大型罐区安全监控系统的设计与应用.docx

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大型罐区安全监控系统的设计与应用

联合站储油罐区安全监控系统的设计

摘要:

随着石油化工企业的发展和国家原油战略储备库项目的实施，大型的石化企业均建有大量的各种储罐。

储罐是企业生产、储存、运输过程中的重要环节，具有占地面积广、布置密集和储存量大等显著特点。

因其储存的物质大多具有易燃、易爆特性和毒害性，将其划为高危险性的操作单元。

由于罐内储存的物品都具有较高的挥发性，一旦发生泄漏事故，挥发出的油气随风可弥散数千米的区域，如遇明火或高温物体，就有可能引发火灾或爆炸事故。

因此，储油罐区一般是油库内的高危险区域[1]。

油罐区是重大工业危险源，数量多、危险性大。

罐区油品的进出、收付非常频繁，由此引发的事故也较多，一旦发生火灾、爆炸等事故，不仅造成经济损失，环境污染，而且还可能引发更大的联锁失火、爆炸等恶性事故，给人们的生命财产带来重大损失，甚至会给社会带来灾难性的后果。

因此，为了安全的需要，控制石油储罐区，加强储油罐区的安全监控是十分必要的。

针对储油罐区的安全监控，本文主要介绍了国内外储油罐区安全监控系统的研究成果和研究动向；对储油罐区的液位、压力、温度、泄漏等重要参数的实时检测、控制；对储油罐区火灾自动探测、报警、灭火系统的设计；对储油罐区防雷防静电技术的研究。

本文介绍的内容有一定的实用价值，可供储油罐区建立安全监控系统时参考。

关键词：

储油罐区安全监控；光纤传感器；消防监控系统。

Tankareasafetymonitoringsystem

Abstract:

Alongwiththedevelopmentofpetrochemicalindustries,aswellasnationaloilstrategicreservelibraryprojects,oiltankisgraduallytolarge-scaledevelopment.In1962,theUnitedStatesfirstestablisheda10×104m3floatingrooftank;in1967,inVenezuela,builta15×104m3floatingrooftank;Japanin1971andbuilta16×104m3floatingrooftank;SaudiArabiahassuccessfullybuilta20×104m3floatingrooftank.Theworld'ssingle-tankcapacityofupto240,000m3.Chinain1985importedfromJapan100,000m3floatingrooftankdesignandconstructiontechnology,morethantenyearslatertheconstructionof100,000m3TankTatsulargemorethan20Units.Now100,000m3ofstoragetanksisnotuncommon,andsoenormoustankfireexplosion,theconsequencesareunimaginable.Forexample:

Huangdaodepot"eight•12"majorfireaccidents,causingdirecteconomiclossesof35.4millionyuan,600tonsofcrudeoilenteringthesea,soneartheseaandcoastalpollutiontoacertainextent.

Tankfarmisamajorindustrialhazards,quantitymany,high-risk.Oiltankaccess,collectionandpaymentisveryfrequent,resultinginalotofaccidents,intheeventoffire,explosionandotheraccidents,notonlycauseeconomicloss,environmentalpollution,butalsomayleadtogreaterinterlockingfire,explosion,etc.fatalaccidents,topeople'slivesandpropertybroughtaboutbyheavylosses,andevenbringaboutcatastrophicconsequences.Therefore,necessaryforsafety,controlofoilstoragetankarea,tostrengthenthesecuritymonitoringtanksareverynecessary.

Storagetanksforthesecuritysurveillance,thispaperintroducedomesticandforeignoiltankareasafetymonitoringsystemofresearchresultsandresearchtrends;theleveloftheoiltankarea,pressure,temperature,leakageandotherimportantparametersofreal-timedetection,control;ontheoiltankareaofautomaticfiredetection,alarm,fireextinguishingsystems;ontheoiltankareaTopreventlightningandelectrostaticdischargetechnologicalresearchanddevelopment.

Thisarticledescribesthecontentsofacertaindegreeofpracticalvaluefortheoiltankareasetupsafetymonitoringsystems.

Keywords:

storagetankareas;security;parametermonitoring;firemonitoring;Topreventlightningandelectrostaticdischarge

1绪论

1.1课题的研究背景及意义

长期以来，油罐区的安全问题未得到应有的重视，油罐区的重特大事故时有发生，造成了巨大的人身伤亡和财产损失。

面对新一轮安全事故高发期的到来，血的教训使人们对油罐区的安全问题逐渐重视起来。

“油罐区安全监控及防护技术研究”被列为国家“九五”项目，“石油化工储罐区火灾监测与远程灭火联动控制系统研究”被列为公安部项目，所有这些表明，油罐区的安全问题正日益得到重视。

储油罐区是油气田安全生产的重要部分，油罐内储存大量油品，具有易燃烧、易挥发、静电放电、受热膨胀、流动扩散等特点，是火灾防范中的重点。

目前在石化行业中，国产“储油罐区安全监控系统”还很少，仍然以引进为主，但所引进的系统成套引进的少，局部引进的多，对国外产品的消化吸收工作很不够。

另外，随着中国第四大石油开采炼化企业陕西延长石油（集团）有限责任公司（延长油矿管理局）的成立，陕北将会迎来石油石化工业的大发展，储油罐区的安全生产和安全管理形势也更加严峻。

所以“储油罐区安全监控系统研究”这一项目具有重要的现实意义和理论价值。

储油罐区安全监控系统是软件和硬件监控相结合的安全监控系统，把罐区的诸多参数（如液位、压力、温度、泄漏等）进行实时监测、报警和控制，及时发现事故隐患，并在罐区设置自动消防灭火系统，一旦发生事故，及时将火灾控制住。

油罐区安全监控系统是管理软件和硬件监控相结合的安全生产监控系统, 即在安全管理的基础上,把罐区诸多危险因素和危险参数给予实时监测、报警和控制, 以便及时发现事故隐患, 并采取措施加以防范, 避免事故的发生。

1.2安全监控系统的由来及其发展状况

安全监控系统是随着安全问题的出现而出现的，随着生产的发展而发展的。

古时候，人们从事生产的工具很简单，所使用的能源也很少，所以相对来说发生安全问题及火灾事故的原因比较简单，往往凭经验和直觉就可找出事故发生的原因和防止事故发生以及减少事故损失的方法。

随着生产的发展，事故随生产规模扩大而增加，安全问题逐渐被人们重视，保障生产安全的各种技术手段也随之发展起来。

安全问题最先是在煤炭生产中随之在石油、化工、冶金等工业部门中被提出来；在检（监）测技术和安全措施未完备之前，安全问题一直是困扰工业生产的重要问题。

1.2.1安全监控系统的产生背景

人类防范事故的科学已经历了漫长的岁月，从事后型的“亡羊补牢”到预防型的本质安全；从单因素的就事论事到安全系统工程；工业安全科学理论体系在不断发展和完善。

追溯安全科学理论体系的发展轨迹，探讨其发展的规律和趋势，对于系统、完整和前瞻性地认识安全科学理论，以指导现代安全科学实践和事故预防工程具有现实的意义。

安全科学理论体系的发展经历了具有代表性的三个阶段：

从工业社会到50年代主要发展了事故致因理论；50年代到80年代发展了安全系统工程理论；从90年代以来，现代安全科学原理初见端倪，目前仍在不断的发展和完善中。

从安全管理的发展过程，我们可以看出，安全管理的发展是随着工业生产的发展和人们的安全需求的逐步提高而进行的。

初期阶段的安全管理，可以说是纯粹的事后管理，即完全被动地面对事故，无奈地承受事故造成的损失；在积累了一定的经验和教训之后，管理者采用了条例管理的方式，即事故后总结经验教训，制定出一系列的规章制度来约束人的行为，或采取一定的安全技术措施控制系统或设备的状态，避免事故的再发生，这时已经有了事故预防的概念。

而安全监控系统的诞生则成为现代化安全管理的重要标志。

通过对重要参数的实时监控，及时发现事故隐患、有效采取控制措施，将事故消灭在初期阶段。

而且消防系统也采取实时监控、自动灭火系统，使事故得到及时有效的控制。

1.2.2安全监控系统的发展状况

[在石化炼油企业中，企业均建有大量的各种储罐。

企业的生产及管理部门每天都需要掌握罐内存储介质的液位、温度、体积和质量等重要数据，既要保证数据的准确和及时，又要确保储罐的安全，防止意外事故的发生。

由于我国具体的国情，长期以来对罐区的管理主要是靠人工进行，并没有形成真正意义上的“监控系统”。

最初只是靠有经验的工人利用油尺通过对各油罐的液位高度进行测量（即通常所讲的“人工检尺”）的方法来对油罐进行监视。

该方法原始而又繁琐，人为因素影响大，精度低。

危险区中的有害有毒气体对操作工的身体造成很大的危害，而且在气候恶劣的条件下，操作工在油罐上爬上爬下很不安全。

为了提高对储罐参数测量的精度以及保护工人的身体健康，减轻工人的劳动强度，到了90年代初，各油罐上基本都装备了能够对液位进行自动测量的仪表。

该仪表一般由一次仪表和二次仪表两部分组成。

位于现场的一次仪表采集各油罐的液位参数并通过统一的模拟信号如4一20mA的直流电流信号或某种专用的通讯协议送往集中控制室的二次仪表。

此时操作人员就可以坐在控制室里通过二次仪表纵观各油罐的状况了。

但通过这些二次仪表仅仅能够对储罐参数进行“监视”而无法实施控制，因此具体的控制工作仍需人工进行。

随着生产规模的不断扩大，罐区的规模也越来越大，油品的种类也不断增加。

管理人员按照由生产部门所制定的生产计划和常年积累下来的经验对罐区进行监视与控制的管理方式越来越显示出其在实时性、准确性、合理性方面的不足。

同时，由于炼油装置的自动化水平的不断提高对罐区的管理也提出了更高的要求，因此管理人员的责任和压力也不断增加，这对生产的安全是很不利的。

[1]基于光纤传感的油品罐区监控系统的研究，孟凡华，武汉理工大学硕士学位论文，2006，5

1815年，当时工业发达的英国发明了第一项安全仪器—安全灯，它是利用瓦斯在灯焰周围燃烧，根据火焰高度来测量瓦斯含量的简单仪器。

由于它构造简单、性能可靠、使用寿命长，一百多年来一直被沿用下来，至今仍在许多国家使用。

随后，由于基础科学的发展和科学技术进步，在石油、化工、制药、冶金、煤炭等工业生产中，陆续出现了利用光学原理、热导原理、热催化原理、热电效应、弹性形变、半导体、器件、气敏元件等多种工作原理和不同性能的各类检测仪器，对影响生产安全的各种因素实现了不同程度的监测，并逐渐形成了不同种类的检（监）测仪器仪表。

20世纪50年代之后，由于电子通讯和自动化技术的发展，出现了能够把工业生产过程中不同部位的测量信息远距离传输并集中监视、集中控制和报警的生产控制装置，初步实现了由“间断”、“就地”检测到“连续”、“远地”检测的飞跃，由单体检测仪表发展到监测系统。

早期的监测系统，其监测功能少、精度低、可靠性差、信息传递速度满。

20世纪80年代以来，电子技术和微电子技术的发展，特别是计算机技术的应用，实现了化工生产过程控制最优化和管理调度自动化相结合的分级计算机控制，检测仪器仪表和监测系统，无论其功能、可靠性和实用性都产生了重大的飞跃，使安全监测技术与现代化的生产过程控制紧密地联系在一起。

目前，大型化工企业中的安全监测系统，已可使检（监）测的模拟量和开关量达上千个，巡检周期短，能同时完成信号的自动处理、记录、报警、联锁动作、打印、计算等；监测参数除可燃气体成分（如H2、CO等）、浓度、可燃粉尘浓度、可燃液体泄漏量之外，还有温度、压力、压差、风速、火灾特征（烟、温度、光）等环境参数和生产过程参数。

由于可以从连续监测数据、屏幕显示图形和经过数据处理得到各种图表，及时掌握整个化工生产过程的过程参数、环境参数和生产机械的状态，就保证了生产的连续与均衡、减少停顿和阻塞，防止重大事故发生。

同时，由于及时掌握生产设备和机械的工作状态，可以分析设备的配置情况和利用率，发现生产薄弱环节，改善管理，提高生产效率。

改革开放以来，我国的工业生产发展很快，国家十分重视安全，在安全仪表的研究和生产制造方面投入了很大的力量，是安全仪表生产具备了相当的规模，形成了以北京、抚顺、重庆、西安、常州、上海等为中心的生产基地，可以生产多种型号环境参数、工业过程参数及安全参数的监测、遥测仪器。

此外，具有国外20世纪90年代水平的安全监测系统已开始装备我国的石油、化工、煤矿等工业部门；安全监测、报警及联锁控制装置等，也在我国自行设计的石化生产设备中获得了应用，这标志着我国安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。

但必须指出，我国安全监测传感器目前种类较少，质量不稳定；监测数据处理、计算机应用与国外一些发达国家有一定差距，这些都需要在今后重点解决。

目前，在我国的大型石化企业中，如扬子乙烯工程、齐鲁乙烯工程等，大量装备使用各种安全监测仪表。

装备和使用先进的安全监测系统，使生产事故率极大的下降，促进了生产发展，获得了很大的经济效益。

因此，安全监测技术与石化生产过程控制的密切配合，是我国石化生产的发展方向，是防火防爆、预防重大火灾及爆炸事故发生的重要环节。

1.3安全监控系统形势分析

1.3.1国内外储油罐区安全监控系统的研究成果和研究动向

随着石油化工工业的发展，石化企业开始建造大型的储油罐，由于罐区火灾爆炸事故的危害极大，使得国内外的石油化工企业对储油罐区重要参数的监测要求越来越高，不但要求操作简单、精度高，还要求在恶劣的环境下具有持续传感的能力，并具有数字化输出、报警和实时监控等功能。

1）国内现状

在我国石油化工部门，对油品和化工产品等易燃易爆液体类物质的储存、检测和安全管理一直是个难题。

长期以来，大多企业是采用人工对其进行检测和管理，劳动强度大，又有危险性，储罐爆炸事件和人员伤亡事故时有发生[6]，【6】油罐漏油检测系统，刘彬，北京工业大学理学硕士学位论文，2007，5随着我国石油化工工业和计算机技术的发展，石化企业对罐区参数的测量逐渐由人工转变为计算机控制，但是并没有形成完整的计算机监控系统。

而且各种测量仪表仍然使用电动仪表，电动仪表是以电为能源，信号之间联系比较方便，适宜于远距离传送和集中恐慌子，也可以做到防火、防爆，但是电动仪表一般结构较为复杂，易受温度、湿度、电磁场、放射性等环境影响，这严重影响了计算机监控系统的有效性。

由于光纤传感器的传输信号是光，因此具有本质防爆特性，并具有体积小、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰强、可传距离远以及操作简单、使用寿命长等一系列优点，特别是能在极端恶劣危险的环境中工作，将其应用于油罐区安全监控系统具有不可替代的作用。

基于光纤的诸多优点，上世纪九十年代初期，清华大学、重庆大学、武汉理工大学等在国内率先开展传感光纤的研究。

通过十多年的研究和开发，光纤传感技术已得到快速的发展，由于光纤可用于位移、应力、应变或温度等物理量的传感测量，具有较高的灵敏度和测量范围，适用于高温、高压和危险性环境等，可靠性高等优点，光纤传感技术已经应用于液位、温度等参数的探测。

在我国，光纤传感技术的产业化已经给石油、化工工业的自动化计量和安全检测技术带来重大变革。

大大提高了冶金、化工、建材等行业高温测量的自动化检测水平；为电力系统高压设备参数测量和安全监测提供新的手段；为特大型工程的长期安全运行提供全新可靠的监测方法；还将带动和兴起一批为之配套的加工工业和新型敏感材料、特种光纤等新材料工业的发展。

其中光纤高温测量仪、光纤液位传感器、光纤阀位回讯器[5]王绍理、魏访、吕俊杰。

光纤原理与技术，科学出版社，2005三大系列产品的生产技术已达到使用化程度。

目前国内应用于石油产业最广泛的还是光纤液位传感器，可以测量储罐中石油液面的高度。

2）国外现状

由于国外的计算机技术较我国要发达，这些国家已经形成较为完整的计算机监控系统，可以对油罐进行实时监控。

而且国外光纤传感技术的应用要比我国早一些，自从1978年发明的在光纤中形成光致布拉格光栅以来，光纤光栅在光纤通信和传感中已经大量应用。

美国、意大利、英国、德国等国家的学者通过长期的研究，将光纤光栅传感技术广泛应用于桥梁建筑、航天航空、石油探测储量上[7]。

【7】王化祥。

传感器原理及应用，天津大学出版社，2002，一些国家已将光纤高温测量仪、光纤液位传感器等应用于计算机监控系统中，从而提高了安全监控系统的有效性。

1.4论文的主要内容

本文研究的核心问题是为石油石化企业储油罐区安全提供整体的解决方案。

首先通过对与安全监控系统相关的内容做了详细的介绍，主要介绍了光纤传感技术在安全监控系统中的应用；然后在对安全监控系统了解的基础上对储油罐区的安全监控系统进行构建和运行；最后对罐区进行消防监控系统的设计，使罐区的安全得到有效的改善。

论文结构安排如下：

第一章绪论主要介绍课题研究的背景与意义，安全监控系统的由来及其发展状况，以及国内外储油罐区安全监控系统的研究成果和研究动向。

第二章主要介绍光纤传感技术的发展，了解光纤液位计、光纤压力计、光纤光栅温度传感器等的工作原理。

第三章联合站储油罐区安全监控系统初步方案设计，对监控系统进行了简要介绍，并说明了系统的设计原则和系统能够实现的功能。

第四章介绍张天渠联合站储油罐区的工艺流程，初步确定I/O的数目和类型并进行硬件选型，根据需要监测的参数类型，选择合适的光纤传感器；设计光纤传感安全监测系统，利用光纤液位计、光纤压力计、光纤光栅温度传感器等组成光纤传感安全监测系统。

第五章利用《组态王6.5》编写监控软件、绘制监控画面，包括工况图、工艺流程图、实时参数画面、实时曲线、历史数据画面、历史曲线、报警参数与报警图、报表画面；并对系统进行调试，研究系统在实际应用中可能存在的问题，并提出解决方案。

第六章总结

2光纤传感器简介

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。

作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其它载体和媒质难以比拟的优点，如灵敏度高，抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好，防爆，光路有可挠曲性，便于构成分布式监控网络，便于与计算机联接，结构简单，体积小，重量轻，耗电少等。

目前，光纤传感器技术发展的主要方向是:

1）多用途。

即一种光纤传感器不仅只针对一种物理量，要能对多种物理量进行同时测量。

2）提高分布式传感器的空间分辨率、灵敏度，降低其成本，设计复杂的传感器网络工程。

3）新型传感材料和传感技术的开发。

4）在恶劣条件下（高温、高压、化学腐蚀）低成本传感器（支架、连接、安装）的开发和应用。

5）光纤连接器及与其他微技术（微机械、微流态学、喷镀薄膜等）结合的微光学技术[1]

。

2.1光纤传感器的基本工作原理及分类

光纤传感器主要由光源、传输光纤及光检测等部分组成，其基本原理是将光源的光经光纤送入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使其光学性质如光的强度、波长（颜色）、频率、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，再经光纤送入光探测器，并把光信号转换成电信号而获得被测参数，如图2一1所示。

图2-1光纤传感器基本工作原理示意图

目前研究的光纤传感器按其传感原理分为两类[1]:

一类是传光型（或称非功能型）光纤传感器，另一类是传感型（或称功能型）光纤传感器。

在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其它物理性质的功能元件来完成的。

传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其它介质的敏感元件作为调制器，调制器可能是光谱变化的敏感元件或其它敏感元件，光纤在传感器中仅起传光的作用。

传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤（或特殊光纤）作为传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。

在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，而且还利用光纤在外界因素作用下，其光学特性（如光强、相位、偏振态等）的变化来实现传和感的功能，因此，传感器中的光纤是连续的。

一般来说，传光型传感器主要是利用已有的其它传感技术，它的敏感元件是用别的材料，这样可以充分利用现存的优质敏感元件来提高传感器的灵敏度。

而传光用的介质一光纤仅起传光作用，所以采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求。

在已经实际运用的光纤传感器中，此类光纤传感器占大多数。

功能型光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，因为光纤是连续的，可以少一些光耦合器件。

但为了实现对光纤外界物理量的变化，往往需要采用特殊光纤来作探头，这样就增加了传感器制造的难度。

随着对光纤传感器基本原理越来越深入的研究，随着各种特殊光纤的大量问世，高灵敏度的功能型光纤传感器必将得到更广泛的应用。

2.2光纤传感器的特点

1、光纤传感器不受雷电和电磁场的干扰；

由于光纤传感器是利用光波传输信息，当光信息在光纤中传输时，不会与电磁场产生作用，因而，信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强，也不会影响到外界的电磁场。

这使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆等环境中能方便有效地传感。

2、光纤传感器具有本质安全的特性，系统