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音叉,電容液位儀表在氯硅烷球罐生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用和方法。

來源:上海自動(dòng)化儀表儀表作者:上海自動(dòng)化儀表儀表有限公司自儀三廠網(wǎng)址:http://www.shhzy3.cn
文章附圖

   球罐用于生產(chǎn)過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)和輸送過程重要的控制參數(shù)之一。通過對(duì)球罐液位測量方案的探討,選擇合適的測量儀表,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儀表,同一儲(chǔ)罐至少配備兩種不同類別的液位檢測儀表,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量原理的連續(xù)液位測量儀表參與安全聯(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)用的測量儀表選型和應(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( 或脫離) 音叉,引起振動(dòng)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(bào)警節(jié)點(diǎn),用來指示液位高低位報(bào)警。音叉式液位開關(guān)安裝方便,維護(hù)簡單,對(duì)三氯氫硅球罐液位高低報(bào)警測量較為適宜。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,由于球罐直徑過大,無法采用頂裝式,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,電氣部分檢測到電容值發(fā)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(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,通過對(duì)反射特性的檢測和計(jì)算,在有液體和無液體時(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)而通過變送器輸出液位報(bào)警信號(hào)[4]。外測式液位開關(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)勁增長趨勢。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有設(shè)置低液位報(bào)警開關(guān)的問題。但在球罐建設(shè)初期沒有預(yù)留安裝接口,而外測式液位開關(guān)的安裝方式很好的解決了這一歷史遺留問題。

2 遠(yuǎn)傳液位計(jì)
      遠(yuǎn)傳液位計(jì)用來對(duì)球罐液位進(jìn)行連續(xù)測量,實(shí)現(xiàn)對(duì)球罐內(nèi)物料的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制,精確的液位測量對(duì)生產(chǎn)過程的全程監(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)表面被反射回來并被液位計(jì)接收,通過測量脈沖發(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,可用來測量液體、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)場安裝位置的實(shí)際需要纜長,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),影響測量精度。在實(shí)際使用過程中,該型雷達(dá)測量精度和穩(wěn)定性極好,投用以來未發(fā)生任何測量故障。

2. 2 差壓液位計(jì)
差壓式液位計(jì)是利用液柱產(chǎn)生的壓力來測量液位高度的。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),二者測量的根本原理相同。針對(duì)球罐,雙法蘭差壓液位計(jì)測量原理如圖 2 所示。


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),非常終導(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程中,沿圓周焊接的焊材在長時(shí)間使用過程中出現(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)用外測式液位計(jì)也是一種流行的選擇。外測式液位計(jì)工作原理與外測式液位開關(guān)相似,所不同的是它能對(duì)球罐液位進(jìn)行連續(xù)測量,輸出模擬量信號(hào)。外測式液位計(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,非常高應(yīng)用溫度可達(dá) 220℃。外測式液位計(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越嚴(yán)格的情況下,應(yīng)對(duì)一些球罐液位監(jiān)測整改的問題,外測式液位計(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,非常終設(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)來進(jìn)行液位連續(xù)測量。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)測量值作為日常監(jiān)測之用。與此同時(shí),設(shè)計(jì)了高低液位報(bào)警開關(guān),在液位過高或者過低時(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)請參照圖3:

    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的危險(xiǎn)。該回路配置為: 現(xiàn)場變送器使用雷達(dá)液位計(jì)測量球罐液位; 非常終元件為氣動(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 儀表結(jié)束語
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)測量采用雷達(dá)液位計(jì)和差壓液位計(jì)同時(shí)監(jiān)測,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。

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