尿素生產(chǎn)是在高溫、高壓、強腐蝕和易結晶的工況下進行的,因此,儀表的選型就必須考慮這些因素,以解決腐蝕、堵塞、高溫、高壓及氣蝕等問題。隨著儀表的更新?lián)Q代,技術水平的不斷進步,一些新型智能液位計得到了廣泛應用。筆者主要介紹導波雷達液位計在尿素裝置碳銨液貯槽液位測量中的應用。

  LT-09403 液位計用于碳銨液貯槽的液位檢測。原采用Rosemount 1151 差壓變送器,且在使用差壓變送器測量液位時,為了防止被測介質結晶堵塞儀表和導壓管,多采用沖洗水吹掃。在測量過程中,由于受沖洗水壓力影響,儀表波動較大、測量準確性差,需要定期排表,而且冬季極易凍堵,影響工藝人員的正常操作,增大了儀表工的日常維護量。為了保證儀表長期穩(wěn)定運行,將碳銨液貯槽的LT-09403 液位計進行改造。選用美國Magnetrol公司生產(chǎn)的Eclipse 705 導波雷達液位計,該表是具有高科技含量的新型智能液位測量儀。它與差壓變送器、浮筒液位計比較,不受被測介質比重的變化影響; 與電容、射頻導納液位計比較,它不受介電常數(shù)變化的影響。而且它不需要在廠調校,也不需要現(xiàn)場調校,只需要輸入液位計數(shù)據(jù)即可進行組態(tài),實現(xiàn)儀表的準確測量,具有無法比擬的優(yōu)點。

  雷達液位計的測量,是發(fā)射- 反射- 接收雷達信號波的過程。雷達傳感器以波束的形式發(fā)射雷達信號,當?shù)凸β始{秒微波脈沖向下發(fā)射抵達被測介質表面時,部分能量被反射回儀表,回波信號仍由傳感器接收。雷達信號是一種特殊形式的電磁波,其物理特性與可見光相似。光在空氣或其他介質中的傳播速度是恒定不變的常數(shù),所以雷達脈沖信號從發(fā)射到接收的運行時間與傳感器到介質表面的距離成比例。

  雷達信號是否可以被反射,取決于兩個因素:一是被測介質的導電性,二是被測介質的介電常數(shù)。所有導電的介質都能很好地反射雷達信號,即使介質的導電性不是很好,也會被準確地測量。被測介質的導電性越好或介電常數(shù)越大,雷達信號的反射效果就越好。

  Eclipse 705 導波雷達液位計的結構和測量原理如圖1 所示。

Eclipse 705 導波雷達液位計采用了時域反射( Time Domain Reflectometry,TDR) 原理,由TDR發(fā)生器產(chǎn)生一個沿探測桿向下傳送的電磁脈沖波。通過超高速計時電路來計算脈沖從發(fā)射到反射的時間差,即可獲得液位計表頭和液位的距離。用給定的容器高度,減去所測量出來的距離,即可得出液位的高度。

Eclipse 705 導波雷達液位計采用兩線制,直流24V供電,儀表輸出4 ~ 20m A信號并適用HART協(xié)議。它所發(fā)射的微波信號是通過導波桿傳播,而不是通過空氣傳波的,使用導波桿能集中波的能量,有參考目標。針對相應介質選擇不同的導波桿,其傳播速率幾乎不受溫度變化的影響。根據(jù)測定,當溫度為500℃ 時,反射時間的變化僅為0. 020%[1]。另外,微波傳播也幾乎不受空氣密度變化的影響,因此導波雷達液位計能在真空或受壓狀態(tài)下正常工作,真空狀態(tài)下微波傳播速率相對空氣狀態(tài)下僅變化0. 029%[1]。對于易揮發(fā)性氣體和惰性氣體,導波雷達液位計的測量均沒有影響。但若被測介質處于湍流狀態(tài),或有大量泡沫時,對微波信號的衰減,應引起足夠的重視。當介質的相對介電常數(shù)小到一定值時,雷達波的有效反射信號衰減過大,導致液位計無法正常工作,因此被測介質的相對介電常數(shù)必須大于儀表所要求的***小值。

一般情況下,Eclipse 705 導波雷達液位計對安裝無特殊要求,它具有螺紋和法蘭兩種安裝方式,實際上都是頂部安裝,如圖2所示。其變送器具有快速拆長度就是設計要求的測量范圍。

為了提高儀表的測量精度,應注意以下幾個問題: 一是導波桿應與設備的進液口保持一定的距離; 二是儀表盡量避免用于具有強烈流體運動的場合; 三是根據(jù)被測介質、工況條件和所要求的測量范圍,選擇合適的導波桿,導波桿可在現(xiàn)場進行適當?shù)那懈睢?/p>

無須任何標定、啟動或維護,只要將儀表測量所需的數(shù)據(jù)輸入,完成組態(tài),就可準確地進行儀表測量。它所需要的主要數(shù)據(jù)為:

測量單位 選擇測量單位(厘米或英寸)

儀表型號 選擇使用的儀表型號

連接方式 選擇儀表連接方式,法蘭或螺紋

導波管長度 準確輸入導波管的長度

偏移量 以導波管頂端為參考點時,輸入0.0

介電常數(shù) 選擇被測介質的介電常數(shù)范圍

零點設定 輸入0%液位距離參考點的高度

量程設定 輸入100%液位距離參考點的高度

儀表數(shù)據(jù)的輸入既可用變送器操作面板的按鍵,也可通過HART275 手操器輕易完成組態(tài)。但應注意,零點和量程的組態(tài)需考慮導波桿頂端和底端的測量死區(qū)。死區(qū)是指無法測量或測量精度降低的區(qū)域,儀表的測量范圍應在兩個死區(qū)之間。

  經(jīng)過幾年的應用,總結出導波雷達液位計測量的優(yōu)點是: 適用范圍廣,液位計不受設備形狀的影響; 也不受介電常數(shù)、溫度、壓力及密度等條件變化的影響,可測量介電常數(shù)在1. 4 ~ 100. 0( 空氣的介電常數(shù)是1. 0) 之間的幾乎所有的液體或漿體,又可測量介電常數(shù)或比重變化復雜工況情況下的介質; 測量長度無須標定,測量結果具有高精度、可重復性、高分辨率,運行穩(wěn)定可靠,有多種探頭類型和材質可供選擇,數(shù)字化顯示可供選擇,維護量少,可很好地用于石油化工設備中烴類及其他介質液位的測量。存在的主要問題有: 須考慮儀表防腐,液位計表頭與電極桿的連接插針多選用的是銅質,尿素等介質多含有氨氣,極易將插針腐蝕,影響儀表的正常測量。因此,在使用中應做好儀表的防腐。