摘 要 討論了某公司氯硅烷球罐液位儀表選型，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。
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。
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［1］。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)置高低位液位開關(guān)。目前，比較適用于本球罐的液位開關(guān)類型主要有音叉式、電容式和外測(cè)式。
1． 1 音叉式液位開關(guān)
音叉式液位開關(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關(guān)即可。需要注意的是，該音叉開關(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)盡量避開物料進(jìn)出口，在前期做好與設(shè)備專業(yè)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)警開關(guān)采用側(cè)裝式音叉液位開關(guān)是合理、可靠的。
1． 2 其他類型液位開關(guān)
電容式液位開關(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。電容式液位開關(guān)的應(yīng)用與音叉式液位開關(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，電容式液位開關(guān)也是一種理想的選擇。
外測(cè)式液位開關(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que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。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)用范圍非常廣泛，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。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)，二者測(cè)量的根本原理相同。針對(duì)球罐，雙法蘭差壓液位計(jì)測(cè)量原理如圖 2 所示。
通過(guò)式( 2) 不難看出，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)。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 + 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)，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)于介謘hou櫸治榷ǖ那蜆蓿τ猛獠饈揭何患埔彩且恢至饜械難≡瘛Ｍ獠饈揭何患乒ぷ髟磧臚獠饈揭何豢叵嗨疲煌氖撬芏鄖蜆摶何喚辛飭浚涑瞿Ｄ飭啃藕擰Ｍ獠饈揭何患樸τ檬幣蠼櫓shou櫸志齲薇誆淮嬖諮現(xiàn)亟峁福?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_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)為差壓液位計(jì)，另一臺(tái)為雷達(dá)液位計(jì)，并以差壓液位計(jì)和液位調(diào)節(jié)閥構(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)好立的安全儀表回路，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)警開關(guān)采用音叉式或電容式液位開關(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)，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)好立的安全儀表回路，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)決定是否好立配置，建議按照好立配置為宜。
關(guān)注我們 實(shí)現(xiàn)共贏