導波雷達液位計在聚烯烴污水池內(nèi)的改造應(yīng)用

曲 強

（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，準確可靠地測量污水液位，實現(xiàn)自動化控制，污水池液位檢測技術(shù)在化工企業(yè)中顯得越來越重要。液位的測量方式很多，針對不同的測量原理，有靜壓式、恒浮力式、變浮力式、超聲波式、雷達式等幾種常用液位計。雷達液位計是采用電磁波技術(shù)進行測量的物位檢測儀表，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系統(tǒng)中。

某煤化工聚烯烴裝置共有4個污水池，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，會通入蒸汽進行加熱；造粒外污水池為擠壓機地排水，造粒外污水池液位過高時，會將污水導入回收精制區(qū)污水池。污水池原設(shè)計安裝的是4臺E+H雷達液位計，此雷達液位計長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)測量偏差大、死值、滿量程現(xiàn)象，經(jīng)與多個廠家技術(shù)交流，并對其他煤化工企業(yè)進行調(diào)研后，對污水池液位計進行改造，消除泡沫和蒸汽冷凝液對液位計的干擾。

1 雷達液位計原理及特點

雷達液位計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、信號處理器、顯示報警單元組成，可實現(xiàn)就地顯示和遠程傳輸信號，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、易燃易爆場所[1]。

1.1 雷達液位計的測量原理

雷達液位計采用發(fā)射—反射—接收的工作模式。雷達液位計采用高頻振蕩器作為電磁波發(fā)生器，發(fā)生器產(chǎn)生的電磁波用導波管將它引至發(fā)射天線并向下輻射。當電磁波遇到被測對象表面，如液體液面時，部分被吸收，部分被反射回來，再被天線接收。通過檢測發(fā)射波與反射波的時間，再經(jīng)過液位計內(nèi)智能處理器進行信號放大、分析處理計算，最終得出液位的高度[2]。

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

式（1）中，D——雷達液位計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)射到接收的時間間隔。

如圖1中所示，液位高度H的表達式為：

式（2）中，L——探頭總長度；D——雷達液位計探頭到液位表面的距離；H—表示實際液位高度。

1.2 雷達液位計的特點

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

圖1 雷達液位計測量原理圖Fig.1 Radar level meter measurement schematic

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

2）雷達液位計采用一體化設(shè)計，無可動部件，不接觸介質(zhì)，不存在機械磨損，使用壽命長。

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

4）測量范圍大，最大的測量范圍可達0m～100m。

5）雷達液位計使用范圍廣，從罐體形狀方面說，可以對球罐、臥罐、柱形罐、圓柱椎體罐等的液位進行測量；從被測介質(zhì)方面說，可以對液體、顆粒、漿液等的液位進行測量。

6）雷達液位計具有故障報警及自診斷功能。根據(jù)操作顯示模塊提示的錯誤代碼分析故障，及時確定故障予以排除，使維護校正更加方便、準確，保障儀表的正常運行。

2 原雷達液位計的設(shè)計

2.1 E+H FMR240雷達液位計

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

2.2 FMR240雷達液位計的缺點

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，還會通入蒸氣進行加熱，污水池內(nèi)污水溫度范圍是20℃～40℃，池內(nèi)會產(chǎn)生大量的水蒸汽，水蒸汽上升到頂端雷達液位計的喇叭口處，會凝結(jié)成大量的水珠，水珠會長時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)，導致液位測量出現(xiàn)較大的偏差，當水汽集聚過多時，液位計會出現(xiàn)滿量程現(xiàn)象，嚴重影響對污水池液位的控制。

有的污水池內(nèi)會有大量泡沫，泡沫會吸收和擴散雷達信號，因此嚴重影響回波的反射甚至沒有回波。當被測介質(zhì)表面為稠而厚的泡沫時，測量誤差較大或無法測量。

圖2 E+H FMR240雷達液位計Fig.2 E-H FMR240 Radar level meter

2.3 雷達液位計發(fā)射端喇叭口冷凝液的產(chǎn)生原因

污水池中的液態(tài)水在冰點以上溫度時，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程中，遇冷空氣會重新液化，即形成了極細小的水滴，也就是常說的霧氣。當霧氣到達雷達液位計喇叭口處時，喇叭口溫度與環(huán)境溫度相近，溫度過低時，會使霧氣繼續(xù)凝結(jié)，最終形成水珠附著在發(fā)射端喇叭口處。當水珠過多時，就形成了大量的冷凝液。

3 VEGAFLEX 61導波雷達液位計

介于FMR240雷達液位計的缺點，經(jīng)與多個廠家技術(shù)交流，并對其他煤化工企業(yè)進行調(diào)研后，對污水池液位計進行改造，最終采用VEGAFLEX 61系列帶鋼纜的導波雷達液位計，如圖3所示。

圖3 VEGAFX 61導波雷達液位計Fig.3 VEGAFX 61 Wave guide radar level meter

3.1 VEGAFLEX 61導波雷達液位計的原理

導波雷達液位計同樣是依據(jù)發(fā)射—反射—接受為基礎(chǔ)進行測量的，液位計發(fā)出的電磁波以光束的形式沿鋼纜進行傳播。當電磁波遇到被測介質(zhì)表面時，雷達液位計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)射裝置與被測介質(zhì)表面的距離與電磁波從發(fā)射到接收的傳導時間成正比，經(jīng)計算得出液位高度。

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

3.2 VEGAFLEX 61導波雷達液位計優(yōu)點

VEGAFLEX 61導波雷達液位計除了具有一般雷達液位計的優(yōu)點外，還具有如下獨特的優(yōu)點：

1）電磁波沿導波鋼纜傳播，可消除虛假回波信號[3]，對水蒸汽、霧氣和泡沫有很強的抑制能力，霧氣和泡沫對測量無影響。由于電磁波不通過空氣傳播，因而霧氣不會引起信號衰減；VEGAFLEX 61的電磁波穿透性極強，泡沫也不會對信號進行散射而損失能量。

2）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。

3）能耗低。VEGAFLEX 61導波雷達液位計輸出到導波探頭的信號能量非常小，約為常規(guī)雷達發(fā)射能量的10%，起到節(jié)能減排的效果。

4）穩(wěn)定性高。VEGAFLEX 61導波雷達液位計是比較成熟的一款儀表，不存在機械部件損壞問題，在使用過程中能實現(xiàn)免維護的效果。

5）調(diào)試過程簡單明了，穩(wěn)定性高，使用壽命長。

3.3 VEGAFLEX 61導波雷達液位計技術(shù)要求

VEGAFLEX 61導波雷達液位計與帶喇叭口雷達液位一樣，計算測量范圍時需要減掉上部測量盲區(qū)和下部測量盲區(qū)，如圖4所示。圖4中，①代表液位計發(fā)射端的基準面（過程接頭的密封面）；L代表測量探頭總長度；E表示測量范圍；N1表示上部塊距離（上部測量盲區(qū)）；N2表示下部測量盲區(qū)。

圖4 FLEX61導波雷達液位計測量范圍Fig.4 FLEX61 Wave radar level meter measurement range

VEGAFLEX 61導波雷達液位計與介質(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)，在污水池中長期監(jiān)測不會出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，使用壽命大大提升。

鋼纜測量探頭在運行時因污水液位的浮動，會導致鋼纜左右擺動，對測量結(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，計算鋼纜的長度，進行剪切固定。為保證液位計在水蒸汽環(huán)境下長期有效地運行，將液位計安裝在儀表保護箱內(nèi)。

3.4 VEGAFLEX 61導波雷達液位計安裝及調(diào)試過程

3.4.1 VEGAFLEX 61雷達液位計的安裝過程

1）在拆除原E+H液位計前，在機柜間內(nèi)對儀表進行斷電處理，將信號線正負極分別斷開，以便后期更換完信號線后進行絕緣測試。

2）VEGAFLEX 61導波雷達液位計安裝位置避開污水進口處，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安裝在中間位置；聚乙烯精制雨排水污水池液位計因是露天的，所以液位計安裝在距離污水池壁400mm處，將探頭周圍障礙物清除，固定儀表保護箱的支架選用40mm×40mm鍍鋅角鋼。

3）在導波雷達液位計發(fā)射端上方螺紋處安裝2"、150#法蘭片，保溫箱下方開一直徑D=50m的圓孔，先將導波鋼纜放在中間位置，然后將法蘭片固定在保溫箱內(nèi)，這樣鋼纜不會因接觸保溫箱壁導致測量偏差。

表2 VEGAFLEX61導波雷達液位計技術(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線，信號線采用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)完信號線后，用搖表對信號線進行絕緣測試，測試電壓500VDC，測試時間60s，絕緣電阻應(yīng)≥20MΩ。

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

6）將信號線屏蔽電纜層固定在液位計外殼內(nèi)部的接地端子上。

7） 再次檢查信號線連接無誤、無接地現(xiàn)象后，給儀表送電，啟動液位計。

3.4.2 VEGAFLEX 61導波雷達液位計調(diào)試過程

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

2）選擇探頭總長度，探頭總長度既可以手動輸入，也可以讓傳感器系統(tǒng)自動測量，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，則需將探頭總長度截成7m。

3）確定探頭類型，選擇纜式4mm重錘型，如圖5所示。

4）選擇介質(zhì)類型和介質(zhì)特性，由于是測量污水池液位，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%時探頭從基準面（過程接頭的密封面）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%是探頭從基準面（過程接頭的密封面）沿鋼纜到底端重錘的距離，如圖8所示。

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

圖5 探頭類型選擇纜式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）對電流輸出方式進行選擇，選擇4mA～20mA。

10）參數(shù)設(shè)定完成后，對回路進行調(diào)試，取4mA、8mA、12mA、16mA、20mA 5個點分別進行上行程和下行程調(diào)試。

11）確認檢查儀表指示無問題，并與DCS畫面顯示一致后，投用儀表，清理現(xiàn)場。

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，導致液位計測量值出現(xiàn)偏差大、死值、滿量程的現(xiàn)象，改用VEGAFLEX 61導波雷達液位計后，經(jīng)過長期的觀察，再未出現(xiàn)維修狀況，如圖9所示。完全實現(xiàn)免維修目標，使儀表維護工作效率達到了預(yù)期效果。

圖9 技改完成后，4臺液位計在冬季運行曲線圖Fig.9 4 Level meters run curve in winter after technical reform

5 總結(jié)

VEGAFLEX 61導波雷達液位計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液位測量的影響。在有水蒸汽、霧氣、泡沫、氣泡較多的污水池和儲罐中使用VEGAFLEX 61導波雷達液位計，能夠有效地減少后期維護率，為裝置長期平穩(wěn)地運行提供更有力的保障。