宋婧澄，欧阳保，盛凌，邹堃

(1.国家管网集团北方管道有限责任公司 廊坊输油气分公司，河北 廊坊 065000；2.中国石油华北油田公司 二连分公司，内蒙古 锡林浩特 026017；3.中国石油集团渤海石油装备制造有限公司 石油机械厂，河北 任丘 062552；4.中国石油华北油田公司 经济技术研究院，河北 任丘 062552)

近年来，随着国民经济的增长，中国对原油、成品油、航空煤油的需求量日益增加，国内已在黄岛、镇海、舟山、大连、宁波等地建成了大型商品油库，油库的自动化水平在不断提高。油库储罐，冒顶溢流、储罐突沸、泵机抽空等事故时有发生，均与储罐关键报警液位的设置有关[1-3]。2005年邦斯菲尔德油库爆炸事故的原因是其储罐液位计故障，导致高液位报警和联锁系统失效，储罐发生溢流，进而引发了多米诺效应，造成直接经济损失约10亿英镑。目前，对于储罐液位报警阈值的设定主要参照SY/T 6517—2010《石油设施储罐过量充装的防护》，但只涉及高液位和手动操作，未考虑自动联锁操作液位的设定。此外，国内外对于储罐低液位报警阈值的研究较少，其设定往往根据现场经验人工判断，不具备科学性和合理性，无法更好地预防储罐抽瘪等低液位事故的发生[4-7]。基于此，在原有规范的研究基础上，在高液位中设置过量充装液位LOL，高联锁液位LH，高报警液位LHA和最大工作液位Lmax，同理在低液位中设置最小工作液位Lmin，低报警液位LLA，低联锁液位LL和最小充装液位LM，并结合报警响应时间和输油泵的特性给出设定方法，以期为储罐的安全防护提供理论依据和实际参考。

1 储罐液位报警阈值研究现状

国外对于液位报警方面的研究较早，英国健康与安全委员会和电气工程制造商协会均提出要在炼油厂、电厂及油气处理站场内设置液位报警系统；美国石油学会的API-RP：1167《管道SCADA系统报警管理》中要求对储罐设置液位报警系统，并进行全生命周期管理；API-STD-2350：2012《石油储罐溢流保护设施》中提出应注重供应区与储存区之间的关系，应设置溢流防护系统、水击报警及超压保护装置，强调变更管理的要求。以上均只是从定性角度对储罐液位进行了要求，具体如何设置并未给出计算方法。

国内在储罐液位报警的规定上主要有以下规范：GB 17681—1999《易燃易爆罐区安全监控预警系统》中规定储罐必须配置液位检测装置，应配置高、低液位的报警回路，必要时还需配置与工艺参数相关的联锁装置；GB 50074—2014《石油库设计规范》中规定应在自控系统中设置高、低液位报警，储罐低液位报警应满足泵机组不发生汽蚀，浮顶罐的低液位报警设置应高于浮顶落地高度；SY/T 6517—2010分别定义了正常充装液位、安全充装液位和过量充装液位等3个参数的分析和计算。

2 高液位报警阈值设定

目前，储罐大部分配置了DCS，可实现液位报警、联锁和控制的功能，故在原SY/T 6517—2010规定的报警液位的基础上增加高联锁液位，为了与低液位报警阈值设置一致，将正常充装液位改为最大工作液位，将安全充装液位改为高报警液位，关键液位的示意如图1所示。

2.1 过量充装液位

图1中，LOL指储罐内油品的最高充装液位，但从撞针位置开始计量时，在该液位上任何附加油品均会导致储罐溢流，或引发储罐永久性破坏，该值的计算如式(1)所示：

图1 储罐高、低液位设定示意

LOL=H-HRT-HA

(1)

式中：H——储罐罐壁高度，m；HRT——罐顶有效高度，m；HA——内部附件的高度，m，如内部附件不影响LOL，则HA=0。

2.2 高联锁液位

LH要保证储罐液位在达到LOL前，可以有足够的响应时间启动DCS联锁装置，将油品转移或关闭进口输油泵，此时进口输油泵不应因液位过高导致出口压力过大，发生离心泵倒流反转的现象，因此可用LH核算泵的扬程。首先，根据进口管径和进油流量计算进油速度；随后，计算摩阻损失，将其分为两部分，一部分为油品流过直管段产生的沿程摩阻，一部分为油品流过管件、阀门、法兰、设备等产生的局部摩阻，沿程摩阻和局部摩阻的计算如式(2)～式(3)所示：

(2)

(3)

式中：hl——沿程摩阻，m；λ——水力摩阻系数；l——管道长度，m；v——介质流速，m/s；d——管道内径，m；g——重力加速度，m/s2；hζ——局部摩阻，m；ζ——局部摩阻系数。最后，根据伯努利方程，将进口泵到储罐的管道视为等径，考虑泵机的安装高度和水力特性，核算泵机扬程是否满足式(4)：

(4)

式中：HZ——机泵的安装高度，m；pmax——泵出口的最大工作压力，Pa；γ——物料的重度，N/m3；hw——总的摩阻损失，m；H1——泵的额定扬程，m。如满足公式(4)，则泵机选型合适，反之，则需要加装变频或更换泵型号。最终，在安全余量h0的基础上确定LH，计算如式(5)所示：

LH=LOL-h0

(5)

2.3 高报警液位

LHA低于LH和LOL，是指在油品液位到达LOL之前，应采取适当措施进行人工完全切断或切换油品，与人员响应时间有关，LHA的计算如式(6)所示：

(6)

式中：t——响应时间，h；qV——储罐最大体积流量，m3/h；Htotal——储罐总高度，m；Vc——储罐公称容积，m3。由于LHA液位涉及DCS中的报警功能，故参照LOPA分析中的独立保护层审查办法，将DCS检测到液位参数异常并发出报警，到操作人员有效处理完毕的时间定义为响应时间，并依据事故后果严重程度、储罐现有配置和操作人员的技能水平进行衡量，从而确定响应时间。

2.4 最大工作液位

Lmax是指在油品液位到达LHA前，允许在预定时间内可以最大流量接受油品，Lmax应尽可能接近LHA，其设定与储罐容量、结构强度等因素相关，一般可取LOL的85%～90%。

3 低液位报警阈值设定

当储罐液位较低时，会出现抽空、抽瘪、跑料等事故，且浮顶罐在下底后会在下部形成密度油气空间，当浮顶存在缺陷导致强度不足时，会引发油气爆炸。此外，当液位较低时，出口泵叶轮进口处的某点压力下降到油品的气化压力时，一部分油品气化，冲击叶轮及其金属表面，形成局部高温高压，发生汽蚀现象，故储罐液位的设定还需满足有效汽蚀余量大于必须汽蚀余量[8-9]。参照高液位的设置原则，将LLA阈值设定为Lmin，LLA，LL和LM。

3.1 最小充装液位

LM是指当油品继续流出储罐将导致储罐的应力结构发生永久性破坏，与储罐自身结构属性相关。根据《油气储库工程设计手册》，在罐壁底部通常设置人孔，用于检修人员进出和清罐时排污使用(代替齐平型清扫孔)，常用规格为DN500，DN600，孔中心距离罐底板的距离宜取750 mm，故人孔顶部距罐底板的距离为1～1.05 m。对于固定顶储罐、外浮顶储罐，其浮顶的支撑高度要大于人孔顶部高度；对于内浮顶储罐，其浮顶的支撑高度除要大于人孔顶部高度，还需满足浮顶与罐壁之间密封，保持通气孔闭合，防止毛细作用。综上所述，储罐LM的计算按照式(7)所示：

(7)

对于内浮顶储罐，可根据现场实际情况在1.8～2.0 m取值。

3.2 低联锁液位

LL是指在油品流出的过程中液位继续下降将导致出口泵发生汽蚀的液位，故LL需满足一定的出口泵入口压力和流量，以保证有效汽蚀余量大于必须汽蚀余量。首先，确定泵的最低入口压力，应为导致油品气化时的压力；其次，计算油品流速、摩阻损失和最高汽蚀液位；最后，如最高汽蚀液位小于LM，则出口泵不会发生汽蚀，由此LL的计算如式(8)所示：

LL=LM+h0

(8)

3.3 低报警液位

LLA高于LL，并在储罐安全的情况下尽可能靠近LL，在此参照LHA的设定依据，LLA计算如式(9)所示：

(9)

3.4 最小工作液位

在油品转出的过程中，随着液位下降，出口泵的入口压力也逐渐下降，导致泵机组的扬程增加，因此Lmin要保证输出油品正压进泵。对于不同储罐容量、不同型号的泵机组，可以通过相似原理结合现场试验，得到泵效、扬程、轴功率和储罐液位之间的关系，使泵在经济高效区间运行，获得储罐的Lmin。但该方法过于复杂，故参照Lmax的相关算法，Lmin取LOL的15%～20%。

4 实例分析

以某联合站的1号固定顶储罐为例进行计算，该储罐存储介质为原油，运动黏度为6×10-6m2/s，饱和蒸气压为4.6 kPa，密度为830 kg/m3；储罐的公称容积为200 m3，罐壁高度为8 m，总高度为9.5 m，罐最大流入量为50 m3/h，最大流出量为20 m3/h；进出口泵至罐的管道长度均为50 m，管径为0.1 m，入口管道有5个45°焊接弯管、5个三通、7个球阀，hξ为10.7，出口管道有2个90°单折焊接弯头、3个三通、1个止逆阀，ξ为8.5。进口泵的额定扬程为20 m，出口泵的额定扬程为20 m，机泵距离地面的安装高度为0.5 m。根据以上条件，确定关键液位的报警阈值。

根据公式(1)计算LOL=8 m。

计算油品进管的流速为

根据公式(2)～公式(3)计算hξ，其中λ采用勃拉休斯公式计算，如式(10)所示：

λ=0.316 4Re-0.25

(10)

(11)

式中：Re——雷诺数，无量纲；μ——流体运动黏度，m2/s。经计算，Re=2.948 3×104>3×103，属于湍流状态，λ=0.024 1,hl=0.96 m,hζ=1.71 m,hw=0.96+1.71=2.67(m)。将上述计算结果代入公式(4)中，得：

Lmax取LOL的90%，Lmax=8×0.9=7.2(m)。

5 结束语

通过梳理储罐关键液位的相关规范，在SY/T 6517—2010规定的报警液位的基础上增加高联锁液位，并将正常充装液位改为最大工作液位，分别设定了高液位的4个报警阈值和低液位的4个报警阈值，并给出了计算方法。结合报警响应时间和输油泵特性，通过实例分析，证明该方法可科学、合理地确定储罐关键液位的报警阈值，对于预防储罐溢流、抽瘪等事故的发生具有重要意义。