硅氯硅烷是有機(jī)硅行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要原料，球罐用于生產(chǎn)過(guò)程中的氯硅烷原料儲(chǔ)存和中轉(zhuǎn)。球罐液位是氯硅烷中轉(zhuǎn)和輸送過(guò)程重要的控制參數(shù)之一。通過(guò)對(duì)球罐液位測(cè)量方案的探討，選擇合適的測(cè)量?jī)x表，對(duì)提高球罐區(qū)安全聯(lián)鎖的可靠性尤為重要。討論了差壓液位變送器在氯硅烷球罐液位儀表選型的一般性原則，并分析各類型儀表的應(yīng)用特點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了球罐的液位一般控制方案。

 
某公司氯硅烷球罐設(shè)計(jì)為常溫常壓儲(chǔ)存，單罐容積1 000m3，直徑12. 3m，共4 座。其儲(chǔ)存的氯硅烷中包含一種三氯氫硅的原料，常溫常壓下為具有刺激性氣味、易流動(dòng)、易揮發(fā)的無(wú)色透明液體，密度為1 350kg/ m3。三氯氫硅遇水劇烈反應(yīng)放熱并釋放出氫氣，進(jìn)而產(chǎn)生燃燒和爆炸，屬遇濕易燃物品。根據(jù)儲(chǔ)量和周邊情況，屬一級(jí)重大危險(xiǎn)源。
 
根據(jù)《易燃易爆罐區(qū)安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)驗(yàn)收技術(shù)要求》(GB 17681-1999)中第5. 5 條要求:液體儲(chǔ)罐必須配置液位檢測(cè)儀表，同一儲(chǔ)罐至少配備兩種不同類別的液位檢測(cè)儀表，儲(chǔ)存易燃易爆介質(zhì)的儲(chǔ)罐應(yīng)配備高、低液位報(bào)警回路，必要時(shí)還應(yīng)配有液位與相關(guān)工藝參數(shù)之間的聯(lián)鎖系統(tǒng)[2] 。同時(shí)，安監(jiān)總管三[2014]116 號(hào)文件提出所有一、二級(jí)重大危險(xiǎn)源應(yīng)設(shè)計(jì)符合要求的安全儀表系統(tǒng)，從而對(duì)液位的測(cè)量和控制有了更高的要求。根據(jù)上述規(guī)范要求，為了進(jìn)一步提高氯硅烷球罐在生產(chǎn)中的安全性，球罐需要配備高低位報(bào)警液位開(kāi)關(guān)，同時(shí)還需要配置至少兩種不同測(cè)量原理的連續(xù)液位測(cè)量?jī)x表參與安全聯(lián)鎖控制，達(dá)到安全儀表系統(tǒng)的相關(guān)要求。適用于球罐液位測(cè)量控制的液位儀表種類很多，能滿足介質(zhì)工況和安裝要求的液位儀表，均能應(yīng)用于球罐液位測(cè)量。筆者對(duì)某公司氯硅烷儲(chǔ)存罐區(qū)中三氯氫硅球罐應(yīng)用的測(cè)量?jī)x表選型和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行探討，設(shè)計(jì)了該球罐液位控制系統(tǒng)。
 
　　1 液位開(kāi)關(guān)
《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控裝備設(shè)置規(guī)范》(AQ 3036-2010)要求液位報(bào)警高低位至少各設(shè)置一級(jí)，報(bào)警閾值分別為高限位和低限位[3] ，則球罐應(yīng)設(shè)置高低位液位開(kāi)關(guān)。目前，比較適用于本球罐的液位開(kāi)關(guān)類型主要有音叉式、電容式和外測(cè)式。
 
　　1. 1 音叉式液位開(kāi)關(guān)
音叉式液位開(kāi)關(guān)的原理是用通過(guò)壓電晶體在通電后，使音叉在一定共振頻率下振動(dòng)。當(dāng)球罐內(nèi)液位上升(或下降)時(shí)，淹沒(méi)(或脫離)音叉，引起振動(dòng)頻率的變化，智能電路模塊通過(guò)檢測(cè)頻率變化閾值，接通或斷開(kāi)報(bào)警節(jié)點(diǎn)，用來(lái)指示液位高低位報(bào)警。音叉式液位開(kāi)關(guān)安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)三氯氫硅球罐液位高低報(bào)警測(cè)量較為適宜。在音叉開(kāi)關(guān)安裝時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:
 
　　a. 對(duì)于高液位報(bào)警，選用頂裝式或側(cè)裝式皆可。若采用頂裝式，應(yīng)根據(jù)高液位報(bào)警閾值，選擇合適的長(zhǎng)度。該類型音叉需要向供應(yīng)商提供詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定制，成本相對(duì)較高。安裝時(shí)，音叉的安裝位置應(yīng)避開(kāi)物料進(jìn)出口，否則會(huì)因物料飛濺引起誤報(bào)。其優(yōu)點(diǎn)是，頂裝時(shí)音叉垂直向下，減少了物料或者雜質(zhì)在叉體上的停留時(shí)間和沾附，有效減少誤動(dòng)作的概率。若采用側(cè)裝式，則不需要特殊定制，采用一般通用型音叉開(kāi)關(guān)即可。需要注意的是，該音叉開(kāi)關(guān)安裝接口位置應(yīng)選在爬梯通過(guò)或者能接觸到的位置，同時(shí)也應(yīng)盡量避開(kāi)物料進(jìn)出口，在前期做好與設(shè)備**的溝通。否則會(huì)在日后檢修時(shí)，因?yàn)闊o(wú)法正常接近而增大檢修難度。對(duì)于三氯氫硅球罐，因?yàn)榻橘|(zhì)較為干凈，可采用直接插入式安裝，叉體開(kāi)口垂直。對(duì)于粘度較高或含雜質(zhì)較多的介質(zhì)，可采用向下傾斜的安裝方式，有效避免掛料引起的誤報(bào)。
 
b. 對(duì)于低液位報(bào)警，由于球罐直徑過(guò)大，無(wú)法采用頂裝式，只能采用側(cè)裝式。其安裝方式和要求與高液位側(cè)裝式安裝相同，不再贅述。結(jié)合該公司三氯氫硅儲(chǔ)罐的實(shí)際工況，綜合考慮成本、檢修等，對(duì)高低位液位報(bào)警開(kāi)關(guān)采用側(cè)裝式音叉液位開(kāi)關(guān)是合理、可靠的。
 
　　1. 2 其他類型液位開(kāi)關(guān)
電容式液位開(kāi)關(guān)由探頭部分和電氣部分組成。其中探頭部分下部由兩個(gè)電極構(gòu)成一個(gè)電容。當(dāng)探頭在空氣中或介質(zhì)氣體中時(shí)，電氣部分檢測(cè)到的是一個(gè)較小的初始電容值;當(dāng)液體物料上升到淹沒(méi)探頭時(shí)，探頭兩極之間相當(dāng)于加入了填充物，電氣部分檢測(cè)到電容值發(fā)生顯著變化。智能電路通過(guò)檢測(cè)這種電容的顯著變化，輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高低液位報(bào)警。電容式液位開(kāi)關(guān)的應(yīng)用與音叉式液位開(kāi)關(guān)安裝要求和測(cè)量液位的方式相似。對(duì)于三氯氫硅球罐，電容式液位開(kāi)關(guān)也是一種理想的選擇。
 
外測(cè)式液位開(kāi)關(guān)包括一個(gè)發(fā)射探頭、一個(gè)接收探頭、變送器以及連接附件。安裝時(shí)發(fā)射探頭和接收探頭按照安裝高低位報(bào)警要求的高度和一定的探頭間隔距離要求，水平緊貼罐壁安裝。發(fā)射探頭產(chǎn)生高頻超聲波脈沖，穿透球罐罐壁，在罐壁和液體介質(zhì)中傳播，通過(guò)對(duì)反射特性的檢測(cè)和計(jì)算，在有液體和無(wú)液體時(shí)捕捉信號(hào)衰減特性，從而判斷是否有液體達(dá)到探頭安裝位置，進(jìn)而通過(guò)變送器輸出液位報(bào)警信號(hào)[4] 。外測(cè)式液位開(kāi)關(guān)安裝時(shí)，不要求提供安裝接口，避免動(dòng)火清罐難題，可在不影響連續(xù)生產(chǎn)的前提下安裝，非常便利。隨著近幾年一些老舊罐區(qū)的安全改造，其應(yīng)用呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)趨勢(shì)。事實(shí)上，在該公司的三氯氫硅儲(chǔ)罐多次安全檢查中，專家組成員曾提出球罐沒(méi)有設(shè)置低液位報(bào)警開(kāi)關(guān)的問(wèn)題。但在球罐建設(shè)初期沒(méi)有預(yù)留安裝接口，而外測(cè)式液位開(kāi)關(guān)的安裝方式很好的解決了這一歷史遺留問(wèn)題。
 
　　2 遠(yuǎn)傳液位計(jì)
遠(yuǎn)傳液位計(jì)用來(lái)對(duì)球罐液位進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)球罐內(nèi)物料的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，精確的液位測(cè)量對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的全程監(jiān)控至關(guān)重要。在該公司三氯氫硅球罐設(shè)計(jì)之初，采用的是雷達(dá)液位計(jì)和差壓液位變送器進(jìn)行液位監(jiān)測(cè)的方案。
 
　　2. 1 雷達(dá)液位計(jì)
雷達(dá)液位計(jì)是基于時(shí)間行程原理進(jìn)行工作的。雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射的微脈沖沿著纜(或天線)傳播，脈沖在介質(zhì)表面被反射回來(lái)并被液位計(jì)接收，通過(guò)測(cè)量脈沖發(fā)射和反射接收傳輸所花費(fèi)的時(shí)間而得到距離，測(cè)量原理如圖1 所示。
  設(shè)脈沖從發(fā)射到經(jīng)液面反射后被接收的行程時(shí)間為T，則球罐液位L 為:
 
　　L = H - CT / 2 (1)
　　式中 C ———微脈沖傳播速度，等于光速;
　　H ———罐高(含安裝接口高度)。
雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用范圍非常**，可用來(lái)測(cè)量液體、固體介質(zhì)，幾乎不受溫度、壓力、噪音及真空等工況影響，安裝方式靈活多樣，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件可采用頂裝、旁通管安裝及導(dǎo)波管安裝等。該公司球罐儲(chǔ)存的三氯氫硅介質(zhì)純凈，無(wú)氣霧、攪拌等特殊情況，球罐直徑12. 3m，選擇纜式導(dǎo)波雷達(dá)。安裝時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝位置的實(shí)際需要纜長(zhǎng)，調(diào)整重錘位置，并將重錘定在罐底，防止物料波動(dòng)帶動(dòng)纜繩擺動(dòng)，影響測(cè)量精度。在實(shí)際使用過(guò)程中，該型雷達(dá)測(cè)量精度和穩(wěn)定性極好，投用以來(lái)未發(fā)生任何測(cè)量故障。
 
　　2. 2 差壓液位變送器
差壓式液位計(jì)是利用液柱產(chǎn)生的壓力來(lái)測(cè)量液位高度的。在液位發(fā)生變化后，高壓側(cè)法蘭處膜片所接收到的壓力就會(huì)隨之變化，變送器計(jì)算出的差壓值也會(huì)隨之變化，差壓變化量與液位高度成現(xiàn)線性關(guān)系[5] 。差壓液位變送器根據(jù)工況不同，有雙法蘭差壓液位變送器和單法蘭差壓液位變送器，二者測(cè)量的根本原理相同。針對(duì)球罐，雙法蘭差壓液位變送器測(cè)量原理如圖2 所示。
   
　　根據(jù)圖2，球罐液位L 可根據(jù)下式計(jì)算:
　　L = p2 - p1
　　ρg (2)
　　式中 g ———常數(shù)，取9. 8N/ kg;
　　p1 ———球罐上部取壓口壓力;
　　p2 ———球罐底部取壓口壓力;
ρ ———介質(zhì)密度。
 
通過(guò)式(2)不難看出，差壓液位變送器比較適合密度均勻、在運(yùn)行過(guò)程中不發(fā)生較大波動(dòng)的介質(zhì)。在此條件下，測(cè)量精度僅與儀表的選型精度有關(guān)。針對(duì)不同介質(zhì)性質(zhì)，可選用不同材料膜片。在該公司三氯氫硅球罐液位測(cè)量，選用的是某公司3051 系列液位計(jì)，該系列液位計(jì)采用雙傳感器技術(shù)，高低壓側(cè)各安裝一臺(tái)傳感器，副傳感器與主傳感器采用通信電纜連接。主副傳感器測(cè)量的壓力值在主傳感器中進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，并經(jīng)過(guò)計(jì)算，可輸出差壓值或者液位值(需預(yù)設(shè)定測(cè)量范圍)。其優(yōu)點(diǎn)是不需要毛細(xì)管作為引壓管，壓力反應(yīng)快、精度高，日常維護(hù)也極為方便。需要注意的是，應(yīng)重視對(duì)膜片材料的選擇。仍以三氯氫硅介質(zhì)為例，先后使用過(guò)316L 和鉭材料膜片，均出現(xiàn)漏油、高壓側(cè)膜盒干涸現(xiàn)象。經(jīng)后期分析，根本原因在于三氯氫硅介質(zhì)中氯離子對(duì)金屬膜片的腐蝕。氯離子產(chǎn)生機(jī)理如下:
 
SiHCl3 +3H2 O = SiO2 (H2 O)↓ +3HCl + H2 ↑HCl = H+ + Cl-
 
不銹鋼組成中不均勻的部分不可避免地含有碳等微量雜質(zhì)，這些不均勻或含有雜質(zhì)的部分在氯離子的環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生原電池反應(yīng)，*終導(dǎo)致不銹鋼膜片表面點(diǎn)狀腐蝕。在實(shí)際應(yīng)用中，這些不銹鋼膜片表面的點(diǎn)蝕造成漏油，從而使液位計(jì)失效。但后來(lái)采用鉭材料膜片，在使用1 ~3年的時(shí)間內(nèi)，仍然出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象。經(jīng)綜合分析，判斷是在膜片制造過(guò)程中，沿圓周焊接的焊材在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中出現(xiàn)腐蝕，導(dǎo)致焊接處出現(xiàn)微小點(diǎn)蝕，進(jìn)一步導(dǎo)致液位計(jì)漏油失效。后續(xù)擬采用襯四氟膜片隔離氯離子與金屬的直接接觸，期望解決這一問(wèn)題。
 
另外當(dāng)前對(duì)于介質(zhì)組分穩(wěn)定的球罐，應(yīng)用外測(cè)式液位計(jì)也是一種流行的選擇。外測(cè)式液位計(jì)工作原理與外測(cè)式液位開(kāi)關(guān)相似，所不同的是它能對(duì)球罐液位進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，輸出模擬量信號(hào)。外測(cè)式液位計(jì)應(yīng)用時(shí)要求介質(zhì)組分均勻，罐壁不存在嚴(yán)重結(jié)垢，*高應(yīng)用溫度可達(dá)220℃。外測(cè)式液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是安裝時(shí)附著在球罐外壁上，不需要?jiǎng)踊痖_(kāi)孔，不與物料直接接觸，不受壓力、介質(zhì)性質(zhì)影響。因此，在當(dāng)前安全檢查要求越來(lái)越嚴(yán)格的情況下，應(yīng)對(duì)一些球罐液位監(jiān)測(cè)整改的問(wèn)題，外測(cè)式液位計(jì)是理想的選擇。
 
　　3 三氯氫硅球罐液位控制設(shè)計(jì)
球罐液位控制應(yīng)結(jié)合物料特性、儲(chǔ)存量和周邊環(huán)境綜合考慮。該公司三氯氫硅儲(chǔ)罐屬于一級(jí)重大危險(xiǎn)源范疇，液位控制設(shè)計(jì)應(yīng)考慮工藝控制和安全儀表系統(tǒng)的要求，*終設(shè)計(jì)如圖3 所示。對(duì)于工藝控制要求，按照前述文獻(xiàn)[2，3]中的相關(guān)要求，設(shè)計(jì)了兩臺(tái)液位計(jì)來(lái)進(jìn)行液位連續(xù)測(cè)量。其中一臺(tái)LIC-1101 為差壓液位變送器，另一臺(tái)LIC-1102 為雷達(dá)液位計(jì)，并以差壓液位變送器LIC-1101 和液位調(diào)節(jié)閥LV-1101 構(gòu)成液位自控回路。雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量值作為日常監(jiān)測(cè)之用。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)了高低液位報(bào)警開(kāi)關(guān)，在液位過(guò)高或者過(guò)低時(shí)發(fā)出報(bào)警，提醒操作人員進(jìn)行干預(yù)。其中LSA-1101 為高液位報(bào)警，報(bào)警閾值為80% ，以防止液位過(guò)高造成漫罐或超壓;LSA-1102 為低液位報(bào)警，報(bào)警閾值為15% ，以使輸送泵能夠克服揚(yáng)程和摩擦阻力而正常吸入。高液位報(bào)警開(kāi)關(guān)亦可采用頂裝式安裝，雖然成本稍高，但更易于維護(hù)。
 
對(duì)于安全儀表系統(tǒng)，按照安監(jiān)總管三[2014]116 號(hào)文件的要求，結(jié)合該球罐的應(yīng)用工況，進(jìn)行HAZOP 分析，液位控制回路發(fā)生故障造成的后果嚴(yán)重性等級(jí)為5 級(jí)，屬于不可承受風(fēng)險(xiǎn)[6] 。進(jìn)一步地利用LOPA 分析方法，設(shè)計(jì)安全儀表回路(SIF)，等級(jí)為SIL2，可將風(fēng)險(xiǎn)降低至低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。因此設(shè)計(jì)獨(dú)立的安全儀表回路，應(yīng)對(duì)液位控制回路故障可能帶來(lái)的危險(xiǎn)。該回路配置為:現(xiàn)場(chǎng)變送器使用雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量球罐液位;*終元件為氣動(dòng)切斷閥，電磁閥不帶PVST 功能;安全PLC 選用Honeywell SM 系統(tǒng)。所有現(xiàn)場(chǎng)儀表、安全柵和繼電器均采用SIL 認(rèn)證的產(chǎn)品，配置模式為1oo1。查該SIF 回路使用的元件的認(rèn)證證書相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算得該SIF 回路需求時(shí)的平均失效概率PFD =1. 483 ×10 -3，滿足設(shè)計(jì)的SIL2 要求。
 
　　4 結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)某公司三氯氫硅球罐工況的液位儀表選型，應(yīng)綜合考慮應(yīng)對(duì)可能風(fēng)險(xiǎn)和滿足工藝生產(chǎn)的實(shí)際需要。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，球罐高低位報(bào)警開(kāi)關(guān)采用音叉式或電容式液位開(kāi)關(guān)，效果良好;液位連續(xù)測(cè)量采用雷達(dá)液位計(jì)和差壓液位變送器同時(shí)監(jiān)測(cè)，
  　　可靠性好，故障率極低;涉及安全儀表系統(tǒng)的相關(guān)回路，則應(yīng)設(shè)計(jì)獨(dú)立的安全儀表回路，相關(guān)回路元件則應(yīng)根據(jù)該安全儀表回路要求的SIL 等級(jí)決定是否獨(dú)立配置，建議按照獨(dú)立配置為宜。


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