ELL超音波外部液位スイッチの球形タンクエリアSISシステムでの応用

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要約 液体炭化水素の物理的特性およびELL超音波式外部液面センサーの動作原理と出力形態に基づき、実際の使用におけるELL超音波式外部液面センサーの特徴を分析した。危険化学物質である液化炭化水素用タンクについて、SILレベルや現場の具体的な運用状況に基づき、液化炭化水素タンクのSISシステムの制御パラメータを分析・決定し、ELL超音波式外部液面センサーを組み込んだ安全計装システムを設計した。また、3対2のリレー制御方式が採用されている。ELL超音波式外部液位スイッチは、運用時の信頼性が要求を満たし、メンテナンスも簡単で便利なため、液化炭化水素タンクエリアの安全な生産を支えています。 キーワード：ELL超音波式外部液面センサー、液化炭化水素、スイッチの故障遠隔伝送、安全計装システム。液化炭化水素類は甲種および甲A種の火災危険性を持つ物質であり、顕著な火災・爆発の危険性がある。「中国石油天然気株式会社 軽質油品貯蔵タンク技術ガイドライン」の要求によれば、貯蔵タンクには液面検出、温度検出、過剰高液面、高液面、低液面、および過剰低液面の警報装置を設置しなければならない。「危険化学物質の重大な危険源に関する監督管理の暫定規定」（**安全監督総局令第40号）第13条には、毒性ガス、液化ガス、極めて毒性の高い液体に関わる第一種または第二種の重大な危険源には、独立した安全計装システム（SIS）を設置しなければならないと規定されている。中国石化天津公司の精製部における今回の液化炭化水素タンクエリアのリスク低減プロジェクトでは、新たに安全計装システムが導入されました。このシステムでは、各貯蔵タンクに超音波式の外部液面センサーが1組ずつ追加され、既存のフォーク型液面センサーやレーダー式液面計と合わせて、3つの信号のうち2つが一致した場合に緊急遮断弁が作動するようになっています。会社の各生産設備が正常に製造活動を行えるようにするため、タンクエリアの要件やSISシステムでの利用も考慮し、新たに設置される液面スイッチは以下の要件を満たす必要があります：a. 防爆対応のタンクエリアで、無火施工での設置；b.缶内に内容物があるため、開封せずに取り付ける；C.タンクの洗浄不要、時間とコストの節約、簡単な設置、防爆エリア1用計器；d.計器にはスマート自己診断および故障遠隔送信機能が備わっている；e. 測定は正確かつ安定していなければならない。 現在、工業現場で多く使用されている液位スイッチには、フロートバルブ式液位スイッチ、ケーブルフロート式液位スイッチ、容量式液位スイッチ、およびELL超音波外測液位スイッチなどがあります。各種スイッチの原理と特徴を比較分析し、今回のプロジェクトの現場状況を踏まえて、最終的にELL超音波式外部液面センサースイッチの採用が決定されました。 1 ELL超音波外部式液面センサーの動作原理と応用 1.1 動作原理 ELL超音波外部式液面センサー自体のプローブは、周波数変調された超音波パルスを発生させる。このパルスはタンク内を一定距離（0.8～1.5m）進んだ後、壁面で屈折し、同時に容器内の液体やガス中にも透過して伝播する。超音波は液体と気体での透過率が異なり、つまり超音波が伝播した後のエネルギー損失が異なるため、測定点における液体ありの状態と液体なしの状態での残存エネルギーが異なってくる。ELL超音波式液面センサーはこの残存エネルギーを受信・分析することで、検出点のタンク内に液体が存在するかどうかを最終的に判断し、自身のリレーを介してスイッチ信号を出力する。この信号はSISシステムに送られ、システムによる液面の連動制御が実現される。超音波は貯蔵タンクの壁内を循環し屈折する際、媒体中の気泡や圧力などの影響を受けない。 ELL超音波外測液位スイッチは、特許取得済みの周波数変換技術を搭載しており、温度変化や雨雪の天候、さらには媒体が壁面に付着することの影響を受けません。このスイッチにはスマートな自己診断機能があり、故障が発生した場合、故障信号が制御室に遠隔送信されます。スイッチの表示される故障コードを確認することで故障の種類を判別し、適切なメンテナンスを行うことができます。 1.2 設置説明 ELL超音波外部液面スイッチの球形タンク上部への設置は図1の通りです。容器壁はQ345Rで、プローブは磁気吸着方式によって容器壁の外側に固定される。選定される取り付け位置は、以下の条件を満たす必要がある：a. 1つの測定ポイントで使用される2つの液面測定プローブ（送信プローブおよび受信プローブ）は、同一の水平面上に取り付けられなければならない；b.送信プローブと受信プローブの間隔は0.8～1.5m； 図1 設置概要図　現場の球形タンク付近に、膨張ボルトを用いて直径2インチ（50mm）の炭素鋼製立管1本を、高さ1.0～1.5mの位置に固定する。トランスミッタは曲げ板ブラケットを介してU字型クリップで立管に固定されます。配管の接続は図2の通りです。 図2 パイプライン接続2 儲蔵タンクエリアSISシステム SISシステムは工場の生産制御システムに対して警報やインターロック機能を提供し、徐々に工場の自動制御における重要な構成要素となっている。タンクエリアのSISシステムは、貯蔵タンクの圧力、温度、液面、流量などのパラメータに対して、音声・光による警報および自動連鎖制御を設定している。タンクエリア内の媒体を識別し計算した結果、液化炭化水素タンクは第二種重大危険源に該当することが判明した。同時に、**関連部門の要求に基づく危険性および運用可能性（HAZOP）分析を行い、液化炭化水素タンクの安全危険度をSIL2レベルと判定した。タンクエリアの本質的安全性をさらに向上させ、安全な生産を確保し、事故の発生を防ぐためにSISシステムが設置されている。貯蔵タンクで安全事故が発生した場合、SISシステムは瞬時に正確に動作し、緊急遮断の連動制御を行うことで生産プロセスを安全に停止させるか、あるいは事前に設定された安全状態に自動的に移行させる。2.1 主要な制御パラメーター
タンクの制御において、タンク内の物質の液面は主要な制御パラメーターの一つである。液化炭化水素タンクの液面は、投入・排出によって絶えず変動し、液化炭化水素が抜け落ちたり、タンクから漏れ出したりするリスクが生じる可能性がある。そのため、SISシステムにおける重要な制御パラメータはタンクの液面であり、計測器の検出素子やサンプリングポイントはそれぞれ独立して設置されている。外部型超音波液面センサー、フォーク型センサー、レーダー液面計という3種類の液面センサーを用いて2対1の連鎖制御が行われ、信号はSISシステムに送信されて比較される。2つのセンサーの値がいずれも設定値に達した場合、システムは緊急停止のための信号を出力する。2.2 SISシステムの設計 SISシステムは、フィールド計器とアクチュエータで構成され、フォールトセーフ型で設計されている；DCSと通信可能だが、DCSシステムはSISシステムから比較的独立している。SISシステムでは、非接触型の液位警報計であるELL超音波外測液位スイッチが採用されているため、タンクの開口部や火気を伴う作業が減少し、重大な危険源となる危険物質の漏洩や燃焼爆発の可能性が低減されます。計器にはスマートな自己診断機能と故障時の警告出力機能があり、メンテナンスや点検の負担が軽減され、安定性が高く信頼性のある動作を実現し、安全性も向上します。3 結語
本プロジェクトが設計・建設され、運用が開始されて以来、中国石化天津分公司の精製部にある液化炭化水素貯蔵タンクエリアのSISシステムは安定してかつ信頼性高く動作している。また、定期的な点検や操作・メンテナンスも容易である。さらに、企業は自身の実情に合わせて様々な安全・信頼性向上策を講じることで、システムの安全機能が確実に発揮されるようにしており、これにより、企業の液化炭化水素貯蔵タンクの安全な生産、環境保全、そして生産設備の長期にわたる安定的な運用が十分に保証されている