球罐用于生產(chǎn)過程中的氯硅烷原料儲存和中轉(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(qū)安全聯(lián)鎖的可靠性尤為重要。
某公司氯硅烷球罐設(shè)計為常溫常壓儲存，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(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，進而產(chǎn)生燃燒和爆炸，屬遇濕易燃物品。根據(jù)儲量和周邊情況，屬一級重大危險源［1］。根據(jù)《易燃易爆罐區(qū)安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)驗收技術(shù)要求》( GB 17681-1999) 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(zhì)的儲罐應(yīng)配備高、低液位報警回路，必要時還應(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，安監(jiān)總管三［2014］116 號文件提出所有一、二級重大危險源應(yīng)設(shè)計符合要求的安全儀表系統(tǒng)，從而對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警液位開關(guān)，同時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。筆者對某公司氯硅烷儲存罐區(qū)中三氯氫硅球罐應(yīng)用的測量儀表選型和應(yīng)用現(xiàn)狀進行探討，設(shè)計了該球罐液位控制系統(tǒng)。
1 液位開關(guān)
《危險化學(xué)品重大危險源罐區(qū)現(xiàn)場安全監(jiān)控裝備設(shè)置規(guī)范》( AQ 3036-2010) 要求液位報警高低位至少各設(shè)置一級，報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。當(dāng)球罐內(nèi)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(jié)點，用來指示液位高低位報警。音叉式液位開關(guān)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(guān)安裝時，應(yīng)注意以下幾個方面:
a． 對于高液位報警，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)商提供詳細數(shù)據(jù)進行定制，成本相對較高。安裝時，音叉的安裝位置應(yīng)避開物料進出口，否則會因物料飛濺引起誤報。其優(yōu)點是，頂裝時音叉垂直向下，減少了物料或者雜質(zhì)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(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，同時也應(yīng)盡量避開物料進出口，在前期做好與設(shè)備專業(yè)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(zhì)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(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。
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(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(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電極構(gòu)成一個電容。當(dāng)探頭在空氣中或介質(zhì)氣體中時，電氣部分檢測到的是一個較小的初始電容值; 當(dāng)液體物料上升到淹沒探頭時，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，從而實現(xiàn)高低液位報警。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)包括一個發(fā)射探頭、一個接收探頭、變送器以及連接附件。安裝時發(fā)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(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(guān)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(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(shè)置低液位報警開關(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 遠傳液位計
遠傳液位計用來對球罐液位進行連續(xù)測量，實現(xiàn)對球罐內(nèi)物料的實時監(jiān)測和控制，精確的液位測量對生產(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)計之初，采用的是雷達液位計和差壓液位計進行液位監(jiān)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(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接收，通過測量脈沖發(fā)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(shè)脈沖從發(fā)射到經(jīng)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(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。安裝時，根據(jù)現(xiàn)場安裝位置的實際需要纜長，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(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
差壓式液位計是利用液柱產(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(xiàn)線性關(guān)系［5］。差壓液位計根據(jù)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。 
氯離子產(chǎn)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(zhì)，這些不均勻或含有雜質(zhì)的部分在氯離子的環(huán)境下會產(chǎn)生原電池反應(yīng)，非常終導(dǎo)致不銹鋼膜片表面點狀腐蝕。在實際應(yīng)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(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間使用過程中出現(xiàn)腐蝕，導(dǎo)致焊接處出現(xiàn)微小點蝕，進一步導(dǎo)致液位計漏油失效。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)前對于介質(zhì)組分穩(wěn)定的球罐，應(yīng)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(guān)相似，所不同的是它能對球罐液位進行連續(xù)測量，輸出模擬量信號。外測式液位計應(yīng)用時要求介質(zhì)組分均勻，罐壁不存在嚴重結(jié)垢，非常高應(yīng)用溫度可達 220℃。外測式液位計的優(yōu)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(zhì)性質(zhì)影響。因此，在當(dāng)前安全檢查要求越來越嚴格的情況下，應(yīng)對一些球罐液位監(jiān)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(shè)計球罐液位控制應(yīng)結(jié)合物料特性、儲存量和周邊環(huán)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(shè)計應(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(guān)要求，設(shè)計了兩臺液位計來進行液位連續(xù)測量。其中一臺為差壓液位計，另一臺為雷達液位計，并以差壓液位計和液位調(diào)節(jié)閥構(gòu)成液位自控回路。雷達液位計測量值作為日常監(jiān)測之用。與此同時，設(shè)計了高低液位報警開關(guān)，在液位過高或者過低時發(fā)出報警，提醒操作人員進行干預(yù)。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(guān)亦可采用頂裝式安裝，雖然成本稍高，但更易于維護請參照圖3：
對于安全儀表系統(tǒng)，按照安監(jiān)總管三［2014］ 116 號文件的要求，結(jié)合該球罐的應(yīng)用工況，進行HAZOP 分析，液位控制回路發(fā)生故障造成的后果嚴重性等級為 5 級，屬于不可承受風(fēng)險［6］。進一步地利用 LOPA 分析方法，設(shè)計安全儀表回 路( SIF) ，等級為 SIL2，可將風(fēng)險降低至低風(fēng)險等級。因此設(shè)計好立的安全儀表回路，應(yīng)對液位控制回路故障可能帶來的危險。該回路配置為: 現(xiàn)場變送器使用雷達液位計測量球罐液位; 非常終元件為氣動切斷閥，電磁閥不帶 PVST 功能; 安全PLC 選用 Honeywell SM 系統(tǒng)。所有現(xiàn)場儀表、安全柵和繼電器均采用 SIL 認證的產(chǎn)品，配置模式為 1oo1。查該 SIF 回路使用的元件的認證證書相關(guān)數(shù)據(jù)，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(shè)計的 SIL2 要求。
4 儀表結(jié)束語
針對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)對可能風(fēng)險和滿足工藝生產(chǎn)的實際需要。結(jié)合實際應(yīng)用，球罐高低位報警開關(guān)采用音叉式或電容式液位開關(guān)，效果良好; 液位連續(xù)測量采用雷達液位計和差壓液位計同時監(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 等級決定是否好立配置，建議按照好立配置為宜。
