導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在汽包液位測(cè)量中的應(yīng)用

覃玉姣

(東華工程科技股份有限公司，合肥230000)

蒸汽汽包是石油化工、發(fā)電等工業(yè)過(guò)程中的重要設(shè)備，保持液位穩(wěn)定是保證汽包安全運(yùn)行的重要條件。帶氣相自動(dòng)補(bǔ)償GPC(Gas Phase Compensation)的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)克服了差壓式液位計(jì)、浮筒液位計(jì)、電接點(diǎn)液位計(jì)的缺點(diǎn)，維護(hù)量小，測(cè)量準(zhǔn)確可靠。

1 汽包液位測(cè)量的現(xiàn)狀

目前，從汽包液位測(cè)量的基本原理來(lái)看，廣泛應(yīng)用的主要是基于連通管式(靜壓)和差壓式兩種原理[1]。汽包液位測(cè)量的儀表主要有差壓式汽包液位計(jì)、浮筒液位計(jì)和導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)等儀表[2]。

1) 差壓式汽包液位計(jì)。差壓式汽包液位計(jì)測(cè)量原理是通過(guò)把液位高度的變化轉(zhuǎn)換成差壓的變化來(lái)測(cè)量液位，這種轉(zhuǎn)換是通過(guò)平衡容器形成參比水柱實(shí)現(xiàn)的，其準(zhǔn)確測(cè)量液位的關(guān)鍵是液位與差壓之間的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換。差壓式汽包液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是精度和穩(wěn)定性高、運(yùn)行中故障率低、維護(hù)量小，但這種測(cè)量方式的誤差與汽包壓力和參比水柱溫度有關(guān)，需要進(jìn)行汽包壓力校正，且補(bǔ)償計(jì)算復(fù)雜，此外還應(yīng)考慮平衡容器溫度變化造成的影響[3]。

2) 浮筒液位計(jì)。浮筒液位計(jì)是基于浮力原理工作的[4]。當(dāng)液位在0位時(shí)，扭力管受到浮筒重力產(chǎn)生的扭力矩最大，扭力管轉(zhuǎn)角處于0°。當(dāng)液位逐漸上升至最高時(shí)，扭力管受到浮力產(chǎn)生扭力矩，轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，變送器將該角度轉(zhuǎn)換成4～20mA直流信號(hào)，該信號(hào)正比于被測(cè)量液位。這種測(cè)量方式介質(zhì)的密度變化會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成影響，受到機(jī)械振動(dòng)也會(huì)造成讀數(shù)不準(zhǔn)確[5]。

3) 電接點(diǎn)液位計(jì)。電接點(diǎn)液位計(jì)屬于連通管式液位計(jì)[6-7]，原理是利用在鍋爐水中的電極對(duì)筒體阻抗小而在蒸汽中的電極對(duì)筒體的阻抗大的特性來(lái)測(cè)量液位。高壓鍋爐的鍋爐水電導(dǎo)率一般要比飽和蒸汽的電導(dǎo)率大數(shù)萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)倍，因而電接點(diǎn)液位計(jì)指示值受汽包壓力變化的影響較小，能方便地遠(yuǎn)傳液位信號(hào)，但是有取樣傳感器可靠性較差、電機(jī)機(jī)械密封易泄漏、電極使用壽命短、指示不連續(xù)、有一定的維修量的缺點(diǎn)。

綜上所述，由于汽包液位測(cè)量對(duì)象的復(fù)雜性，實(shí)際運(yùn)行中的不確定因素和較大的測(cè)量誤差，導(dǎo)致汽包液位計(jì)的測(cè)量常有較大的偏差。導(dǎo)波雷達(dá)液位測(cè)量是一種全新的測(cè)量技術(shù)，克服了差壓式、浮筒式、電接點(diǎn)等液位測(cè)量?jī)x表的缺點(diǎn)，是一種全新的液位測(cè)量設(shè)備。

2 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理及其特點(diǎn)

2.1 測(cè)量原理

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)是依據(jù)時(shí)域反射原理(TDR)為基礎(chǔ)的雷達(dá)液位計(jì)[8-9]，電磁脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播，當(dāng)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同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置，發(fā)射裝置與被測(cè)介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時(shí)間成正比，經(jīng)計(jì)算得出液位高度。

2.2 特 點(diǎn)

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是接觸式測(cè)量，信號(hào)穩(wěn)定，測(cè)量不受液體密度和電氣特性的影響，無(wú)維護(hù)量等。但是，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在測(cè)量高溫高壓液體時(shí)，由于空氣的極化，測(cè)量值會(huì)產(chǎn)生很大偏差，且測(cè)量參考點(diǎn)(法蘭)與測(cè)量介質(zhì)表面的距離越大，由此產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差越大。

1) 測(cè)量精確。介質(zhì)的密度和介電常數(shù)變化以及霧和泡沫對(duì)測(cè)量均無(wú)影響，同時(shí)介質(zhì)在導(dǎo)波體上的沉積和污垢對(duì)液位測(cè)量的影響極小，這是由于信號(hào)在波導(dǎo)體中傳輸不受液面波動(dòng)和儲(chǔ)罐中的障礙物等的影響，儀表所接受到的反饋信號(hào)相應(yīng)較強(qiáng)，而且返回信號(hào)中檢出的干擾雜散信號(hào)極小，只需檢測(cè)電磁波的傳輸時(shí)間即可，無(wú)需信號(hào)的處理和辨別，因此對(duì)汽包液位測(cè)量精確。

2) 測(cè)量與調(diào)校方便。由于電磁波是恒定的，編程組態(tài)時(shí)，只需現(xiàn)場(chǎng)輸入量程等有關(guān)參數(shù)，不需要任何遷移來(lái)改變儀表量程和現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，大幅提高了調(diào)校儀表的效率。

3) 安裝成本低且維護(hù)方便。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)耗能小，采用兩線制傳輸方式大幅節(jié)約了安裝成本，同時(shí)探頭與變送器之間的快速萬(wàn)向接頭使安裝更為簡(jiǎn)便，更利于以后的檢修維護(hù)。

3 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)選型及安裝方式和安裝要求

3.1 選 型

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)是靠探頭發(fā)射電磁波，因此探頭的選擇是導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)選型的重要部分，其對(duì)液位計(jì)的基本性能也有重要的影響。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的探頭有桿式、同軸式以及纜繩式三種類型。通常選用桿式探頭或同軸式探頭。當(dāng)測(cè)量范圍較大(一般量程大于2m)時(shí)，由于運(yùn)輸和安裝不便，建議采用纜式探頭。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)可安裝在導(dǎo)波管或者旁通管中，但導(dǎo)波管制造過(guò)程中內(nèi)部的焊疤、毛刺等干擾會(huì)引起測(cè)量波動(dòng)和誤差，而使用同軸式探頭則不受安裝條件限制，可測(cè)大多數(shù)液化氣體，可用在低介電常數(shù)(εr>1.4)場(chǎng)合。

3.2 安裝方式及安裝要求

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的安裝，必須綜合考慮安裝要求、容器特性和過(guò)程連接等因素[10]。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的安裝方式應(yīng)用較多的主要有兩種： 頂置安裝和側(cè)式安裝，安裝方式如圖1所示。

圖1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量裝置安裝方式示意

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)兩種安裝方式安裝時(shí)應(yīng)注意[11]： 安裝時(shí)要保證導(dǎo)波雷達(dá)與罐壁需有適當(dāng)?shù)木嚯x；避免儀表探頭下方有明顯的障礙物，阻礙探測(cè)波順利到達(dá)被測(cè)介質(zhì)表面；不要將導(dǎo)波桿安裝在進(jìn)料口附近，以免探頭照射范圍內(nèi)出現(xiàn)料流；探頭與設(shè)備底部要有一定距離。

4 FMP54導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的應(yīng)用

某裝置汽包液位的測(cè)量選用了E+H公司推出的新型FMP54導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，該液位計(jì)通過(guò)了高溫水(HW)和低溫水(LW)容器的限制設(shè)備認(rèn)證，符合EN12952-11和EN12953-9(TüV 認(rèn)證)標(biāo)準(zhǔn)。該液位計(jì)在普通的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)基礎(chǔ)上采用GPC功能技術(shù)，提高了導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在高溫高壓環(huán)境中的精度和可靠性。

4.1 GPC技術(shù)

在高溫高壓條件下，電磁波信號(hào)在介質(zhì)上方的蒸汽中(極化介質(zhì))的傳播速度會(huì)降低，此時(shí)雷達(dá)測(cè)得的液位值將減小。選用帶氣相自動(dòng)補(bǔ)償?shù)膶?dǎo)波雷達(dá)，導(dǎo)波雷達(dá)在與法蘭間(測(cè)量參考點(diǎn))的距離范圍內(nèi)產(chǎn)生參考反射，沿桿式探頭變化。在常溫常壓下，電磁波在補(bǔ)償參考端以及液位反射面有兩個(gè)反射回波，此時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確，此時(shí)進(jìn)行參考距離(測(cè)量參考點(diǎn)至參考桿的距離)標(biāo)定。高壓狀態(tài)時(shí)，由于氣體的極化效應(yīng)，此時(shí)實(shí)測(cè)距離(測(cè)量參考點(diǎn)至液面的距離)與液位實(shí)際值有了較大偏差。如果不做補(bǔ)償，那么測(cè)量值會(huì)有較大誤差。通過(guò)轉(zhuǎn)換參考反射，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)算公式為： 補(bǔ)償距離=參考距離×(實(shí)測(cè)距離/實(shí)測(cè)距離)，可以得到一個(gè)準(zhǔn)確的實(shí)際液位值。

4.2 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

FMP54導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

圖2 FMP54結(jié)構(gòu)示意

1) 陶瓷及石墨密封材料在高溫高壓環(huán)境下不會(huì)發(fā)生脆化(與玻璃不同)。

2) 陶瓷填充材料使得導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)長(zhǎng)期在高溫高壓環(huán)境下依然具有良好的絕緣效果。

3) 第二道防護(hù)玻璃氣密饋通，可耐受70MPa壓力，保證在第一道密封因外力損壞后，高溫高壓或有毒氣體不會(huì)泄漏到環(huán)境中。

4) 全焊接結(jié)構(gòu)，保證高溫環(huán)境下耐壓的可靠性。

5) 氦氣檢測(cè)保證密封的可靠性。

6) Al2O3和Kalrez密封圈確保氣密饋通的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

4.3 應(yīng) 用

該鍋爐裝置汽包是產(chǎn)汽系統(tǒng)的主要部分，利用轉(zhuǎn)化爐煙氣段的高溫?zé)崃亢蜖t出口轉(zhuǎn)化氣高溫余熱，產(chǎn)出10.5MPa 高壓蒸汽，一部分作為工藝上的配汽參與反應(yīng)，另一部分外送至高壓蒸汽管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)熱能的綜合利用，提高裝置的運(yùn)行效率。由于傳統(tǒng)測(cè)量不能很好地滿足測(cè)量要求，有必要選用其他產(chǎn)品進(jìn)行替代。由于汽包對(duì)于鍋爐裝置的重要性，測(cè)量汽包液位共設(shè)計(jì)使用了三種測(cè)量?jī)x表： FMP54導(dǎo)波雷達(dá)料位計(jì)、普通導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)、差壓式液位計(jì)。由圖3可知，通過(guò)實(shí)例測(cè)量，在高溫時(shí)，普通導(dǎo)波雷達(dá)(不帶GPC)測(cè)量誤差高達(dá)18%，帶GPC時(shí)，測(cè)量誤差僅2%，帶GPC導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在高溫下測(cè)量數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定、真實(shí)。所以，帶GPC的導(dǎo)波雷達(dá)技術(shù)與先進(jìn)信號(hào)處理技術(shù)的完美組合，使得帶GPC導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)成為蒸汽和湍流沸騰工況下液位測(cè)量的理想解決方案。

圖3 三種儀表測(cè)量數(shù)據(jù)比較示意

5 結(jié)束語(yǔ)

帶GPC導(dǎo)波雷達(dá)液位測(cè)量?jī)x表在許多復(fù)雜環(huán)境中使用時(shí)，各項(xiàng)性能優(yōu)于其他類型的液位測(cè)量?jī)x表，且不受工藝條件的限制，具有維護(hù)量小、調(diào)校方便、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。

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