導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在聚烯烴污水池內(nèi)的改造應(yīng)用

曲 強(qiáng)

（北京燕化正邦設(shè)備檢修有限公司，北京 102500）

0 引言

在現(xiàn)代石油化工和煤化工生產(chǎn)過(guò)程中，污水排放和治理成為環(huán)保體系的重要環(huán)節(jié)，為了降低污水排放量，減少企業(yè)成本，準(zhǔn)確可靠地測(cè)量污水液位，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，污水池液位檢測(cè)技術(shù)在化工企業(yè)中顯得越來(lái)越重要。液位的測(cè)量方式很多，針對(duì)不同的測(cè)量原理，有靜壓式、恒浮力式、變浮力式、超聲波式、雷達(dá)式等幾種常用液位計(jì)。雷達(dá)液位計(jì)是采用電磁波技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的物位檢測(cè)儀表，它作為一種非接觸式的物位儀表，廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)中，尤其是污水液位檢測(cè)系統(tǒng)中。

某煤化工聚烯烴裝置共有4個(gè)污水池，分別是聚乙烯精制雨排水污水池、聚乙烯造粒污水池、聚丙烯回收雨排水污水池、聚丙烯造粒污水池，污水池深度均為6m，污水溫度為20℃～40℃。精制區(qū)污水池主要為雨排水，在冬季為防止污水結(jié)冰，會(huì)通入蒸汽進(jìn)行加熱；造粒外污水池為擠壓機(jī)地排水，造粒外污水池液位過(guò)高時(shí)，會(huì)將污水導(dǎo)入回收精制區(qū)污水池。污水池原設(shè)計(jì)安裝的是4臺(tái)E+H雷達(dá)液位計(jì)，此雷達(dá)液位計(jì)長(zhǎng)期在污水池液位表面有泡沫、蒸汽、霧氣大的環(huán)境下使用，頻繁出現(xiàn)測(cè)量偏差大、死值、滿量程現(xiàn)象，經(jīng)與多個(gè)廠家技術(shù)交流，并對(duì)其他煤化工企業(yè)進(jìn)行調(diào)研后，對(duì)污水池液位計(jì)進(jìn)行改造，消除泡沫和蒸汽冷凝液對(duì)液位計(jì)的干擾。

1 雷達(dá)液位計(jì)原理及特點(diǎn)

雷達(dá)液位計(jì)是一種一體化型儀表，其結(jié)構(gòu)由脈沖發(fā)射/接收器、天線、信號(hào)處理器、顯示報(bào)警單元組成，可實(shí)現(xiàn)就地顯示和遠(yuǎn)程傳輸信號(hào)，精確度高，廣泛應(yīng)用于石油化工、煤化工、水泥等行業(yè)中生產(chǎn)工況條件惡劣、環(huán)境條件較差、易燃易爆場(chǎng)所[1]。

1.1 雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量原理

雷達(dá)液位計(jì)采用發(fā)射—反射—接收的工作模式。雷達(dá)液位計(jì)采用高頻振蕩器作為電磁波發(fā)生器，發(fā)生器產(chǎn)生的電磁波用導(dǎo)波管將它引至發(fā)射天線并向下輻射。當(dāng)電磁波遇到被測(cè)對(duì)象表面，如液體液面時(shí)，部分被吸收，部分被反射回來(lái)，再被天線接收。通過(guò)檢測(cè)發(fā)射波與反射波的時(shí)間，再經(jīng)過(guò)液位計(jì)內(nèi)智能處理器進(jìn)行信號(hào)放大、分析處理計(jì)算，最終得出液位的高度[2]。

電磁波從發(fā)射到接收的時(shí)間與發(fā)射端到液面的高度成正比，關(guān)系式如下：

式（1）中，D——雷達(dá)液位計(jì)探頭到液位表面的距離；C——電磁波傳播速度300000km/s；ΔT——電磁波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔。

如圖1中所示，液位高度H的表達(dá)式為：

式（2）中，L——探頭總長(zhǎng)度；D——雷達(dá)液位計(jì)探頭到液位表面的距離；H—表示實(shí)際液位高度。

1.2 雷達(dá)液位計(jì)的特點(diǎn)

雷達(dá)液位計(jì)最大的特點(diǎn)是在惡劣條件下功效顯著。無(wú)論是有毒介質(zhì)，還是腐蝕性介質(zhì)，也無(wú)論是固體、液體還是粉塵性、漿狀介質(zhì)，它都可以進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量方面，具有以下特點(diǎn)：

圖1 雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理圖Fig.1 Radar level meter measurement schematic

1）雷達(dá)液位計(jì)的電磁波具有良好的定向輻射性，在傳輸過(guò)程中受火焰、灰塵、煙霧及強(qiáng)光的影響極小，可以用來(lái)連續(xù)測(cè)量腐蝕性液體、高粘度液體和有毒液體的液面[1]。

2）雷達(dá)液位計(jì)采用一體化設(shè)計(jì)，無(wú)可動(dòng)部件，不接觸介質(zhì)，不存在機(jī)械磨損，使用壽命長(zhǎng)。

3）測(cè)量準(zhǔn)確度不受被測(cè)介質(zhì)的溫度、壓力的影響，可用于高溫、高壓的液位測(cè)量，在易燃、易爆等惡劣的工況下仍能應(yīng)用。

4）測(cè)量范圍大，最大的測(cè)量范圍可達(dá)0m～100m。

5）雷達(dá)液位計(jì)使用范圍廣，從罐體形狀方面說(shuō)，可以對(duì)球罐、臥罐、柱形罐、圓柱椎體罐等的液位進(jìn)行測(cè)量；從被測(cè)介質(zhì)方面說(shuō)，可以對(duì)液體、顆粒、漿液等的液位進(jìn)行測(cè)量。

6）雷達(dá)液位計(jì)具有故障報(bào)警及自診斷功能。根據(jù)操作顯示模塊提示的錯(cuò)誤代碼分析故障，及時(shí)確定故障予以排除，使維護(hù)校正更加方便、準(zhǔn)確，保障儀表的正常運(yùn)行。

2 原雷達(dá)液位計(jì)的設(shè)計(jì)

2.1 E+H FMR240雷達(dá)液位計(jì)

某煤化工聚烯烴裝置污水池液位計(jì)原設(shè)計(jì)為FMR240雷達(dá)液位計(jì)，此型號(hào)液位計(jì)不受溫度、介質(zhì)密度的影響，主要用于連續(xù)測(cè)量液體及固體粉料、粒料及液體料位的智能物位儀表，適用于防爆危險(xiǎn)區(qū)域。

2.2 FMR240雷達(dá)液位計(jì)的缺點(diǎn)

污水池從頂部到底部的高度均為6m，在春秋冬季，為防止污水結(jié)冰，還會(huì)通入蒸氣進(jìn)行加熱，污水池內(nèi)污水溫度范圍是20℃～40℃，池內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸汽，水蒸汽上升到頂端雷達(dá)液位計(jì)的喇叭口處，會(huì)凝結(jié)成大量的水珠，水珠會(huì)長(zhǎng)時(shí)間存留在喇叭口頂端的輻射天線處和喇叭口內(nèi)壁上。水珠會(huì)使發(fā)射端發(fā)出的電磁波產(chǎn)生大面積的折射，電磁波未按直線方向輻射至污水池內(nèi)，導(dǎo)致液位測(cè)量出現(xiàn)較大的偏差，當(dāng)水汽集聚過(guò)多時(shí)，液位計(jì)會(huì)出現(xiàn)滿量程現(xiàn)象，嚴(yán)重影響對(duì)污水池液位的控制。

有的污水池內(nèi)會(huì)有大量泡沫，泡沫會(huì)吸收和擴(kuò)散雷達(dá)信號(hào)，因此嚴(yán)重影響回波的反射甚至沒(méi)有回波。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)表面為稠而厚的泡沫時(shí)，測(cè)量誤差較大或無(wú)法測(cè)量。

圖2 E+H FMR240雷達(dá)液位計(jì)Fig.2 E-H FMR240 Radar level meter

2.3 雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射端喇叭口冷凝液的產(chǎn)生原因

污水池中的液態(tài)水在冰點(diǎn)以上溫度時(shí)，不停息地蒸發(fā)成水蒸汽。在寒冷的冬季，環(huán)境溫度低于污水的溫度，氣化后的水蒸汽在上升過(guò)程中，遇冷空氣會(huì)重新液化，即形成了極細(xì)小的水滴，也就是常說(shuō)的霧氣。當(dāng)霧氣到達(dá)雷達(dá)液位計(jì)喇叭口處時(shí)，喇叭口溫度與環(huán)境溫度相近，溫度過(guò)低時(shí)，會(huì)使霧氣繼續(xù)凝結(jié)，最終形成水珠附著在發(fā)射端喇叭口處。當(dāng)水珠過(guò)多時(shí)，就形成了大量的冷凝液。

3 VEGAFLEX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)

介于FMR240雷達(dá)液位計(jì)的缺點(diǎn)，經(jīng)與多個(gè)廠家技術(shù)交流，并對(duì)其他煤化工企業(yè)進(jìn)行調(diào)研后，對(duì)污水池液位計(jì)進(jìn)行改造，最終采用VEGAFLEX 61系列帶鋼纜的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，如圖3所示。

圖3 VEGAFX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)Fig.3 VEGAFX 61 Wave guide radar level meter

3.1 VEGAFLEX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的原理

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)同樣是依據(jù)發(fā)射—反射—接受為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量的，液位計(jì)發(fā)出的電磁波以光束的形式沿鋼纜進(jìn)行傳播。當(dāng)電磁波遇到被測(cè)介質(zhì)表面時(shí)，雷達(dá)液位計(jì)的部分脈沖被反射形成回波并沿相鋼纜返回至脈沖發(fā)射裝置，介質(zhì)的介電常數(shù)越高，反射越顯著[3]。發(fā)射裝置與被測(cè)介質(zhì)表面的距離與電磁波從發(fā)射到接收的傳導(dǎo)時(shí)間成正比，經(jīng)計(jì)算得出液位高度。

表1 FMR240雷達(dá)液位計(jì)技術(shù)參數(shù)表Table 1 FMR240 Radar level meter technical parameters table

3.2 VEGAFLEX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)優(yōu)點(diǎn)

VEGAFLEX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)除了具有一般雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有如下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

1）電磁波沿導(dǎo)波鋼纜傳播，可消除虛假回波信號(hào)[3]，對(duì)水蒸汽、霧氣和泡沫有很強(qiáng)的抑制能力，霧氣和泡沫對(duì)測(cè)量無(wú)影響。由于電磁波不通過(guò)空氣傳播，因而霧氣不會(huì)引起信號(hào)衰減；VEGAFLEX 61的電磁波穿透性極強(qiáng)，泡沫也不會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行散射而損失能量。

2）可測(cè)量多種不同介質(zhì)。測(cè)量介質(zhì)包括液體、固體、顆粒及粉料等，且不受介電常數(shù)、溫度、壓力及密度等條件變化的影響，可測(cè)量介電常數(shù)在1.4～100.0（空氣的介電常數(shù)是1.0）的幾乎所有的液體和漿體。

3）能耗低。VEGAFLEX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)輸出到導(dǎo)波探頭的信號(hào)能量非常小，約為常規(guī)雷達(dá)發(fā)射能量的10%，起到節(jié)能減排的效果。

4）穩(wěn)定性高。VEGAFLEX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)是比較成熟的一款儀表，不存在機(jī)械部件損壞問(wèn)題，在使用過(guò)程中能實(shí)現(xiàn)免維護(hù)的效果。

5）調(diào)試過(guò)程簡(jiǎn)單明了，穩(wěn)定性高，使用壽命長(zhǎng)。

3.3 VEGAFLEX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)技術(shù)要求

VEGAFLEX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)與帶喇叭口雷達(dá)液位一樣，計(jì)算測(cè)量范圍時(shí)需要減掉上部測(cè)量盲區(qū)和下部測(cè)量盲區(qū)，如圖4所示。圖4中，①代表液位計(jì)發(fā)射端的基準(zhǔn)面（過(guò)程接頭的密封面）；L代表測(cè)量探頭總長(zhǎng)度；E表示測(cè)量范圍；N1表示上部塊距離（上部測(cè)量盲區(qū)）；N2表示下部測(cè)量盲區(qū)。

圖4 FLEX61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量范圍Fig.4 FLEX61 Wave radar level meter measurement range

VEGAFLEX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)與介質(zhì)接觸的部件采用不銹鋼材質(zhì)制成，鋼纜底部重錘長(zhǎng)度為100mm，直徑為20mm。由于鋼纜采用不銹鋼材質(zhì)，在污水池中長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)不會(huì)出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，使用壽命大大提升。

鋼纜測(cè)量探頭在運(yùn)行時(shí)因污水液位的浮動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致鋼纜左右擺動(dòng)，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成誤差。因此，在鋼纜重錘下方加裝一法蘭片，重錘下方正中央有一螺絲口，可以直接與做好的法蘭連接。

根據(jù)安裝位置和污水池的深度，計(jì)算鋼纜的長(zhǎng)度，進(jìn)行剪切固定。為保證液位計(jì)在水蒸汽環(huán)境下長(zhǎng)期有效地運(yùn)行，將液位計(jì)安裝在儀表保護(hù)箱內(nèi)。

3.4 VEGAFLEX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)安裝及調(diào)試過(guò)程

3.4.1 VEGAFLEX 61雷達(dá)液位計(jì)的安裝過(guò)程

1）在拆除原E+H液位計(jì)前，在機(jī)柜間內(nèi)對(duì)儀表進(jìn)行斷電處理，將信號(hào)線正負(fù)極分別斷開(kāi)，以便后期更換完信號(hào)線后進(jìn)行絕緣測(cè)試。

2）VEGAFLEX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)安裝位置避開(kāi)污水進(jìn)口處，聚丙烯回收雨排水污水池、聚丙烯造粒污水池和聚乙烯造粒污水池液位計(jì)安裝在中間位置；聚乙烯精制雨排水污水池液位計(jì)因是露天的，所以液位計(jì)安裝在距離污水池壁400mm處，將探頭周?chē)系K物清除，固定儀表保護(hù)箱的支架選用40mm×40mm鍍鋅角鋼。

3）在導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射端上方螺紋處安裝2"、150#法蘭片，保溫箱下方開(kāi)一直徑D=50m的圓孔，先將導(dǎo)波鋼纜放在中間位置，然后將法蘭片固定在保溫箱內(nèi)，這樣鋼纜不會(huì)因接觸保溫箱壁導(dǎo)致測(cè)量偏差。

表2 VEGAFLEX61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)技術(shù)參數(shù)Table 2 VEGAFLEX61 Wave radar level meter technical parameters

4）更換儀表到接線箱之間的信號(hào)線，信號(hào)線采用1mm×2mm×1.5mm阻燃本安電纜，穿線管選用DN20鍍鋅鋼管，鍍鋅鋼管采用螺紋連接方式連接。敷設(shè)完信號(hào)線后，用搖表對(duì)信號(hào)線進(jìn)行絕緣測(cè)試，測(cè)試電壓500VDC，測(cè)試時(shí)間60s，絕緣電阻應(yīng)≥20MΩ。

5）儀表格蘭頭將信號(hào)線鎖緊，做好防水、防爆措施，信號(hào)線進(jìn)線口處采用向下彎曲的方式將多余信號(hào)線纏成直徑D=100mm的圓圈，這樣當(dāng)水蒸汽落在信號(hào)線上時(shí)，不會(huì)沿信號(hào)線進(jìn)入儀表外殼內(nèi)。

6）將信號(hào)線屏蔽電纜層固定在液位計(jì)外殼內(nèi)部的接地端子上。

7） 再次檢查信號(hào)線連接無(wú)誤、無(wú)接地現(xiàn)象后，給儀表送電，啟動(dòng)液位計(jì)。

3.4.2 VEGAFLEX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)調(diào)試過(guò)程

1）選擇儀表單位“m”，應(yīng)工藝要求，在顯示屏顯示值項(xiàng)選擇液位計(jì)顯示屏顯示單位為“%”。

2）選擇探頭總長(zhǎng)度，探頭總長(zhǎng)度既可以手動(dòng)輸入，也可以讓傳感器系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量，如聚丙烯回收精制區(qū)污水池深度為6m，污水池頂部混凝土厚度為0.2m，保溫箱高度為0.8m，則需將探頭總長(zhǎng)度截成7m。

3）確定探頭類(lèi)型，選擇纜式4mm重錘型，如圖5所示。

4）選擇介質(zhì)類(lèi)型和介質(zhì)特性，由于是測(cè)量污水池液位，所以選擇介電常數(shù)＞10的含水介質(zhì)，如圖6所示。

5）選擇液位最大設(shè)定值，即污水池液位為100%時(shí)探頭從基準(zhǔn)面（過(guò)程接頭的密封面）沿鋼纜到液面的距離，如圖7所示。

6）選擇液位最小設(shè)定值，即污水池液位為0%是探頭從基準(zhǔn)面（過(guò)程接頭的密封面）沿鋼纜到底端重錘的距離，如圖8所示。

7）輸入阻尼時(shí)間，為保證儀表趨勢(shì)圖能平滑有序，將阻尼時(shí)間調(diào)整為2s。

圖5 探頭類(lèi)型選擇纜式4mm重錘型Fig.5 Probe type select cable 4mm sledgehammer type

圖6 介質(zhì)特性選擇含水介質(zhì)，介電常數(shù)＞10的液體Fig.6 Media properties select watery medium, dielectric constant greater than 10 liquids

8）線性化調(diào)整，由于污水池是立方體結(jié)構(gòu)，污水池容量與高度成線性關(guān)系，因而選擇線性“Linear”。

9）對(duì)電流輸出方式進(jìn)行選擇，選擇4mA～20mA。

10）參數(shù)設(shè)定完成后，對(duì)回路進(jìn)行調(diào)試，取4mA、8mA、12mA、16mA、20mA 5個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行上行程和下行程調(diào)試。

11）確認(rèn)檢查儀表指示無(wú)問(wèn)題，并與DCS畫(huà)面顯示一致后，投用儀表，清理現(xiàn)場(chǎng)。

圖7 最大調(diào)整值設(shè)置Fig.7 Maximum adjustment value settings

圖8 最小調(diào)整值設(shè)置Fig.8 Minimum adjustment value settings

4 改造效果

聚烯烴裝置4個(gè)污水池在冬季寒冷季節(jié)，水蒸汽大幅度增加，污水池表面出現(xiàn)大量泡沫，導(dǎo)致液位計(jì)測(cè)量值出現(xiàn)偏差大、死值、滿量程的現(xiàn)象，改用VEGAFLEX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的觀察，再未出現(xiàn)維修狀況，如圖9所示。完全實(shí)現(xiàn)免維修目標(biāo)，使儀表維護(hù)工作效率達(dá)到了預(yù)期效果。

圖9 技改完成后，4臺(tái)液位計(jì)在冬季運(yùn)行曲線圖Fig.9 4 Level meters run curve in winter after technical reform

5 總結(jié)

VEGAFLEX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)采用不銹鋼纜繩探頭，能有效地消除污水池內(nèi)霧氣大、水蒸汽大、泡沫多等干擾因素對(duì)液位測(cè)量的影響。在有水蒸汽、霧氣、泡沫、氣泡較多的污水池和儲(chǔ)罐中使用VEGAFLEX 61導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，能夠有效地減少后期維護(hù)率，為裝置長(zhǎng)期平穩(wěn)地運(yùn)行提供更有力的保障。