雷达液位计在复杂工况下的各种选型的优点和局限性及应用

 

随着工业自动化技术的不断提升，石化装置对于工艺参数的测量要求也随之提高，而液位测量在工艺参数测量中占据了十分重要的地位。

 

在液位测量中，就地液位计的选择相对较少，常用的有磁浮子液位计、玻璃板液位计等。而在远传液位计的选型中，由于工艺介质种类繁多，液位计的测量原理不同等因素，设计选型差异较大，故要求仪表设计人员必须对工艺流程、物料特性等十分了解，同时清晰地认识到没有一种液位计能够适应全部的工况。

 

２０世纪８０年代随着军用雷达技术民用化，工业自动化领域液位测量有了一次质的飞越。雷达是利用雷达波探测目标的电子设备，雷达发射雷达波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至雷达波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。计量级雷达液位计在罐区使用较多也比较成熟，但是生产过程中，雷达液位计在使用、选型乃至产品系列等方面存在参差不齐的问题，造成对于雷达液位计的评价褒贬不一。

 

笔者结合某复合肥项目中液位计的选型、现场使用及改造情况，总结分析了雷达液位计在复杂工况下的应用，方便设计人员在相同或类似的工况液位计选型时参考。

 

１雷达液位计简介

１．１雷达液位计原理

雷达液位计是基于雷达波发射和反射接收来判断物位的测量仪表。按照发射信号种类分为脉冲雷达和调频连续波雷达两大类。脉冲雷达是基于时域反射法（ＴＤＲ）进行测量，即雷达天线发出高频脉冲雷达波，雷达波以光速传播，当遇到被测介质表面时，雷达液位计的部分脉冲被反射形成回波返回到脉冲发射装置，发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比，经计算得出液位的高度。

 

调频连续波雷达是基于调频连续波（ＦＭＣＷ）的频率差进行测量，即雷达使用同步调频技术，发射器和接收器安装在顶部，发射器向液面发射频率经过线性调制的微波信号，当微波信号向下传播到液面后被反射回接收器时，由于时间延迟，发射信号的频率发生改变，通过接受到的反射波与发射波的频率差，计算出雷达波通过的距离。一般来说，调频范围越大测量距离越远，线性度越好，分辨率越高。

 

１．２雷达波的波段

微波是指频率在３００ＭＨｚ～３×１０３ＧＨｚ范围的雷达波，其相应的波长从０．１ｍｍ至１ｍ。该段雷达频谱包括分米波（频率范围为３００ＭＨｚ～３ＧＨｚ）、厘米波（频率范围为３～３０ＧＨｚ）、毫米波（频率范围为３０～３００ＧＨｚ）和亚毫米波（频率范围为３００～３×１０３ＧＨｚ）四个波段。

 

市面上常见的雷达为６ＧＨｚ，２６ＧＨｚ以及zui近两年出现的８０ＧＨｚ。６ＧＨｚ雷达波长为５０ｍｍ，２６ＧＨｚ雷达波长为１１ｍｍ，均为厘米波雷达，属于工作在厘米波波段探测的微波雷达。８０ＧＨｚ雷达波长为４ｍｍ，属于工作在毫米波波段探测的毫米波雷达。

 

２项目情况分析

２．１工艺简述

生石灰粉末与５０％硝酸铵溶液混合后发生复分解反应生成硝酸铵钙及氨气，将硝酸铵溶液加工成硝酸铵钙复合化肥，反应方程式如式（１）～（２）所示：

ＣａＯ＋Ｈ２Ｏ=Ｃａ（ＯＨ）２（放热反应）（１）

２（ＮＨ４ＮＯ３）＋Ｃａ（ＯＨ）２=２ＮＨ３＋Ｃａ（ＮＯ３）２＋２Ｈ２Ｏ（２）

 

硝酸铵和氢氧化钙二者反应之后，会有刺激性气味的气体产生。常压复分解反应操作条件：温度为８５℃，表压为－５～－１０ｋＰａ。为了使得硝酸铵溶液和生石灰粉末充分反应，同时保证生石灰粉末不进入反应尾气组分当中，还要防止反应气体窜入加料段，采用加隔板并保持液封的办法。

 

２．２液位计选型分析

设计过程中液位计选型主要根据如下几个要点：１）反应釜液位具有一定复杂性，在反应过程中需要搅拌升温加热，过程中液体不同位置密度

存在一定差异，液体对罐壁的压力未必能正确反应液封的真实高度。

２）反应过程中介质随着反应与搅拌的速度密

度不断变化，每段的密度不同。

３）测量介质在反应釜中以黏度较高的浆料状态存在，采用旁通管引出可能会发生沉淀或者堵塞等情况。

４）反应过程中产生的氨气与水蒸气一并自反应釜抽出。

 

上述选型：

要点１）和２）限制了双法兰、差压式液位变送器、浮筒液位计、磁致伸缩液位计、磁翻板液位计的使用；

要点３）则限制了带旁通管的导波雷达液位计和捆绑式磁致伸缩液位计的使用；

要点４）是否会影响雷达液位计的测量将是个亟待解决的问题。

 

此外，放射性液位计由于投资、存放、业主方顾忌使用等方面原因未列入选择范围。经与工艺专业技术人员反复探讨，选出如下方案：

 

双法兰液位变送器加密度补偿；引出旁通管加冲洗水；非接触式雷达液位计。但是前两个方案对于测量液封的效果和准确性都略差。zui终经与工艺专业及仪表生产厂家技术人员沟通，虽然反应产生的氨气是极性气体分子，它可能会吸收雷达波，温压变化将引起气相层相对介电常数的变化，雷达波在高温高压的水蒸气或其他极性分子气体中传播的速度会明显降低等情况出现。设计人员认为氨气在抽出气中浓度较低，温度压力都比较低，多方考虑下，设计zui终选用了２６ＧＨｚ的非接触雷达，天线型式为喇叭口。目前发现不适合用２６ＧＨｚ雷达测量的介质有：液氨、氯乙烯、氯甲烷、氟利昂。

 

２．３现场实际情况反馈

在开车的阶段该液位计运行正常，能够准确测量并指示液封的位置。这就证明了在该种工况下氨气及水蒸气没有明显影响雷达液位计的测量，设计思路及选型是正确的。

 

装置运行一段时间后现场反馈，由于现场位于中国西北部，昼夜温差较大，造成雷达在一个周期内有１～２次跳变。当仪表工到现场拆法兰对喇叭口进行擦洗处理后，读数恢复正常。在雷达的喇叭口内外壁也有明显的结垢层，当雷达发射天线有结垢层或雷达天线有蒸汽聚集成液滴时，液位的读数会跳变。金属喇叭被冷凝和粘附，影响测量；同时金属喇叭在该工况下也会被腐蚀。

 

设计人员在装置停车后到现场准备改造方案，发现反应釜筒体及封头的挂料及糊料现象严重，可以看到气相侧糊料层基本能够达到２０ｍｍ

以上，在搅拌杆及上部筒体zui厚处能够达到５０ｍｍ。在现场取样分析设备上部的气相结垢层为：２０％Ｃａ（ＯＨ）２，４０％ＣａＯ，此外还有４０％不易分析的其他杂质。

 

２．４问题分析

经与工艺、现场仪表技术人员沟通以及对工艺流程的探讨分析，zui有可能造成结垢层的原因如下：

１）由于须保证硝酸铵完全反应，生石灰投入量大于硝酸铵溶液量，两者反应过程剧烈，反应产生的氨气和反应热形成的水蒸气上升过程中，会产生一定数量的泡沫，部分未完全反应的生石灰以及反应中的熟石灰、硝酸铵钙等被氨气泡沫、水蒸气等带至设备上部，生石灰附着在罐壁、雷达法兰短管、雷达天线处，这些物质与水反应，在放热反应的影响下被逐渐烘干，形成结垢，将这些部位包裹起来，随着反应的进行，附着层逐渐加厚，从而影响雷达波的发射和接收。

 

２）搅拌桨转速较快，加上生石灰与硝酸铵的反应剧烈，液体碰到罐壁溅起的溶液附着在罐壁、雷达法兰短管、雷达天线处，随着运行时间变长并逐渐加厚。

 

２．５改进方案

设计人员到了现场先检查雷达液位计安装的位置和方式，排查了电缆的敷设，分支电缆、主电缆及接地线的连接，均符合标准规范，排除了现场电机及其他电气设备对信号的干扰。

 

２．５．１第一次试验

为解决搅拌溅起的液体附着，将雷达液位计法兰短管长度增加４００ｍｍ，通过图１可以计算出雷达的波束角α能够避开设备壁的干扰，这样雷达液位计的喇叭口不再伸出法兰短管。

 

图１中雷达波照射范围宽度Ｗ的计算如式（３）所示：

为防止气流及泡沫携带物附着，在新增法兰短管处增加氮气吹扫，即将氮气吹向雷达天线处，在法兰短管特别是雷达液位计天线处形成微正压，罐内为负压状态，这样气流及泡沫无法进入法兰短管，保证了雷达天线的洁净。

 

改造完成后现场反馈测量效果不佳，通过回波曲线看出，杂波较多回波较弱。

２．５．２第二次试验

经过与业主、液位计厂商技术人员进一步探讨，首先笔者通过与不同的现场及收集到厂家的资料，目前发现不适合用８０ＧＨｚ高频雷达测量的介质：丙酮、液氨、氯乙烯（ＶＣＭ）、氯丙烯、氯甲烷、氟利昂、丙烯、液态二氧化硫、溴丙烷；这些数据基本得到行业的认可，也可供读者参考，于是将２６ＧＨｚ雷达更换为８０ＧＨｚ高频雷达，同时雷达天线由喇叭口天线修改为塑封天线，适应短管较长的雷达天线安装。这也是当时的一套备用方案。现场再次开车后反馈测量效果良好，液位基本平稳没有出现跳变情况，业主认可改造成功。

 

3、高中低频雷达应用分析

３．１波长

 

雷达波长的计算公式如式（４）所示：

ｃ＝λf（４）

式中：ｃ———光速；λ———波长；f———雷达波的频率。

 

根据公式（４）可知频率越低，波长越长，频率越高，波长越低。在人们的通常认知中，波长越长，遇到障碍，可通过漫反射等绕过障碍，因此抗干扰能力越强，波长越短，越容易被反射。从波长角度分析，低频雷达在测量泡沫时可通过漫反射等绕过泡沫，从而获得较好的液位测量结果，这里的泡沫是指工业泡沫，若在洗涤剂、剃须泡沫、啤酒泡沫等中，雷达波将被完全封锁。

 

３．２波束角

波束角α计算如式（５）所示：α＝ｃ／Ｓｆ（５）

式中：Ｓ———天线有效面积。

 

由式（５）可知，α与天线有效面积和频率成反比，在天线有效面积不变的情况下，波束角与频率成反比。

 

低频雷达波束角非常大，例如６ＧＨｚ雷达波束角在１５°以上，２６ＧＨｚ雷达波束角在８°至１０°左右，８０ＧＨｚ雷达波束角在３°左右。在同等能量状态下，波束角越小，能量越集中，在泡沫工况下，雷达波穿透泡沫的能力越强，回波能量也就越大，信号稳定性就越好。低频雷达波束角大，对设备内件要求严格，而高频雷达波束角小，受法兰短管、罐壁及干扰物的影响小。

 

因此从波束角角度分析，高频雷达在泡沫工况下测量效果更好。

 

３．３动态范围

动态范围是指雷达所检测到的回波的zui强信号与zui弱信号之间的差值。２６ＧＨｚ的动态范围在９６ｄＢ之内，８０ＧＨｚ的动态范围在１２０ｄＢ。动态范围越大，检测微弱信号的能力越强，适用性越好。由于动态范围为对数关系，８０ＧＨｚ的动态范围是２６ＧＨｚ动态范围的１０００倍左右，因此回波检测能量更强。

 

雷达液设计具有动态算法专利技术，该专利技术能契合该工况的搅拌和罐内小空间多障碍物的难点，便于干扰回波的识别。

 

３．４精度和分辨率

时间是一种连续的模拟量，在物理学上的定义只能被无限近似切割，所以时域反射法是一种模拟技术，只能提供较低的测量精度，基于该原理的液位计的制造成本相对较低。调频连续波雷达基于频率测量，频率是一种数字量，能够被准确切割和计量，这是一种数字化技术，能够提供良好的测量精度和稳定的输出信号。

 

从技术分析，低频雷达（６ＧＨｚ，２６ＧＨｚ）一般为时域脉冲雷达，高频雷达（８０ＧＨｚ及以上）一般为调频连续波雷达。

 

因此从测量精度角度分析，高频雷达在泡沫工况下测量效果更好。

 

综上所述，高频雷达具有波束角小，能量方向性好，抗粉尘及泡沫干扰能力强，因此测量本文所述装置类型的泡沫，高频雷达将更具优势。当然由于现场工况复杂恶劣，仅是塑封天线可能长时间运行雷达天线上会积累结垢，水汽、凝液等，增加了吹气的手段后，可以减轻结垢物、水汽影响，天线无需定期清理，基本实现了免维护。

 

4、结束语

本文仅是针对该装置的复杂和特殊性，做出的选型改造方案，虽然zui终使用了高频雷达液位计取得了改造的效果，并不能代表高频雷达适用所有的工况，仅说明高频雷达有一定的优越性。本文提供了一个分析思路和工作流程，所以仪表设计人员需要根据工艺条件，熟悉工艺流程还需要熟悉仪表产品的性能，紧密结合现场及时跟进现场反馈，才能选择优异的选型和解决方案，作出zui优的设计方案。