导波雷达液位计在聚烯烃污水池内的改造应用

2020-05-04曲强

仪器仪表用户 2020年5期

曲强

（北京燕化正邦设备检修有限公司，北京 102500）

0 引言

在现代石油化工和煤化工生产过程中，污水排放和治理成为环保体系的重要环节，为了降低污水排放量，减少企业成本，准确可靠地测量污水液位，实现自动化控制，污水池液位检测技术在化工企业中显得越来越重要。液位的测量方式很多，针对不同的测量原理，有静压式、恒浮力式、变浮力式、超声波式、雷达式等几种常用液位计。雷达液位计是采用电磁波技术进行测量的物位检测仪表，它作为一种非接触式的物位仪表，广泛应用于化工行业中，尤其是污水液位检测系统中。

某煤化工聚烯烃装置共有4个污水池，分别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，污水池深度均为6m，污水温度为20℃～40℃。精制区污水池主要为雨排水，在冬季为防止污水结冰，会通入蒸汽进行加热；造粒外污水池为挤压机地排水，造粒外污水池液位过高时，会将污水导入回收精制区污水池。污水池原设计安装的是4台E+H雷达液位计，此雷达液位计长期在污水池液位表面有泡沫、蒸汽、雾气大的环境下使用，频繁出现测量偏差大、死值、满量程现象，经与多个厂家技术交流，并对其他煤化工企业进行调研后，对污水池液位计进行改造，消除泡沫和蒸汽冷凝液对液位计的干扰。

1 雷达液位计原理及特点

雷达液位计是一种一体化型仪表，其结构由脉冲发射/接收器、天线、信号处理器、显示报警单元组成，可实现就地显示和远程传输信号，精确度高，广泛应用于石油化工、煤化工、水泥等行业中生产工况条件恶劣、环境条件较差、易燃易爆场所[1]。

1.1 雷达液位计的测量原理

雷达液位计采用发射—反射—接收的工作模式。雷达液位计采用高频振荡器作为电磁波发生器，发生器产生的电磁波用导波管将它引至发射天线并向下辐射。当电磁波遇到被测对象表面，如液体液面时，部分被吸收，部分被反射回来，再被天线接收。通过检测发射波与反射波的时间，再经过液位计内智能处理器进行信号放大、分析处理计算，最终得出液位的高度[2]。

电磁波从发射到接收的时间与发射端到液面的高度成正比，关系式如下：

式（1）中，D——雷达液位计探头到液位表面的距离；C——电磁波传播速度300000km/s；ΔT——电磁波从发射到接收的时间间隔。

如图1中所示，液位高度H的表达式为：

式（2）中，L——探头总长度；D——雷达液位计探头到液位表面的距离；H—表示实际液位高度。

1.2 雷达液位计的特点

雷达液位计最大的特点是在恶劣条件下功效显著。无论是有毒介质，还是腐蚀性介质，也无论是固体、液体还是粉尘性、浆状介质，它都可以进行测量。在测量方面，具有以下特点：

图1 雷达液位计测量原理图Fig.1 Radar level meter measurement schematic

1）雷达液位计的电磁波具有良好的定向辐射性，在传输过程中受火焰、灰尘、烟雾及强光的影响极小，可以用来连续测量腐蚀性液体、高粘度液体和有毒液体的液面[1]。

2）雷达液位计采用一体化设计，无可动部件，不接触介质，不存在机械磨损，使用寿命长。

3）测量准确度不受被测介质的温度、压力的影响，可用于高温、高压的液位测量，在易燃、易爆等恶劣的工况下仍能应用。

4）测量范围大，最大的测量范围可达0m～100m。

5）雷达液位计使用范围广，从罐体形状方面说，可以对球罐、卧罐、柱形罐、圆柱椎体罐等的液位进行测量；从被测介质方面说，可以对液体、颗粒、浆液等的液位进行测量。

6）雷达液位计具有故障报警及自诊断功能。根据操作显示模块提示的错误代码分析故障，及时确定故障予以排除，使维护校正更加方便、准确，保障仪表的正常运行。

2 原雷达液位计的设计

2.1 E+H FMR240雷达液位计

某煤化工聚烯烃装置污水池液位计原设计为FMR240雷达液位计，此型号液位计不受温度、介质密度的影响，主要用于连续测量液体及固体粉料、粒料及液体料位的智能物位仪表，适用于防爆危险区域。

2.2 FMR240雷达液位计的缺点

污水池从顶部到底部的高度均为6m，在春秋冬季，为防止污水结冰，还会通入蒸气进行加热，污水池内污水温度范围是20℃～40℃，池内会产生大量的水蒸汽，水蒸汽上升到顶端雷达液位计的喇叭口处，会凝结成大量的水珠，水珠会长时间存留在喇叭口顶端的辐射天线处和喇叭口内壁上。水珠会使发射端发出的电磁波产生大面积的折射，电磁波未按直线方向辐射至污水池内，导致液位测量出现较大的偏差，当水汽集聚过多时，液位计会出现满量程现象，严重影响对污水池液位的控制。

有的污水池内会有大量泡沫，泡沫会吸收和扩散雷达信号，因此严重影响回波的反射甚至没有回波。当被测介质表面为稠而厚的泡沫时，测量误差较大或无法测量。

图2 E+H FMR240雷达液位计Fig.2 E-H FMR240 Radar level meter

2.3 雷达液位计发射端喇叭口冷凝液的产生原因

污水池中的液态水在冰点以上温度时，不停息地蒸发成水蒸汽。在寒冷的冬季，环境温度低于污水的温度，气化后的水蒸汽在上升过程中，遇冷空气会重新液化，即形成了极细小的水滴，也就是常说的雾气。当雾气到达雷达液位计喇叭口处时，喇叭口温度与环境温度相近，温度过低时，会使雾气继续凝结，最终形成水珠附着在发射端喇叭口处。当水珠过多时，就形成了大量的冷凝液。

3 VEGAFLEX 61导波雷达液位计

介于FMR240雷达液位计的缺点，经与多个厂家技术交流，并对其他煤化工企业进行调研后，对污水池液位计进行改造，最终采用VEGAFLEX 61系列带钢缆的导波雷达液位计，如图3所示。

图3 VEGAFX 61导波雷达液位计Fig.3 VEGAFX 61 Wave guide radar level meter

3.1 VEGAFLEX 61导波雷达液位计的原理

导波雷达液位计同样是依据发射—反射—接受为基础进行测量的，液位计发出的电磁波以光束的形式沿钢缆进行传播。当电磁波遇到被测介质表面时，雷达液位计的部分脉冲被反射形成回波并沿相钢缆返回至脉冲发射装置，介质的介电常数越高，反射越显著[3]。发射装置与被测介质表面的距离与电磁波从发射到接收的传导时间成正比，经计算得出液位高度。

表1 FMR240雷达液位计技术参数表Table 1 FMR240 Radar level meter technical parameters table

3.2 VEGAFLEX 61导波雷达液位计优点

VEGAFLEX 61导波雷达液位计除了具有一般雷达液位计的优点外，还具有如下独特的优点：

1）电磁波沿导波钢缆传播，可消除虚假回波信号[3]，对水蒸汽、雾气和泡沫有很强的抑制能力，雾气和泡沫对测量无影响。由于电磁波不通过空气传播，因而雾气不会引起信号衰减；VEGAFLEX 61的电磁波穿透性极强，泡沫也不会对信号进行散射而损失能量。

2）可测量多种不同介质。测量介质包括液体、固体、颗粒及粉料等，且不受介电常数、温度、压力及密度等条件变化的影响，可测量介电常数在1.4～100.0（空气的介电常数是1.0）的几乎所有的液体和浆体。

3）能耗低。VEGAFLEX 61导波雷达液位计输出到导波探头的信号能量非常小，约为常规雷达发射能量的10%，起到节能减排的效果。

4）稳定性高。VEGAFLEX 61导波雷达液位计是比较成熟的一款仪表，不存在机械部件损坏问题，在使用过程中能实现免维护的效果。

5）调试过程简单明了，稳定性高，使用寿命长。

3.3 VEGAFLEX 61导波雷达液位计技术要求

VEGAFLEX 61导波雷达液位计与带喇叭口雷达液位一样，计算测量范围时需要减掉上部测量盲区和下部测量盲区，如图4所示。图4中，①代表液位计发射端的基准面（过程接头的密封面）；L代表测量探头总长度；E表示测量范围；N1表示上部块距离（上部测量盲区）；N2表示下部测量盲区。

图4 FLEX61导波雷达液位计测量范围Fig.4 FLEX61 Wave radar level meter measurement range

VEGAFLEX 61导波雷达液位计与介质接触的部件采用不锈钢材质制成，钢缆底部重锤长度为100mm，直径为20mm。由于钢缆采用不锈钢材质，在污水池中长期监测不会出现锈蚀现象，使用寿命大大提升。

钢缆测量探头在运行时因污水液位的浮动，会导致钢缆左右摆动，对测量结果造成误差。因此，在钢缆重锤下方加装一法兰片，重锤下方正中央有一螺丝口，可以直接与做好的法兰连接。

根据安装位置和污水池的深度，计算钢缆的长度，进行剪切固定。为保证液位计在水蒸汽环境下长期有效地运行，将液位计安装在仪表保护箱内。

3.4 VEGAFLEX 61导波雷达液位计安装及调试过程

3.4.1 VEGAFLEX 61雷达液位计的安装过程

1）在拆除原E+H液位计前，在机柜间内对仪表进行断电处理，将信号线正负极分别断开，以便后期更换完信号线后进行绝缘测试。

2）VEGAFLEX 61导波雷达液位计安装位置避开污水进口处，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计安装在中间位置；聚乙烯精制雨排水污水池液位计因是露天的，所以液位计安装在距离污水池壁400mm处，将探头周围障碍物清除，固定仪表保护箱的支架选用40mm×40mm镀锌角钢。

3）在导波雷达液位计发射端上方螺纹处安装2"、150#法兰片，保温箱下方开一直径D=50m的圆孔，先将导波钢缆放在中间位置，然后将法兰片固定在保温箱内，这样钢缆不会因接触保温箱壁导致测量偏差。