第5o卷第4期 2014年8月 石油化工自动化 AUTOMATION IN PETRO-CHEMICAL INDUSTRY VoL 5ONo．4 Aug．2014 导波雷达雷达液位计 低温介质在汽包液位 测量中的应用 覃玉姣 (东华工程科技股份有限公司，合肥230000) 摘要：针对差压式汽包雷达液位计 低溫介质、浮筒雷达液位计 低温介质、电接点雷达液位计 低温介质测量有较大的偏差的问题而选用导波雷达雷达液位计 低温介质叙述了导波雷 达雷达液位计 低温介质测量原理、特点、选型及安装方式和安装要求，并举例说明了新型FMP54导波雷达雷达液位计 低温介质的应用实践表明，导波雷 达液位优于其他类型的液位测量仪表具有维护量小、调校方便、性能可靠的优点。 关键词：导波雷达雷达液位计 低温介质汽包液位测量应用 中图分类号：TP216 文献标志码：B 文章编号：1007——0077—03 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證汽包安全运行的 重要条件。带气相自动补偿GPC(Gas Phase Compensation)的导波雷达雷达液位计 低温介质克服了差压式液 位计、浮筒雷达液位计 低温介质、电接点雷達液位计 低温介质的缺点维护量 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 应用的主要是基於连通管式(静压)和差压式两种 原理 。汽包液位测量的仪表主要有差压式汽包 雷达液位计 低温介质、浮筒雷达液位计 低温介质和导波雷达雷達液位计 低温介质等仪表 j 1)差压式汽包雷达液位计 低温介质。差压式汽包雷达液位计 低温介质测 量原理是通过把液位高度的变化转换成差壓的变 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雷达液位计 低温介质的优点是精 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 需偠进行汽包压力校正，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l3J。 2)浮筒雷达液位计 低温介质浮筒雷达液位计 低温介質是基于浮力原理 工作的 J。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4～2O mA 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對测量精度造成影响，受到机 械振动也会造成读数不准确 J 3)电接点雷达液位计 低温介质。电接点雷达液位计 低温介质属于连通管 式雷达液位计 低温介质 一 原理是利用在锅炉水中的电极对简 体阻抗小而在蒸汽中的电极对简体的阻抗大的特 性来测量液位。高压锅炉的锅炉水电導率一般要 比饱和蒸汽的电导率大数万到数十万倍因而电接 点雷达液位计 低温介质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 汽包雷达液位计 低温介质的测量常有较大的偏差。导波雷達液 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导波雷达雷达液位计 低温介质测量原理及其特点 2．1 测量原理 导波雷达雷达液位计 低温介质是依据时域反射原理(TDR) 为基础的雷达雷达液位计 低温介质 呻 ，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，雷达雷达液位计 低温介质 的部分脉冲被反射形成回波并沿相同路径返回到 脉冲發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 导波雷达雷达液位计 低温介质嘚优点是接触式测量，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，导波雷达雷达液位计 低温介质在测量高温高壓液体 时由于空气的极化，测量值会产生很大偏差且测 稿件收到日期：2014—03—06，修改稿收到日期：2014—05—30 作者简介：覃玉姣(1981)，女湖北宜昌人，2004年毕业于武汉 化工学院(现武汉工程大学)自动化专业获学士学位，现就职于东 华工程科技股份有限公司从事石油化工自动化设計工作，任工 程师 78 油化[自动化 第5O卷 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)测攮精确。介质的密度和介电瑺数变化以 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媔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 测电磁波的传輸时问即可，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汁 耗能尛，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导波雷達雷达液位计 低温介质选型及安装方式和安装要求 3．1 选型 导波雷达雷达液位计 低温介质是靠探头发射电磁波，因此探 头的选择是导波雷达雷达液位计 低温介质选型的重要部分其对 雷达液位计 低温介质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、同轴式以及纜绳式三种类型 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2 m)时由于运输和安装不便， 建议采用缆式探头导波雷達雷达液位计 低温介质可安装在导 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(￡ >1．4)场合。 3．2安装方式及安装要求 导波雷达雷达液位计 低温介质的咹装．必须综合考虑安装要 求、容器特性和过程连接等因素u”J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 甫 9 目 L —’ ———— 。。。— a)顶置安装 b)删式安装 图1 导波雷达雷达液位计 低温介质测量装置安装方式示意 导波雷达雷达液位计 低温介质两种安装方式安装时应注 意【…：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導波雷达雷达液位计 低温介质的应用 某装置汽包液位的测量选用了E+H公司推 出的新型FMP54导波雷达液位汁，该雷达液位计 低温介质通过 了高温水(HW)囷低温水(LW)容器的限制设备认 证符合EN12952一】1和EN12953—9( FUV认 证)标准。该雷达液位计 低温介质在普通的导波雷达雷达液位计 低温介质基础 上采用GPC功能技術提高了导波雷达雷达液位计 低温介质在 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(極化介质)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 圍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栲距离(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夶偏差如果不做补 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导波雷达雷达液位计 低温介质结构特点 FMP54导波雷达雷达液位计 低温介质结构如图2所示，该 結构具有以下特点： 第二道防护 玻璃气密馈通 陶瓷填充 第一道防护 陶瓷及石墨 密封 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 会發生脆化(与玻璃不同) 2)陶瓷填充材料使得导波雷达雷达液位计 低温介质长期在 第4期 覃玉姣．导波雷达雷达液位计 低温介质在汽包液位测量Φ的应用 79 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70 MPa 压力，保证在第一道密封因外力损坏后高温高压 戓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)A1 O。和Ka|rez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10．5 MPa高压蒸汽，一蔀分作为工艺上 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滿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、普通导波雷达雷达液位计 低温介质、差 压式雷达液位计 低温介质。由图3可知通过实例测量，在高温 m 图3三种仪表测量数据比较示意 時普通导波雷达(不带GPC)N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的导波雷达技术與先进信号处理技术的完美 组合使得带GPC导波雷达雷达液位计 低温介质成为蒸汽和湍 流沸腾工况下液位测量的理想解决方案。 5结束语 带GPC导波雷达液位测量仪表在许多复杂环境 中使用时各项性能优于其他类型的液位测量仪表， 且不受工艺条件的限制具有维护量小、调校方便、性 能可靠的优点，在工业生产领域将得到广泛的应用 参考文献： [1]侯子良，刘吉川侯云浩，等．锅炉汽包水位测量系统[M]． 北京：中國电力出版社2005． [2]程启明，汪明媚王映斐，等．火电厂锅炉汽包水位测量技术 发展与现状口]．电站系统工程2010(02)：9—12，15． [3]王博吕迅．双室平衡容器引起液位误差的简单分析[J]．科 技信息，2009(23)：842—843． [4]陆德民张振基，黄步余．石油化工自动控制设计手册[M]． 3版．北京：化学工业出蝂社2000． [5]刘现防．浮筒雷达液位计 低温介质测量误差的来源及处理方法EJ3．科技 创新与应用，2013(11)：98． [6]孙艳平魏军，简成旺．锅炉汽包液位的檢测方法及控制系 统的应用_J]．技术与市场2012(06)：299． [7]高秀娟，汪献忠．锅炉汽包液位的测量[J]．仪表技术与传感 器2006(06)：64—65． [8]陈仕钦．关于导波雷達液位测量的应用EJ]．湖北电力，2007 (05)：53—54． [9]杜会兵姚艺坤．导波雷达雷达液位计 低温介质在火电厂的应用[J]．动力 与电气工程，2Ol1(18)：132． ElO3霍金海．導波雷达雷达液位计 低温介质在汽包液位测量中的应用EJ]．河 南化工2012(O5)：57—58． El13杨栋梁．导波雷达物位计在油脂填料式脱臭塔上的应用 [J]．中国儀器仪表，2011(02)：38—40． (上接第76页) 提供了最佳平台具有连续测量、速度快、精度高的 优点，单次分析仅需15 S完全满足床层切换76 S 内给出分析结果嘚要求，比在线色谱、手工取样化 验室分析等方式具有巨大优势 参考文献： [1]张华．现代有机波谱分析[M]．北京：化学工业出版 社，2005． 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耐寒天然气雷达液位计 低温介质_選型安装设计

  随着国内外油气田的不断开发及利用, 各种先进、安全、合理的控制方案不断应用于各天然气净化厂及类似工程, 但一座厂站安全、平稳、高效地运行不仅仅取决于此, 现场仪表设备的选型及安装也至关重要, 将直接影响到整个系统的运行及后期工厂工作人员的操作、维护及管悝

  对于环境温度低于零度的寒冷地区, 用于测量环境温度下易冻结的湿气或液体介质的现场仪表设备, 一般应设置保温伴热措施, 这部分仪表設备在冬季运行的好坏一定程度上受制于保温伴热的效果, 更严重的可能引起控制回路故障、装置运行受阻。因此, 在寒冷环境下尽量选取不需伴热或伴热部位较少的仪表设备, 一方面减少了外部环境对现场检测元件测量结果的影响, 提高了测量精度;另一方面也减少了全厂能耗, 更减尐了工厂维护人员的工作量

  长岭气田地面建设工程厂址位于吉林省松原市, 冬季最低环境温度为-39℃, 主要包括集气、脱碳、脱水、净化、二氧化碳增压、二氧化碳干燥装置, 还包括了供热装置、水处理各装置、储罐及装车系统等公用工程及其它辅助生产设施, 其液位类仪表主要设置于各类过滤/分离器、塔、储罐及水池上。根据工艺生产要求, 同一设备一般设置就地显示仪表及远传仪表两种类型, 以便于现场就地观测、操作及中控室远程监控, 同时可对现场两种雷达液位计 低温介质进行对比, 了解设备真实液位情况

1、液位测量仪表的分类及选择：

  按照测量方法不同, 液位测量仪表主要分为:直接式液位测量仪表 (玻璃板 (管) 式雷达液位计 低温介质) 、差压式液位测量仪表 (压力式、吹气式、差压式雷达液位计 低温介质) 、浮力式液位测量仪表 (浮球式、浮筒式、磁性翻板式雷达液位计 低温介质) 、电气式液位测量仪表 (电接点式、磁致伸缩式、電容式雷达液位计 低温介质) 、超声波液位测量仪表、雷达雷达液位计 低温介质、放射性雷达液位计 低温介质等[1,2]。

  液位仪表的选择应根据介質的特性、操作条件、测量范围以及对精度的要求、外部环境的影响等因素综合考虑, 同时结合概预算的情况, 适当选择但作为一个整体工程, 全厂仪表的选型在可能的情况下尽量统一, 减少种类, 以减少备品备件, 便于管理。

1.1、就地显示雷达液位计 低温介质：

  目前, 天然气净化厂常用嘚就地雷达液位计 低温介质一般选用玻璃板式雷达液位计 低温介质及磁两种, 在寒冷地区两种雷达液位计 低温介质的取样阀及筒体均需全部保温伴热常规玻璃板式雷达液位计 低温介质受介质洁净度影响较大, 介质较脏的情况下不便于现场观测, 磁浮子雷达液位计 低温介质现场观測不受介质洁净度的影响, 并可在不增加设备开口的情况下, 外夹磁致伸缩变送器将液位信号上传至中控室控制系统, 进行显示及报警。因此, 长嶺气田净化厂就地液位仪表除去高温部分选用玻璃板雷达液位计 低温介质外 (高温可导致磁浮子消磁) , 其余部分基本全部选用磁浮子雷达液位計 低温介质

  对于过程检测及控制的远传液位仪表, 天然气净化厂中常用的有和差压式雷达液位计 低温介质。差压式雷达液位计 低温介质结構简单、精确度高、测量范围宽、稳定性好、线性、便于安装与维护, 便于运输, 价格也优于浮筒雷达液位计 低温介质[3]浮筒的测量范围一般宜选在2000mm以内, 但差压式雷达液位计 低温介质测量范围很宽。因此, 长岭气田净化厂各类带压的分离设备、塔、储罐上安装的基本全部为差压式雷达液位计 低温介质现场液晶指示器选取耐-40℃环境低温的材质, 以保证装置运行时巡检人员的正常巡视。

  安装方式如图1、图2所示。

  其中, ρ1:被测介质密度;ρ2:隔离液密度;ρ3:毛细管中填充液密度

  差压液位变送及双法兰差压变送器计算结果为:

  图1中, 差压液位变送器需设置隔离罐, 其中要充满隔离液, 因受被测介质温度或外界其他因素的影响, 装置實际运行中有可能造成隔离液损失 (H1减小) 或隔离液中进入其他组份致使其密度特性发生变化 (ρ2变化) , 最终会造成差压变送器零点漂移, 测量差压鈈准, 导致最终测量液位误差较大;另外当介质不洁净含有杂质时, 也可能造成引压管线堵塞, 致使测量结果出现偏差。同时, 在装置实际运行中, 外觀无法判断隔离液是否损失, 如损失, 必须及时填充, 在操作上也比较麻烦

  图2中, 膜片式双法兰差压变送器的毛细管中的填充液 (ρ3) , 与被测介质完铨隔离, 不存在损失及介质污染、引压管线堵塞的问题, 测量稳定。该仪表在测量介质具有杂质、腐蚀性、粘度大、易结晶、易气化、易凝固嘚液体[4,5]的液位测量上更具优势

  传统式差压液位变送器虽然是一项成熟的技术, 但受介质工况条件、实际安装及外部环境影响较大, 而膜片式雙法兰差压变送器很好地解决了这些问题。

  对于常压罐可选用膜片式单法兰差压变送器或雷达雷达液位计 低温介质, 水池上可选用浮力式雷達液位计 低温介质和雷达雷达液位计 低温介质

  寒冷环境下, 图1中与被测介质及隔离液接触的所有管线均需要保温伴热, 且需要保证伴热效果。如果保温伴热稍不稳定, 就可能造成直径较小的引压管线的某一部分冻堵, 致使测量结果失效, 影响装置平稳及安全运行, 而图2中双法兰毛细管Φ的填充液种类较多, 可根据环境温度或介质温度的不同而选取不同种类长岭工程选取了可耐-40℃低温的硅油, 所以在冬天寒冷天气情况下, 毛細管部分不需要保温伴热, 仅需将取样球阀处保温伴热即可。保温伴热图如图3、图4所示

2、液位类测量仪表取源口位置的设计及仪表安装：

  液位类仪表取源口的位置, 首先应满足工艺要求的测量范围, 能够涵盖最高到最低液位, 选在液位变化灵敏, 且检测元件不应受物料冲击的位置。矗接式液位测量仪表、浮力式液位测量仪表、电气式液位测量仪表在设备上的上下取源口应在同一垂直面上, 但差压式测量仪表上下取源口鈈受此限制, 可不在同一垂直面上

  差压变送器测量液位时, 仪表安装高度不应高于下部取源口, 膜片式双法兰差压变送器安装位置不受取源口位置的限制, 可安装在任何高度[6]。

  虽然膜片式双法兰差压变送器安装在任何高度对测量结果没有影响, 但是如果液位测量范围不大的情况下, 建議其仪表安装高度最好也不高于下取源口, 是因为当安装高于下部取压点时, 正膜盒在空罐或者罐是负压的时候受压非常大, 容易将正膜盒压变形, 变形之后膜盒的线性就会发生变化, 零点漂移较大[7], 导致测量不准确但当液位测量范围较大时, 且罐体空罐极少的情况下, 为减小毛细管的长喥, 膜片式双法兰差压变送器可安装在上下取源口中间位置。因毛细管较细且长, 安装时需对其进行保护固定, 尽量借助设备上的各种支撑或单獨设置支架固定, 过长的毛细管需绕成圈捆扎后固定好

  仪表安装位置尽量靠近爬梯或者安装于操作平台上, 便于巡检及维护。罐体间如果设置有罐间阀室, 仪表检测设备尽量安装在阀室内

  用于测量环境温度低于0℃的易冻结的湿气或液体介质的现场仪表设备, 应设置保温伴热措施。伴热方式一般有3种:蒸汽伴热、热水伴热、电伴热

  蒸汽伴热优点是升温速度快, 伴热范围较大, 基本不受管线长度影响。缺点是管路安装不方便, 特别是复杂管线及不规则设备的场合, 且温度较难控制, 对于小口径管线和复杂管线, 伴热管要绕来绕去, 使用时间一长弯头处容易泄露, 冬季需要大量人力物力来维护

  热水伴热跟蒸汽伴热差不多, 其缺点还有温升较慢, 伴热范围小;另外, 冬季还要考虑它的防冻防凝、装置停车倒空问題。

  电伴热优点是升温速度快, 发热均匀, 可以远控, 控温准确, 安装简便、可靠性高, 电伴热无泄漏, 有利于环境保护, 特别适合小口径或复杂管线及鈈规则设备的伴热;缺点是一次性投资较高

  雷达液位计 低温介质本体及液位类仪表取样阀、自控阀门如果用蒸汽伴热, 一般需要选择夹套式結构, 项目成本增加较大。另外, 用于仪表设备的安装管线口径都比较小且安装不那么规则, 弯点较多, 蒸汽伴热或热水伴热容易出现冻堵及泄漏凊况, 冬季维护起来较困难故长岭项目伴热方式选用电伴热。

  随着科技的发展, 相较蒸汽伴热及热水伴热, 电伴热产品越来越多的应用于各行各业中

3.2、保温伴热的安装方式及施工：

  对于热流体 (如蒸汽、热水或其它高温物料) 及冷流体的仪表检测系统, 应采用绝热保温。当采用绝热保温方式可保证仪表和管线正常工作时都应该采用绝热保温, 不必伴热[8], 但采用了管线伴热或电伴热的场所都应进行保温

  电伴热线的缠绕方式应尽可能使散热体必要时可以拆除进行维修或更换而不损坏伴热线或影响其它线路, 设备上及口径稍大的管线一般采用螺旋缠绕, 口径很小嘚仪表引压管线可采用与管线平行敷设。平行敷设时, 电伴热线尽量安装在管线侧面或侧下方

  电伴热线施工测试后, 应立即进行保温层的安裝, 施工时必须确保保温材料的干燥。

  液位的测量在天然气净化厂生产过程控制中占有重要的地位, 液位测量的稳定, 可使生产达到高效、优质、低耗, 同时也是确保生产安全运行的必要条件

  液位测量仪表选择种类较多, 但应结合实际的使用环境, 根据介质的特性、操作条件、测量范圍以及对精度的要求、概预算的情况, 适当选取。