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三畅80GHZ雷达液位计在保险粉精馏蒸发器上的应用

作者: 来源: 发布时间:2020-05-27 09:17:26

        在化工生产尤其是密闭容器中的液位测量,一直是企业攻关的课题之一,液位计测量的准确性与稳定性,是液位计选型的重要考核依据。本文针对雷达液位计在保险粉残液蒸发过程中液位探测存在的问题进行讨论,并提出解决方案。 

 
引言
        随着工业自动化水平的飞速发展 , 传统的液位测量装置由于其固有的缺点已无法适用现代工业生产的需求。雷达液位计是一种利用微波而实现的液位测量仪,用于对储罐、缓冲罐、稳波管、旁通管中的液体、颗粒、浆料的物位进行非接触式测量,具有不受温度、压力、惰性气体和蒸汽影响、不受被测介质物理特性变化影响等优点,近年来在电力、石化、冶金、化工等领域得到了广泛应用。
 
1. 液位测量方式和雷达液位计原理
        测量液位的方法很多种,zui常用的是差压和静压测量,但是它们容易受到被测介质密度的影响;音叉测量只能做开关量,不能实时监测;浮筒受密度影响大,因为结构原因,量程很小;放射性测量辐射大,对人体有伤害。而雷达液位计摈弃了上述仪表的缺点,广泛应用于石油化工、电厂等行业。
 
        雷达液位计是基于时间行程原理的测量仪表,该测量仪表通过天线系统向被测介质表面发射雷达波,介质表面反射雷达波信号 , 随后被天线系统接受,测量仪表利用雷达脉冲所需要的运行时间和输入的容器高度可以计算出料位。
 
        非接触式雷达技术具有测量精度高、测量稳定、不接触被测介质等特点 , 测量过程既不会受到介质的波动性的影响 , 也不会受到不断出现的过程条件 , 如温度、压力、密度、泡沫,或严重起尘的影响。
 
2. 雷达液位计的技术特点:
        1. 雷达液位计采用一体化设计,没有可以活动的部件,因而不存在机械磨损,只要选型适当,使用寿命长。
        2. 适用范围广,雷达液位计能够对球罐、卧罐、柱形罐、圆锥形罐等的液位进行测量;
从罐体功用来说,能够对储罐、缓冲罐、微波管、旁通管中的液位进行丈量;从被测介质来说,能够对液体、颗粒、浆料等进行测量。
        3. 雷达液位计测量时发出的雷达波不需要传输媒介,不受大气、蒸汽、槽内挥发雾气的影响;
        4. 不会受到操作槽罐内液体的密度、浓度等物理特性的影响;
        5. 只要选取合适的材料,抗腐蚀能力强,能适应腐蚀性很强的环境;
        6. 具有虚假液位回波抑制的功能,通过虚假回波抑制液面到天线的虚假回波信号,排除虚假回波的干扰;
        7. 雷达液位计没有测量盲区,精度可以做的很高。目前已经有计量级的雷达投入到贸易结算;
        8. HART 或 PROFIBUS-PA 通 信 协 议及基金会现场总线协议,标定简便、通过数字液晶显示轻松实现现场标定操作,通过软件GDPF 实现简单的组态设定和编程。
 
3. 精馏残液蒸发器液位测量现状及存在问题
3.1 雷达液位计选用背景及结构
        雷达液位计的安装有比较严格的要求 , 按照石油化工仪表安装设计规范(SH/T 3104-2000)有以下几点:
        1. 测量液位的场合,宜垂直向下检测安装;
        2. 测量料位的场合,微波的波束宜指向料仓底部的出料口;
        3. 微波的波束中心距离容器壁的距离应大于由束射角、测量范围计算出来的zui低液位处的波束半径;
        4. 微波的波束途径应该避开容器进料流束的喷射范围;
        5. 微波的波束途径应避开搅拌器及其他障碍物。
        此外,浮顶式罐体和具有观测管的球形罐体,通常使用导波管,主要是为了消除有可能因为容器形状而导致多重回波产生的干扰影响,或是在测量相对介电常数较小的介质时用来提高反射回波能量。安装时应使液位计位于导波管的中心,导波管的焊缝应处理成光滑无毛刺,并且清除铁锈或杂质,以确保测量精度。
 
        公司于 2013 年新上一套年产 10 万吨保险粉装置。保险粉的化学名:低亚硫酸钠、连二亚硫酸钠,因能使染好的布的颜色褪去而使布能重新染色,故而俗称保险粉。保险粉的工艺较为复杂,共分为合成、干燥、中和、尾气、精馏残液、二氧化硫、甲酸钠、冷冻等八个主要工序,整个装置生产采用 DCS 控制,仪表检测控制回路近 3000 点,液位测量有 300 多点,其中有相当一部分选用的是雷达液位计。
 
        经过 5 年多的运行,其中绝大部分运行良好,测量准确。但其中保险粉精馏残液一效和二效蒸发器的雷达液位计使用效果不是很好,经常出现示值不正常跳动,严重影响残液蒸发效果。经过长期跟踪观察,发现保险粉精馏残液蒸发器的液位测量设计之初,由于残液的特殊性,只能选用雷达液位计。安装时选用的是24GHz 和 26GHz 脉冲原理的产品。蒸发器的内部结构比较独特,容器顶部在雷达液位计安装下部有一个 1200mm *φ150mm的延长管,同时距离罐顶 1000mm 的位置有一层金属隔网(隔网的作用是将蒸发时产生水蒸汽中可能夹带的残液捕集下来,避免夹带到后工序,影响正常生产),延长管穿过这层隔网,其结构如下图 1 所示
蒸发器雷达液位计示意图
3.2 低频雷达液位计存在的问题
        早 期 的 雷 达 液 位 计(K-BAND24, 或26GHZ)由于频率低、波束角度小和反应时间滞后等因素,在一些特殊工况中测量效果不太理想。
3.2.1 残液结晶粘附
        在生产过程中发现蒸发器内残液蒸发的水蒸汽夹带物料结晶粘附在雷达天线上,同时雷达发射的雷达波不能很好地穿过 1200mm延长管,形成干扰回波,如图 2 所示。
3.2.2 残液泡沫吸收能量
        经过加压塔和常压塔双塔精馏后,保险粉残液进入一效蒸发器和二效蒸发器,在蒸汽加热过程中产生大量泡沫,厚度约 300mm-500mm,泡沫吸收雷达的能量,导致液位信号严重衰减甚至完全回收不到液位信号,如图2 所示。
泡沫、结晶影响雷达液位计测量工作示意图
上述问题严重干扰到残液蒸发器液位正常测量(如图 3 所示),影响精馏固化工序正常生产。
再泡沫、结晶作用下蒸发器雷达液位计DCS曲线示意图
4. 蒸发器雷达液位计升级改造
        针 对 这 种 工 况, 公司选用秒速快三登录厂zui新产品SCLD-GP80 高 频(W-BAND 80GHz)连续调频原理的雷达液位计取代过去使用的 24Ghz 和 26Ghz 脉冲原理的雷达产品,该产品采用独特的内置密封的透镜天线结构,具有高聚焦和高动态范围及反应时间快等特点。
 
4.1 高聚焦
        雷达液位计的发射波束角的大小反映了其聚焦能力的强弱,发射角的大小和天线有效截面积和频率有关,其公式如下:发射角 α= 光速 /(天线有效截面积 *频率)
 
        从上式中可以看出,发射角 α 与雷达天线截面积和发射频率成反比,在天线截面积不变的情况下,发射频率越高,其发射角就越小。发射角越小,其聚焦能力就越强,从而雷达回波就越强,信号也就越稳定。
4.2 高动态范围
        雷达液位计的动态范围是指液位计所能检测到的回波的强信号与弱信号之间的差值。发射频率为 26GHz 的雷达波,其动态范围一般在 96dB 之内,而 80GHz 的雷达波,其动态范围zui高可以达到 120dB。动态范围越大,说明其检测微弱信号的能力就越大,其适用性就越广。
5. 高频雷达液位计使用效果
        80GHz 高 频 SCLD-GP80上 述 两个特点很好地克服容器内的蒸汽在天线上和管内形成严重的结露和结晶,同时选用DN150PTFE 封装的安装法兰,3°雷达波发射角,结合 120dB 的高动态范围,信号能很轻松地穿透延长管和泡沫,得到稳定的液位信号,在实际测量中取得了良好的效果,如图 4所示。
改用80HZ雷达液位计后,雷达波克服结晶并穿透泡沫层准确到达液位
6. 结语
        80GHz 高频雷达液位计SCLD-GP80在保险粉精馏残液蒸发器液位测量上的成功应用,解决了困扰多年的技术难题,为后期实现保险粉精馏残液全自动控制创造了条件。

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