石油储罐液位开关的应用分析
发布时间：2019-05-14 发布作者：
摘要：为了保证储罐安全，大型石油储备库的储罐需安装独立于液位连续测量仪表的液位开关，用于储罐的高低液位报警和联锁。详细描述了储罐中常用的液位开关的类型、原理与特点，重点分析了音叉开关、行程开关、外贴式超声波液位开关在应用中的优缺点。大型石油储罐的高低液位测量仪表宜采用音叉开关，在役储罐整改可考虑选用行程开关、外贴式超声波液位开关。
储罐液位是石油仓储库区的主要控制参数之一，根据ＧＢ５００７４—２０１４《石油库设计规范》和ＧＢ５０７３７—２０１１《石油储备库设计规范》等规范［１－２］，选择合适、可靠的高低液位测量仪表至关重要。
１石油储罐常用液位开关概述
当前，大型石油储罐中常用的液位开关主要有：音叉式、行程开关式、外贴式超声波型、浮子式、电容式［３］等。
１.１音叉式液位开关
音叉式液位开关的主要原理［４］：音叉由晶体激励产生一定频率的振动，当音叉叉板被液体物质浸没时，振动频率会发生变化，该频率的变化通过电子线路检测出来并输出１个开关量信号。音叉式液位开关环境适应性强、测量介质广泛，结垢、搅动、湍流、气泡、振动、中等黏度、高温、高压等恶劣条件对检测均无影响，被测物料不同的密度对测量也不会产生影响。因为音叉式液位开关无活动部件，所以一经安装，不需要维护调整。音叉式液位开关有顶装、侧装两种安装类型，可以广泛应用于储罐的高高液位报警联锁及低低液位报警联锁。
１.１.１短型侧装音叉式液位开关
短型侧装音叉式液位开关叉体长度较短，一般叉长在１０ｃｍ以内，采用侧面插入的方式安装在储罐罐壁上。但是对于浮顶罐来说，由于浮盘会随液位的变化而升降，因而须注意音叉开关不能直接插入浮顶罐内部，必须在储罐侧壁加装短管，将音叉开关安装在短管内，短管不应太长，一般为１０～１５ｃｍ，否则原油或者燃料油随着温度降低将逐渐沉积在短管内，这将影响测量的准确性。短管也可采用喇叭口管，喇叭口管的倾斜角会减少油品在短管中的沉积。
短型侧装音叉式液位开关可用于高位和低位的液位报警。由于叉体较短，可以减少高黏度介质的粘附，具有较快的响应时间，但是安装完成后，在储罐运行期间，安装位置无法调整，也无法进行维修和定期测试，特别是在应用于低低液位测量时，只有在空罐检修时才能进行检修和测试。如遇黏度较高的原油物料，油品容易在叉体上附着，造成响应滞后甚至无反应。
１.１.２长型顶装音叉式液位开关
长型顶装音叉式液位开关安装在浮顶罐导向管顶部或拱顶罐罐顶，竖直向下插入罐内测量液位，测音叉叉长可达３～４ｍ。该型音叉式液位开关可用于储罐高位的液位报警，无法用于低位液位报警。其优点是叉体垂直，可保证物料能较容易地从叉板之间流出，减少了高黏度物料在叉板的停留时间，可以有效地减少误动作发生的概率，同时也解决了浮顶罐浮盘的干扰。但是，该型音叉式液位开关一般需要根据储罐的实际情况由厂家订做，费用相对较高，而且在设计时叉体长度计算必须确保准确无误，以免出现联锁液位的偏差。另外，针对大型浮顶罐，一般只有２条导向管，１条常用于安装
雷达液位计和量油
孔，另１条导向管则多用于安装多点平均温度计，因此如采用该型音叉式液位开关，一般与多点平均温度计安装在同１条导向管内。在实际生产中，储罐进油时，常会造成多点平均温度计在导向管内摆动的情况，由此可能会碰到音叉式液位开关叉体，引起误动作。因此应保证安装的导向管口径较小为２５ｃｍ［５］，确保音叉式液位开关与多点平均温度计保持一定的水平距离，以免触发误报警。该型音叉式液位开关一经安装也很难调整位置和测试，但在控制风险的情况下可检修和维护。
１.２行程开关式液位开关
行程开关式液位开关为两线制，无需电源，适用于外浮顶储罐的高高液位测量。行程开关式液位开关原理十分简单，如图１所示，在外浮顶罐导向管外侧上部安装１个行程开关，下方安放１个铜制圆棒，浮顶上浮到高高液位时，浮盘将圆棒向上顶起，触发行程开关的触点动作，无源干接点信号直接引入ＰＬＣ［６］或ＤＣＳ的ＤＩ模块，从而实现控制系统的报警和联锁功能。
行程开关式液位开关的特性有如下几方面：
１）结构简单，相比较音叉式液位开关和超声波外贴式液位开关，测量的可靠性更高，而且成本相对低，主要部件是１个防爆行程开关。
２）日常维护比较简便，只需定期对圆棒和行程开关活动部件进行擦试和润滑，确保圆棒能顺利触动行程开关即可，如遇行程开关故障，也可及时更换检修。
３）利于测试和检查，可定期人为触发行程开关，检查控制系统是否报警和联锁，由此可判断开关功能是否正常。
４）该液位开关只能用于外浮顶储罐的高高液位报警，无法用于其他类型储罐的高高液位报警，也不能用于各类储罐的低低液位报警。
５）行程开关活动部件比较容易锈蚀，需要通过定期检查、润滑、紧固和测试，以保证行程开关液位测量的准确、可靠。
１.３外贴式超声波液位开关
外贴式超声波液位开关是一种安装在密封储罐外壁，实现对石油介质定点液位测量和报警的装置。外贴式超声波液位开关安装示意如图２所示，探头传感器产生的高频超声波脉冲穿透储罐罐壁，该脉冲会在罐壁和液体介质中传播、反射。通过对该反射特性的检测和计算，利用有液体和无液体时信号衰减特性的不同，即可判断出监测点处储罐内是否有介质。外贴式超声波液位开关一般由发射探头、接收探头、变送器和连接器等组成，探头紧贴在储罐外壁，发射探头把电信号转换成音频信号，接收探头吸收音频信号后再将其转变为电信号，通过变送器传送到连接器进行处理，连接器的继电器触点输出信号接入控制系统，从而实现对液位的测量或控制。
外贴式超声波液位开关的有如下几方面特性：
１）可用于各类储罐的高位和低位的液位报警。由于与储罐内的液体介质不接触，安装较为方便［７］。针对未安装液位测量仪表但已投运的石油储罐，安装接触式液位开关需要开孔或动火作业［８］，该情况下需要清罐处理或等到储罐大修时才能安装。如果选用外贴式超声波液位开关，就可避免清罐、动火的难题，在不影响生产作业的情况下完成安装。
２）超声波对液体和固体的穿透能力很强，当介质或分界面可能产生显著的反射波形成反射回波，如浮顶罐浮盘的一二次密封或支柱被超声波探测到时就有可能产生误报警联锁。
３）储罐运行过程中伴热管线、搅拌机所引起的罐壁振动，也会影响测量的精度。
１.４浮子式液位开关
浮子式液位开关的工作原理：浮子在油品浮力的作用下［９］接近杆体，浮子中的磁钢也接近杆体内的干簧管，干簧管的触点在磁力的作用下闭合接通；当浮子远离杆体时，干簧管触点因失去磁力的作用而分离断开；当液位达到设定的高低位时，该种液位开关的电触点就断开或闭合，将输出开关信号接入控制系统中，即可实现报警和联锁。
浮子式液位开关有以下几方面特性：
１）浮子式液位开关在储罐上多采用侧装式。
２）当浮子式液位开关用于原油储罐时，由于原油黏度较高，与浮子、杠杆等接触后会造成传动部件粘黏失效。
３）在用于外浮顶罐高液位报警时，由于浮子式液位开关长期处于自然环境中，尤其在沿海湿热及盐雾气候条件下，极易造成传动部件锈蚀失效，发生卡阻的现象；但由于采用侧装方式，特别是低液位测量时，测试、检修都不能轻易开展，因而容易出现无法正确报警、也不能尽快修复的情况。
１.５电容式液位开关
电容式液位开关采用测量电容［１０］的变化来测量液位信号，它由控制器和发生器两部分组成，探头下部由２个电极构成１个电容，当被测介质进入两电极之间时电容会发生变化，此时输出开关信号送至控制器实现报警和联锁。电容式液位开关与音叉式液位开关的安装方式和测量液位方式相同，但是对原油等黏度较大的介质容易出现挂料现象，测量准确性不高。
２大型石油仓储库液位开关应用分析
大型石油仓储库以外浮顶罐、内浮顶罐和拱顶罐为主，常用的液位开关以音叉式、行程开关式、外贴式超声波为主。音叉式、行程开关式、外贴式超声波液位开关的应用对比情况见表１所列。
３结束语
对于大型石油仓储库［１１］液位开关的选型与应用有以下建议：
１）音叉式液位开关，特别是短型侧装音叉式液位开关，由于具有较快的响应速度、较稳定的测量原理，依然广泛应用于大型石油仓储库储罐液位的测量。在新建储罐或是大修改造中，建议还是首先选用短型侧装音叉式液位开关，但是应尽量选择加装喇叭口短管，以减少高黏度介质在叉板上的留存。
２）对于正在运行中的储罐，如果无法清罐或动火开孔，且必须在一定时间内完成液位开关的安装改造，可以优先选用外贴式超声波液位开关，同时外浮顶罐的高高液位测量可以选择行程开关式液位开关，这两种液位开关的安装比较简单，不涉及动火作业等危险作业，特别适合在用储罐液位测量的改造。
３）在应用中，行程开关式液位开关需要注意日常维护检查；而外贴式超声波液位开关目前市场上生产厂家众多，产品质量参差不齐，价格差异也较大，部分品牌产品误报率高、使用寿命短。因此在使用前，需要注意产品调研，较好采用试用等方式，以测试设备的可靠性。
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