导波雷达液位计在汽包液位测量中的应用

2014-09-10覃玉姣

石油化工自动化 2014年4期

覃玉姣

(东华工程科技股份有限公司，合肥230000)

蒸汽汽包是石油化工、发电等工业过程中的重要设备，保持液位稳定是保证汽包安全运行的重要条件。带气相自动补偿GPC(Gas Phase Compensation)的导波雷达液位计克服了差压式液位计、浮筒液位计、电接点液位计的缺点，维护量小，测量准确可靠。

1 汽包液位测量的现状

目前，从汽包液位测量的基本原理来看，广泛应用的主要是基于连通管式(静压)和差压式两种原理[1]。汽包液位测量的仪表主要有差压式汽包液位计、浮筒液位计和导波雷达液位计等仪表[2]。

1) 差压式汽包液位计。差压式汽包液位计测量原理是通过把液位高度的变化转换成差压的变化来测量液位，这种转换是通过平衡容器形成参比水柱实现的，其准确测量液位的关键是液位与差压之间的准确转换。差压式汽包液位计的优点是精度和稳定性高、运行中故障率低、维护量小，但这种测量方式的误差与汽包压力和参比水柱温度有关，需要进行汽包压力校正，且补偿计算复杂，此外还应考虑平衡容器温度变化造成的影响[3]。

2) 浮筒液位计。浮筒液位计是基于浮力原理工作的[4]。当液位在0位时，扭力管受到浮筒重力产生的扭力矩最大，扭力管转角处于0°。当液位逐渐上升至最高时，扭力管受到浮力产生扭力矩，转过一个角度，变送器将该角度转换成4～20mA直流信号，该信号正比于被测量液位。这种测量方式介质的密度变化会对测量精度造成影响，受到机械振动也会造成读数不准确[5]。

3) 电接点液位计。电接点液位计属于连通管式液位计[6-7]，原理是利用在锅炉水中的电极对筒体阻抗小而在蒸汽中的电极对筒体的阻抗大的特性来测量液位。高压锅炉的锅炉水电导率一般要比饱和蒸汽的电导率大数万到数十万倍，因而电接点液位计指示值受汽包压力变化的影响较小，能方便地远传液位信号，但是有取样传感器可靠性较差、电机机械密封易泄漏、电极使用寿命短、指示不连续、有一定的维修量的缺点。

综上所述，由于汽包液位测量对象的复杂性，实际运行中的不确定因素和较大的测量误差，导致汽包液位计的测量常有较大的偏差。导波雷达液位测量是一种全新的测量技术，克服了差压式、浮筒式、电接点等液位测量仪表的缺点，是一种全新的液位测量设备。

2 导波雷达液位计测量原理及其特点

2.1 测量原理

导波雷达液位计是依据时域反射原理(TDR)为基础的雷达液位计[8-9]，电磁脉冲以光速沿钢缆或探棒传播，当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同路径返回到脉冲发射装置，发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比，经计算得出液位高度。

2.2 特点

导波雷达液位计的优点是接触式测量，信号稳定，测量不受液体密度和电气特性的影响，无维护量等。但是，导波雷达液位计在测量高温高压液体时，由于空气的极化，测量值会产生很大偏差，且测量参考点(法兰)与测量介质表面的距离越大，由此产生的系统误差越大。

1) 测量精确。介质的密度和介电常数变化以及雾和泡沫对测量均无影响，同时介质在导波体上的沉积和污垢对液位测量的影响极小，这是由于信号在波导体中传输不受液面波动和储罐中的障碍物等的影响，仪表所接受到的反馈信号相应较强，而且返回信号中检出的干扰杂散信号极小，只需检测电磁波的传输时间即可，无需信号的处理和辨别，因此对汽包液位测量精确。

2) 测量与调校方便。由于电磁波是恒定的，编程组态时，只需现场输入量程等有关参数，不需要任何迁移来改变仪表量程和现场标定，大幅提高了调校仪表的效率。

3) 安装成本低且维护方便。导波雷达液位计耗能小，采用两线制传输方式大幅节约了安装成本，同时探头与变送器之间的快速万向接头使安装更为简便，更利于以后的检修维护。

3 导波雷达液位计选型及安装方式和安装要求

3.1 选型

导波雷达液位计是靠探头发射电磁波，因此探头的选择是导波雷达液位计选型的重要部分，其对液位计的基本性能也有重要的影响。导波雷达液位计的探头有杆式、同轴式以及缆绳式三种类型。通常选用杆式探头或同轴式探头。当测量范围较大(一般量程大于2m)时，由于运输和安装不便，建议采用缆式探头。导波雷达液位计可安装在导波管或者旁通管中，但导波管制造过程中内部的焊疤、毛刺等干扰会引起测量波动和误差，而使用同轴式探头则不受安装条件限制，可测大多数液化气体，可用在低介电常数(εr>1.4)场合。

3.2 安装方式及安装要求

导波雷达液位计的安装，必须综合考虑安装要求、容器特性和过程连接等因素[10]。导波雷达液位计的安装方式应用较多的主要有两种：顶置安装和侧式安装，安装方式如图1所示。

图1 导波雷达液位计测量装置安装方式示意

导波雷达液位计两种安装方式安装时应注意[11]：安装时要保证导波雷达与罐壁需有适当的距离；避免仪表探头下方有明显的障碍物，阻碍探测波顺利到达被测介质表面；不要将导波杆安装在进料口附近，以免探头照射范围内出现料流；探头与设备底部要有一定距离。

4 FMP54导波雷达液位计的应用

某装置汽包液位的测量选用了E+H公司推出的新型FMP54导波雷达液位计，该液位计通过了高温水(HW)和低温水(LW)容器的限制设备认证，符合EN12952-11和EN12953-9(TÜV 认证)标准。该液位计在普通的导波雷达液位计基础上采用GPC功能技术，提高了导波雷达液位计在高温高压环境中的精度和可靠性。

4.1 GPC技术

在高温高压条件下，电磁波信号在介质上方的蒸汽中(极化介质)的传播速度会降低，此时雷达测得的液位值将减小。选用带气相自动补偿的导波雷达，导波雷达在与法兰间(测量参考点)的距离范围内产生参考反射，沿杆式探头变化。在常温常压下，电磁波在补偿参考端以及液位反射面有两个反射回波，此时测量准确，此时进行参考距离(测量参考点至参考杆的距离)标定。高压状态时，由于气体的极化效应，此时实测距离(测量参考点至液面的距离)与液位实际值有了较大偏差。如果不做补偿，那么测量值会有较大误差。通过转换参考反射，对测量值进行补偿，计算公式为：补偿距离=参考距离×(实测距离/实测距离)，可以得到一个准确的实际液位值。

4.2 导波雷达液位计结构特点

FMP54导波雷达液位计结构如图2所示，该结构具有以下特点：

图2 FMP54结构示意

1) 陶瓷及石墨密封材料在高温高压环境下不会发生脆化(与玻璃不同)。

2) 陶瓷填充材料使得导波雷达液位计长期在高温高压环境下依然具有良好的绝缘效果。

3) 第二道防护玻璃气密馈通，可耐受70MPa压力，保证在第一道密封因外力损坏后，高温高压或有毒气体不会泄漏到环境中。

4) 全焊接结构，保证高温环境下耐压的可靠性。

5) 氦气检测保证密封的可靠性。

6) Al2O3和Kalrez密封圈确保气密馈通的长期稳定性。

4.3 应用

该锅炉装置汽包是产汽系统的主要部分，利用转化炉烟气段的高温热量和炉出口转化气高温余热，产出10.5MPa 高压蒸汽，一部分作为工艺上的配汽参与反应，另一部分外送至高压蒸汽管网，实现热能的综合利用，提高装置的运行效率。由于传统测量不能很好地满足测量要求，有必要选用其他产品进行替代。由于汽包对于锅炉装置的重要性，测量汽包液位共设计使用了三种测量仪表： FMP54导波雷达料位计、普通导波雷达液位计、差压式液位计。由图3可知，通过实例测量，在高温时，普通导波雷达(不带GPC)测量误差高达18%，带GPC时，测量误差仅2%，带GPC导波雷达液位计在高温下测量数据比较稳定、真实。所以，带GPC的导波雷达技术与先进信号处理技术的完美组合，使得带GPC导波雷达液位计成为蒸汽和湍流沸腾工况下液位测量的理想解决方案。