覃玉姣

(東華工程科技股份有限公司，合肥230000)

蒸汽汽包是石油化工、發(fā)電等工業(yè)過程中的重要設(shè)備，保持液位穩(wěn)定是保證汽包安全運(yùn)行的重要條件。帶氣相自動補(bǔ)償GPC(Gas Phase Compensation)的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)克服了差壓式液位計(jì)、浮筒液位計(jì)、電接點(diǎn)液位計(jì)的缺點(diǎn)，維護(hù)量小，測量準(zhǔn)確可靠。

1 汽包液位測量的現(xiàn)狀

目前，從汽包液位測量的基本原理來看，廣泛應(yīng)用的主要是基于連通管式(靜壓)和差壓式兩種原理[1]。汽包液位測量的儀表主要有差壓式汽包液位計(jì)、浮筒液位計(jì)和導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)等儀表[2]。

1) 差壓式汽包液位計(jì)。差壓式汽包液位計(jì)測量原理是通過把液位高度的變化轉(zhuǎn)換成差壓的變化來測量液位，這種轉(zhuǎn)換是通過平衡容器形成參比水柱實(shí)現(xiàn)的，其準(zhǔn)確測量液位的關(guān)鍵是液位與差壓之間的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換。差壓式汽包液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是精度和穩(wěn)定性高、運(yùn)行中故障率低、維護(hù)量小，但這種測量方式的誤差與汽包壓力和參比水柱溫度有關(guān)，需要進(jìn)行汽包壓力校正，且補(bǔ)償計(jì)算復(fù)雜，此外還應(yīng)考慮平衡容器溫度變化造成的影響[3]。

2) 浮筒液位計(jì)。浮筒液位計(jì)是基于浮力原理工作的[4]。當(dāng)液位在0位時，扭力管受到浮筒重力產(chǎn)生的扭力矩最大，扭力管轉(zhuǎn)角處于0°。當(dāng)液位逐漸上升至最高時，扭力管受到浮力產(chǎn)生扭力矩，轉(zhuǎn)過一個角度，變送器將該角度轉(zhuǎn)換成4～20mA直流信號，該信號正比于被測量液位。這種測量方式介質(zhì)的密度變化會對測量精度造成影響，受到機(jī)械振動也會造成讀數(shù)不準(zhǔn)確[5]。

3) 電接點(diǎn)液位計(jì)。電接點(diǎn)液位計(jì)屬于連通管式液位計(jì)[6-7]，原理是利用在鍋爐水中的電極對筒體阻抗小而在蒸汽中的電極對筒體的阻抗大的特性來測量液位。高壓鍋爐的鍋爐水電導(dǎo)率一般要比飽和蒸汽的電導(dǎo)率大數(shù)萬到數(shù)十萬倍，因而電接點(diǎn)液位計(jì)指示值受汽包壓力變化的影響較小，能方便地遠(yuǎn)傳液位信號，但是有取樣傳感器可靠性較差、電機(jī)機(jī)械密封易泄漏、電極使用壽命短、指示不連續(xù)、有一定的維修量的缺點(diǎn)。

綜上所述，由于汽包液位測量對象的復(fù)雜性，實(shí)際運(yùn)行中的不確定因素和較大的測量誤差，導(dǎo)致汽包液位計(jì)的測量常有較大的偏差。導(dǎo)波雷達(dá)液位測量是一種全新的測量技術(shù)，克服了差壓式、浮筒式、電接點(diǎn)等液位測量儀表的缺點(diǎn)，是一種全新的液位測量設(shè)備。

2 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測量原理及其特點(diǎn)

2.1 測量原理

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)是依據(jù)時域反射原理(TDR)為基礎(chǔ)的雷達(dá)液位計(jì)[8-9]，電磁脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播，當(dāng)遇到被測介質(zhì)表面時，雷達(dá)液位計(jì)的部分脈沖被反射形成回波并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置，發(fā)射裝置與被測介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比，經(jīng)計(jì)算得出液位高度。

2.2 特 點(diǎn)

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是接觸式測量，信號穩(wěn)定，測量不受液體密度和電氣特性的影響，無維護(hù)量等。但是，導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在測量高溫高壓液體時，由于空氣的極化，測量值會產(chǎn)生很大偏差，且測量參考點(diǎn)(法蘭)與測量介質(zhì)表面的距離越大，由此產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差越大。

1) 測量精確。介質(zhì)的密度和介電常數(shù)變化以及霧和泡沫對測量均無影響，同時介質(zhì)在導(dǎo)波體上的沉積和污垢對液位測量的影響極小，這是由于信號在波導(dǎo)體中傳輸不受液面波動和儲罐中的障礙物等的影響，儀表所接受到的反饋信號相應(yīng)較強(qiáng)，而且返回信號中檢出的干擾雜散信號極小，只需檢測電磁波的傳輸時間即可，無需信號的處理和辨別，因此對汽包液位測量精確。

2) 測量與調(diào)校方便。由于電磁波是恒定的，編程組態(tài)時，只需現(xiàn)場輸入量程等有關(guān)參數(shù)，不需要任何遷移來改變儀表量程和現(xiàn)場標(biāo)定，大幅提高了調(diào)校儀表的效率。

3) 安裝成本低且維護(hù)方便。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)耗能小，采用兩線制傳輸方式大幅節(jié)約了安裝成本，同時探頭與變送器之間的快速萬向接頭使安裝更為簡便，更利于以后的檢修維護(hù)。

3 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)選型及安裝方式和安裝要求

3.1 選 型

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)是靠探頭發(fā)射電磁波，因此探頭的選擇是導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)選型的重要部分，其對液位計(jì)的基本性能也有重要的影響。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的探頭有桿式、同軸式以及纜繩式三種類型。通常選用桿式探頭或同軸式探頭。當(dāng)測量范圍較大(一般量程大于2m)時，由于運(yùn)輸和安裝不便，建議采用纜式探頭。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)可安裝在導(dǎo)波管或者旁通管中，但導(dǎo)波管制造過程中內(nèi)部的焊疤、毛刺等干擾會引起測量波動和誤差，而使用同軸式探頭則不受安裝條件限制，可測大多數(shù)液化氣體，可用在低介電常數(shù)(εr>1.4)場合。

3.2 安裝方式及安裝要求

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的安裝，必須綜合考慮安裝要求、容器特性和過程連接等因素[10]。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的安裝方式應(yīng)用較多的主要有兩種： 頂置安裝和側(cè)式安裝，安裝方式如圖1所示。

圖1 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)測量裝置安裝方式示意

導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)兩種安裝方式安裝時應(yīng)注意[11]： 安裝時要保證導(dǎo)波雷達(dá)與罐壁需有適當(dāng)?shù)木嚯x；避免儀表探頭下方有明顯的障礙物，阻礙探測波順利到達(dá)被測介質(zhì)表面；不要將導(dǎo)波桿安裝在進(jìn)料口附近，以免探頭照射范圍內(nèi)出現(xiàn)料流；探頭與設(shè)備底部要有一定距離。

4 FMP54導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的應(yīng)用

某裝置汽包液位的測量選用了E+H公司推出的新型FMP54導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，該液位計(jì)通過了高溫水(HW)和低溫水(LW)容器的限制設(shè)備認(rèn)證，符合EN12952-11和EN12953-9(TüV 認(rèn)證)標(biāo)準(zhǔn)。該液位計(jì)在普通的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)基礎(chǔ)上采用GPC功能技術(shù)，提高了導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在高溫高壓環(huán)境中的精度和可靠性。

4.1 GPC技術(shù)

在高溫高壓條件下，電磁波信號在介質(zhì)上方的蒸汽中(極化介質(zhì))的傳播速度會降低，此時雷達(dá)測得的液位值將減小。選用帶氣相自動補(bǔ)償?shù)膶?dǎo)波雷達(dá)，導(dǎo)波雷達(dá)在與法蘭間(測量參考點(diǎn))的距離范圍內(nèi)產(chǎn)生參考反射，沿桿式探頭變化。在常溫常壓下，電磁波在補(bǔ)償參考端以及液位反射面有兩個反射回波，此時測量準(zhǔn)確，此時進(jìn)行參考距離(測量參考點(diǎn)至參考桿的距離)標(biāo)定。高壓狀態(tài)時，由于氣體的極化效應(yīng)，此時實(shí)測距離(測量參考點(diǎn)至液面的距離)與液位實(shí)際值有了較大偏差。如果不做補(bǔ)償，那么測量值會有較大誤差。通過轉(zhuǎn)換參考反射，對測量值進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)算公式為： 補(bǔ)償距離=參考距離×(實(shí)測距離/實(shí)測距離)，可以得到一個準(zhǔn)確的實(shí)際液位值。

4.2 導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

FMP54導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

圖2 FMP54結(jié)構(gòu)示意

1) 陶瓷及石墨密封材料在高溫高壓環(huán)境下不會發(fā)生脆化(與玻璃不同)。

2) 陶瓷填充材料使得導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)長期在高溫高壓環(huán)境下依然具有良好的絕緣效果。

3) 第二道防護(hù)玻璃氣密饋通，可耐受70MPa壓力，保證在第一道密封因外力損壞后，高溫高壓或有毒氣體不會泄漏到環(huán)境中。

4) 全焊接結(jié)構(gòu)，保證高溫環(huán)境下耐壓的可靠性。

5) 氦氣檢測保證密封的可靠性。

6) Al2O3和Kalrez密封圈確保氣密饋通的長期穩(wěn)定性。

4.3 應(yīng) 用

該鍋爐裝置汽包是產(chǎn)汽系統(tǒng)的主要部分，利用轉(zhuǎn)化爐煙氣段的高溫?zé)崃亢蜖t出口轉(zhuǎn)化氣高溫余熱，產(chǎn)出10.5MPa 高壓蒸汽，一部分作為工藝上的配汽參與反應(yīng)，另一部分外送至高壓蒸汽管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)熱能的綜合利用，提高裝置的運(yùn)行效率。由于傳統(tǒng)測量不能很好地滿足測量要求，有必要選用其他產(chǎn)品進(jìn)行替代。由于汽包對于鍋爐裝置的重要性，測量汽包液位共設(shè)計(jì)使用了三種測量儀表： FMP54導(dǎo)波雷達(dá)料位計(jì)、普通導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)、差壓式液位計(jì)。由圖3可知，通過實(shí)例測量，在高溫時，普通導(dǎo)波雷達(dá)(不帶GPC)測量誤差高達(dá)18%，帶GPC時，測量誤差僅2%，帶GPC導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)在高溫下測量數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定、真實(shí)。所以，帶GPC的導(dǎo)波雷達(dá)技術(shù)與先進(jìn)信號處理技術(shù)的完美組合，使得帶GPC導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)成為蒸汽和湍流沸騰工況下液位測量的理想解決方案。

圖3 三種儀表測量數(shù)據(jù)比較示意

5 結(jié)束語

帶GPC導(dǎo)波雷達(dá)液位測量儀表在許多復(fù)雜環(huán)境中使用時，各項(xiàng)性能優(yōu)于其他類型的液位測量儀表，且不受工藝條件的限制，具有維護(hù)量小、調(diào)校方便、性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。

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