引言

在現代石油化工和煤化工生產(chǎn)過(guò)程中，污水排放和治理成為環(huán)保體系的重要環(huán)節，為了降低污水排放量，減少企業(yè)成本，準確可靠地測量污水液位，實(shí)現自動(dòng)化控制，污水池液位檢測技術(shù)在化工企業(yè)中顯得越來(lái)越重要。液位的測量方式很多，針對不同的測量原理，有靜壓式、恒浮力式、變浮力式、超聲波式、雷達式等幾種常用液位計。雷達液位計是采用電磁波技術(shù)進(jìn)行測量的物位檢測儀表，它作為一種非接觸式的物位儀表，廣泛應用于化工行業(yè)中，尤其是污水液位檢測系統中。

 

某煤化工聚烯烴裝置共有 4 個(gè)污水池，分別是聚乙烯精制雨排水污水池、聚乙烯造粒污水池、聚丙烯回收雨排水污水池、聚丙烯造粒污水池，污水池深度均為 6m，污水溫度為 20℃～ 40℃。精制區污水池主要為雨排水，在冬季為防止污水結冰，會(huì )通入蒸汽進(jìn)行加熱 ；造粒外污水池為擠壓機地排水，造粒外污水池液位過(guò)高時(shí)，會(huì )將污水導入回收精制區污水池。污水池原設計安裝的是 4 臺 E+H 雷達液位計，此雷達液位計長(cháng)期在污水池液位表面有泡沫、蒸汽、霧氣大的環(huán)境下使用，頻繁出現測量偏差大、死值、滿(mǎn)量程現象，經(jīng)與多個(gè)廠(chǎng)家技術(shù)交流，并對其他煤化工企業(yè)進(jìn)行調研后，對污水池液位計進(jìn)行改造，消除泡沫和蒸汽冷凝液對液位計的干擾。

 

1 雷達液位計原理及特點(diǎn)

雷達液位計是一種一體化型儀表，其結構由脈沖發(fā)射/ 接收器、天線(xiàn)、信號處理器、顯示報警單元組成，可實(shí)現就地顯示和遠程傳輸信號，精que度高，廣泛應用于石油化工、煤化工、水泥等行業(yè)中生產(chǎn)工況條件惡劣、環(huán)境條件較差、易燃易爆場(chǎng)所 [1]。

 

1.1 雷達液位計的測量原理

雷達液位計采用發(fā)射—反射—接收的工作模式。雷達液位計采用高頻振蕩器作為電磁波發(fā)生器，發(fā)生器產(chǎn)生的電磁波用導波管將它引至發(fā)射天線(xiàn)并向下輻射。當電磁波遇到被測對象表面，如液體液面時(shí)，部分被吸收，部分被反射回來(lái)，再被天線(xiàn)接收。通過(guò)檢測發(fā)射波與反射波的時(shí)間，再經(jīng)過(guò)液位計內智能處理器進(jìn)行信號放大、分析處理計算，#終得出液位的高度 [2]。

 

電磁波從發(fā)射到接收的時(shí)間與發(fā)射端到液面的高度成正比，關(guān)系式如下 ：

D=C×∆T/2

式（1）中，D——雷達液位計探頭到液位表面的距離；C——電磁波傳播速度 300000km/s ；∆T——電磁波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔。

如圖 1 中所示，液位高度 H 的表達式為 ：

H=L-D

式（2）中，L——探頭總長(cháng)度 ；D——雷達液位計探頭到液位表面的距離 ；H—表示實(shí)際液位高度。

 

1.2 雷達液位計的特點(diǎn)

雷達液位計#大的特點(diǎn)是在惡劣條件下功效顯著(zhù)。無(wú)論是有毒介質(zhì)，還是腐蝕性介質(zhì)，也無(wú)論是固體、液體還是粉塵性、漿狀介質(zhì)，它都可以進(jìn)行測量。在測量方面，具有以下特點(diǎn) ：

1）雷達液位計的電磁波具有良好的定向輻射性，在傳輸過(guò)程中受火焰、灰塵、煙霧及強光的影響極小，可以用來(lái)連續測量腐蝕性液體、高粘度液體和有毒液體的液面 [1]。

2）雷達液位計采用一體化設計，無(wú)可動(dòng)部件，不接觸介質(zhì)，不存在機械磨損，使用壽命長(cháng)。

3）測量準確度不受被測介質(zhì)的溫度、壓力的影響，可用于高溫、高壓的液位測量，在易燃、易爆等惡劣的工況下仍能應用。

4）測量范圍大，#大的測量范圍可達 0m ～ 100m。

5）雷達液位計使用范圍廣，從罐體形狀方面說(shuō)，可以對球罐、臥罐、柱形罐、圓柱椎體罐等的液位進(jìn)行測量 ；從被測介質(zhì)方面說(shuō)，可以對液體、顆粒、漿液等的液位進(jìn)行測量。

6）雷達液位計具有故障報警及自診斷功能。根據操作顯示模塊提示的錯誤代碼分析故障，及時(shí)確定故障予以排除，使維護校正更加方便、準確，保障儀表的正常運行。

 

2 原雷達液位計的設計

2.1 E+H FMR240雷達液位計

某煤化工聚烯烴裝置污水池液位計原設計為 FMR240雷達液位計，此型號液位計不受溫度、介質(zhì)密度的影響，主要用于連續測量液體及固體粉料、粒料及液體料位的智能物位儀表，適用于防爆危險區域。

2.2 FMR240雷達液位計的缺點(diǎn)

污水池從頂部到底部的高度均為 6m，在春秋冬季，為防止污水結冰，還會(huì )通入蒸氣進(jìn)行加熱，污水池內污水溫度范圍是 20℃～ 40℃，池內會(huì )產(chǎn)生大量的水蒸汽，水蒸汽上升到頂端雷達液位計的喇叭口處，會(huì )凝結成大量的水珠，水珠會(huì )長(cháng)時(shí)間存留在喇叭口頂端的輻射天線(xiàn)處和喇叭口內壁上。水珠會(huì )使發(fā)射端發(fā)出的電磁波產(chǎn)生大面積的折射，電磁波未按直線(xiàn)方向輻射至污水池內，導致液位測量出現較大的偏差，當水汽集聚過(guò)多時(shí)，液位計會(huì )出現滿(mǎn)量程現象，嚴重影響對污水池液位的控制。有的污水池內會(huì )有大量泡沫，泡沫會(huì )吸收和擴散雷達信號，因此嚴重影響回波的反射甚至沒(méi)有回波。當被測介質(zhì)表面為稠而厚的泡沫時(shí)，測量誤差較大或無(wú)法測量。

 

2.3 雷達液位計發(fā)射端喇叭口冷凝液的產(chǎn)生原因

污水池中的液態(tài)水在冰點(diǎn)以上溫度時(shí)，不停息地蒸發(fā)成水蒸汽。在寒冷的冬季，環(huán)境溫度低于污水的溫度，氣化后的水蒸汽在上升過(guò)程中，遇冷空氣會(huì )重新液化，即形成了極細小的水滴，也就是常說(shuō)的霧氣。當霧氣到達雷達液位計喇叭口處時(shí)，喇叭口溫度與環(huán)境溫度相近，溫度過(guò)低時(shí)，會(huì )使霧氣繼續凝結，#終形成水珠附著(zhù)在發(fā)射端喇叭口處。當水珠過(guò)多時(shí)，就形成了大量的冷凝液。

3 SC-LD33導波雷達液位計

介于 FMR240 雷達液位計的缺點(diǎn)，經(jīng)與多個(gè)廠(chǎng)家技術(shù)交流，并對其他煤化工企業(yè)進(jìn)行調研后，對污水池液位計進(jìn)行改造，#終采用SC-LD33系列帶鋼纜的導波雷達液位計，如圖 3 所示。

3.1 SC-LD33導波雷達液位計的原理

導波雷達液位計同樣是依據發(fā)射—反射—接受為基礎進(jìn)行測量的，液位計發(fā)出的電磁波以光束的形式沿鋼纜進(jìn)行傳播。當電磁波遇到被測介質(zhì)表面時(shí)，雷達液位計的部分脈沖被反射形成回波并沿相鋼纜返回至脈沖發(fā)射裝置，介質(zhì)的介電常數越高，反射越顯著(zhù) [3]。發(fā)射裝置與被測介質(zhì)表面的距離與電磁波從發(fā)射到接收的傳導時(shí)間成正比，經(jīng)計算得出液位高度。

 

3.2 SC-LD33導波雷達液位計優(yōu)點(diǎn)

SC-LD33 導波雷達液位計除了具有一般雷達液位計的優(yōu)點(diǎn)外，還具有如下好特的優(yōu)點(diǎn) ：

1）電磁波沿導波鋼纜傳播，可消除虛假回波信號 [3]，對水蒸汽、霧氣和泡沫有很強的抑制能力，霧氣和泡沫對測量無(wú)影響。由于電磁波不通過(guò)空氣傳播，因而霧氣不會(huì )引起信號衰減 ；SC-LD33 的電磁波穿透性極強，泡沫也不會(huì )對信號進(jìn)行散射而損失能量。

2）可測量多種不同介質(zhì)。測量介質(zhì)包括液體、固體、顆粒及粉料等，且不受介電常數、溫度、壓力及密度等條件變化的影響，可測量介電常數在 1.4 ～ 100.0（空氣的介電常數是 1.0）的幾乎所有的液體和漿體。

3）能耗低。SC-LD33 導波雷達液位計輸出到導波探頭的信號能量非常小，約為常規雷達發(fā)射能量的 10%，起到節能減排的效果。

4）穩定性高。SC-LD33 導波雷達液位計是比較成熟的一款儀表，不存在機械部件損壞問(wèn)題，在使用過(guò)程中能實(shí)現免維護的效果。

5）調試過(guò)程簡(jiǎn)單明了，穩定性高，使用壽命長(cháng)。

 

3.3 SC-LD33導波雷達液位計技術(shù)要求

SC-LD33 導波雷達液位計與帶喇叭口雷達液位一樣，計算測量范圍時(shí)需要減掉上部測量盲區和下部測量盲區，如圖 4 所示。圖 4 中，①代表液位計發(fā)射端的基準面（過(guò)程接頭的密封面）；L 代表測量探頭總長(cháng)度 ；E 表示測量范圍 ；N1 表示上部塊距離（上部測量盲區）；N2 表示下部測量盲區。

E=L-（N1+N2）   (3)

 

SC-LD33 導波雷達液位計與介質(zhì)接觸的部件采用不銹鋼材質(zhì)制成，鋼纜底部重錘長(cháng)度為 100mm，直徑為20mm。由于鋼纜采用不銹鋼材質(zhì)，在污水池中長(cháng)期監測不會(huì )出現銹蝕現象，使用壽命大大提升。鋼纜測量探頭在運行時(shí)因污水液位的浮動(dòng)，會(huì )導致鋼纜左右擺動(dòng)，對測量結果造成誤差。因此，在鋼纜重錘下方加裝一法蘭片，重錘下方正中央有一螺絲口，可以直接與做好的法蘭連接。

 

根據安裝位置和污水池的深度，計算鋼纜的長(cháng)度，進(jìn)行剪切固定。為保證液位計在水蒸汽環(huán)境下長(cháng)期有效地運行，將液位計安裝在儀表保護箱內。

 

3.4 SC-LD33導波雷達液位計安裝及調試過(guò)程

3.4.1 SC-LD33雷達液位計的安裝過(guò)程

1）在拆除原 E+H 液位計前，在機柜間內對儀表進(jìn)行斷電處理，將信號線(xiàn)正負極分別斷開(kāi)，以便后期更換完信號線(xiàn)后進(jìn)行絕緣測試。

2）SC-LD33 導波雷達液位計安裝位置避開(kāi)污水進(jìn)口處，聚丙烯回收雨排水污水池、聚丙烯造粒污水池和聚乙烯造粒污水池液位計安裝在中間位置 ；聚乙烯精制雨排水污水池液位計因是露天的，所以液位計安裝在距離污水池壁 400mm 處，將探頭周?chē)�障礙物清除，固定儀表保護箱的支架選用 40mm×40mm 鍍鋅角鋼。

3）在導波雷達液位計發(fā)射端上方螺紋處安裝 2"、150#法蘭片，保溫箱下方開(kāi)一直徑 D=50m 的圓孔，先將導波鋼纜放在中間位置，然后將法蘭片固定在保溫箱內，這樣鋼纜不會(huì )因接觸保溫箱壁導致測量偏差。

4）更換儀表到接線(xiàn)箱之間的信號線(xiàn)，信號線(xiàn)采用1mm×2mm×1.5mm 阻燃本安電纜，穿線(xiàn)管選用 DN20 鍍鋅鋼管，鍍鋅鋼管采用螺紋連接方式連接。敷設完信號線(xiàn)后，用搖表對信號線(xiàn)進(jìn)行絕緣測試，測試電壓 500VDC，測試時(shí)間 60s，絕緣電阻應≥ 20MΩ。

5）儀表格蘭頭將信號線(xiàn)鎖緊，做好防水、防爆措施，信號線(xiàn)進(jìn)線(xiàn)口處采用向下彎曲的方式將多余信號線(xiàn)纏成直徑 D=100mm 的圓圈，這樣當水蒸汽落在信號線(xiàn)上時(shí)，不會(huì )沿信號線(xiàn)進(jìn)入儀表外殼內。

6）將信號線(xiàn)屏蔽電纜層固定在液位計外殼內部的接地端子上。

7） 再次檢查信號線(xiàn)連接無(wú)誤、無(wú)接地現象后，給儀表送電，啟動(dòng)液位計。

3.4.2 SC-LD33導波雷達液位計調試過(guò)程

1）選擇儀表單位“m”，應工藝要求，在顯示屏顯示值項選擇液位計顯示屏顯示單位為“%”。

2）選擇探頭總長(cháng)度，探頭總長(cháng)度既可以手動(dòng)輸入，也可以讓傳感器系統自動(dòng)測量，如聚丙烯回收精制區污水池深度為 6m，污水池頂部混凝土厚度為 0.2m，保溫箱高度為0.8m，則需將探頭總長(cháng)度截成 7m。

3）確定探頭類(lèi)型，選擇纜式 4mm 重錘型，如圖 5 所示。

4）選擇介質(zhì)類(lèi)型和介質(zhì)特性，由于是測量污水池液位，所以選擇介電常數＞ 10 的含水介質(zhì)，如圖 6 所示。

5）選擇液位#大設定值，即污水池液位為 100% 時(shí)探頭從基準面（過(guò)程接頭的密封面）沿鋼纜到液面的距離，如圖 7 所示。

6）選擇液位#小設定值，即污水池液位為 0% 是探頭從基準面（過(guò)程接頭的密封面）沿鋼纜到底端重錘的距離，如圖 8 所示。

7）輸入阻尼時(shí)間，為保證儀表趨勢圖能平滑有序，將阻尼時(shí)間調整為 2s。

8）線(xiàn)性化調整，由于污水池是立方體結構，污水池容量與高度成線(xiàn)性關(guān)系，因而選擇線(xiàn)性“Linear”。

9）對電流輸出方式進(jìn)行選擇，選擇 4mA ～ 20mA。

10） 參 數 設 定 完 成 后， 對 回 路 進(jìn) 行 調 試， 取 4mA、8mA、12mA、16mA、20mA 5 個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行上行程和下行程調試。

11）確認檢查儀表指示無(wú)問(wèn)題，并與 DCS 畫(huà)面顯示一致后，投用儀表，清理現場(chǎng)。

4 改造效果

聚烯烴裝置 4 個(gè)污水池在冬季寒冷季節，水蒸汽大幅度增加，污水池表面出現大量泡沫，導致液位計測量值出現偏差大、死值、滿(mǎn)量程的現象，改用 SC-LD33導波雷達液位計后，經(jīng)過(guò)長(cháng)期的觀(guān)察，再未出現維修狀況，如圖 9 所示。完全實(shí)現免維修目標，使儀表維護工作效率達到了預期效果。

5 總結

SC-LD33導波雷達液位計采用不銹鋼纜繩探頭，能有效地消除污水池內霧氣大、水蒸汽大、泡沫多等干擾因素對液位測量的影響。在有水蒸汽、霧氣、泡沫、氣泡較多的污水池和儲罐中使用 SC-LD33導波雷達液位計，能夠有效地減少后期維護率，為裝置長(cháng)期平穩地運行提供更有力的保障。