Anwendung des ELL-Ultraschall-Flüssigkeitsstandsschalters im SIS-System im Bereich der Ballbehälter

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Zusammenfassung: Auf der Grundlage der physikalischen Eigenschaften flüssiger Kohlenwasserstoffe sowie des Funktionsprinzips und der Ausgangsform des ELL-Ultraschall-Schwellenwertschalters zur Messung des Flüssigkeitsspiegels wurden die Eigenschaften dieses Schalters in der Praxis analysiert. Für Tanks zur Lagerung von flüssigen Kohlenwasserstoffen, die als gefährliche Stoffe gelten, werden auf der Grundlage des SIL-Niveaus sowie der spezifischen Bedingungen vor Ort die Steuerparameter des SIS-Systems für diese Tanks ermittelt. Dabei wird ein Sicherheitsinstrumentensystem eingesetzt, das einen ultraschallbasierten Pegelsensor enthält. Zudem wird ein Drei-zu-zwei-Interlocksystem verwendet. Der ELL-Ultraschall-Schwellenwertschalter für die Außenmessung des Flüssigkeitsstands erfüllt in der Betriebspraxis die Anforderungen an Zuverlässigkeit und ist außerdem einfach und unkompliziert in der Wartung. Dadurch wird eine sichere Produktion in den Tankspeichern für flüssige Kohlenwasserstoffe gewährleistet. Schlüsselwörter: ELL-Ultraschall-Schalter zur Messung des Flüssigkeitsspiegels, verflüssigte Kohlenwasserstoffe, Fernübertragung von Schaltfehlern, Sicherheitsinstrumentierungssysteme. Verflüssigte Kohlenwasserstoffe gehören zu den Stoffen mit Brand- und Explosionsgefahr der Klassen A und A1 und weisen ein erhebliches Brand- und Explosionsrisiko auf. Gemäß den Anforderungen der „Technischen Richtlinien für Tanks zur Lagerung von Leichtölen der China National Petroleum and Natural Gas Corporation“ müssen in den Tanks Vorrichtungen zum Erkennen des Flüssigkeitsspiegels sowie zur Überwachung der Temperatur vorhanden sein. Zudem müssen Alarmvorrichtungen für zu hohen, hohen, niedrigen und sehr niedrigen Flüssigkeitsspiegel vorhanden sein. Artikel 13 der „Vorläufigen Vorschriften zur Überwachung und Verwaltung von besonders gefährlichen Quellen für gefährliche Chemikalien“ (Verordnung der Generalverwaltung für Arbeitssicherheit Nr. 40) besagt: Bei besonders gefährlichen Quellen der Klasse 1 oder 2, bei denen es sich um giftige Gase, flüssige Gase oder äußerst giftige Flüssigkeiten handelt, muss ein eigenständiges Sicherheitsinstrumentensystem (SIS) vorhanden sein. Im Rahmen des Projekts zur Beseitigung von Sicherheitsmängeln in den Tankanlagen für flüssige Kohlenwasserstoffe der Raffinerieabteilung von Sinopec Tianjin wurde ein neues Sicherheitssystem eingeführt. In jedem Lagerbehälter wurde außerdem ein Ultraschall-Sensor zur Messung des Füllstands installiert. Zusammen mit den vorhandenen Kristallquarz-Sensoren sowie Radar-Levelmessern wird so eine Dreifach-Verifikationslogik zur Steuerung der Notabschaltventile realisiert. Um die normalen Produktionsanforderungen der verschiedenen Produktionsanlagen des Unternehmens zu gewährleisten, unter Berücksichtigung der Anforderungen an die Tankanlagen sowie deren Einsatz im SIS-System, müssen die neuen Pegelschalter folgende Anforderungen erfüllen: a. Explosionssichere Tankanlagen – Installation ohne Nutzung von Feuer ； b. Der Behälter ist gefüllt, Installation ohne Öffnen ； C. Keine Entleerung des Behälters nötig – Zeit- und Kosteneinsparung, einfache Installation, Geräte für Zone 1 mit Explosionsschutz ； d. Das Gerät verfügt über Funktionen zur intelligenten Selbstüberprüfung sowie zur Fernübertragung von Fehlern ； e. Die Messungen müssen präzise und stabil sein. Derzeit werden an Industriestandorten häufig verwendete Pegelschalter wie Schwimmkugel-Pegelschalter, Kabel-Schwimmkugel-Pegelschalter, kapazitiver Pegelschalter sowie ELL-Ultraschall-Pegelschalter eingesetzt. Es wurde eine vergleichende Analyse der Prinzipien und Eigenschaften verschiedener Schalter durchgeführt. Unter Berücksichtigung der Bedingungen vor Ort bei diesem Projekt wurde schließlich entschieden, den ELL-Ultraschall-Schalter zur Messung des Flüssigkeitsspiegels zu verwenden. 1 Funktionsprinzip und Anwendungen des ELL-Ultraschall-Schwellenwertschalters zur Messung des Flüssigkeitsstands 1.1 Funktionsprinzip Der Sensor des ELL-Ultraschall-Schwellenwertschalters erzeugt frequenzveränderte Ultraschallimpulse. Diese Impulse breiten sich innerhalb des Behälters über eine Strecke von 0,8 bis 1,5 Metern aus, brechen an den Wänden des Behälters ab und dringen gleichzeitig in die Flüssigkeit oder das Gas im Behälter ein. Da die Durchlässigkeit von Ultraschallwellen in Flüssigkeiten und Gasen unterschiedlich ist – also auch der Energieverlust bei der Ausbreitung der Ultraschallwellen unterschiedlich ist – unterscheidet sich die verbleibende Energie am zu prüfenden Punkt je nachdem, ob sich dort Flüssigkeit befindet oder nicht. Der ELL-Ultraschall-Schalter zur Messung des Flüssigkeitsstands erfasst und analysiert diese verbleibende Energie, um anschließend festzustellen, ob sich im Behälter Flüssigkeit befindet. Über seinen eigenen Relais wird ein Schaltsignal ausgesendet, das an das SIS-System weitergeleitet wird. Dadurch kann das System eine automatische Steuerung des Flüssigkeitsstands gewährleisten. Die Ausbreitung und Brechung von Ultraschallwellen innerhalb der Wand des Speichertanks wird nicht von Faktoren wie Gasblasen im Medium oder Druck beeinflusst. Der ELL-Ultraschall-Schalter zur Messung des Flüssigkeitsstands verfügt über eine patentierte Frequenzumwandlungstechnologie, wodurch der Schalter nicht von Temperaturschwankungen, Wetterbedingungen wie Regen oder Schnee sowie vom Anhaften von Stoffen an den Wänden beeinflusst wird. Der Schalter verfügt über eine intelligente Selbstprüfungsfunktion. Bei einem Fehler kann das Fehlersignal in die Steuerungszentrale übertragen werden. Anhand des angezeigten Fehlercodes kann dann der Typ des Fehlers ermittelt werden, um entsprechende Wartungsarbeiten durchzuführen. 1.2 Installationsanleitung: Die Installation des ELL-Ultraschall-Flüssigkeitspegelsensors in der oberen Zone des Zylindertanks ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Wände des Behälters bestehen aus Q345R. Die Sensoren werden durch Magnetkraft an der Außenseite der Behälterwand befestigt. Der gewählte Montageort muss folgende Bedingungen erfüllen: a. Für einen Messpunkt müssen die beiden Pegelmesssensoren (Sendesensor und Empfängersensor) auf derselben Horizontale montiert werden ； b. Der Abstand zwischen dem Sendeprobenkopf und dem Empfängoprobenkopf beträgt 0,8–1,5 m ； Abbildung 1: Anschlussdiagramm. In der Nähe des Behälters vor Ort wird eine 2″- (50 mm)-starke Stahlrohrleitung aus Kohlenstahl mit Ausdehnungsbolzen befestigt; die Länge dieser Rohrleitung beträgt 1,0–1,5 m. Der Transmitter wird über eine Biegebretthalterung mit U-Schellen am Vertikaltank befestigt. Die Anschlüsse der Rohrleitungen sind in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 2: Rohrleitungsanbindung 2 – Tankbereich, SIS-System. Das SIS-System stellt Alarme und Interlocks für das Produktionssteuerungssystem der Fabrik bereit und ist zunehmend zu einem wichtigen Bestandteil der automatischen Steuerung in Fabriken geworden. Das SIS-System im Tankbereich stellt für Parameter wie Druck, Temperatur, Füllstand und Durchfluss der Tanks akustische und optische Alarme sowie automatische Schaltvorgänge bereit. Nach der Identifizierung und Berechnung der Medien im Tankbereich wurde festgestellt, dass die Lagerbehälter für flüssige Kohlenwasserstoffe zu den Gefahrenquellen zweiter Klasse gehören. Gleichzeitig wurde eine **HAZOP-Analyse gemäß den Anforderungen der zuständigen Behörden durchgeführt, um festzustellen, dass das Sicherheitsniveau der Tanks für flüssige Kohlenwasserstoffe bei SIL2 liegt. Um die inhärente Sicherheit des Tankbereichs weiter zu verbessern, eine sichere Produktion zu gewährleisten und Unfälle zu verhindern, wird ein SIS-System eingesetzt. Sollte in einem Tank ein Sicherheitsunfall eintreten, kann das SIS-System sofort und präzise reagieren, indem es eine Notabschaltung herbeiführt, wodurch der Produktionsprozess sicher gestoppt wird – oder es wird automatisch in einen voreingestellten sicheren Zustand versetzt. 2.1 Die wichtigsten Steuerparameter bei der Steuerung von Speichertanks sind unter anderem der Flüssigkeitsspiegel im Tank. Der Füllstand der Tanks für flüssige Kohlenwasserstoffe ändert sich ständig aufgrund des Zulaufs und Abflusses von Material. Dadurch kann es zu dem Risiko kommen, dass das Material aus den Tanks entweicht. Deshalb ist der Füllstand der Tanks ein wichtiger Steuerparameter im SIS-System. Die Sensoren zur Messung des Füllstands sind separat angeordnet. Es werden drei Arten von Füllstandssensoren verwendet: Ultraschall-Füllstandssensoren, Resonanzklang-Sensoren sowie Radar-Füllstandsmesser. Diese bilden eine „Drei-zu-Zwei-Verknüpfung“ – falls zwei der Sensoren den festgelegten Wert erreichen, sendet das System ein Signal zur Auslösung von Notfallmaßnahmen. 2.2 Konstruktion des SIS-Systems Das SIS-System umfasst Vorrichtungen vor Ort sowie Aktoren und ist nach dem Prinzip der Fehlerfestigkeit konstruiert ； Es ist möglich, mit dem DCS zu kommunizieren, doch das DCS-System ist relativ unabhängig vom SIS-System. Durch die Verwendung von ELL-Ultraschall-Sensoren zur kontaktlosen Messung des Füllstands im SIS-System werden die Öffnungen in den Tanks sowie Arbeiten mit offener Flamme reduziert. Dadurch sinkt das Risiko eines Lecks oder einer Explosion von gefährlichen Stoffen in diesen Tanks. Das Instrument verfügt über eine intelligente Selbstüberprüfung sowie Warnungen bei Fehlern, wodurch die Wartungs- und Instandsetzungsarbeiten reduziert werden. Es zeichnet sich durch hohe Stabilität und Zuverlässigkeit aus, wodurch auch die Sicherheit verbessert wird. 3 Schlussbemerkung Seit der Planung, Errichtung und Inbetriebnahme dieses Projekts arbeitet das SIS-System in dem Bereich für die Lagerung von flüssigen Kohlenwasserstoffen bei der Raffinerieabteilung der Sinopec Tianjin-Niederlassung zuverlässig und stabil. Die tägliche Überprüfung sowie Wartung des Systems sind einfach durchzuführen. Zudem hat das Unternehmen auf der Grundlage seiner eigenen Bedingungen verschiedene Maßnahmen zur Sicherheit und Zuverlässigkeit ergriffen, um die sicheren Funktionen des Systems zu gewährleisten. Dadurch wird eine sichere Produktion der flüssigen Kohlenwasserstoffe sowie eine umweltgerechte Produktion sowie eine langfristige, stabile Betriebsweise der Produktionsanlagen gewährleistet