淺析氯硅烷球罐液位儀表與控制設計

 

氯硅烷是有機硅行業生產過程中的重要原料，球罐用于生產過程中的氯硅烷原料儲存和中轉。球罐液位是氯硅烷中轉和輸送過程重要的控制參數之一。通過對球罐液位測量方案的探討，選擇合適的測量儀表，對提高球罐區安全聯鎖的可靠性尤為重要。

某公司氯硅烷球罐設計為常溫常壓儲存，單罐容積1000m3，直徑12．3m，共4座。其儲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、易揮發的無色透明液體，密度為1350kg/m3。三氯氫硅遇水劇烈反應放熱并釋放出氫氣，進而產生燃燒和爆炸，屬遇濕易燃物品。根據儲量和周邊情況，屬一級重大危險源［1］。

根據《易燃易爆罐區安全監控預警系統驗收技術要求》(GB17681-1999)中第5．5條要求:液體儲罐必須配置液位檢測儀表，同一儲罐至少配備兩種不同類別的液位檢測儀表，儲存易燃易爆介質的儲罐應配備高、低液位報警回路，必要時還應配有液位與相關工藝參數之間的聯鎖系統［2］。同時，安監總管三［2014］116號文件提出所有一、二級重大危險源應設計符合要求的安全儀表系統，從而對液位的測量和控制有了更高的要求。根據上述規范要求，為了進一步提高氯硅烷球罐在生產中的安全性，球罐需要配備高低位報警液位開關，同時還需要配置至少兩種不同測量原理的連續液位測量儀表參與安全聯鎖控制，達到安全儀表系統的相關要求。適用于球罐液位測量控制的液位儀表種類很多，能滿足介質工況和安裝要求的液位儀表，均能應用于球罐液位測量。筆者對某公司氯硅烷儲存罐區中三氯氫硅球罐應用的測量儀表選型和應用現狀進行探討，設計了該球罐液位控制系統。

 

1液位開關

《危險化學品重大危險源罐區現場安全監控裝備設置規范》(AQ3036-2010)要求液位報警高低位至少各設置一級，報警閾值分別為高限位和低限位［3］，則球罐應設置高低位液位開關。目前，比較適用于本球罐的液位開關類型主要有音叉式、電容式和外測式。

1．1音叉式液位開關

音叉式液位開關的原理是用通過壓電晶體在通電后，使音叉在一定共振頻率下振動。當球罐內液位上升(或下降)時，淹沒(或脫離)音叉，引起振動頻率的變化，智能電路模塊通過檢測頻率變化閾值，接通或斷開報警節點，用來指示液位高低位報警。音叉式液位開關安裝方便，維護簡單，對三氯氫硅球罐液位高低報警測量較為適宜。在音叉開關安裝時，應注意以下幾個方面:

a．對于高液位報警，選用頂裝式或側裝式皆可。若采用頂裝式，應根據高液位報警閾值，選擇合適的長度。該類型音叉需要向供應商提供詳細數據進行定制，成本相對較高。安裝時，音叉的安裝位置應避開物料進出口，否則會因物料飛濺引起誤報。其優點是，頂裝時音叉垂直向下，減少了物料或者雜質在叉體上的停留時間和沾附，有效減少誤動作的概率。若采用側裝式，則不需要特殊定制，采用一般通用型音叉開關即可。需要注意的是，該音叉開關安裝接口位置應選在爬梯通過或者能接觸到的位置，同時也應盡量避開物料進出口，在前期做好與設備專業的溝通。否則會在日后檢修時，因為無法正常接近而增大檢修難度。對于三氯氫硅球罐，因為介質較為干凈，可采用直接插入式安裝，叉體開口垂直。對于粘度較高或含雜質較多的介質，可采用向下傾斜的安裝方式，有效避免掛料引起的誤報。

b．對于低液位報警，由于球罐直徑過大，無法采用頂裝式，只能采用側裝式。其安裝方式和要求與高液位側裝式安裝相同，不再贅述。結合該公司三氯氫硅儲罐的實際工況，綜合考慮成本、檢修等，對高低位液位報警開關采用側裝式音叉液位開關是合理、可靠的。

 

1．2其他類型液位開關

電容式液位開關由探頭部分和電氣部分組成。其中探頭部分下部由兩個電極構成一個電容。當探頭在空氣中或介質氣體中時，電氣部分檢測到的是一個較小的初始電容值;當液體物料上升到淹沒探頭時，探頭兩極之間相當于加入了填充物，電氣部分檢測到電容值發生顯著變化。智能電路通過檢測這種電容的顯著變化，輸出開關量信號，從而實現高低液位報警。電容式液位開關的應用與音叉式液位開關安裝要求和測量液位的方式相似。對于三氯氫硅球罐，電容式液位開關也是一種理想的選擇。外測式液位開關包括一個發射探頭、一個接收探頭、變送器以及連接附件。安裝時發射探頭和接收探頭按照安裝高低位報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。發射探頭產生高頻超聲波脈沖，穿透球罐罐壁，在罐壁和液體介質中傳播，通過對反射特性的檢測和計算，在有液體和無液體時捕捉信號衰減特性，從而判斷是否有液體達到探頭安裝位置，進而通過變送器輸出液位報警信號［4］。

外測式液位開關安裝時，不要求提供安裝接口，避免動火清罐難題，可在不影響連續生產的前提下安裝，非常便利。隨著近幾年一些老舊罐區的安全改造，其應用呈現強勁增長趨勢。事實上，在該公司的三氯氫硅儲罐多次安全檢查中，專家組成員曾提出球罐沒有設置低液位報警開關的問題。但在球罐建設初期沒有預留安裝接口，而外測式液位開關的安裝方式很好的解決了這一歷史遺留問題。

 

2遠傳液位計

遠傳液位計用來對球罐液位進行連續測量，實現對球罐內物料的實時監測和控制，精確的液位測量對生產過程的全程監控至關重要。在該公司三氯氫硅球罐設計之初，采用的是雷達液位計和差壓液位計進行液位監測的方案。

2．1雷達液位計

雷達液位計是基于時間行程原理進行工作的。雷達液位計發射的微脈沖沿著纜(或天線)傳播，脈沖在介質表面被反射回來并被液位計接收，通過測量脈沖發射和反射接收傳輸所花費的時間而得到距離，測量原理如圖1所示。

 

 

設脈沖從發射到經液面反射后被接收的行程時間為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)。

雷達液位計應用范圍非常廣泛，可用來測量液體、固體介質，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，根據現場條件可采用頂裝、旁通管安裝及導波管安裝等。該公司球罐儲存的三氯氫硅介質純凈，無氣霧、攪拌等特殊情況，球罐直徑12．3m，選擇纜式導波雷達。安裝時，根據現場安裝位置的實際需要纜長，調整重錘位置，并將重錘定在罐底，防止物料波動帶動纜繩擺動，影響測量精度。在實際使用過程中，該型雷達測量精度和穩定性極好，投用以來未發生任何測量故障。

 

2． 2 差壓液位計

差壓式液位計是利用液柱產生的壓力來測量液位高度的。在液位發生變化后，高壓側法蘭處膜片所接收到的壓力就會隨之變化，變送器計算出的差壓值也會隨之變化，差壓變化量與液位高度成現線性關系［5］。差壓液位計根據工況不同，有雙法蘭差壓液位計和單法蘭差壓液位計，二者測量的根本原理相同。針對球罐，雙法蘭差壓液位計測量原理如圖 2 所示。

 

 

通過式(2)不難看出，差壓液位計比較適合密度均勻、在運行過程中不發生較大波動的介質。在此條件下，測量精度僅與儀表的選型精度有關。針對不同介質性質，可選用不同材料膜片。在該公司三氯氫硅球罐液位測量，選用的是某公司3051系列液位計，該系列液位計采用雙傳感器技術，高低壓側各安裝一臺傳感器，副傳感器與主傳感器采用通信電纜連接。主副傳感器測量的壓力值在主傳感器中進行數據同步，并經過計算，可輸出差壓值或者液位值(需預設定測量范圍)。其優點是不需要毛細管作為引壓管，壓力反應快、精度高，日常維護也極為方便。需要注意的是，應重視對膜片材料的選擇。仍以三氯氫硅介質為例，先后使用過316L和鉭材料膜片，均出現漏油、高壓側膜盒干涸現象。經后期分析，根本原因在于三氯氫硅介質中氯離子對金屬膜片的腐蝕。氯離子產生機理如下:

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，這些不均勻或含有雜質的部分在氯離子的環境下會產生原電池反應，zui終導致不銹鋼膜片表面點狀腐蝕。在實際應用中，這些不銹鋼膜片表面的點蝕造成漏油，從而使液位計失效。但后來采用鉭材料膜片，在使用1～3年的時間內，仍然出現漏油的現象。經綜合分析，判斷是在膜片制造過程中，沿圓周焊接的焊材在長時間使用過程中出現腐蝕，導致焊接處出現微小點蝕，進一步導致液位計漏油失效。后續擬采用襯四氟膜片隔離氯離子與金屬的直接接觸，期望解決這一問題。

另外當前對于介質組分穩定的球罐，應用外測式液位計也是一種流行的選擇。外測式液位計工作原理與外測式液位開關相似，所不同的是它能對球罐液位進行連續測量，輸出模擬量信號。外測式液位計應用時要求介質組分均勻，罐壁不存在嚴重結垢，zui高應用溫度可達220℃。外測式液位計的優點是安裝時附著在球罐外壁上，不需要動火開孔，不與物料直接接觸，不受壓力、介質性質影響。因此，在當前安全檢查要求越來越嚴格的情況下，應對一些球罐液位監測整改的問題，外測式液位計是理想的選擇。

 

3三氯氫硅球罐液位控制設計

球罐液位控制應結合物料特性、儲存量和周邊環境綜合考慮。該公司三氯氫硅儲罐屬于一級重大危險源范疇，液位控制設計應考慮工藝控制和安全儀表系統的要求，zui終設計如圖3所示。

對于工藝控制要求，按照前述文獻［2，3］中的相關要求，設計了兩臺液位計來進行液位連續測量。其中一臺LIC-1101為差壓液位計，另一臺LIC-1102為雷達液位計，并以差壓液位計LIC-1101和液位調節閥LV-1101構成液位自控回路。雷達液位計測量值作為日常監測之用。與此同時，設計了高低液位報警開關，在液位過高或者過低時發出報警，提醒操作人員進行干預。其中LSA-1101為高液位報警，報警閾值為80%，以防止液位過高造成漫罐或超壓;LSA-1102為低液位報警，報警閾值為15%，以使輸送泵能夠克服揚程和摩擦阻力而正常吸入。高液位報警開關亦可采用頂裝式安裝，雖然成本稍高，但更易于維護。

對于安全儀表系統，按照安監總管三［2014］116號文件的要求，結合該球罐的應用工況，進行HAZOP分析，液位控制回路發生故障造成的后果嚴重性等級為5級，屬于不可承受風險［6］。進一步地利用LOPA分析方法，設計安全儀表回路(SIF)，等級為SIL2，可將風險降低至低風險等級。因此設計獨立的安全儀表回路，應對液位控制回路故障可能帶來的危險。該回路配置為:現場變送器使用雷達液位計測量球罐液位;zui終元件為氣動切斷閥，電磁閥不帶PVST功能;安全PLC選用HoneywellSM系統。所有現場儀表、安全柵和繼電器均采用SIL認證的產品，配置模式為1oo1。查該SIF回路使用的元件的認證證書相關數據，計算得該SIF回路需求時的平均失效概率PFD=1．483×10－3，滿足設計的SIL2要求［7］。

 

 

4結束語

針對某公司三氯氫硅球罐工況的液位儀表選型，應綜合考慮應對可能風險和滿足工藝生產的實際需要。結合實際應用，球罐高低位報警開關采用音叉式或電容式液位開關，效果良好;液位連續測量采用雷達液位計和差壓液位計同時監測，可靠性好，故障率極低;涉及安全儀表系統的相關回路，則應設計獨立的安全儀表回路，相關回路元件則應根據該安全儀表回路要求的SIL等級決定是否獨立配置，建議按照獨立配置為宜。