防靜電料位計在聚烯烴裝置上的改造應用

崔守志，楊紹軍，李春華，曲 強，韓 銳

（1.神華包頭煤化工有限責任公司，內蒙古 包頭 014010；2.北京燕化正邦設備檢修有限公司，北京 102599）

0 引言

20 世紀90 年代起，國內聚烯烴產品料倉靜電著火、爆炸事故頻繁反生，主要是因為化工塑料加工業發展過快，防靜電安全標準落后于生產需求。

某煤化工聚烯烴裝置年產30 萬噸聚乙烯和30 萬噸聚丙烯顆粒，工藝路線分別是Unipol 和Dow 化學公司的工藝包，產品料倉原始設計和安裝使用的是某進口品牌的音叉料位開關。該煤化工企業于2010 年正式商業化運行，2014年公司依據《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設計規范：GB 50813-2012》[1]和對周邊煤化工企業調研后，決定對產品料倉進行靜電消除改造。

1 原始設計

聚烯烴裝置有24 個聚烯烴顆粒料倉和2 個顆粒接收料倉，原設計料倉高位料位開關選用的是某進口品牌的音叉開關，用于實現料倉料位高報警和高高報警，共計32 臺[3]。

1.1 音叉開關原理

音叉開關的工作原理是通過安裝在音叉基座上的一對壓電晶體使音叉在一定共振頻率下振動。當音叉開關的音叉與被測介質相接觸時，音叉的頻率和振幅將改變，音叉開關的這些變化由智能電路來進行檢測，處理并將之轉換為一個開關信號，如圖1 所示。

圖1 音叉開關Fig.1 Tuning fork switch

圖2 靜電起電—放電過程Fig.2 Electrostatic electrification - discharge process

1.2 物體靜電產生的原因

物體的靜電釋放是起電——放電（ESD）的過程，一般具有高電位、強電場和寬帶電磁干擾等特點。與一般常規電能量相比，靜電能量雖然較小，但瞬間釋放的功率卻十分巨大，瞬間大電流集中釋放，有可能導致易燃易爆物質燃燒，甚至爆炸，還會形成強電磁脈沖，會對微電子設備造成電磁干擾和浪涌效應，如圖2 所示。

從圖2 可以看出，靜電放電過程其峰值電流可達數十安培，靜電放電（包括接觸放電和空氣放電）對電路的干擾和對元器件的影響，尤其是對電磁場效應元器件造成極大的破壞，這種破壞越來越引起人們的重視和關注。

1.2.1 靜電感應

如果一個帶電體靠近一個中性導體，那么靜電場會使中性導體上一直處于平衡狀態下的電荷分離，距離帶電體最遠的導體表面上出現與帶電體上電荷極性相同的電荷，而在距離帶電體最近的導體表面上出現與帶電體上電荷極性相反的電荷。

1.2.2 摩擦起電

圖3 料倉料位開關安裝位置圖Fig.3 Location of the silo level switch installation

圖4 音叉開關技術規格Fig.4 Tuning fork switch specifications

當兩種物體互相摩擦時，由于電子和離子的親和性不同，將會引起兩個物體間的電子和離子移動，形成一方帶負電荷，另一方帶正電荷。當兩個物體分開時，又會使一部分的負電荷和正電荷再次結合，但還是會有一部分電荷殘留。那么殘留的電荷量越大，產生的靜電量則越大，殘留的電荷量多少由物體的絕緣性決定。

1.3 音叉開關技術要求

音叉開關安裝方向與水平位置成20°夾角，法蘭面距離料倉外壁150mm，音叉長度500mm，插入深度705mm，如圖3、圖4 所示。

1.4 存在的問題

1）音叉開關插入料位內過長，不滿足《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設計規范》要求。

2）音叉開關外部沒有防靜電涂層，不滿足《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設計規范》要求。

3）低密度聚乙烯最小點火能量小于10MJ，聚丙烯最小點火能量小于30MJ，伸進料倉內檢測料位和報警的傳感器應選用防靜電型，某品牌音叉開關無防靜電認證，不滿足《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設計規范》要求。

4）料倉內粉塵濃度較高，在高料位時音叉開關可能在一定的條件下引起高能放電，從而引發料倉內粉塵燃爆，不滿足《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設計規范》要求。

1.5 粉體料倉防靜電料位計設計要求

依據《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設計規范》中對料位計的要求如下：

1）6.1.1：對報警頻率較高或料倉內雜混粉塵最小點火能小于30MJ 的場合，伸進料倉內檢測料位和報警的傳感器應選用防靜電型。

2）由倉頂垂直伸進料倉的傳感器，其電極的形狀與尺寸應選用不產生火花放電的形式，或采用不會引起火花放電的材料進行表面保護。

3）6.1.3：水平或傾斜方式伸進料倉的傳感器（包括傳感器上方的保護板），當伸進倉內徑向尺寸大于100mm 時。

4）5.0.6：伸進料倉內的徑向尺寸不宜超過100mm，不得有尖角。伸進料倉內的徑向尺寸超過100mm，表面應做防靜電處理[1]。

2 防靜電型料位開關

依據《石油化工粉體料倉防靜電燃爆設計規范：GB 50813-2012》和對周邊煤化工企業調研后，決定使用國內某公司生產的防靜電UL 型阻移式料位開關進行改造更換。

2.1 工作原理

UL 型物位計采用擺動式傳動系統。當物料使檢測板受阻時，主軸停轉，電機繼續運行，壓動撥叉張開，使微動開關動作，繼電器觸點轉換，發出料面信號，同時切斷電機電源。

當物位下降時，檢測板的阻力消失，脫扣器恢復原位，電機恢復工作，發出物位未檢測到信號，儀表又處于檢測狀態。當用于測量物位變化緩慢的場合時，可在物位儀表內加裝定時器模塊，讓儀表的檢測板處于間隙工作狀態，這樣可以降低電機的功耗和磨損，有效地延長儀表的使用壽命，如圖5 所示。

2.2 主要技術參數

1）具有防粉塵認證。

2）縮短徑向長度，徑向長度小于100mm。

3）料位開關插入倉內部分噴涂F46 聚全氟乙丙烯材料。

詳細技術參數見表1[2]。

2.3 聚全氟乙丙烯（簡稱F46）的性能及參數

聚全氟乙丙烯既有聚四氟乙烯相似的物理化學性能，又有熱塑性塑料的良好加工性能，而且本身具有一定阻燃性。因此，彌補了聚四氟乙烯加工困難的缺點，成為替代聚四氟乙烯的另一種材料。

圖5 阻移式料位開關Fig.5 Resistive level switch

2.3.1 電絕緣性能

聚全氟乙丙烯的電絕緣性能和聚四氟乙烯十分相近，其介電系數從50Hz ～1010Hz 超高頻的廣闊范圍內，從深冷到最高工作溫度幾乎不變，并且很低。聚全氟乙丙烯的體積電阻率很高，一般大于1015s/m，隨溫度變化甚微，也不會受到水和潮氣的影響。聚全氟乙丙烯的擊穿場隨厚度的減少而提高，當厚度大于1mm 時，擊穿場強度要在30kv/mm 以上，但不會隨溫度的變化而改變。

2.3.2 熱性能

聚全氟乙丙烯樹脂的耐熱性能僅次于聚四氟乙烯，可以在-85℃～+200℃的溫度范圍內連續使用。即使在-200℃或+260℃的極限情況下，其熱性能指標也不惡化，可以短時間內使用。聚全氟乙丙烯樹脂的熱分解溫度高于熔點溫度，在400℃以上時才會發生顯著的熱分解，熱分解的產物主要是四氟乙烯和六氟丙烯，在熔點溫度以下是非常穩定的。

2.3.3 力學性能

聚全氟乙丙烯和聚四氟乙烯相比，除了硬度和抗拉強度略有提高外，其摩擦系數也比聚四氟乙烯略大。在常溫下，聚全氟乙丙烯具有較好的耐蠕變性能，但當溫度高于100℃時，其耐蠕變性能反而不如聚四氟乙烯。

2.3.4 檢測報告（見表2）

2.4 UL型阻移式料位開關的優點

按標準進行防靜電外層絕緣處理，涂層表面不粘結，不掛料。料位計結構簡單，運行可靠，方便安裝，故障維護簡單，可連續運行，具有防粉塵、防爆認證。

2.5 改造情況

1）聚乙烯裝置：在摻混倉D8007 ～D8012、成品倉D8007A ～D8012A 和顆粒接收料斗D-8001 安裝的16 臺高料位音叉料位開關，全部更換成防靜電型阻移式料位開關。

2）聚丙烯裝置：在摻混倉D8007 ～D8012、成品倉D8013、D8014、D8101 ～D8104 和顆粒接收料斗D-8001安裝的16 臺高料位音叉料位開關，全部更換成防靜電型阻移式料位開關。

表1 UL型阻移式料位開關技術參數Table 1 UL Type resistive level switch technical parameters

表2 聚全氟乙丙烯檢測報告[4]Table 2 Polyfluoroethylene propylene detection report[4]

同時，將阻移式料位開關外殼接地端子連接到就近接地匯流排上。

3 靜電消除系統簡介

技改項目還包括PLC 控制系統（西門子S7-300）、靜電消除器、靜電檢測器。新增控制系統通過以太網與原風送系統西門子S7-400PLC 進行通訊，控制系統不再新設上位操作站，利用原風送系統上位機進行監視和控制，并在原風送系統上實現靜電檢測實時報警及記錄功能。

4 結論

該技改項目于2017 年11 月份通過竣工驗收，經過近兩年裝置穩定運行，防靜電型阻移式料位開關未出現過靜電高報警或高高報警，有效防止料倉靜電積聚和放電，防止粉塵燃爆及次生災害的發生，從而保護人身和財產安全，為公司長周期、穩定運行提供有力保障。