淺析氯硅烷球罐液位儀表與控制設(shè)計(jì)

 

氯硅烷是有機(jī)硅行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要原料谦纱，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)之一君编。通過(guò)對(duì)球罐液位測(cè)量方案的探討跨嘉，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吃嘿。

某公司氯硅烷球罐設(shè)計(jì)為常溫常壓儲(chǔ)存祠乃，單罐容積1000m3窘游，直徑12．3m，共4座跳纳。其儲(chǔ)存的氯硅烷中包含一種三氯氫硅的原料忍饰，常溫常壓下為具有刺激性氣味、易流動(dòng)寺庄、易揮發(fā)的無(wú)色透明液體艾蓝，密度為1350kg/m3。三氯氫硅遇水劇烈反應(yīng)放熱并釋放出氫氣斗塘，進(jìn)而產(chǎn)生燃燒和爆炸赢织，屬遇濕易燃物品。根據(jù)儲(chǔ)量和周邊情況馍盟，屬一級(jí)重大危險(xiǎn)源［1］于置。

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》(GB17681-1999)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(lèi)別的液位檢測(cè)儀表贞岭，儲(chǔ)存易燃易爆介質(zhì)的儲(chǔ)罐應(yīng)配備高八毯、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］瞄桨。同時(shí)话速，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)芯侥，從而對(duì)液位的測(cè)量和控制有了更高的要求泊交。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)中的安全性柱查，球罐需要配備高低位報(bào)警液位開(kāi)關(guān)廓俭，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)要求唉工。適用于球罐液位測(cè)量控制的液位儀表種類(lèi)很多研乒，能滿(mǎn)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)量酵紫。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)行探討告嘲，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》(AQ3036-2010)要求液位報(bào)警高低位至少各設(shè)置一級(jí)奖地，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)赋焕。目前参歹，比較適用于本球罐的液位開(kāi)關(guān)類(lèi)型主要有音叉式、電容式和外測(cè)式隆判。

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)壓電晶體在通電后犬庇，使音叉在一定共振頻率下振動(dòng)僧界。當(dāng)球罐內(nèi)液位上升(或下降)時(shí)，淹沒(méi)(或脫離)音叉臭挽，引起振動(dòng)頻率的變化捂襟，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)欢峰，用來(lái)指示液位高低位報(bào)警葬荷。音叉式液位開(kāi)關(guān)安裝方便，維護(hù)簡(jiǎn)單纽帖，對(duì)三氯氫硅球罐液位高低報(bào)警測(cè)量較為適宜宠漩。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)警懊直，選用頂裝式或側(cè)裝式皆可扒吁。若采用頂裝式，應(yīng)根據(jù)高液位報(bào)警閾值室囊，選擇合適的長(zhǎng)度雕崩。該類(lèi)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)較高融撞。安裝時(shí)晨逝，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)懦铺。其優(yōu)點(diǎn)是捉貌，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)間和沾附冬念，有效減少誤動(dòng)作的概率趁窃。若采用側(cè)裝式，則不需要特殊定制急前，采用一般通用型音叉開(kāi)關(guān)即可醒陆。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裆针，同時(shí)也應(yīng)盡量避開(kāi)物料進(jìn)出口刨摩，在前期做好與設(shè)備專(zhuān)業(yè)的溝通。否則會(huì)在日后檢修時(shí)世吨，因?yàn)闊o(wú)法正常接近而增大檢修難度澡刹。對(duì)于三氯氫硅球罐，因?yàn)榻橘|(zhì)較為干凈耘婚，可采用直接插入式安裝罢浇，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嚷闭，有效避免掛料引起的誤報(bào)攒岛。

b．對(duì)于低液位報(bào)警，由于球罐直徑過(guò)大胞锰，無(wú)法采用頂裝式灾锯，只能采用側(cè)裝式。其安裝方式和要求與高液位側(cè)裝式安裝相同嗅榕，不再贅述顺饮。結(jié)合該公司三氯氫硅儲(chǔ)罐的實(shí)際工況，綜合考慮成本誊册、檢修等领突，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、可靠的案怯。

 

1．2其他類(lèi)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君旦。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)嘲碱，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)金砍，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)生顯著變化麦锯。智能電路通過(guò)檢測(cè)這種電容的顯著變化恕稠，輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高低液位報(bào)警扶欣。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)量液位的方式相似鹅巍。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料祠。外測(cè)式液位開(kāi)關(guān)包括一個(gè)發(fā)射探頭骆捧、一個(gè)接收探頭、變送器以及連接附件髓绽。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敛苇，水平緊貼罐壁安裝。發(fā)射探頭產(chǎn)生高頻超聲波脈沖顺呕，穿透球罐罐壁枫攀，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)算株茶，在有液體和無(wú)液體時(shí)捕捉信號(hào)衰減特性来涨，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］忌卤。

外測(cè)式液位開(kāi)關(guān)安裝時(shí)扫夜，不要求提供安裝接口，避免動(dòng)火清罐難題驰徊，可在不影響連續(xù)生產(chǎn)的前提下安裝笤闯，非常便利。隨著近幾年一些老舊罐區(qū)的安全改造棍厂，其應(yīng)用呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)趨勢(shì)颗味。事實(shí)上，在該公司的三氯氫硅儲(chǔ)罐多次安全檢查中牺弹，專(zhuān)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)題浦马。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)題张漂。

 

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)量晶默，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)重要航攒。在該公司三氯氫硅球罐設(shè)計(jì)之初磺陡，采用的是雷達(dá)液位計(jì)和差壓液位計(jì)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)行工作的漠畜。雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射的微脈沖沿著纜(或天線)傳播币他，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)間而得到距離憔狞，測(cè)量原理如圖1所示蝴悉。

 

 

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(mén)，則球罐液位L為:

L=H－CT/2(1)

式中 C———微脈沖傳播速度瘾敢，等于光速;

H———罐高(含安裝接口高度)拍冠。

雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用范圍非常廣泛，可用來(lái)測(cè)量液體簇抵、固體介質(zhì)庆杜，幾乎不受溫度、壓力正压、噪音及真空等工況影響欣福，安裝方式靈活多樣，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件可采用頂裝焦履、旁通管安裝及導(dǎo)波管安裝等拓劝。該公司球罐儲(chǔ)存的三氯氫硅介質(zhì)純凈，無(wú)氣霧嘉裤、攪拌等特殊情況郑临，球罐直徑12．3m，選擇纜式導(dǎo)波雷達(dá)屑宠。安裝時(shí)厢洞，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，并將重錘定在罐底躺翻，防止物料波動(dòng)帶動(dòng)纜繩擺動(dòng)丧叽，影響測(cè)量精度。在實(shí)際使用過(guò)程中公你，該型雷達(dá)測(cè)量精度和穩(wěn)定性極好踊淳，投用以來(lái)未發(fā)生任何測(cè)量故障。

 

2． 2 差壓液位計(jì)

差壓式液位計(jì)是利用液柱產(chǎn)生的壓力來(lái)測(cè)量液位高度的陕靠。在液位發(fā)生變化后迂尝，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)隨之變化剪芥，差壓變化量與液位高度成現(xiàn)線性關(guān)系［5］垄开。差壓液位計(jì)根據(jù)工況不同，有雙法蘭差壓液位計(jì)和單法蘭差壓液位計(jì)税肪，二者測(cè)量的根本原理相同溉躲。針對(duì)球罐，雙法蘭差壓液位計(jì)測(cè)量原理如圖 2 所示寸认。

 

 

通過(guò)式(2)不難看出签财，差壓液位計(jì)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)偏塞。在此條件下唱蒸，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)灸叼，可選用不同材料膜片神汹。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)古今，該系列液位計(jì)采用雙傳感器技術(shù)屁魏，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捉腥。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)同步氓拼，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)抵碟。其優(yōu)點(diǎn)是不需要毛細(xì)管作為引壓管桃漾，壓力反應(yīng)快、精度高拟逮，日常維護(hù)也極為方便撬统。需要注意的是，應(yīng)重視對(duì)膜片材料的選擇敦迄。仍以三氯氫硅介質(zhì)為例恋追，先后使用過(guò)316L和鉭材料膜片凭迹，均出現(xiàn)漏油、高壓側(cè)膜盒干涸現(xiàn)象苦囱。經(jīng)后期分析嗅绸，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+3H2O=SiO2(H2O)↓+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)沿彭，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)朽砰，zui終導(dǎo)致不銹鋼膜片表面點(diǎn)狀腐蝕尖滚。在實(shí)際應(yīng)用中喉刘，這些不銹鋼膜片表面的點(diǎn)蝕造成漏油，從而使液位計(jì)失效漆弄。但后來(lái)采用鉭材料膜片睦裳，在使用1～3年的時(shí)間內(nèi)，仍然出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象撼唾。經(jīng)綜合分析廉邑，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)腐蝕倒谷，導(dǎo)致焊接處出現(xiàn)微小點(diǎn)蝕蛛蒙，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渤愁，期望解決這一問(wèn)題牵祟。

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抖格。外測(cè)式液位計(jì)工作原理與外測(cè)式液位開(kāi)關(guān)相似诺苹，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)雹拄。外測(cè)式液位計(jì)應(yīng)用時(shí)要求介質(zhì)組分均勻收奔，罐壁不存在嚴(yán)重結(jié)垢，zui高應(yīng)用溫度可達(dá)220℃滓玖。外測(cè)式液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是安裝時(shí)附著在球罐外壁上坪哄，不需要?jiǎng)踊痖_(kāi)孔，不與物料直接接觸势篡，不受壓力翩肌、介質(zhì)性質(zhì)影響。因此殊霞，在當(dāng)前安全檢查要求越來(lái)越嚴(yán)格的情況下摧阅，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)是理想的選擇绷蹲。

 

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)合物料特性棒卷、儲(chǔ)存量和周邊環(huán)境綜合考慮顾孽。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)的要求比规，zui終設(shè)計(jì)如圖3所示若厚。

對(duì)于工藝控制要求，按照前述文獻(xiàn)［2蜒什，3］中的相關(guān)要求测秸，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為差壓液位計(jì)灾常，另一臺(tái)LIC-1102為雷達(dá)液位計(jì)霎冯，并以差壓液位計(jì)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)之用钞瀑。與此同時(shí)沈撞，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)警雕什，提醒操作人員進(jìn)行干預(yù)缠俺。其中LSA-1101為高液位報(bào)警，報(bào)警閾值為80%贷岸，以防止液位過(guò)高造成漫罐或超壓;LSA-1102為低液位報(bào)警壹士，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偿警。高液位報(bào)警開(kāi)關(guān)亦可采用頂裝式安裝躏救，雖然成本稍高，但更易于維護(hù)户敬。

對(duì)于安全儀表系統(tǒng)落剪，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)用工況尿庐，進(jìn)行HAZOP分析忠怖，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］抄瑟。進(jìn)一步地利用LOPA分析方法凡泣，設(shè)計(jì)安全儀表回路(SIF)，等級(jí)為SIL2皮假，可將風(fēng)險(xiǎn)降低至低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)鞋拟。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)惹资。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;zui終元件為氣動(dòng)切斷閥贺纲，電磁閥不帶PVST功能;安全PLC選用HoneywellSM系統(tǒng)。所有現(xiàn)場(chǎng)儀表褪测、安全柵和繼電器均采用SIL認(rèn)證的產(chǎn)品猴誊，配置模式為1oo1潦刃。查該SIF回路使用的元件的認(rèn)證證書(shū)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懈叹，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的SIL2要求［7］乖杠。

 

 

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(mǎn)足工藝生產(chǎn)的實(shí)際需要澄成。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用胧洒，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)和差壓液位計(jì)同時(shí)監(jiān)測(cè)墨状，可靠性好卫漫，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)立的安全儀表回路歉胶，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)立配置汛兜，建議按照獨(dú)立配置為宜。