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导波雷达液位计在石化装置中的设计与应用

作者: 来源: 发布时间:2021-12-04

 摘要:介绍了导波雷达液位计的测量原理,阐述了导波雷达液位计的结构形式和安装方式。根据容器的结构和被测介质的固 有特性,以及导波雷达本身技术特点,提出导波雷达液位计在工程设计中的选型思路,重点讨论导波雷达液位计在实际应用中 的故障处理及仪表技术维护等内容,体现出导波雷达液位计的广泛应用前景。

 
 液位测量仪表是石油化工装置中重要的测量手段,可测量各种状态的物料,包括液态、浆液、粉 尘、颗粒、块状物料等,仪表种类繁多。针对不同 的工况,常用的液位测量方法有浮力式、差压式、 电容式、反射式等。其中,利用雷达波的反射式原 理进行液位测量的雷达液位计主要有三类,分别 是导波雷达液位计、脉冲雷达液位计和调频连续 波雷达液位计。其中,导波雷达液位计属于接触式测量,脉冲和调频连续波雷达液位计属于非接 触式测量。本文详细阐述了导波雷达液位计作为 接触式雷达液位计的性能特点、技术优势及其在
工程中的应用。 
 
1 测量原理
导波雷达液位计采用时域反射原理(TDR)进 行测量。其工作原理是:电子单元发射低功率、纳 秒级电 磁 波 脉 冲,通 过 浸 入 工 艺 介 质 的 导 波 杆 (缆)传输,当接触被测介质时,产生反射信号,由 电子部件接收,根据行程时间原理计算发射到接 收的间隔时间,转换为被测介质的距离[1]。简单 来说,导波雷达液位计的工作方式就是发射—反 射—接收,测量原理如图1所示。 图1中,导波雷达液位计与被测介质表面的距 离 D(以 过 程 连 接 处 的 仪 表 法 兰 作 为 测 量 参 考
点)计算如式(1)所示:D =ct/2 (1) 
 
式中:D———空间距离;c———雷达波传播速度,即 为光速,3×108 m/s;t———发射脉冲与反射脉冲的 时间差。结合输入的空罐高度 E 和满罐高度F 的数值,使得仪表输出对应的测量物位值0~100%,物 料高度计算如式(2)所示:
导波雷达液位计测量原理示意
式中:L———液位高度;E———量程;F———有效测 量距离。同时,4~20 mA 输 出 信 号 的 计 算 如 式 (3) 所示: I=4+L ×16/E (3) 此外,导波雷达液位计存在顶部和底部盲区, 也称上部和下部不灵敏区。上部不灵敏区是指量 程与有效测量距离的差值部分,即E-F。下部不 灵敏区是指导波杆末端附近无法精确测量的一段 距离。确定了不灵敏区,上部和下部不灵敏区之 间是有效测量距离 F,才能保证罐内物位的可靠
测量。 2 技术特点
2.1 结构形式 
 
导波雷达液位计主要由雷达变送器、过程密 封件和导波杆三部分组成。表头内部安装雷达变送器,采用一次压铸成型的双室结构,带 LCD 显 示,大多数情况下可以向任意方向旋转,便于现场 观察。根据不同的环境条件选择相应表头材质, 常规条件下可以选择聚氨酯涂层,沿海地区可以 考虑316ss等耐腐蚀性不锈钢。
 
导波杆共分为两 类五种,即硬杆类,包括同轴、单杆和双杆三种;软 缆类,包括单缆和双缆两种[2]。 导波雷达液位计配备不同的探头,以满足各 种应用要求。硬杆类导波雷达液位计测量范围较 小,制造商推荐可选范围一般在0~6m,而软缆类 导波雷达液位计测量范围较大,制造商推荐可选范围通常在0~50m 内,甚至可以达到80m,所以 导波杆长度可根据测量要求,自由定制选择。 硬杆类中的单杆式探头能量传输效率较低, 外界干扰敏感,是受物体接近程度影响较大的探头,应避免靠近干扰物安装,如设备内壁或容器内 构件等。
 
适合测量小量程的液体和粉末状或小颗 粒固体料位。 同轴式探头能量集中在小口径的金属管内, 能量传输效率高,不受液面湍动的影响,抗干扰能 力强,安装空间要求低,可以近容器内金属构件安 装或者与其他物位仪表装在同一旁通管内,且不 会相互影响。其结构特点决定了其更适用于低黏 度的清洁介质,超低介电常数液体或界位测量,而 在挂料和结晶的应用场合容易产生测量误差,因 此不适用高黏度的、易挂料、易结垢的场合的物位测量,如重油型加工处理装置中的原料罐、地下污油罐等。软缆类中的单缆式探头底部配有重锤,主要 用于测量大量程的液体和固体料位。 硬杆类型中的双杆、软缆类型中的双缆与单 杆、单缆相比,增加为平行双探头,导波雷达液位计能量集中在两个探头之间,测量能力,抗干扰、 抗黏附能力高于单探头,灵敏度低于同轴探头。
 
2.2 安装方式
导波雷达液位计过程连接形式灵活,工程中
普遍采用法兰或螺纹安装在设备顶部,且导波杆 (缆)垂直位于储罐中,也可以安装在设备旁通管 内。变送器可沿水平方向360°旋转,便于电缆线连接和查看表头显示。根据介质特点,选择合理 的安装位置,避免影响测量效果。 对于硬杆类导波雷达液位计,导波杆垂直插 入液体介质,稳定导波杆,如果导波杆在工作期间 受介质波动,可能发生移动,范围在0.3m 内,可将 导波杆固定。导波杆与容器底部需有间隙,间隙 至少为5mm。导波杆不得接触设备管嘴,需有足 够的安装空间即可。而对于软缆类导波雷达液位计,导波缆杆必须接触介质,稳定导波缆将其引向 容器底部,使用重锤或弓形夹方式固定。若金属 容器壁光滑,导波雷达与设备内壁之间的水平距 离zui小间隙为100mm,若是容器存在干扰物其zui小间隙则更大,以制造商资料为准。 导波雷达液位计既可用在几何尺寸狭小的容 器中,也可用在旁通管和各种尺寸的储罐中,非常适合卧罐和其他小型储罐。也是安装空间有限的 地下储罐的理想选择。
 
2.3 介质条件 
1)导波雷达液位计适合接触如下介质。 a)从工艺介质特性上看,导波雷达不受介质密度、pH 值等物理参数变化的影响,且无需进行 补偿,适用于液面、界面和粉末状或小颗粒状固料的物位测量。同时,适用于高温、低温、蒸汽和高压场合。 b)从容器特性角度上看,在探头额定温度、压 力允许范围内,导波雷达适合于几何尺寸小的容 器和各种尺寸的储罐,连接容器和旁通容器。 2)导波雷达液位计不宜接触如下的介质。 a)从工艺介质角度上说,高黏度及腐蚀性液 体的工况,或者强研磨作用的固体物料,对于接触式导波雷达不适用,非接触式测量方式更为适合。 b)从容器特性角度上看,带有搅拌器的容器 内,探头无法安装机械支撑,搅拌器会对探头造成 损伤的场合,导波雷达液位计也不适用。 c)从工艺要求考虑,用于液体介质的控制级 满量程精确度不宜低于±0.5%,用于固体介质的测量精度不宜低于±25mm[3]。 
 
3 工程应用
3.1 工程设计
导波雷达液位计设计原则由四个方面决定: 1)工艺条件。包括:上部、下部介质密度和 介电常数,以及介质表面的状态,这是判断选择导 波雷达液位计的先决条件。而介电常数作为非常重要的工艺参数,对雷达波的影响主要体现在两 个方面:一是影响介质表面对雷达波的吸收率,也 叫反射率;二是雷达波在穿过介质时,雷达波波速 不发生改变,根据波速等于波长乘以频率,可知在 接触介质表面时,波长和频率发生变化,并成反比关系。介 电 常 数 的 数 值 越 高,则 表 示 反 射 越 强 烈[4]。雷达波反射率受下面条件影响:衰减系数与电导率σ及导磁率μ 的平方根程正比,与介电常 数ε的平方根成反比。也就是说目标物体的介电 常数越大,衰减率越小,反射率就大,所以介电常 数大,反射率强,信号强度高。反过来,介电常数 小的介质,衰减率大,反射率小,信号强度弱。介 电常数不影响测量结果,只影响回波幅度大小,可 以提高导波雷达测量性能和可靠性。 
 
2)导波雷达液位计本体的选择: a)根据测量范围的大小选择合适的导波杆。 b)根据工作温度范围选择正确的探头,探头 的适用范围为-196~400℃,可根据工况选用高温高压、常温常压或是低温型探头。 c)过程连接密封件,即 O 型圈的材质选择应满足工作温度、压力、介质特性。 3)变送器部分。主要是根据容器特点选择顶 装或是侧装。设备顶部安装导波雷达,其上开口 尺寸一般为150mm。而设备侧面安装导波雷达, 开口尺寸略小,一般为50mm 或80mm。在工程设计中,立罐上导波雷达常采用侧面安装。而在 卧罐上,根据设备尺寸大小,顶部或侧部均可开口 安装。对于地下储罐,为了便于观察,导波雷达应 采用顶部安装方式。仪表选型应根据危险区域划 分确定仪表采用本安型或隔爆型。根据电缆路由 长度及仪表正常工作电压选择供电电源是 24V(DC)还是220V(AC)供电。以本质安全型为例, 导波雷达液位计工作电流在150mA 左右,工作电压16V(DC),选择常规7芯股电缆,走线路由假定 为1000m,经过计算线路压降在2~4V 内,故选用24V(DC)外供电电源,完全满足导波雷达液位计的工 作 电 压 要 求。该 选 型 广 泛 适 用 于 石 化 装 置中。
 
4)仪表附件部分。主要包括:分离指示表、 导向管、外筒、防雷保护等内容,根据需要考虑是否配置: a)根据工艺要求,导波雷达选配分离指示表, 安装于便于观察处。 b)设备内存在扰动,或蒸汽介质干扰测量时, 导波雷达选配导向管,即能起到稳液作用,也能增 加抗干扰能力。 c)导波雷达侧装于设备上需要采用外筒,导 波雷达与外筒的过程连接形式有法兰和螺纹两种 形式,安装形式近似于浮筒液位计侧装于设备上。
 
3.2 实际应用 
从工艺条件来看,待测介质的介电常数作为 已知条件对导波雷达测量有着非常重要的作用。 根据介电常数电性能大致分为3类,非极性物质 (εr<2.8)、弱极性物质(2.8≤εr≤3.6)、极性物质 (εr>3.6)。对于石化装置中液化石油气、石油、汽 油或其他碳氢化合物,以及石化产品,1.4≤εr≤4.0; 酒精、有机溶剂、油水混合物等,4.0≤εr≤10.0;导电液体,例如水基溶液、稀酸和碱,εr>10.0。 导波雷达液位计可以测量气/液、气/固,以及
液/液两相界位。对于测量液/液界面,例如油水 界面非常适合。导波雷达液位计发出低能脉冲微 波以光速沿导波杆向下发送。在导波杆与介质的交接面,有相当大比例的微波能量通过导波杆被 反射回变送器接收得到第一次回波信号。
 
还有一定比例的脉冲将继续沿着导波杆向下,穿过上层低介电常数的介质,直至在下层介质表面反射,变送器接收第二次回波。要测量界位,上层介质的 zui小厚度范围为10~20cm,才能区分两种液体的 回波。而 上 层 介 质 的 zui 大 厚 度 取 决 于 其 介 电 常 数。位于上层的液体介电常数较低,要求上层和 下层 液 体 介 电 常 数 相 差 大 于 10,还 有 上 层 介 质εr<3,下层介质εr>20,如此才能获得明显的反射 效果。可同时测量液位和界面。介电常数越小的 介质,反射信号幅度越大。对于低介电常数(1.2≤ εr≤2.5)的介质,粉末状或易挥发的介质可选择导 波雷达液位计。某些物质气相阻碍或者吸收雷达 波,气相中存在使雷达波衰弱的物质,比如高导电性的粉尘、粉末(石墨、铁合金等),或者易挥发介 质,比如液氨的介电常数在常温25℃时为14.9,属 于导电介质,能有效进行测量[5]。先进的导波导 波雷达液位计特别适合测量多种粉末,以及因旋 涡造成液面倾斜的液体。因为反射波并非依赖于 “平坦”表面才能反射回波,微波安全传输使得介 质表面 条 件 影 响 甚 微。扰 动 液 体 表 面 或 泡 沫 形 成,以及不同弯曲表面或熔炉出口不会影响测量, 因此导波雷达液位计在湍急场合中也有很好的测 量效果。从测量范围来看,介电常数越高的介质,拥有 更优秀的 反 射 性 能,并 适 用 于 更 长 的 测 量 范 围。 导波 雷 达 液 位 计 采 用 两 线 制 回 路 供 电,24 V(DC)或220V(AC)的液位变送器,能耗低,满足控 制级工艺要求。
 
 
3.3 故障与维护 
 
导波雷达液位计在使用过程中,微波会沿导
波管向下传导,尽量避免导波杆周围出现金属干 扰或物料堆积的情况发生。若仪表安装不当,会 导致一些问题的发生。因此,安装时必须综合考 虑容器特性和过程连接等因素[6],注意如下事项: 1)探头的轴线应垂直于被测介质表面,若存 在倾 斜,导 致 电 磁 波 传 输 距 离 变 长,影 响 测 量精度。2)安装时,保证导波雷达液位计与进料口、容 器内壁或旁路管保持一定的距离,以免产生虚假 反射。3)仪表探头应避开下方明显的障碍物安装, 保证测量范围。 
 
4)对于液位或界位波动较大、干扰因素大的 工况,应安装导波管,以防扰动。 同时,在设计选型及实际工程应用中,也存在 一些问题并需要及时解决: 
 
1)实际应用中,可能存在某储罐介质密度不 是固定值,而是变化的,这种情况下,错误的选用 了浮筒液位计,根据设备开口尺寸和连接形式,更 换为不受密度影响的导波雷达液位计。 
 
2)探头上可能出现有介质附着、聚集或者搭 桥的问题。导波雷达具有独特的信号诊断功能, 会在搭桥位置以液位显示,提示物位信号可能变 弱,需执行维护。导波杆上的聚敷过厚、污染物过 多可能会缩小测量范围并导致错误的液位读数。 在这种情况下,建议考虑使用单缆式导波杆,规避问题的发生。 zui后从两个方面考虑仪表维护注意事项:一 方面,导波雷达液位计无可活动机械部件,维护量 极少,且无需重新标定。石化厂检修时,可参照产 品相关操作手册,配合执行导波雷达液位计拆除、 检查、回装[7]。
 
另一方面,导波雷达液位计采用两 线制技术,安装和调试简单易行,用户组态界面友 好,只需现场输入量程等有关参数,无需任何迁移 来改变校准范围或现场标定,提高了仪表调校效 率,用户运营成本低。 
 
4 结束语
导波雷达因其结构形式的特点,不受介质密度、介电常数、pH 值、压力、温度、冷凝蒸汽变化的
影响,具有测量精确度高、能耗低,操作简单、维护 方便等特点,满足物位测量的过程级应用,石化装 置中应用灵活,有非常广泛的应用前景。

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