外浮顶储罐浮盘倾斜安全监测技术探讨

黄波

摘要：本文根据现场应用实例，结合光纤传感技术在原油储罐报警系统中的运用，对5万方外浮顶储罐浮盘倾斜安全监测系统的原理以及构成进行了说明，同时阐述了安全监测系统设备的选型和安装方式。

关键词：储罐；外浮顶；浮盘倾斜；安全监测

Discussion on safety monitoring technology of floating plate tilt of external floating roof tank

Huang Bo

(Tarim Oil and Gas Transmission Company, Western Pipeline of National Pipeline )

Abstract: According to the field application examples and the application of optical fiber sensing technology in the crude oil storage tank alarm system, this paper describes the principle and composition of the 50,000-square floating roof storage tank floating plate tilt safety monitoring system, and expounds the selection and installation of the safety monitoring system equipment.

Key words: storage tank; Outer floating roof; The floating plate tilts; Safety monitoring

1 针对浮顶储罐的浮盘倾斜度监测的必要性

浮顶储罐的浮顶是一个漂浮在贮液表面上的浮动顶盖，随着储液的输入输出而上下浮动，浮顶与罐壁之间有一个环形空间，这个环形空间有一个密封装置，使罐内液体在顶盖上下浮动时与大气隔绝，从而大大减少了储液在储存过程中的蒸发损失。采用浮顶罐储存油品时，可比固定顶罐减少油品损失80%左右。该种储罐被广泛运用于诸如：汽油、航空煤油、柴油等轻质油品和原油的仓储。

浮盘在长期频繁运行过程中，要受到油品腐蚀、油品温度变化、气候变化、储罐基础沉降、罐体的变形、浮盘顶滑梯安装、浮盘附件是否完好等因素的影响，浮盘几何形状和尺寸发生变化，浮盘逐渐变形，出现表面凹凸不平。变形后浮盘在运行中，由于各处受到浮力不同，以致浮盘倾斜，浮盘量油导向管卡住，导致油品从密封圈及自动呼吸阀孔跑漏到浮盘上而沉盘。油品的挥发泄漏，会有引发油罐火灾的风险，存在严重的安全隐患。

2 外浮顶储罐浮盘倾斜安全监测系统所涉及的规范：

《火灾自动报警系统施工及验收标准》GB50166-2019

《石油储备库设计规范》GB50737-2011

《自动化仪表工程施工及验收规范》GB50093-2013

《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2018

《外壳防护等级（IP 代码）》GB/T 4208-2017

《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058-2014

《激光产品的安全第1部分:设备分类、要求》GB7247.1-2012

《石油化工仪表安装设计规范》SH/T3104-2013

《石油化工分散设计系统设计规范》SH/T3092-2013

《通用用电设备配电设计规范》GB 50055-2011

3 光纤光栅倾角传感器的原理及结构

光纤传感技术由于具有本征安全、抗电磁干扰、可靠性高、易于组网等优点，在化工行业的消防和安防领域得到广泛应用。光纤光栅是20 世纪90 年代以来国际上新兴的一种在光纤通信、光纤传感等光电子处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件。光纤光栅是以石英光纤为基本材料，通过激光加工形成的一种特殊器件，能够对波长满足布拉格条件的光进行反射，在实际工程中，要检测的点如果受到应变、温度、压力、位移和加速度等变化，传感器的反射光波长就会改变，这样通过检测光波长的变化就可以检测出此点的物理量状况。进而可以判断出被检测物体的安全状况。

光纤光栅倾角传感器是一款高灵敏度的倾角传感器，由两个布拉格光栅（FBG）传感元件封装在传统的工业级倾角传感器外壳中制作成的，双光栅的封装结构可实现温度的自我补偿。其中倾角传感器为液体摆式结构，内部结构通过测量光栅的应力变化测得波长的漂移量，进而推测出角度的变化。具体结构图如图1所示。

图1 光纤光栅倾角传感器结构图

光栅的Bragg波长λB由此公式决定: λB= 2nΛ。式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。

4 外浮顶储罐浮盘倾斜安全监测系统的组成及现场安装方式：

4.1外浮顶储罐浮盘倾斜安全监测系统的组成

外浮顶储罐浮盘倾斜安全监测系统由光纤光栅倾角解调仪、倾角传感器组、传输光缆和监控计算机、监控软件等组成。其主要作用分述如下：

倾角传感器组。单个倾角传感器仅能测量浮盘X或Y轴向的倾斜角度，且浮盘直径过大，为保证测量精度，提高测量准确性，呈45°夹角在浮盘二次密封处安装8个光纤光栅倾角仪，进行角度合成，形成浮盘真实倾斜角度与方向。

光纤光栅倾角解调仪，其主要作用为：1、为现场检测光栅提供光源；2、检测光栅返回的光信号进行调制解调；3、实时显示现场检测油罐浮盘的倾斜状态；

4、输出系统自诊断故障信号。

传输光缆，其主要作用为：用于储罐的倾角检测信号与控制室内信号处理间的光信号传输。

监控计算机，其主要作用为：用于监测数据实时展示、预警及报警信息管理、历史数据查询等

4.2外浮顶储罐浮盘倾斜安全监测系统现场安装方式：

5万方外浮顶储罐浮盘倾斜安全监测统由光纤光栅倾角解调仪、倾角传感器组、传输光缆和监控计算机、监控软件等组成一套浮顶储罐浮盘倾斜安全监测系统。浮盘周长200m，本系统在3个外浮顶储罐的浮盘上安装8个光纤光栅倾角传感器，传感器夹角为45°，间距25m，形成一套倾角传感器组。3个储罐的倾角传感器组通过传输光缆将传感器组信号传回监测中心机柜间，通过光纤光栅解调仪表进行数据解调，实时监测整个浮盘的倾角变化来综合判断浮盘的运行状态，实现对浮顶储罐安全实时诊断，并及时进行预警和报警。系统图如下图所示：

浮顶罐上安装敷设如下图所示：

图 倾角传感器安装示意图

传输光缆自控制室起，敷设在自控电缆沟内（或桥架上）至罐底旁，穿防爆挠性管后通过钢管沿罐壁垂直引上罐顶，与罐内扶梯的钢管用防爆挠性管连接。传输光缆穿钢管敷设至内扶梯的底部，通过在扶梯导轨两端安装立柱，中间采用钢丝绳连接，在钢丝绳上安装滑动挂钩，传输光缆呈弹簧状通过滑动挂钩固定于钢丝绳上，后在浮顶罐上二次密封浮盘处夹角呈45°，安装8个倾角传感器，安装倾角传感器时需通过水平仪进行调零处理，后用传输光缆串联起来，通过监测浮盘x，y轴两个方向的倾斜角度来判断油罐的实时状态。

5结语：

运用光纤传感技术，通过检测光波长的变化判断出被检测物体细微的物理变化，本案例在外浮顶储罐的浮盘上安装8个光纤光栅倾角传感器，传感器夹角为45°，间距25m，形成一套倾角传感器组，通过监测浮盘x，y轴两个方向的倾斜角度来判断油罐的实时状态。光纤传感技术具有本征安全、抗电磁干扰、可靠性高、易于组网等优点，适用于原油储罐等易燃易爆场所。