1  概述

    某公司北库原料罐区贮存有苯、甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、一甲胺等化工原料。上述化工原料均有挥发性，改造前贮罐未密封，原料气体直接排到大气中，造成原料损耗、环境污染和经济损失。此次改造加装微压呼吸阀，把原料气体密封在贮罐内，仅异常时排放，避免了环境污染和经济损失。

    原有液位测量方法是从顶部观察，人工检测尺插入罐底部然后取出测量。这种方法虽直观但不方便、不准确，越来越不能满足现代化安全生产管理的需要，而且仅有此一种测量方法，不符合重大危险源至少有两种不同方法测量液位的安全要求。

    为了达到化工厂区原料安全贮存的目的，充分考虑安全为主，经济、实用、可靠、性价比高的原则，在此设计、实施液位测量安全改造，最经济地实现重大危险源两种不同方法测量液位，做到安全第一，预防为主，消除安全隐患。

2  现场仪表的选型

    现场仪表即液位变送器的选型是这次液位改造的关键所在。既要可靠、实用地测量液位，又不能把危险因素引入罐区。根据液位测量原理，有直读法、浮力法、静压法、电容法、超声波法、微波法等测量方法，此外有磁致伸缩液位计、外侧液位计等新型液位计。

    各种原理液位计的主要特点：
●  直读法液位计主要有人工检测尺和玻璃液位计等
    人工检测尺利用浸入式刻度钢皮尺测量液位，简单、实用，但不方便，可以作为参考、比对手段；玻璃液位计直观、便宜，但液位高时开孔较多。

●  浮力法液位计有浮子钢带、伺服式、浮球式、翻板式、浮筒式液位计等多种
    浮子钢带液位计用于开口容器，比较直观，价格较便宜，但传动部件多，容易发生故障，尤其是安装要求高；伺服式液位计功能强，可测液位、界位、比重等，精度高（±0.9mm），可达到计量级，故障率较低，但价格较高，安装较困难；浮球式和浮筒式液位计测量高度小；翻板式液位计比较可靠、实用，但远传装置故障率较高，罐高时相对笨重。

●  静压式液位计有扩散硅、单晶硅、电容式变送器等多种
    这类液位计都是把静压通过不同方式转换成标准信号输出，相对小而轻，精度高（高精度的3051S电容式变送器可以做到计量级），稳定性较好，应用较广泛，尤其是1151电容式变送器稳定性更佳。

●  电容式液位计
    电容式液位计以罐中的介质作电介质，液位高度变化，电容量发生变化，把电容量的变化转化成模拟信号的变化来检测液位，精度较高，但不能测量成份变化的液体，高液位不适宜。

●  超声波液位计
    利用超声波在不同介质中传播速度不同和在不同介质界面发生反射来测量液位，不接触介质，但不适宜测量挥发性介质液位。

●  微波液位计主要是雷达液位计
    不接触介质，无可动部件，故障率低，精度很高，有计量级雷达液位计，但价格偏高。

●  磁致伸缩液位计
    是一种新型液位计。它利用磁场脉冲波，测量时液位计的头部发出电流"询问脉冲"，此脉冲同时产生一个磁场，该磁场沿着波导管内的磁致伸缩线向下运行，与液位计管外随液位沿管上下移动的浮子内磁铁产生的磁场相遇，随之产生新的"返回脉冲"，测出"询问脉冲"和"返回脉冲"的周期便可知道液体的变化位置。精度较高，安装较简单，维护工作量小，可同时测量温度，但仅适宜于常温液体。

●  外测液位计
    也是一种新型液位计。该仪表利用振动分析原理，通过专用算法处理安装在容器壁外的液位测量头检测到的液位振动波形和容器振动波形，得出液位高度h与振动特征量y及液体温度t之间的数学模型关系：h=f((a+bt)×y)。式中：a是液体特性系数，b是液体温度系数，t是液体温度（起温度补偿作用，温度测量头同样安装在容器壁外），y是振动特征量。安装维护容易，安全可靠，精度较高，可测量的液体范围广，但需要在罐底部安装，价格高。

表1   几种仪表的应用对比表

注：可选为普通、隔爆、本安选择其一

    几种仪表的应用对比表见表1。
    旧罐改造，现场不能动火，不能进罐作业，只能利用可拆离现场接近罐底的人孔盖，以满足本质安全回路参数要求，以安全可靠为主，考虑实际安装、实用、投资少、性价比高等因素，综合平衡，选用进口1151电容式差压变送器。

    安装时把气相引至差压变送器的低压侧，以平衡掉微压呼吸阀产生的气相微压的影响。

3  本质安全（以下简称本安）系统

    苯、甲苯、二甲苯、甲醇、乙醇、一甲胺等化工原料易燃易爆。为了不把危险因素引入危险罐区，设计时应留出安全裕量系数，合理选型隔离式安全栅、本安型差压变送器和信号电缆。

3.1  安全栅
    隔离式安全栅的本安级别越高越不易引起爆炸。在一定的本安级别下，安全栅允许的负载电容C₀和负载电感L₀越大越容易构成本安回路。

3.2  本安变送器
    本安型差压变送器的本安级别越高越不易引起爆炸。在一定的本安级别下，本安型差压变送器的内部等效电容C_i和内部等效电感Li越小越容易构成本安回路。而且需要满足C_i<C₀，L_i<L₀。

3.3  信号电缆
    在本安防爆系统的设计中，正确地设计电缆长度和选择电缆线的种类是不容忽视的问题。本安系统中，变送器和导线同为安全栅的负载，当安全栅和变送器选定后，导线的最大允许长度也就决定了。

    导线存在着分布电容C_B和分布电感L_B，这两者都是储能元件。其大小须满足C_Bm≤C₀-C_i，L_Bm≤L₀-L_i，其中C_Bm、L_Bm分别为允许导线最大分布电容、允许导线最大分布电感，其它参数意义同前。根据生产厂家提供的（或查阅有关资料）导线单位长度分布电容K_C、导线单位长度分布电感K_L，计算允许导线最大长度l_Cm=C_Bm/K_C，l_Lm=L_Bm/K_L，取其值较小者作为设计依据。实际导线长度小于允许导线最大长度。

3.4  验算
    安全栅和变送器要经过联合认证，而且接入导线构成本安回路，要按实际导线长度进行验算。W_L=(L_i+L_B)×I₀²/2，W_C=(C_i+C_B)×U₀²/2，其中I₀、U₀分别为安全栅的允许最大输出电流、允许最大输出电压，W_L、W_C分别为回路电感实际最大储存能量、回路电容实际最大储存能量，W_L和W_C中值较大者小于最易燃易爆物料的最小引爆能量，即满足本安回路的要求。

3.5  干扰抑制
    信号在传输过程中会受到电场和磁场等干扰而产生非本安能量，必须采取措施加以克服或抑制。

●  接地
    正确接地不仅具有抑制干扰的作用，而且是仪表系统具有本安性质的措施之一。安全栅接地端子、仪表的接地端子、24V直流电源的负极、仪表盘、线管、汇线槽等金属构件可靠接地。
●  信号电缆采用屏蔽单端接地，克服静电干扰。
●  对绞线减小电磁干扰效果明显，通常采用1~2寸绞距。
●  线路敷设时增加导线与干扰源的距离。
    通常设计施工中，本安系统电缆都穿金属线管或沿金属汇线槽敷设，而金属管和线槽本身已起到静电屏蔽作用，因此电缆选型时主要考虑克服电磁干扰。

4  系统构成

    实现重大危险源两种方法测量液位。膜盒压力表简单、直观；差压液位变送器和监控机组成的监控方法相对准确、科学、使用简便。

4.1  硬件
    系统由Dell监控机、RS232/RS485转换器、A/D模拟量输入模块、本安型1151差压变送器以及24V开关电源组成，形成RS485通讯协议的小型局域网。

    24VDC开关电源给安全区的安全栅供电，安全栅的危险侧采用二线制，既给危险区的变送器供电，又接收变送器的4~20mA标准信号，安全侧供给A/D模入模块4~20mA信号，A/D模块把4~20mA信号转换成数字信号，监控机通过RS485协议定时查询各个模块读取信号。

    系统构成示意图如图1所示。

4.2  软件组态
    以Windows XP为系统软件，MCGS组态软件为平台，在MCGS组态环境下完成主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库、运行策略的组态，其中设备窗口完成设备测试和数据处理，生成组态结果数据库；运行环境下在线调试，实现液位、体积数据的实时显示、动画显示、历史趋势查询等功能。

5  总结

    通过规范设计，科学严谨地计算，标准施工，精心调试，达到了罐区液位测量安全改造的目的。目前系统运行稳定，受到了使用单位的好评；同时方便了操作，减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率。