差压液位变送器等液位计在氯硅烷球罐液位测量中的选型指导及控制设计
发表时间：2020-01-04| 联系电话：15601403222 、 13915181149
硅氯硅烷是有机硅行业生产过程中的重要原料，球罐用于生产过程中的氯硅烷原料储存和中转。球罐液位是氯硅烷中转和输送过程重要的控制参数之一。通过对球罐液位测量方案的探讨，选择合适的测量仪表，对提高球罐区安全联锁的可靠性尤为重要。讨论了差压液位变送器在氯硅烷球罐液位仪表选型的一般性原则，并分析各类型仪表的应用特点和应用现状，设计了球罐的液位一般控制方案。
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某公司氯硅烷球罐设计为常温常压储存，单罐容积1 000m3，直径12. 3m，共4 座。其储存的氯硅烷中包含一种三氯氢硅的原料，常温常压下为具有刺激性气味、易流动、易挥发的无色透明液体，密度为1 350kg/ m3。三氯氢硅遇水剧烈反应放热并释放出氢气，进而产生燃烧和爆炸，属遇湿易燃物品。根据储量和周边情况，属一级重大危险源。
根据《易燃易爆罐区安全监控预警系统验收技术要求》(GB 17681-1999)中第5. 5 条要求:液体储罐必须配置液位检测仪表，同一储罐至少配备两种不同类别的液位检测仪表，储存易燃易爆介质的储罐应配备高、低液位报警回路，必要时还应配有液位与相关工艺参数之间的联锁系统[2] 。同时，安监总管三[2014]116 号文件提出所有一、二级重大危险源应设计符合要求的安全仪表系统，从而对液位的测量和控制有了更高的要求。根据上述规范要求，为了进一步提高氯硅烷球罐在生产中的安全性，球罐需要配备高低位报警液位开关，同时还需要配置至少两种不同测量原理的连续液位测量仪表参与安全联锁控制，达到安全仪表系统的相关要求。适用于球罐液位测量控制的液位仪表种类很多，能满足介质工况和安装要求的液位仪表，均能应用于球罐液位测量。笔者对某公司氯硅烷储存罐区中三氯氢硅球罐应用的测量仪表选型和应用现状进行探讨，设计了该球罐液位控制系统。
1 液位开关
《危险化学品重大危险源罐区现场安全监控装备设置规范》(AQ 3036-2010)要求液位报警高低位至少各设置一级，报警阈值分别为高限位和低限位[3] ，则球罐应设置高低位液位开关。目前，比较适用于本球罐的液位开关类型主要有音叉式、电容式和外测式。
1. 1 音叉式液位开关
音叉式液位开关的原理是用通过压电晶体在通电后，使音叉在一定共振频率下振动。当球罐内液位上升(或下降)时，淹没(或脱离)音叉，引起振动频率的变化，智能电路模块通过检测频率变化阈值，接通或断开报警节点，用来指示液位高低位报警。音叉式液位开关安装方便，维护简单，对三氯氢硅球罐液位高低报警测量较为适宜。在音叉开关安装时，应注意以下几个方面:
a. 对于高液位报警，选用顶装式或侧装式皆可。若采用顶装式，应根据高液位报警阈值，选择合适的长度。该类型音叉需要向供应商提供详细数据进行定制，成本相对较高。安装时，音叉的安装位置应避开物料进出口，否则会因物料飞溅引起误报。其优点是，顶装时音叉垂直向下，减少了物料或者杂质在叉体上的停留时间和沾附，有效减少误动作的概率。若采用侧装式，则不需要特殊定制，采用一般通用型音叉开关即可。需要注意的是，该音叉开关安装接口位置应选在爬梯通过或者能接触到的位置，同时也应尽量避开物料进出口，在前期做好与设备**的沟通。否则会在日后检修时，因为无法正常接近而增大检修难度。对于三氯氢硅球罐，因为介质较为干净，可采用直接插入式安装，叉体开口垂直。对于粘度较高或含杂质较多的介质，可采用向下倾斜的安装方式，有效避免挂料引起的误报。
b. 对于低液位报警，由于球罐直径过大，无法采用顶装式，只能采用侧装式。其安装方式和要求与高液位侧装式安装相同，不再赘述。结合该公司三氯氢硅储罐的实际工况，综合考虑成本、检修等，对高低位液位报警开关采用侧装式音叉液位开关是合理、可靠的。
1. 2 其他类型液位开关
电容式液位开关由探头部分和电气部分组成。其中探头部分下部由两个电极构成一个电容。当探头在空气中或介质气体中时，电气部分检测到的是一个较小的初始电容值;当液体物料上升到淹没探头时，探头两极之间相当于加入了填充物，电气部分检测到电容值发生显著变化。智能电路通过检测这种电容的显著变化，输出开关量信号，从而实现高低液位报警。电容式液位开关的应用与音叉式液位开关安装要求和测量液位的方式相似。对于三氯氢硅球罐，电容式液位开关也是一种理想的选择。
外测式液位开关包括一个发射探头、一个接收探头、变送器以及连接附件。安装时发射探头和接收探头按照安装高低位报警要求的高度和一定的探头间隔距离要求，水平紧贴罐壁安装。发射探头产生高频超声波脉冲，穿透球罐罐壁，在罐壁和液体介质中传播，通过对反射特性的检测和计算，在有液体和无液体时捕捉信号衰减特性，从而判断是否有液体达到探头安装位置，进而通过变送器输出液位报警信号[4] 。外测式液位开关安装时，不要求提供安装接口，避免动火清罐难题，可在不影响连续生产的前提下安装，非常便利。随着近几年一些老旧罐区的安全改造，其应用呈现强劲增长趋势。事实上，在该公司的三氯氢硅储罐多次安全检查中，专家组成员曾提出球罐没有设置低液位报警开关的问题。但在球罐建设初期没有预留安装接口，而外测式液位开关的安装方式很好的解决了这一历史遗留问题。
2 远传液位计
远传液位计用来对球罐液位进行连续测量，实现对球罐内物料的实时监测和控制，*的液位测量对生产过程的全程监控至关重要。在该公司三氯氢硅球罐设计之初，采用的是雷达液位计和差压液位变送器进行液位监测的方案。
2. 1 雷达液位计
雷达液位计是基于时间行程原理进行工作的。雷达液位计发射的微脉冲沿着缆(或天线)传播，脉冲在介质表面被反射回来并被液位计接收，通过测量脉冲发射和反射接收传输所花费的时间而得到距离，测量原理如图1 所示。
设脉冲从发射到经液面反射后被接收的行程时间为T，则球罐液位L 为:
L = H - CT / 2 (1)
式中 C ———微脉冲传播速度，等于光速;
H ———罐高(含安装接口高度)。
雷达液位计应用范围非常**，可用来测量液体、固体介质，几乎不受温度、压力、噪音及真空等工况影响，安装方式灵活多样，根据现场条件可采用顶装、旁通管安装及导波管安装等。该公司球罐储存的三氯氢硅介质纯净，无气雾、搅拌等特殊情况，球罐直径12. 3m，选择缆式导波雷达。安装时，根据现场安装位置的实际需要缆长，调整重锤位置，并将重锤定在罐底，防止物料波动带动缆绳摆动，影响测量精度。在实际使用过程中，该型雷达测量精度和稳定性极好，投用以来未发生任何测量故障。
2. 2 差压液位变送器
差压式液位计是利用液柱产生的压力来测量液位高度的。在液位发生变化后，高压侧法兰处膜片所接收到的压力就会随之变化，变送器计算出的差压值也会随之变化，差压变化量与液位高度成现线性关系[5] 。差压液位变送器根据工况不同，有双法兰差压液位变送器和单法兰差压液位变送器，二者测量的根本原理相同。针对球罐，双法兰差压液位变送器测量原理如图2 所示。
根据图2，球罐液位L 可根据下式计算:
L = p2 - p1
ρg (2)
式中 g ———常数，取9. 8N/ kg;
p1 ———球罐上部取压口压力;
p2 ———球罐底部取压口压力;
ρ ———介质密度。
通过式(2)不难看出，差压液位变送器比较适合密度均匀、在运行过程中不发生较大波动的介质。在此条件下，测量精度仅与仪表的选型精度有关。针对不同介质性质，可选用不同材料膜片。在该公司三氯氢硅球罐液位测量，选用的是某公司3051 系列液位计，该系列液位计采用双传感器技术，高低压侧各安装一台传感器，副传感器与主传感器采用通信电缆连接。主副传感器测量的压力值在主传感器中进行数据同步，并经过计算，可输出差压值或者液位值(需预设定测量范围)。其优点是不需要毛细管作为引压管，压力反应快、精度高，日常维护也极为方便。需要注意的是，应重视对膜片材料的选择。仍以三氯氢硅介质为例，先后使用过316L 和钽材料膜片，均出现漏油、高压侧膜盒干涸现象。经后期分析，根本原因在于三氯氢硅介质中氯离子对金属膜片的腐蚀。氯离子产生机理如下:
SiHCl3 +3H2 O = SiO2 (H2 O)↓ +3HCl + H2 ↑HCl = H+ + Cl-
不锈钢组成中不均匀的部分不可避免地含有碳等微量杂质，这些不均匀或含有杂质的部分在氯离子的环境下会产生原电池反应，*终导致不锈钢膜片表面点状腐蚀。在实际应用中，这些不锈钢膜片表面的点蚀造成漏油，从而使液位计失效。但后来采用钽材料膜片，在使用1 ~3年的时间内，仍然出现漏油的现象。经综合分析，判断是在膜片制造过程中，沿圆周焊接的焊材在长时间使用过程中出现腐蚀，导致焊接处出现微小点蚀，进一步导致液位计漏油失效。后续拟采用衬四氟膜片隔离氯离子与金属的直接接触，期望解决这一问题。
另外当前对于介质组分稳定的球罐，应用外测式液位计也是一种流行的选择。外测式液位计工作原理与外测式液位开关相似，所不同的是它能对球罐液位进行连续测量，输出模拟量信号。外测式液位计应用时要求介质组分均匀，罐壁不存在严重结垢，*高应用温度可达220℃。外测式液位计的优点是安装时附着在球罐外壁上，不需要动火开孔，不与物料直接接触，不受压力、介质性质影响。因此，在当前安全检查要求越来越严格的情况下，应对一些球罐液位监测整改的问题，外测式液位计是理想的选择。
3 三氯氢硅球罐液位控制设计
球罐液位控制应结合物料特性、储存量和周边环境综合考虑。该公司三氯氢硅储罐属于一级重大危险源范畴，液位控制设计应考虑工艺控制和安全仪表系统的要求，*终设计如图3 所示。对于工艺控制要求，按照前述文献[2，3]中的相关要求，设计了两台液位计来进行液位连续测量。其中一台LIC-1101 为差压液位变送器，另一台LIC-1102 为雷达液位计，并以差压液位变送器LIC-1101 和液位调节阀LV-1101 构成液位自控回路。雷达液位计测量值作为日常监测之用。与此同时，设计了高低液位报警开关，在液位过高或者过低时发出报警，提醒操作人员进行干预。其中LSA-1101 为高液位报警，报警阈值为80% ，以防止液位过高造成漫罐或超压;LSA-1102 为低液位报警，报警阈值为15% ，以使输送泵能够克服扬程和摩擦阻力而正常吸入。高液位报警开关亦可采用顶装式安装，虽然成本稍高，但更易于维护。
对于安全仪表系统，按照安监总管三[2014]116 号文件的要求，结合该球罐的应用工况，进行HAZOP 分析，液位控制回路发生故障造成的后果严重性等级为5 级，属于不可承受风险[6] 。进一步地利用LOPA 分析方法，设计安全仪表回路(SIF)，等级为SIL2，可将风险降低至低风险等级。因此设计独立的安全仪表回路，应对液位控制回路故障可能带来的危险。该回路配置为:现场变送器使用雷达液位计测量球罐液位;*终元件为气动切断阀，电磁阀不带PVST 功能;安全PLC 选用Honeywell SM 系统。所有现场仪表、安全栅和继电器均采用SIL **的产品，配置模式为1oo1。查该SIF 回路使用的元件的**证书相关数据，计算得该SIF 回路需求时的平均失效概率PFD =1. 483 ×10 -3，满足设计的SIL2 要求。
4 结束语
针对某公司三氯氢硅球罐工况的液位仪表选型，应综合考虑应对可能风险和满足工艺生产的实际需要。结合实际应用，球罐高低位报警开关采用音叉式或电容式液位开关，效果良好;液位连续测量采用雷达液位计和差压液位变送器同时监测，
可靠性好，故障率极低;涉及安全仪表系统的相关回路，则应设计独立的安全仪表回路，相关回路元件则应根据该安全仪表回路要求的SIL 等级决定是否独立配置，建议按照独立配置为宜。
?某公司氯硅烷球罐设计为常温常压储存，单罐容积1 000m3，直径12. 3m，共4 座。其储存的氯硅烷中包含一种三氯氢硅的原料，常温常压下为具有刺激性气味、易流动、易挥发的无色透明液体，密度为1 350kg/ m3。三氯氢硅遇水剧烈反应放热并释放出氢气，进而产生燃烧和爆炸，属遇湿易燃物品。根据储量和周边情况，属一级重大危险源。
根据《易燃易爆罐区安全监控预警系统验收技术要求》(GB 17681-1999)中第5. 5 条要求:液体储罐必须配置液位检测仪表，同一储罐至少配备两种不同类别的液位检测仪表，储存易燃易爆介质的储罐应配备高、低液位报警回路，必要时还应配有液位与相关工艺参数之间的联锁系统[2] 。同时，安监总管三[2014]116 号文件提出所有一、二级重大危险源应设计符合要求的安全仪表系统，从而对液位的测量和控制有了更高的要求。根据上述规范要求，为了进一步提高氯硅烷球罐在生产中的安全性，球罐需要配备高低位报警液位开关，同时还需要配置至少两种不同测量原理的连续液位测量仪表参与安全联锁控制，达到安全仪表系统的相关要求。适用于球罐液位测量控制的液位仪表种类很多，能满足介质工况和安装要求的液位仪表，均能应用于球罐液位测量。笔者对某公司氯硅烷储存罐区中三氯氢硅球罐应用的测量仪表选型和应用现状进行探讨，设计了该球罐液位控制系统。
1 液位开关
《危险化学品重大危险源罐区现场安全监控装备设置规范》(AQ 3036-2010)要求液位报警高低位至少各设置一级，报警阈值分别为高限位和低限位[3] ，则球罐应设置高低位液位开关。目前，比较适用于本球罐的液位开关类型主要有音叉式、电容式和外测式。
1. 1 音叉式液位开关
音叉式液位开关的原理是用通过压电晶体在通电后，使音叉在一定共振频率下振动。当球罐内液位上升(或下降)时，淹没(或脱离)音叉，引起振动频率的变化，智能电路模块通过检测频率变化阈值，接通或断开报警节点，用来指示液位高低位报警。音叉式液位开关安装方便，维护简单，对三氯氢硅球罐液位高低报警测量较为适宜。在音叉开关安装时，应注意以下几个方面:
a. 对于高液位报警，选用顶装式或侧装式皆可。若采用顶装式，应根据高液位报警阈值，选择合适的长度。该类型音叉需要向供应商提供详细数据进行定制，成本相对较高。安装时，音叉的安装位置应避开物料进出口，否则会因物料飞溅引起误报。其优点是，顶装时音叉垂直向下，减少了物料或者杂质在叉体上的停留时间和沾附，有效减少误动作的概率。若采用侧装式，则不需要特殊定制，采用一般通用型音叉开关即可。需要注意的是，该音叉开关安装接口位置应选在爬梯通过或者能接触到的位置，同时也应尽量避开物料进出口，在前期做好与设备**的沟通。否则会在日后检修时，因为无法正常接近而增大检修难度。对于三氯氢硅球罐，因为介质较为干净，可采用直接插入式安装，叉体开口垂直。对于粘度较高或含杂质较多的介质，可采用向下倾斜的安装方式，有效避免挂料引起的误报。
b. 对于低液位报警，由于球罐直径过大，无法采用顶装式，只能采用侧装式。其安装方式和要求与高液位侧装式安装相同，不再赘述。结合该公司三氯氢硅储罐的实际工况，综合考虑成本、检修等，对高低位液位报警开关采用侧装式音叉液位开关是合理、可靠的。
1. 2 其他类型液位开关
电容式液位开关由探头部分和电气部分组成。其中探头部分下部由两个电极构成一个电容。当探头在空气中或介质气体中时，电气部分检测到的是一个较小的初始电容值;当液体物料上升到淹没探头时，探头两极之间相当于加入了填充物，电气部分检测到电容值发生显著变化。智能电路通过检测这种电容的显著变化，输出开关量信号，从而实现高低液位报警。电容式液位开关的应用与音叉式液位开关安装要求和测量液位的方式相似。对于三氯氢硅球罐，电容式液位开关也是一种理想的选择。
外测式液位开关包括一个发射探头、一个接收探头、变送器以及连接附件。安装时发射探头和接收探头按照安装高低位报警要求的高度和一定的探头间隔距离要求，水平紧贴罐壁安装。发射探头产生高频超声波脉冲，穿透球罐罐壁，在罐壁和液体介质中传播，通过对反射特性的检测和计算，在有液体和无液体时捕捉信号衰减特性，从而判断是否有液体达到探头安装位置，进而通过变送器输出液位报警信号[4] 。外测式液位开关安装时，不要求提供安装接口，避免动火清罐难题，可在不影响连续生产的前提下安装，非常便利。随着近几年一些老旧罐区的安全改造，其应用呈现强劲增长趋势。事实上，在该公司的三氯氢硅储罐多次安全检查中，专家组成员曾提出球罐没有设置低液位报警开关的问题。但在球罐建设初期没有预留安装接口，而外测式液位开关的安装方式很好的解决了这一历史遗留问题。
2 远传液位计
远传液位计用来对球罐液位进行连续测量，实现对球罐内物料的实时监测和控制，*的液位测量对生产过程的全程监控至关重要。在该公司三氯氢硅球罐设计之初，采用的是雷达液位计和差压液位变送器进行液位监测的方案。
2. 1 雷达液位计
雷达液位计是基于时间行程原理进行工作的。雷达液位计发射的微脉冲沿着缆(或天线)传播，脉冲在介质表面被反射回来并被液位计接收，通过测量脉冲发射和反射接收传输所花费的时间而得到距离，测量原理如图1 所示。
L = H - CT / 2 (1)
式中 C ———微脉冲传播速度，等于光速;
H ———罐高(含安装接口高度)。
雷达液位计应用范围非常**，可用来测量液体、固体介质，几乎不受温度、压力、噪音及真空等工况影响，安装方式灵活多样，根据现场条件可采用顶装、旁通管安装及导波管安装等。该公司球罐储存的三氯氢硅介质纯净，无气雾、搅拌等特殊情况，球罐直径12. 3m，选择缆式导波雷达。安装时，根据现场安装位置的实际需要缆长，调整重锤位置，并将重锤定在罐底，防止物料波动带动缆绳摆动，影响测量精度。在实际使用过程中，该型雷达测量精度和稳定性极好，投用以来未发生任何测量故障。
2. 2 差压液位变送器
差压式液位计是利用液柱产生的压力来测量液位高度的。在液位发生变化后，高压侧法兰处膜片所接收到的压力就会随之变化，变送器计算出的差压值也会随之变化，差压变化量与液位高度成现线性关系[5] 。差压液位变送器根据工况不同，有双法兰差压液位变送器和单法兰差压液位变送器，二者测量的根本原理相同。针对球罐，双法兰差压液位变送器测量原理如图2 所示。
根据图2，球罐液位L 可根据下式计算:
L = p2 - p1
ρg (2)
式中 g ———常数，取9. 8N/ kg;
p1 ———球罐上部取压口压力;
p2 ———球罐底部取压口压力;
ρ ———介质密度。
通过式(2)不难看出，差压液位变送器比较适合密度均匀、在运行过程中不发生较大波动的介质。在此条件下，测量精度仅与仪表的选型精度有关。针对不同介质性质，可选用不同材料膜片。在该公司三氯氢硅球罐液位测量，选用的是某公司3051 系列液位计，该系列液位计采用双传感器技术，高低压侧各安装一台传感器，副传感器与主传感器采用通信电缆连接。主副传感器测量的压力值在主传感器中进行数据同步，并经过计算，可输出差压值或者液位值(需预设定测量范围)。其优点是不需要毛细管作为引压管，压力反应快、精度高，日常维护也极为方便。需要注意的是，应重视对膜片材料的选择。仍以三氯氢硅介质为例，先后使用过316L 和钽材料膜片，均出现漏油、高压侧膜盒干涸现象。经后期分析，根本原因在于三氯氢硅介质中氯离子对金属膜片的腐蚀。氯离子产生机理如下:
SiHCl3 +3H2 O = SiO2 (H2 O)↓ +3HCl + H2 ↑HCl = H+ + Cl-
不锈钢组成中不均匀的部分不可避免地含有碳等微量杂质，这些不均匀或含有杂质的部分在氯离子的环境下会产生原电池反应，*终导致不锈钢膜片表面点状腐蚀。在实际应用中，这些不锈钢膜片表面的点蚀造成漏油，从而使液位计失效。但后来采用钽材料膜片，在使用1 ~3年的时间内，仍然出现漏油的现象。经综合分析，判断是在膜片制造过程中，沿圆周焊接的焊材在长时间使用过程中出现腐蚀，导致焊接处出现微小点蚀，进一步导致液位计漏油失效。后续拟采用衬四氟膜片隔离氯离子与金属的直接接触，期望解决这一问题。
另外当前对于介质组分稳定的球罐，应用外测式液位计也是一种流行的选择。外测式液位计工作原理与外测式液位开关相似，所不同的是它能对球罐液位进行连续测量，输出模拟量信号。外测式液位计应用时要求介质组分均匀，罐壁不存在严重结垢，*高应用温度可达220℃。外测式液位计的优点是安装时附着在球罐外壁上，不需要动火开孔，不与物料直接接触，不受压力、介质性质影响。因此，在当前安全检查要求越来越严格的情况下，应对一些球罐液位监测整改的问题，外测式液位计是理想的选择。
3 三氯氢硅球罐液位控制设计
球罐液位控制应结合物料特性、储存量和周边环境综合考虑。该公司三氯氢硅储罐属于一级重大危险源范畴，液位控制设计应考虑工艺控制和安全仪表系统的要求，*终设计如图3 所示。对于工艺控制要求，按照前述文献[2，3]中的相关要求，设计了两台液位计来进行液位连续测量。其中一台LIC-1101 为差压液位变送器，另一台LIC-1102 为雷达液位计，并以差压液位变送器LIC-1101 和液位调节阀LV-1101 构成液位自控回路。雷达液位计测量值作为日常监测之用。与此同时，设计了高低液位报警开关，在液位过高或者过低时发出报警，提醒操作人员进行干预。其中LSA-1101 为高液位报警，报警阈值为80% ，以防止液位过高造成漫罐或超压;LSA-1102 为低液位报警，报警阈值为15% ，以使输送泵能够克服扬程和摩擦阻力而正常吸入。高液位报警开关亦可采用顶装式安装，虽然成本稍高，但更易于维护。
对于安全仪表系统，按照安监总管三[2014]116 号文件的要求，结合该球罐的应用工况，进行HAZOP 分析，液位控制回路发生故障造成的后果严重性等级为5 级，属于不可承受风险[6] 。进一步地利用LOPA 分析方法，设计安全仪表回路(SIF)，等级为SIL2，可将风险降低至低风险等级。因此设计独立的安全仪表回路，应对液位控制回路故障可能带来的危险。该回路配置为:现场变送器使用雷达液位计测量球罐液位;*终元件为气动切断阀，电磁阀不带PVST 功能;安全PLC 选用Honeywell SM 系统。所有现场仪表、安全栅和继电器均采用SIL **的产品，配置模式为1oo1。查该SIF 回路使用的元件的**证书相关数据，计算得该SIF 回路需求时的平均失效概率PFD =1. 483 ×10 -3，满足设计的SIL2 要求。
4 结束语
针对某公司三氯氢硅球罐工况的液位仪表选型，应综合考虑应对可能风险和满足工艺生产的实际需要。结合实际应用，球罐高低位报警开关采用音叉式或电容式液位开关，效果良好;液位连续测量采用雷达液位计和差压液位变送器同时监测，
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