检 测 该检测信号经 FET 变换后得到最大功率处的频率 最后由空罐时固有频率 液位关系 得到液位 这种液位测量方法需要激锤 伺服机构等机械运动部件 其工作寿命不是很长 须定期维修和重新标定 安装也较复杂 3 3 核辐射法 核辐射法 放射性同位素在衰变过程中会辐射射线 常见的射线有 射线 其中 射线的穿透力强 射程远 故在核辐射液位测量中广泛采用 实验证明 穿过物质前后 射线强度会发生变化 满足朗伯 比尔定律 A lg 1 T Kbc A 为吸光度 T 为透射比 是透射光强度比上入射光强度 K 为摩尔吸收系数 它与吸收 物质的性质及入射光的波长 有关 c 为吸光物质的浓度 b 为吸收层厚度 核辐射式液位仪由放射源 探测器及处理电路组成 放射源大都采用钴 60 或铯 137 探测器有电离室 记数管 闪烁计数器等几种 其作用是探测射线穿透物质后的强度 4 4 光纤传感法 光纤传感法 背景背景 胡极诸 过程装备与控制工程 092 班 B09360212 黄岛油库区始建于 1973 年 胜利油田开采出的原油经东 营 黄 岛 长管输线输送 到黄岛油库后 由青岛港务局油码头装船运往各地 黄岛油库原油储存能力 76 万立方米 成品油储存能力约 6 万立方米 是我国三大海港输油专用码头之一 1989 年 8 月 12 日 9 时 55 分 石油天然气总公司管道局胜利输油公司黄岛油库老罐区 2 3 万立方米原油储量的 5 号混凝土油罐爆炸起火 大火前后共燃烧 104 小时 烧掉原油 4 万多立方米 占地 250 亩的老罐区和生产区的设施全部烧毁 这起事故造成直接经济损 失 3540 万元 在灭火抢险中 10 辆消防车被烧毁 19 人牺牲 100 多人受伤 其中公安 消防人员牺牲 14 人 负伤 85 人 事故分析事故分析 黄岛油库特大火灾事故的直接原因 是由于非金属油罐本身存在的缺陷 遭受对地雷 击产生感应火花而引爆油气 由于黄岛油库特大火灾事故给国家带来巨大经济损失 国家大力投入研究改进现有油 库区防雷 防火 防地震 防污染系统等 光纤液位计应运而生 整体系统整体系统 光纤液位计分常压型与带压型两种 它们都是利用力平衡原理实现液位的检测 所不 同的是常压型是由钢丝绳直接与浮球相连 而带压型是通过磁力耦合系统带动磁锤上下运 动 机械检测系统与光学编码室完全隔离 下面重点介绍带压型的工作原理 系统由测量单元 包括浮球 钢丝绳 重锤 导向轮 绳轮 磁力耦合器等机械部分 光纤传感器 光电转换器 二次仪表及光缆组成 通过浮球 或磁力浮球系统 将被测液位 信号变为计量绞轮的准确转动 并由此带动光纤传感器中的光学编码器 使液位每上下运动 1mm 就有脉冲信号 再经放大整形 可逆判向等处理显示出液位 同时输出标准电信号或 RS 232C 标准计算机接口进入计算机罐区管理系统 整套系统由五部分组成 磁力耦合检测 系统和光纤传感器两部分安装在易燃易爆的工作现场 光电转换系统 二次仪表和计算机系 统安装在安全的控制室内 现场和控制室之间液位信息的传递由光缆连接 做到罐内无电检 测 本质安全防爆 浮子受浮力的作用浮在液体的表面上 此时液位值通过测量钢带和减速齿轮传送到指示 仪表上 测量钢带起始于钢带轮受到盘簧的作用 保持一定的张力 由于钢带的另一端受到浮 子重力的作用 加上浮力和盘簧的拉力 使钢带保持着一个恒定受力状态 只有当液位上升或 下降时力发生变化 使原来的力平衡受到破坏 此时在盘簧力作用下立即进行调节使浮子随液 位变化 同时液位的变化也通过钢带传给了指示仪表 其测量液位的精度可达 2mm 磁力耦合检测系统磁力耦合检测系统 磁力耦合检测系统跟踪液位变