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    差壓液位變送器等液位計在氯硅烷球罐液位測量中的選型指導及控制設計

    發表時間:2019-12-26   點擊次數:560 技術支持:1560-1403-222
    硅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。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用特點和應用現狀,設計了球罐的液位一般控制方案。

    差壓液位變送器

    某公司氯硅烷球罐設計為溫常壓儲存,單罐容積1 000m3,直徑12. 3m,共4 座。其儲存的氯硅烷中包孕一種三氯氫硅的资料,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1 350kg/ 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。

    根據「易燃易爆罐區平安監控預警系統驗收技術要求」「GB 17681-1999」中第5. 5 條要求:液體儲罐配置液位檢測儀表,同一儲罐至少配備兩種分别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,時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平安儀表系統,從而對液位的測量和控制有了高的要求。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,球罐必要配備高低位報警液位開關,同時须要配置兩種不同測量真理的連續液位測量儀表參與安详聯鎖控制,達到平安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,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详監控裝備設置規范」「AQ 3036-2010」要求液位報警崎岖位各設置一級,報警閾值為高限位和低限位[3] ,則球罐應設置高低位液位開關。此刻,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
    音叉式液位開關的道理是用通過壓電晶體在通電后,使音叉在肯定共振頻率下振動。當球罐內液位上升「或下落」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,接通開報警節點,用來指示液位崎岖位報警。音叉式液位開關安裝容易,維護簡單,對三氯氫硅球罐液位坎坷報警測量為適宜。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。若选择頂裝式,應根據高液位報警閾值,選擇合適的長度。該類型音叉须要向供應商供应詳細數據進行定制,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,灵验減少誤動作的概率。若采用側裝式,不需要非常定制,选取一般通用型音叉開關。须要注意的是,該音叉開關安裝接口处所應選在爬梯通過或者能接觸到的位置,同時也應避開物料進出口,在前期做好與設備專業的溝通。否則會在日后檢修時,因為無法接近而增大檢修。對于三氯氫硅球罐,因為介質較為干凈,可选取直接插入式安裝,叉體開口垂直。對于粘度較高或含雜質多的介質,可选择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,無法拔取頂裝式,只能拔取側裝式。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,綜合考慮资本、檢修等,對崎岖位液位報警開關选择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门和電氣部分組成。此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;當液體物料上升淹探頭時,探頭兩極之間于参加了填充物,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,從而實現坎坷液位報警。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,電容式液位開關是一種抱负的選擇。

    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遵照安裝凹凸位報警要求的高度和的探頭間隔距離要求,程度緊貼罐壁安裝。發射探頭產生超聲波脈沖,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捉拿信號衰減特性,從而判斷是否有液體達到探頭安裝地方,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,不要求供应安裝接口,避免動火清罐難題,可在不影響連續生產的条件下安裝,特殊便当。隨著近幾年极少老舊罐區的平安改造,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變送器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意思進行工作的。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,測量真理如圖1 所示。
    雷達液位計
    設脈沖從發射到經液面反射后被接收的旅程時間為T,則球罐液位L 為:

    L = H - CT / 2 (1)
    式中 C —微脈沖傳播速率,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,不受溫度、壓力、噪音及真空等工況影響,安裝方式靈活多樣,根據現場條件可采取頂裝、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,根據現場安裝地方的實際必要纜長,調整重錘地方,并將重錘定在罐底,防范物料波動帶動纜繩擺動,影響測量精度。在實際运用過程中,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 差壓液位變送器
    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會隨之變化,變送器計算出的差壓值會隨之變化,差壓變化量與液位高度成現線性關系[5] 。差壓液位變送器根據工況分歧,有雙法蘭差壓液位變送器和單法蘭差壓液位變送器,二者測量的根本原理无别。針對球罐,雙法蘭差壓液位變送器測量意思如圖2 所示。
    差壓液位變送器

    根據圖2,球罐液位L 可根據下式計算:
    L = p2 - p1
    ρg (2)
    式中 g —常數,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 ———介質密度。

    通過式「2」不難看出,差壓液位變送器適合密度均勻、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。針對差异介質性質,可選用分别质料膜片。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,該系列液位計选取雙傳感器技術,高低壓側各安裝一臺傳感器,副傳感器與主傳感器选择通信電纜連接。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」。其優點是不须要毛細管作為引壓管,壓力反應快、精度高,平素維護也為容易。须要注意的是,應重視對膜片原料的選擇。仍以三氯氫硅介質為例,先后运用過316L 和鉭质料膜片,出現漏油、高壓側膜盒干涸現象。經后期解析,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 +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的含有碳等微量雜質,這些勻或含有雜質的部门在氯離子的環境下會產生原電池反應,最終導致不銹鋼膜片外观點狀腐蝕。在實際應用中,這些不銹鋼膜片表面的點蝕酿成漏油,從而使液位計失效。但后來采用鉭资料膜片,在使用1 ~3年的時間內,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利用過程中出現腐蝕,導致焊接處出現微小點蝕,進一步導致液位計漏油失效。后續擬拔取襯四氟膜片隔離氯離子與金屬的直接接觸,指望解決這一問題。

    别的當前對于介質組分穩定的球罐,應用外測式液位計是一種风行的選擇。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,最高應用溫度可達220℃。外測式液位計的優點是安裝時附著在球罐外壁上,不须要動火開孔,不與物料直接接觸,不受壓力、介質性質影響。是以,在當前安好檢查要求嚴格的情況下,應對少许球罐液位監測整改的問題,外測式液位計是志向的選擇。

      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征、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平安儀表系統的要求,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。此中一臺LIC-1101 為差壓液位變送器,另一臺LIC-1102 為雷達液位計,并以差壓液位變送器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監測之用。與此同時,設計了崎岖液位報警開關,在液位過高或者過低時發出報警,提示操作人員進行干預。其中LSA-1101 為高液位報警,報警閾值為80% ,以防备液位過高变成漫罐或超壓;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吸入。高液位報警開關亦可选拔頂裝式安裝,雖然成本高,但更易于維護。

    對于安全儀表系統,遵循安監總管三[2014]116 號文件的要求,結合該球罐的應用工況,進行HAZOP 剖析,液位控制回路發生故障形成的后果嚴重性等級為5 級,屬于不成秉承風險[6] 。進一步的使用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。于是設計獨立的安详儀表回路,應對液位控制回路故障可以帶來的危險。該回路配置為:現場變送器运用雷達液位計測量球罐液位;元件為氣動切斷閥,電磁閥不帶PVST 功能;安全PLC 選用Honeywell SM 系統。所有現場儀表、平安柵和繼電器采用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 回路需求時的均匀失效概率PFD =1. 483 ×10 -3,滿足設計的SIL2 要求。

      4 結束語
    針對某公司三氯氫硅球罐工況的液位儀表選型,應綜合考慮應對可以風險和滿足工藝生產的實際需要。結合實際應用,球罐崎岖位報警開關拔取音叉式或電容式液位開關,效果良好;液位連續測量选择雷達液位計和差壓液位變送器同時監測,
    差壓液位變送器及液位控制示意圖
    可靠性好,故障率極低;涉及安全儀表系統的相關回路,則應設計獨立的安详儀表回路,相關回路元件則應根據該儀表回路要求的SIL 等級決定是否獨立配置,建議依据獨立配置為宜。


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