射频导纳液位计在炭素浸渍装置的应用

王红杰 余全豪

（中国平煤神马集团开封炭素有限公司）

0 引言

我公司现有石墨电极高压浸渍系统一套，该系统从德国Feist-lncon 公司全套引进。石墨电极浸渍过程是将产品置于压力容器内，在一定的温度和压力条件下迫使某些呈液态的材料，即浸渍剂渗透到产品当中去，从而改变或改善产品的某些理化指标。石墨电极的浸渍过程是在浸渍罐内完成的，浸渍剂为浸渍沥青。公司自2006 年投产以来一直使用这套浸渍设备，运行已有10 余年，全套浸渍系统根据PLC 编程自动化控制，浸渍过程中的沥青液位和冷却水液位都由液位计检测控制。高压浸渍罐原液位控制系统是Feist-lncon 公司设计安装的国外浮球液位计，由于长时间的使用，浸渍罐液位计频繁出现故障，影响正常生产，急需进行解决。笔者通过对石墨电极浸渍装置中液位计故障进行分析，提出了使用新型射频导纳液位计的解决方案，并得出射频导纳液位计可以应用在浸渍装置复杂的工作环境中。

1 原沥青浸渍罐液位计

1.1 工作环境及作用

石墨电极的浸渍系统是按照热进冷出的设计理念安装的，它是一个复杂而又对工艺技术要求很高的一个工序，主要步骤为：焙烧坯-表面清理-预热（180 ～200 ℃）-装入浸渍罐-抽真空-注沥青-加压（1.2 ～1.5 MPa）-返沥青-加水冷却，浸渍最重要的环节是在浸渍罐中完成的。在浸渍过程中，浸渍罐的液位控制全部由液位计自动控制，如果出现液位偏差，对产品质量和生产设备都有很大的影响。浮球液位计在浸渍罐中的安装位置如图1 所示。

图1 浮球液位计在浸渍罐上的安装位置

在浸渍过程中，通过沥青管道向浸渍罐注入沥青，当达到顶部罐最大液位时N4 液位计输出信号，系统将停止注入沥青，加压泵对罐内沥青加压（最高压力1.5 MPa），罐内温度150 ～200 ℃，加压结束后返油泵通过管道把沥青带走，当沥青排空后N5 液位计输出空罐信号，然后冷却水进入浸渍罐对产品进行冷却，冷却结束后通过管道排空冷却水，N5 液位计输出空罐信号，浸渍罐门打开，通过输送车把浸渍罐内的产品拉出，整个浸渍过程结束。

1.2 结构和工作原理

原来使用的德国Feist-lncon 浮球液位计的结构如图2 所示。

图2 Feist-lncon 浮球液位计

工作原理:在容器的合适位置安装法兰与液位计进行连接，使液位计的浮球能够接触到所检测的物质，当被检测物质液位上升和下降时， 浮球受到浮力或重力的作用而上下移动，通过连杆带动控制盒内机械机构触发微动开关来传递信号，以达到检测液位高低的目的。

2 存在问题与分析

在生产过程中出现了一些问题，制约了生产的连续性和产品的稳定性，以下是现存的问题与分析：

（1）原来浸渍罐沥青和水的公用管道上的浮球液位计位于浸渍罐的最低点（N5），主要作用是检测浸渍罐内的沥青或水是否排空。浸渍罐内沥青返完后，由于沥青有一定的粘度，部分沥青会粘结在浮球液位计的浮球和连杆上。浸渍罐内注水对产品进行冷却时，罐内温度降低，粘附在浮球和连杆上的沥青凝固，导致浮球不能正常工作，从而出现信号不准确现象。

（2）浮球液位计连杆与后执行机构采用螺纹连接，由于使用年限较长，浸渍罐工况复杂，致使螺纹经常松动，造成浮球与连杆脱落掉入浸渍罐内，导致不能测量罐内沥青或水的液位。并且浮球脱落后会随着管道流向进入主管道，造成管道堵塞，损坏阀门或沥青泵。

（3）同型号浮球液位计属进口设备，购买周期长、费用高，影响设备维修及时性和维修成本。

3 解决措施

为了解决生产中因为液位计故障影响正常生产的问题，通过查阅相关资料、寻找同类型测量物位的装置，结合公司设备工作环境、设备工艺要求和使用需求，经过前期反复论证，最终选用射频导纳液位计进行安装、试用。在订购设备时，要求厂家制作与现场同型号大小的连接法兰，保证探测杆的有效长度，以及需要传输信号的要求电压，以减少对现有管道、线路的改动。射频导纳液位计结构及安装位置如图3 所示。

图3 射频导纳液位计结构及安装位置

3.1 射频导纳液位计

射频导纳液位计测量物料技术是经过改良的新型液位测量技术，是从电容式物位控制技术发展起来的，主要应用了射频信号，此次所选用的DV101 射频导纳液位计加入了Driving-Shield 电路。

3.1.1 主要组成部分和技术参数

射频导纳液位计主要有检测部分和变送装置部分组成。检测部分主要包括中心探杆、保护外壳、指示仪表等；变送装置部分由振荡器、修正误差电路、电桥、信号调节器、屏蔽电路、电流电压转换电路等组成[1]。

射频导纳液位计的中心探杆使用的304 不锈钢，绝缘材料为PTFE，其主要技术参数见表1。

表1 射频导纳液位计主要技术参数

3.1.2 工作原理

射频导纳液位计是利用高频无线电波测量导纳，当仪表开始工作时，仪表内的传感器与罐壁及被测介质形成导纳值，当图3 中管道内的物料物位出现变化，中心探杆接触到物料时，导纳值随着液位的高低相应变化，电路单元（变送装置）将测量导纳值转换成物位信号输出，实现物位测量。在测量物料液位时，射频信号经滤波电路将干扰成分滤掉，测量的的信号包含物位信息和挂料信息，经过有效屏蔽层处理屏蔽了干扰信号，获得纯净的物位信号，避免虚假信号[2]。公司使用的DV101射频导纳液位计中的屏蔽电路能够阻止射频电流通过挂料形成回路，由挂料产生的影响能够被识别，并且通过电桥的移相处理从总的输出中消除，从而避免了检测探头端挂料对测量准确性的影响。

3.2 安装试用

根据石墨电极浸渍工艺，当浸渍罐检测到罐内沥青返完后，浸渍罐出现空罐信号并传输到控制室上位机，通过PLC 程序执行下一工艺（浸渍罐内需要注水对产品进行冷却），浸渍罐内温度降低，罐内温度低于浸渍沥青软化点，因此粘附在物位计上的沥青最终凝固在探头上。 为了更好地验证射频导纳液位计是否适用于浸渍罐中，决定把液位计安装在工况条件相对比较复杂的浸渍罐沥青和水的公用管道内。通过前期的充分研讨，连接法兰大小、供电电压以及液位计探测杆的有效长度均符合现场使用要求。安装完成后进行了反复调试，在确定没有问题的情况下进行正常生产投料试验。第一次试用过程中检测信号正常，生产结束后把此液位计拆除，检查射频导纳液位计外观及挂料情况。通过检查发现探测杆外观完好，有少量挂料现象，检查完后安装继续使用，无异常情况发生。

4 结语

射频导纳液位计具有独特的电路设计和传感器结构，使其检测可以不受传感器探头挂料的影响，不需要定期清理，避免出现误测量和假信号。在测量过程中，虽然浸渍罐内部有较高的压力，使液位计承受罐内液体的冲击，但因无可动部件，不存在机械部件容易损坏的问题，无需经常维护。射频导纳液位计检测料位不受环境变化影响，稳定性能高，相比于传统机械式的物位计使用寿命长。与浮球液位计相比，射频导纳液位计具有在浸渍罐内与高温沥青接触部分结构简单，探头材质耐温耐压，不会出现机械故障，稳定性能高等优点。当沥青黏附在检测杆上，并不会影响液位计的测量精度，解决了因液位计挂料而出现虚假信号，避免了原有液位计浮球连接螺杆脱落进入管道，造成管道堵塞或其他设备故障。通过生产使用效果来看，射频导纳液位计满足石墨电极浸渍装置的生产工艺需求。