射頻導納技術在電脫鹽罐界位測量中的應用

李斌

(大慶石化公司 煉油廠，黑龍江 大慶 163711)

在石油化工生產中，物位同溫度、流量、壓力一樣，是生產過程中重要的監控參數之一，物位測量的準確性和穩定性是生產連續運行、設備安全運轉的可靠保證。生產過程中的物位測量，不僅包括常溫、常壓、一般性介質的液位、料位、界位的測量，而且還涉及高溫、低溫、高壓、易燃、易爆、易結晶、黏性及多泡沫沸騰狀介質的物位測量問題。

為適應生產過程被測對象的特點，滿足物位測量的不同要求，目前已經有直讀式、差壓式、浮力式、雷達式、聲學式、射線式等測量方法。近年來，隨技術發展而出現的磁致伸縮、光學式、射頻導納等各種新型物位測量方法也應運而生，但由于物位測量的復雜性，沒有一種測量方法能滿足所有的物位測量要求。以下就射頻導納物位計的原理、特點、安裝、調試等方面介紹其在實際生產過程中的應用。

1 射頻導納物位計基本原理

1.1 基本結構

射頻導納物位計主要由檢測部分和變送部分組成，檢測部分包括探頭、保護套外殼等；變送部分包括振蕩緩沖電路、頻率變換及掛料處理電路、誤差修正放大器、信號解調器、調制驅動放大器、濾波阻尼環節、電壓限制及電壓電流轉換電路等，變送部分基本構成如圖1所示。

圖1 變送部分基本構成示意

1.2 工作原理

射頻導納物位計是一種新型物位測量儀表，“導納”為電學中阻抗的倒數，它由阻性成分、容性成分、感性成分綜合而成，而“射頻”即高頻，因此射頻導納技術可以理解為用高頻測量導納。

由高頻正弦振蕩器輸出1個穩定的測量信號，測量頻率一般在10～1 000 kHz，這時安裝在金屬容器內的探頭與容器壁及物料形成1只電容，在容器內無物料的情況下，存在1只分布電容C0，計算如式(1)所示：

(1)

式中：ε0——檢測探頭與金屬容器壁間空氣的介電常數，ε0≈1；S——檢測探頭與金屬容器壁間的面積；D——檢測探頭與金屬容器壁間的距離。

在初始狀態下，調整電橋電路調諧電容器的大小，平衡掉初始分布電容C0，使變送器的輸出信號的零點為4 mA。當容器內裝有物料介質時，如果物料介質的介電常數ε>1，則存在1只物料介質電容CW，計算如式(2)所示：

(2)

式中：S0——單位長度檢測探頭與金屬容器壁間的面積；H——物料介質高度。

對金屬容器來說，物料介質的ε是固定的，S0與D也是固定的，因此測量的電容與H成正比。根據電橋原理，由于液位升高而增大的電容使電橋失去平衡，同時正比于電橋不平衡度的解調器輸出電壓，經濾波放大、輸出阻尼、電壓/電流轉換后，輸出與物位成正比的4～20 mA電流信號。無論是射頻電容物位計或射頻導納物位計都能準確測量介質的物位，但與普通射頻電容物位計相比，射頻導納物位計更適合測量料位，因為它可以較好地處理掛料對料位測量的影響。

存放強導電性物料的容器，由于物料是導電的，接地點可以被認為在探頭絕緣層的表面，對變送器探頭來說僅表現為1只純電容；隨著容器排料，探桿上會產生掛料，而掛料具有阻抗，導致以前的純電容現在變成了由電容和電阻組成的復阻抗，從而引起測量誤差，這是由于掛料的電阻遠大于液體中的電阻而造成的，這種由電阻和電容組合而成的復合信號稱之為導納。射頻導納物位計增加了2個電路來解決檢測探頭掛料問題：

1)在振蕩器與電橋之間增設了1個緩沖放大電路，由于探頭本身相當于1只電容，它不消耗原電路的能量，若探頭表面覆蓋有掛料，掛料的阻抗會消耗能量，從而將振蕩器電壓拉下來，導致橋路輸出改變，使輸出產生信號誤差。緩沖放大器的增設使消耗的能量得到“補償”，因此不會降低加在探頭上的振蕩電壓，可消除測量誤差。

2)在電路中增設1個交流驅動電路，從電學角度看，掛料層相當于1只電阻，探頭被掛料覆蓋部分相當于1條由無數只無窮小的電容和電阻組成的傳輸線，如果掛料足夠長，則掛料的容抗和阻抗相等。增設交流驅動電路與交流變換器和同步檢測器一起測量檢測回路中的電容和電阻，電路測得的總電容C測量=C物位+C掛料，即C物位=C測量-C掛料。射頻導納技術由于引入了除電容以外的測量參量(導納)，尤其是電阻參量，使得儀表測量信號信噪比上升，大幅度地提高了儀表的性能，擴展了應用領域，同時射頻導納技術還采用了驅動三端屏蔽技術，解決了連接電纜屏蔽和溫漂問題，使儀表的整體抗干擾能力得到增強。

2 電脫鹽罐油水界位測量

2.1 射頻導納物位計的安裝

電脫鹽系統是原油加工的第一道工序，原油進入電脫鹽罐后在油和水之間形成“電脫鹽罐界位”。射頻導納物位計在電脫鹽罐油水界位測量中具有安裝方便、調試簡單、維護工作量少等特點。在電脫鹽罐上一般采用頂裝式，安裝示意如圖2所示。

圖2 電脫鹽罐上的射頻導納物位計安裝示意

建議采用法蘭與螺紋相結合的連接方式安裝，即先將探頭通過螺紋擰在上法蘭上，再用法蘭密封方式安裝，可方便拆裝維修。安裝位置應既能滿足工藝檢測控制要求，又能順利安裝，不受其他障礙物的影響。安裝位置應盡量遠離進、出料口，避免探頭受物料流的沖擊擺動過大，影響測量或損壞探頭，尤其是在探頭底端周圍應考慮有足夠的探頭擺動半徑，防止金屬類障礙物對探頭的長期磨損導致探頭的絕緣層損壞。

射頻導納物位計在電脫鹽裝置中使用時，儀表正下方的多層電極柵板要開600 mm×600 mm的方孔，該參數取決于高壓電極與地面正常運行時的安全距離，通常為300 mm。探頭非作用段長度，應能保證探頭穿過最后一層極板50 mm。儀表變送器部分使用環境溫度一般為-40～+65 ℃，探頭正常使用的介質溫度為-40～+150 ℃，電脫鹽溫度一般控制在110～140 ℃，由于探頭外部絕緣層為聚四氟乙烯材料，不能長時間耐150 ℃以上高溫，尤其是在電脫鹽罐停工吹掃時，罐內不能長時間超過150 ℃，必要時可多次用水換熱等，保證介質溫度可以滿足儀表探頭長時間使用的要求。

2.2 射頻導納物位計測量應用

射頻導納物位計使用前需要標定，為滿足實際界位測量要求，根據現場條件，射頻導納物位計可以采用兩種標定方法： 濕標法，根據實際界位變化調整儀表的輸出值進行標定的方法；干標法，利用標準電容器送電容值代替實際界位變化來調整儀表的輸出值進行標定的方法。

2.2.1 濕標法

按照規定的顏色標識通過專用連接線將變送器部分的電子單元與探頭可靠連接，中心線接探頭的中心端，屏蔽線接探頭的屏蔽層，地線接外殼，電子單元接線如圖3所示。

圖3 電子單元背面接線示意

在電子單元正面將4～20 mA兩線制電源信號通過電纜連接好，萬用表放200 mA檔，表筆插入對應的測量孔中。初始狀態量程細調，逆時針旋到底；量程粗調置“1”。改變電脫鹽罐油水實際界位，當全部為油時(界位為零)，調整零點粗調、細調，使輸出電流為4 mA；若輸出電流總是大于4 mA，則在圖3中所示增加1只100 pF調整電容，再進行零點調整。當水位升高，探頭全部被水覆蓋時，調整儀表的量程粗調、細調，使輸出電流為20 mA，則調整結束。

由于電脫鹽罐正常生產過程中界位不允許大幅度波動，這時可選一個工藝允許達到的最低界位值，通過式(3)計算輸出電流I輸出：

(3)

式中：L實際——當前實際油水界位；L量程——探頭量程。

通過零點粗調、細調使之與計算值相同；調整油水界位使水位升高，一般達到滿量程30%即可滿足調整需要，此時通過式(3)計算出的電流值，通過量程粗調、細調達到該值，即調整結束。調整時的注意事項如下：

1)調整時，必須先調整零點，再調整量程。

2)調整結束時，還須通過工藝放樣口確認儀表標定情況，確保儀表投用可靠。

3)乳化層的存在也會干擾界位測量，乳化層介于油水之間，與水的密度差更小，所以乳化層的厚度要引起重視，避免界位假指示。

2.2.2 干標法

在某些情況下，采用充滿和放空電脫鹽內介質的方法不能滿足調整需要。這時，可采用1臺標準儀器： 用調節范圍在0～99 999 pF的可調電容箱代替探頭模擬實際界位變化對儀表電子單元進行再標定。

記錄原始標定數據，斷開探頭連接線，將電容箱及萬用表接到電子單元上，調節電容箱使萬用表顯示最小值(4 mA)，記錄此時電容箱上電容值；再調節電容箱使萬用表顯示最大值(20 mA)，同樣記錄此時電容箱上電容值；最后，斷開電容箱及萬用表，重新連接探頭。當儀表需要重新標定時，可按照上述記錄的電容數據標定電子單元。

2.2.3 射頻導納物位計實際應用

某煉油廠常減壓裝置電脫鹽罐采用DE公司射頻導納物位計測量油水界位，探頭采用聚四氟材料，測量范圍4.5 m。電脫鹽罐上設置了5個高低不同的放樣口，用來現場確認罐內含水情況。采用濕標法標定時，當水位過高時易造成電極跳閘，為此射頻導納物位計采用濕標法標定時，受到工藝條件的限制。采用干標法標定是現場常用的方法，但需要1臺標準的可調電容箱，測量范圍為0～99 999 pF；干標法標定時，當罐內全部為油時，界位為零，調整儀表輸出為4 mA，用萬用表電容檔測得該情況下的電容值并作為干標法的零點電容信號值；在干標法進行量程標定時，由于探頭線性電容為400 pF/m，測量范圍為4.5 m，根據2.2.2節的干標法標定流程用可調電容箱送400 pF/m×4.5 m=1 800 pF信號至變送器電子單元，變送器電子單元調整儀表量程為20 mA，儀表即調校結束，最后通過工藝放樣口確認儀表調校是否符合實際要求。

3 結束語

射頻導納物位計具有防掛料、可靠性高、測量準確、調試簡單，適用性廣等優點，某煉油廠3套常減壓裝置電脫鹽罐全部采用射頻導納物位計進行油水界位測量，取得了很好的應用效果，實際使用無故障、免維護，完全滿足生產自動控制要求。