導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在燒堿蒸發(fā)工序的應(yīng)用

李春莉

(四川省化工設(shè)計(jì)院，成都 610015)

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在燒堿蒸發(fā)工序的應(yīng)用

李春莉

(四川省化工設(shè)計(jì)院，成都 610015)

采用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測量燒堿蒸發(fā)罐液位，闡述了導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測量原理和優(yōu)點(diǎn)。通過在蒸發(fā)工序的實(shí)際應(yīng)用，證明導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在燒堿蒸發(fā)工序應(yīng)用中的可行性和可靠性。

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì) 燒堿蒸發(fā)工序 液位測量

隨著化工物位檢測技術(shù)的飛速發(fā)展，物位檢測的自動(dòng)化程度日益提升，可選擇的物位檢測儀表類型頗多，其中，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)具有非常強(qiáng)的抗干擾能力，特別適用于測量液位波動(dòng)大的工況。

蒸發(fā)工序是氯堿制堿的一個(gè)重要工序，該工序中各個(gè)蒸發(fā)罐液位的準(zhǔn)確測量是實(shí)現(xiàn)燒堿蒸發(fā)工序自動(dòng)出堿的關(guān)鍵所在。該工序中的堿液具有高溫、高濃度、強(qiáng)腐蝕性和易結(jié)晶的特點(diǎn)，在蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)罐內(nèi)易形成固、液、氣三相共存的情況，并且堿液長期處于沸騰狀態(tài)，極易形成虛假液位，給物位儀表的準(zhǔn)確檢測帶來了極大的困難。

某公司年產(chǎn)15萬t燒堿裝置蒸發(fā)工序蒸發(fā)罐的液位測量，最初采用的是雙法蘭差壓式液位變送器，但由于堿液腐蝕性較強(qiáng)、溫度高，長期以來液位不能正常測量，不但不能滿足生產(chǎn)需要，而且增加了操作工、儀表工的工作量。而后又試用了多種物位檢測儀表，效果皆不盡人意。于是該公司引進(jìn)了E+H FMP40型導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，經(jīng)過多次試驗(yàn)和長期使用，取得了非常好的使用效果，實(shí)現(xiàn)了燒堿蒸發(fā)工序出堿的自動(dòng)控制。

1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測量原理和優(yōu)點(diǎn)

1.1 測量原理

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)是基于時(shí)間行程原理的“俯視式”測量儀表，其測量原理如圖1所示。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在測量從參考點(diǎn)(儀表過程連接處)到被測物料表面的距離時(shí)，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高頻脈沖，高頻脈沖注入探頭并沿著導(dǎo)波體向下傳輸，導(dǎo)波體可以是金屬硬桿或柔性金屬纜繩。當(dāng)脈沖遇到物料表面時(shí)被反射，反射脈沖信號沿導(dǎo)波體傳遞至接收器，并最終送入微處理器中將距離信號轉(zhuǎn)換為物位信號。

圖1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測量原理

設(shè)c為光速，參考點(diǎn)到被測物料表面的距離D與脈沖發(fā)出到接收所用時(shí)間t成正比：

D=c·t/2

根據(jù)已知空罐高度E，則液位L的計(jì)算式如下：

L=E-D

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)主要由發(fā)射和接收裝置、導(dǎo)波探頭、信號處理器、操作面板、顯示表頭及故障報(bào)警等部分構(gòu)成。導(dǎo)波探頭是導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的重要組成部分，在液位計(jì)選型時(shí)，根據(jù)工況的不同選擇適宜的導(dǎo)波探頭，才能測得準(zhǔn)確的液位。導(dǎo)波探頭分為桿式、纜式和同軸桿式三大類，不同類型的導(dǎo)波探頭有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。桿式適宜測量存在起泡、沸騰表面或形成湍流的介質(zhì)，對蒸汽和泡沫有很強(qiáng)的抑制力，但不宜應(yīng)用于太大量程的測量，原因是桿式太長不易運(yùn)輸和安裝；纜式適用于大量程的測量，不受量程范圍的限制，而且適宜測量粘稠性液體或固體粉末介質(zhì)；同軸桿式適宜測量液化氣和介電常數(shù)低的液體。

1.2導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

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)：

a. 可測量多種不同介質(zhì)。測量介質(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[1]。

b. 信號穩(wěn)定、準(zhǔn)確。信號在導(dǎo)波探頭中的傳輸不受液面波動(dòng)和儲(chǔ)罐中障礙物的影響，液位計(jì)所接收到的返回信號較強(qiáng)，并且導(dǎo)波雷達(dá)可根據(jù)底部回波信號將測量值加以修正，使信號更為穩(wěn)定準(zhǔn)確。

c. 特別適合測量含有蒸汽、霧氣和泡沫的介質(zhì)。霧氣和泡沫對測量無影響，由于電磁波不通過空間傳播，因而霧氣不會(huì)引起信號衰減，泡沫也不會(huì)對信號進(jìn)行散射而損失能量[2]。

d. 能耗低。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)輸出到導(dǎo)波探頭的信號能量非常小，約為常規(guī)雷達(dá)發(fā)射能量(1mW)的10%(約0.1mW)，因此采用的是回路供電而不是單獨(dú)的交流供電，從而極大地節(jié)省了安裝費(fèi)用[2]。

2 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)與其他液位儀表應(yīng)用的比較

液位儀表種類繁多，在不同的工況，各類液位儀表各具優(yōu)勢。但是蒸發(fā)工序的工況比較復(fù)雜，堿液具有高溫、高濃度、強(qiáng)腐蝕性且易結(jié)晶的特點(diǎn)，導(dǎo)致儀表故障率高、維護(hù)量大、使用周期短、在線檢修困難。在此種工況下，以往采用的液位儀表類型有：電極式液位開關(guān)、雙法蘭差壓式液位變送器及電容式物位計(jì)等。電極式液位開關(guān)為非連續(xù)性液位測量儀表，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測罐內(nèi)液位變化的情況，并且電極表面容易結(jié)鹽，往往測得虛假液位，導(dǎo)致開關(guān)閥誤動(dòng)作，非常不利于生產(chǎn)操作；雙法蘭差壓式液位變送器的隔膜片周圍易結(jié)晶、結(jié)鹽，致使測量信號嚴(yán)重滯后，不準(zhǔn)確；電容式物位計(jì)的電極易被堿液腐蝕，導(dǎo)致電極破裂致使測量信號不準(zhǔn)確。為解決此類問題，將導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用于該工序，經(jīng)過長期實(shí)際使用，取得了非常好的測量效果，極大地提高了生產(chǎn)效率。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)是能同時(shí)滿足高溫、強(qiáng)腐蝕及結(jié)晶等條件的檢測儀表。表1為4種液位儀表使用情況的比較。

表1 4種液位儀表使用情況比較

3 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在蒸發(fā)工序的應(yīng)用

3.1燒堿蒸發(fā)工序流程簡介

氯堿工業(yè)是利用電解飽和鹽水制取燒堿(氫氧化鈉)和氯氣并副產(chǎn)氫氣的生產(chǎn)過程，其主要工序包括鹽水精制、電解、蒸發(fā)及產(chǎn)品的精制等。經(jīng)電解產(chǎn)生的堿液，含有一定量的NaCl和大量的水，需要經(jīng)過蒸發(fā)濃縮并除去NaCl，才可以制得質(zhì)量符合商品堿要求的產(chǎn)品[3]。

我國燒堿蒸發(fā)工序的主流工藝是三效順流，如圖2所示。三效順流是將3個(gè)蒸發(fā)器串聯(lián)運(yùn)行的蒸發(fā)操作流程，堿液和蒸汽的流向相同，即都由第一效順序流至末效。生蒸汽送入第一效加熱室，蒸發(fā)出的二次蒸汽進(jìn)入第二效的加熱室作為加熱蒸汽，第二效的二次蒸汽又進(jìn)入第三效的加熱室作為加熱蒸汽，第三效的二次蒸汽則送至冷凝器全部冷凝。電解液進(jìn)入第一效，濃縮后依次送入后面各效連續(xù)不斷地被濃縮，直至濃縮到要求的濃度[4]。

圖2 三效順流蒸發(fā)流程示意圖

3.2導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在蒸發(fā)罐上的應(yīng)用

3.2.1導(dǎo)波探頭的選擇

蒸發(fā)三效順流工藝中，各效蒸發(fā)罐的工況見表2。

表2 各效蒸發(fā)罐工況

由于蒸發(fā)罐液位測量距離為2m，測量距離較短，因此導(dǎo)波探頭宜選擇桿式。從表2可以看出，蒸發(fā)罐內(nèi)工況的特點(diǎn)是：Ⅰ效至Ⅲ效的溫度、壓力依次遞減，堿液濃度依次遞增。堿液在高溫下對許多金屬會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，且濃度越高腐蝕性越強(qiáng)，當(dāng)濃度高于30%，溫度高于80℃時(shí)，對金屬的腐蝕迅速增加，溫度越高腐蝕越嚴(yán)重[5]。因此導(dǎo)波探頭的材料不能僅選用常規(guī)耐腐蝕的金屬材料，如304不銹鋼。

聚四氟乙烯對一切濃度的堿液都有良好的耐腐蝕性，溫度可達(dá)190℃，并且聚四氟乙烯又耐磨損[5]，可以抵御堿液在沸騰時(shí)對導(dǎo)波探頭的沖刷。因此導(dǎo)波桿的材料選用304不銹鋼外襯聚四氟乙烯，既耐腐蝕又耐磨損，滿足工況測量需要，提高了液位計(jì)的使用周期。導(dǎo)波桿易于拆卸，更換簡單，一旦導(dǎo)波桿受損，只需更換導(dǎo)波桿，無需更換整臺(tái)儀表，從而極大地降低了儀表維修費(fèi)用。

3.2.2導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的安裝

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的安裝形式有兩種：

a. 頂部直接安裝。直接安裝在罐直徑的1/6～1/4之間的罐頂，探頭與罐壁之間的距離至少100mm，安裝方式有螺紋和法蘭兩種可以選擇，一般插入到設(shè)備內(nèi)部的導(dǎo)波桿長度，就是設(shè)計(jì)要求的測量范圍。

b. 旁通管式安裝。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)安裝在旁通管上端，旁通管再與容器連接，一般旁通管上下側(cè)接口的中心距離就是設(shè)計(jì)要求的測量范圍。導(dǎo)波管內(nèi)壁要求光滑，旁通管管徑40～100mm。由于蒸發(fā)罐是錐形罐，且堿液沸騰，為了避免測量干擾，選擇旁通管式安裝，旁通管可以聚集反射波使反射信號更強(qiáng)并防止液面波動(dòng)，因此旁通管式安裝測量效果更佳。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的旁通管式安裝如圖3所示。

圖3 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的旁通管式安裝示意圖

3.2.3導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在蒸發(fā)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

在蒸發(fā)工藝中需要監(jiān)控的主要參數(shù)是各進(jìn)出口堿液溫度、液位和流量[3]。蒸發(fā)過程的自動(dòng)控制是將現(xiàn)場檢測的液位、溫度及壓力等信號送入DCS，然后由DCS中的程序控制系統(tǒng)根據(jù)檢測信號自動(dòng)控制閥門的開閉，完成堿液進(jìn)料、過料、出料和自動(dòng)出堿的過程。現(xiàn)以蒸發(fā)Ⅲ效為例說明通過對液位的自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出堿的過程，Ⅲ效過程控制流程如圖4所示。

蒸發(fā)過程的自動(dòng)控制步驟如下：

a. 當(dāng)Ⅲ效堿液濃度達(dá)到設(shè)定的出堿濃度值，并且Ⅲ效液位高于設(shè)定低限值時(shí)，打開Ⅲ效出堿閥LV-1003C，成品堿液流向下一道冷卻工序進(jìn)行冷卻；同時(shí)關(guān)閉Ⅲ效循環(huán)閥LV-1003B防止堿液回流；同時(shí)關(guān)閉Ⅱ效向Ⅲ效過料閥LV-1003A，以避免Ⅲ效同時(shí)進(jìn)料和出料。

b. 當(dāng)Ⅲ效堿液濃度達(dá)到設(shè)定的出堿濃度值，并且Ⅲ效液位低于設(shè)定低限值時(shí)，Ⅱ效必須強(qiáng)制向Ⅲ效過料，打開Ⅱ效過料閥LV-1003A，防止Ⅲ效因無料發(fā)生干燒的情況。

c. 在出堿過程中，當(dāng)Ⅲ效液位低于設(shè)定低限值時(shí)，停止出堿，即關(guān)閉Ⅲ效出堿閥LV-1003C，同時(shí)打開Ⅲ效循環(huán)閥LV-1003B，再次進(jìn)料、蒸發(fā)、濃縮堿液。

由以上自動(dòng)控制步驟可見，測得準(zhǔn)確的液位值是整個(gè)工序能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的關(guān)鍵所在。

4 結(jié)束語

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在許多復(fù)雜的工況下都能使用，其綜合性能優(yōu)于其他常規(guī)液位儀表。蒸發(fā)工序操作工最初采用觀看旁通視鏡的原始方法獲得蒸發(fā)罐的液位高度，在惡劣的現(xiàn)場條件下，給操作工帶來許多不安全的因素，而其他液位儀表的使用又不盡人意。在采用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)后，經(jīng)過多年的使用，證實(shí)該類液位儀表不但測量準(zhǔn)確而且運(yùn)行穩(wěn)定，既減輕了操作工的工作量和儀表工的維護(hù)量，又滿足了蒸發(fā)工序過程自動(dòng)控制的要求，從而極大地提高了生產(chǎn)技術(shù)水平。

[1] 盛蔚,張宏斌.尿素碳銨液貯槽液位計(jì)改造及應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2004,41(5):597～598.

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ApplicationofGuidedWaveRadarLevelMeterinNaOHEvaporationProcess

LI Chun-li

(SichuanChemicalEngineeringDesignInstitute,Chengdu610015,China)

Making use of the guided wave radar level meter to measure the level in NaOH vaporizing tank was implemented; and this radar level meter’s principle and advantages were expounded. Its application in the NaOH evaporation process proves the radar level meter’s feasibility and reliability.

guided wave radar level meter, NaOH evaporation process, level measurement

TH816

B

1000-3932(2016)05-0474-04

2016-03-14(修改稿)