引言

         在現代石油化工和煤化工生產過程中，污水排放和治理成為環保體系的重要環節，為了降低污水排放量，減少企業成本，準確可靠地測量污水液位，實現自動化控制，污水池液位檢測技術在化工企業中顯得越來越重要。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。雷達液位計是采用雷達波技術進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，會通入蒸汽進行加熱 ；造粒外污水池為擠壓機地排水，造粒外污水池液位過高時，會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，此雷達液位計長期在污水池液位表面有泡沫、蒸汽、霧氣大的環境下使用，頻繁出現測量偏差大、死值、滿量程現象，經與多個廠家技術交流，并對其他煤化工企業進行調研后，對污水池液位計進行改造，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

         雷達液位計是一種一體化型儀表，其結構由脈沖發射/ 接收器、天線、信號處理器、顯示報警單元組成，可實現就地顯示和遠程傳輸信號，精確度高，廣泛應用于石油化工、煤化工、水泥等行業中生產工況條件惡劣、環境條件較差、易燃易爆場所 [1]。

 

1.1 雷達液位計的測量原理

         雷達液位計采用發射—反射—接收的工作模式。雷達液位計采用高頻振蕩器作為雷達波發生器，發生器產生的雷達波用導波管將它引至發射天線并向下輻射。當雷達波遇到被測對象表面，如液體液面時，部分被吸收，部分被反射回來，再被天線接收。通過檢測發射波與反射波的時間，再經過液位計內智能處理器進行信號放大、分析處理計算，zui終得出液位的高度 [2]。

 

         雷達波從發射到接收的時間與發射端到液面的高度成正比，關系式如下 ：D=C×?T/2（1）

 

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

 

         如圖 1 中所示，液位高度 H 的表達式為 ：H=L-D（2）

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

 

1.2 雷達液位計的特點

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

 

         1）雷達液位計的雷達波具有良好的定向輻射性，在傳輸過程中受火焰、灰塵、煙霧及強光的影響極小，可以用來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，無可動部件，不接觸介質，不存在機械磨損，使用壽命長。

         3）測量準確度不受被測介質的溫度、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，zui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，可以對球罐、臥罐、柱形罐、圓柱椎體罐等的液位進行測量 ；從被測介質方面說，可以對液體、顆粒、漿液等的液位進行測量。

         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

         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，還會通入蒸氣進行加熱，污水池內污水溫度范圍是 20℃～ 40℃，池內會產生大量的水蒸汽，水蒸汽上升到頂端雷達液位計的喇叭口處，會凝結成大量的水珠，水珠會長時間存留在喇叭口頂端的輻射天線處和喇叭口內壁上。水珠會使發射端發出的雷達波產生大面積的折射，雷達波未按直線方向輻射至污水池內，導致液位測量出現較大的偏差，當水汽集聚過多時，液位計會出現滿量程現象，嚴重影響對污水池液位的控制。

         有的污水池內會有大量泡沫，泡沫會吸收和擴散雷達信號，因此嚴重影響回波的反射甚至沒有回波。當被測介質表面為稠而厚的泡沫時，測量誤差較大或無法測量。

 

2.3 雷達液位計發射端喇叭口冷凝液的產生原因

         污水池中的液態水在冰點以上溫度時，不停息地蒸發成水蒸汽。在寒冷的冬季，環境溫度低于污水的溫度，氣化后的水蒸汽在上升過程中，遇冷空氣會重新液化，即形成了極細小的水滴，也就是常說的霧氣。當霧氣到達雷達液位計喇叭口處時，喇叭口溫度與環境溫度相近，溫度過低時，會使霧氣繼續凝結，zui終形成水珠附著在發射端喇叭口處。當水珠過多時，就形成了大量的冷凝液。

 

3、VEGAFLEX 61導波雷達液位計

         介于 FMR240 雷達液位計的缺點，經與多個廠家技術交流，并對其他煤化工企業進行調研后，對污水池液位計進行改造，zui終采用 VEGAFLEX 61 系列帶鋼纜的導波雷達液位計，如圖 3 所示。

3.1 VEGAFLEX 61導波雷達液位計的原理

         導波雷達液位計同樣是依據發射—反射—接受為基礎進行測量的，液位計發出的雷達波以光束的形式沿鋼纜進行傳播。當雷達波遇到被測介質表面時，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射裝置，介質的介電常數越高，反射越顯著 [3]。發射裝置與被測介質表面的距離與雷達波從發射到接收的傳導時間成正比，經計算得出液位高度。

3.2 VEGAFLEX 61導波雷達液位計優點

VEGAFLEX 61 導波雷達液位計除了具有一般雷達液位計的優點外，還具有如下獨特的優點 ：

         1）雷達波沿導波鋼纜傳播，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影響。由于雷達波不通過空氣傳播，因而霧氣不會引起信號衰減 ；VEGAFLEX 61 的雷達波穿透性極強，泡沫也不會對信號進行散射而損失能量。

         2）可測量多種不同介質。測量介質包括液體、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。VEGAFLEX 61 導波雷達液位計輸出到導波探頭的信號能量非常小，約為常規雷達發射能量的 10%，起到節能減排的效果。

         4）穩定性高。VEGAFLEX 61 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題，在使用過程中能實現免維護的效果。

         5）調試過程簡單明了，穩定性高，使用壽命長。

 

3.3、VEGAFLEX 61導波雷達液位計技術要求

         VEGAFLEX 61 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代表液位計發射端的基準面（過程接頭的密封面）；L 代表測量探頭總長度 ；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。

         VEGAFLEX 61 導波雷達液位計與介質接觸的部件采用不銹鋼材質制成，鋼纜底部重錘長度為 100mm，直徑為20mm。由于鋼纜采用不銹鋼材質，在污水池中長期監測不會出現銹蝕現象，使用壽命大大提升。

 

         鋼纜測量探頭在運行時因污水液位的浮動，會導致鋼纜左右擺動，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，計算鋼纜的長度，進行剪切固定。為保證液位計在水蒸汽環境下長期有效地運行，將液位計安裝在儀表保護箱內。

 

3.4 VEGAFLEX 61導波雷達液位計安裝及調試過程

3.4.1 VEGAFLEX 61雷達液位計的安裝過程

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

         2）VEGAFLEX 61 導波雷達液位計安裝位置避開污水進口處，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，將探頭周圍障礙物清除，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射端上方螺紋處安裝 2"、150#法蘭片，保溫箱下方開一直徑 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，這樣鋼纜不會因接觸保溫箱壁導致測量偏差。

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

         5）儀表格蘭頭將信號線鎖緊，做好防水、防爆措施，信號線進線口處采用向下彎曲的方式將多余信號線纏成直徑 D=100mm 的圓圈，這樣當水蒸汽落在信號線上時，不會沿信號線進入儀表外殼內。

         6）將信號線屏蔽電纜層固定在液位計外殼內部的接地端子上。

         7） 再次檢查信號線連接無誤、無接地現象后，給儀表送電，啟動液位計。

3.4.2 VEGAFLEX 61導波雷達液位計調試過程

         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）選擇探頭總長度，探頭總長度既可以手動輸入，也可以讓傳感器系統自動測量，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，則需將探頭總長度截成 7m。

         3）確定探頭類型，選擇纜式 4mm 重錘型，如圖 5 所示。

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

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

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

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

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

         9）對電流輸出方式進行選擇，選擇 4mA ～ 20mA。

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

         11）確認檢查儀表指示無問題，并與 DCS 畫面顯示一致后，投用儀表，清理現場。

4 改造效果

         聚烯烴裝置 4 個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、滿量程的現象，改用 VEGAFLEX 61 導波雷達液位計后，經過長期的觀察，再未出現維修狀況，如圖 9 所示。完全實現免維修目標，使儀表維護工作效率達到了預期效果。

5 總結

         VEGAFLEX 61 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 VEGAFLEX 61 導波雷達液位計，能夠有效地減少后期維護率，為裝置長期平穩地運行提供更有力的保障。