PTA装置雷达液位计假液位故障分析与控制

介绍了雷达液位计的测量原理及特点,以及雷达液位计在精对二甲酸(PTA)装置对二甲苯(PX)储罐液位测量中的应用,分析了雷达液位计液位测量时产生假液位的原因,并提出了相应的改进措施。结果表明:PX储罐内蒸汽在竖直壁面上冷凝而形成17~26 mm的液滴,因液滴尺寸大于雷达液位计发射波波长(12 mm),雷达发射波遇到液滴时产生反射回波,导致假液位的产生;选择频率为6 GHz,波长为50 mm的低频雷达液位计,将雷达天线由喇叭形改为直杆式,同时将PX储罐内温度由16~40℃提高至30~42℃,可有效避免PX储罐竖直壁面液滴产生的反射回波,控制雷达液位计假液位的产生;改进后的雷达液位计假液位故障明显减少,由改进前3次/d减少到改进后的(1~2)次/a,为PTA装置安全稳定运行提供了保障。

  精对苯二甲酸( PTA) 是一种重要的有机化工原料,主要应用于化纤、包装材料及建筑材料等行业,目前PTA主要采用对二甲苯( PX) 空气氧化法生产,包含PX氧化和TA加氢精制两个单元[1]。PTA装置的控制系统包括温度、压力、液位、流量等,其中液位控制非常重要。传统液位测量仪器有人工检尺、浮子液位计、差压液位计以及伺服液位计等[2],这些液位测量仪部件与介质接触,容易受到系统的温度、压力、介质的影响,测量部件比较容易损坏,发生故障率较高。雷达液位计是一种非接触式测量仪表,受温度、压力、介质等工况条件影响非常小[3],且安装、操作简单,维护方便,适用范围较广。近几年,PTA生产企业开始逐步采用雷达液位计来替代一些传统液位计进行液位测量。

  600 kt / a PTA装置液位控制系统共有雷达液位计约30 台,可是在某些液位控制点,出现雷达液位计测量失准。常见故障为: 现场检尺或伺服液位计指示液位平稳,无波动,而雷达液位计指示液位在35% ~ 80% 波动,即产生假液位,假液位对工艺过程控制产生了不利的影响。PX是生产PTA的主要原料,PX储罐直接与氧化反应器相连,所以PX储罐的液位控制极为重要。作者以PTA装置PX储罐液位测量为例,分析雷达液位计产生假液位的主要原因,并且提出相应的改进措施,消除干扰因素,确保液位控制系统正常运行,以保证PTA装置安全稳定生产。

  雷达液位计主要由电子控制元件和天线组成。雷达液位计的测量原理是利用微波( 电磁波) 从发射到返回的时间行程来测量液位,是近年来发展迅速的一种新的液位测量仪器。雷达液位计又分为脉冲微波雷达液位计和调频连续波雷达液位计。脉冲雷达液位计是通过天线发射某一固定频率的脉冲微波,遇到被测物料表面产生反射,天线接收到反射的回波信号并传输给电子线路,雷达系统识别出脉冲微波在物料表面所产生的回波,并根据从发射脉冲信号到反射的回波信号被接收到的时间差,计算出实际的液位。调频雷达液位计天线发射的微波是频率可以被线性调制的连续波,当反射的回波被天线接收到时,微波频率已经改变,发射波与回波的频率差正比于测量基准点到液面的距离,以此计算出液位高度。

  PTA装置中主要采用脉冲雷达液位计,雷达液位计用于储罐液位测量的测量原理见图1,其中E表示空罐高度,F表示满罐高度,D是雷达测量参考点到介质液面的距离,L表示待测液位。

图1 雷达液位计测量示意Fig. 1 Schematic diagram of radar level gauge measurement 

1—雷达液位计;2—介质入口;3—PX罐;4—介质;5—介质出口

雷达的电磁波在空气中的传播速度( c ) 为3 × 10m / s,若雷达液位计从发射信号到接收从液面反射的回波信号的时间差为t ,则有:

由E和D可以计算出L ,见式( 2) :

根据电磁波的传播原理,电磁波在空气中的c是一定的,与大气压力、温度无关,不受测量空气环境影响; 并且电磁波的c 、频率( f ) 以及波长( λ) 存在下列关系:

因此,雷达发出的微波f不同时,其 λ 是不同的,f越高的微波其 λ 越短。

雷达液位计的主要特点是: 采用微波测量技术,不受测量环境的温度、压力以及介质蒸气的影响; 非接触式测量,不存在磨损问题,也不需要太多维护; 通常安装在储罐的顶部,操作简单方便,使用安全,可应用于不同介质的液位测量。

PX储罐原来采用的雷达液位计为西门子Sitrans LR-250 型,属于2 线制高频型脉冲雷达液位计,工作频率为25 GHz,功率为5 W,适用温度为- 20 ~ 200 ℃ ,适用压力0 ~ 3 MPa,采用喇叭形天线,***大量程为20 m,测量精度为3 mm。Sitrans LR-250 型雷达液位计可以连续测量储罐中的液体或浆料的液位,可以适用于高温高压,容易产生蒸气的液体,以及较低介电常数物料的液位测量,并且对于容器内的障碍物不敏感。储罐中PX的物性参数: 冷凝点为138. 3 ℃,凝固点为13. 3 ℃,介电常数为2. 5。罐内温度16 ~ 40 ℃,压力为常压,罐外环境温度- 8 ~ 40 ℃。

Sitrans LR-250 型雷达液位计在刚开始使用的前半年,出现测量误差的概率较低,随着使用时间渐长,开始出现测量误差。例如,在测量PX储罐液位时,雷达液位计测量显示液位较高( 假液位) ,而同时采用伺服式液位计( 接触式) 测量的液位却较低,假液位故障严重时导致PX料打不出来,并造成氧化反应器连锁停止进料,直接影响到生产。尤其在冬季当储罐外环境温度低于15 ℃ 时,雷达液位计显示假液位故障率很高,从每周1 ~ 3 次到每天1 次,***后到每天3 次,***终不能使用。

对于PX储罐,雷达液位计假液位故障出现后,对雷达液位计波的发射和回波接收单元、以及电子控制元件进行检查都没有发现问题,但是,检查完毕重新投用雷达液位计,液位波动( 假液位)现象依然存在。通过现场查看,发现雷达液位计的喇叭天线内表面存在许多小液滴,PX储罐内壁上也有大小不等的许多液滴。

由于PX储罐内正常温度16~40℃,远远低于PX的冷凝点138.3℃,储罐内的PX蒸气会在罐内较冷的竖直壁面上凝结成液体,如果冷凝液体不能完全湿润壁面,就会附在竖直壁面形成许多小液滴。蒸气的不断冷凝和液滴间的相互聚合,使得壁面上的小液滴越来越大,直至受到重力作用,液滴无法继续附着在壁面上而向下滚落,并重复产生液滴的形成、变大和脱落的过程。经初步分析,造成雷达液位计出现测量误差的主要原因就是竖直壁面上的液滴。雷达液位计发出的脉冲信号在遇到壁面上的液滴后,会产生反射回波,由于是同一液体介质产生的回波,在雷达液位计处理系统中无法进行区分,于是就产生了假液位。

假设液体储罐内蒸气在竖直壁面冷凝,形成一个球冠形液滴,如图2 所示,M点为液滴质心,液滴受到的作用力主要为向上的粘附力( F ) ,及向下的重力( G ) ,液体的表面张力( σ ) 方向线与固体壁面之间的夹角称为接触角( θ ) 。从表面热力学角度来看,蒸气冷凝产生的液滴附着在冷的竖直壁面上是一种粘附现象,液滴从竖壁上脱落需要在G的作用下克服F才可以。当液滴半径较小时,重力矩也小,不足以破坏粘附; 当液滴半径增大到超过临界半径即脱落半径( r ) 时,液滴会从壁面向下滚落。对竖壁上液滴进行受力分析,并通过力矩平衡可以推导出液滴的r 。

图2 竖直壁面上液滴受力分析Fig. 2 Force analysis of liquid droplet on vertical wall   下载原图

由图2 可知,球冠形液滴的高度( h ) 可按式( 4) 计算:

液滴的底面临界直径( d ) 可按式( 5) 计算:

液滴脱落所需要克服的总粘附功可以参考文献[4]计算,当总粘附功和液滴的总重力矩相等时,可以推导出平衡状态下液滴的r ,见式( 6) :

式中: ρ 为液体的密度; g为重力加速度。

由式( 6) 可看出,r与液体的 ρ 及 σ ,θ 有关。

查出PX在温度为20,30 ℃ 下的 ρ 和 σ ,通常 θ 为45° ~ 60°,取2 种典型的 θ 为45°,60°,根据式( 6) ,分别计算出液滴在储罐竖直壁面上的r ,d及h ,结果见表1。

表1 液滴在竖直壁面上的临界尺寸Tab. 1 Critical size of liquid droplet on vertical wall   下载原表

从表1 可以看出: 在温度30 ℃、θ 为60°时,液滴r近似为10 mm,液滴d为17 mm; 在保持温度和其他条件不变时,随着 θ 的变小,液滴r变大,d同时也变大,当 θ 为45° 时,液滴d达25mm; 当温度由30 ℃ 降到20 ℃ 时,液滴r ,d都变大,但变化幅度不大。

根据电磁波在空气中的传播原理,电磁波在传播过程中,如果遇到的障碍物尺寸小于或等于其 λ ,就能够发生衍射绕过障碍物,并且电磁波 λ越长,衍射能力越强; 反之,如果电磁波遇到的障碍物尺寸大于其 λ ,就会产生反射回波。Sitrans LR-250 型雷达液位计( f为25 GHz) 发出的高频电磁波,λ 只有12 mm,由表1 可知,PX储罐产生的液滴的d为17 ~ 26 mm,液滴的d远大于雷达发射的 λ ,因此,当雷达发射波遇到粘附在竖直壁面上液滴时,必然产生反射回波,导致假液位,出现较大测量误差。

根据上述分析,雷达液位计产生假液位故障的主要原因是雷达发射波的 λ 小于竖壁面上液滴的d ,发射波遇到竖壁面上的液滴而产生反射回波,导致虚假液位。为此提出以下控制措施来解决假液位问题:

( 1) 降低脉冲雷达液位计发射波的频率。根据电磁波的c与 λ 及f的关系,降低发射波的f ,即增大 λ 。只有当 λ 大于d时,电磁波可以绕开液滴,发生衍射。脉冲雷达液位计按频率通常分为低频段( 6 GHz ) 、中频段( 10 GHz) 、高频段( 25GHz) ,选用f为6 GHz( λ 为50 mm) 的低频雷达液位计,其 λ 远大于PX储罐正常存在的液滴d( 17 ~ 26 mm) ,这样,雷达发射波可以很好地绕过储罐竖壁上的液滴,不产生反射回波,避免假液位的产生。

( 2) 改变雷达液位计天线形式。原来采用的雷达天线为喇叭形,PX罐液滴易粘附在天线的内表面,对雷达液位测量形成“干扰”,导致假液位产生。将雷达天线由喇叭形改为直杆式天线,杆式天线直径小、表面积小,如果有液滴粘附在其上面,只能形成很细小液滴,这些细小液滴不足以对雷达液位测量形成“干扰”。因此,直杆式天线比较适用于易产生冷凝液的应用工况。

( 3) 适当提高测量储罐内温度。由于PX储罐内正常温度16 ~ 40 ℃,远低于PX的冷凝点138. 3 ℃ ,所以,储罐内总是会有PX蒸气在冷的竖壁面上凝结成液滴,尤其是在冬季,PX蒸气的冷凝现象更加明显; 适当给储罐加热,保持储罐内温度在30 ~ 42 ℃,可以减少PX蒸气在竖壁面上的冷凝,从而减少反射回波、假液位的产生。

( 4) 定期检查维护雷达液位计。雷达液位计的检查维护主要是看电源电压和输出电流是否正常; 另外定期检查雷达液位计发射天线上是否有液滴或脏污,必要时拆下液位计,用干净柔软棉布擦干净天线和其他部位。

通过采取上述控制措施,即选择f为6 GHz的雷达液位计,将雷达天线由喇叭形改为直杆式,适当提高测量储罐内温度,定期检查雷达液位计电路系统和擦拭天线等,大大减少了储罐竖壁上的液滴产生的反射回波,控制了雷达液位计假液位的产生。雷达液位计改进前后的有关参数对比见表2。

表2 雷达液位计改进前后的参数对比Tab. 2 Comparison of parameters of radar level gauge before and after improvement    下载原表

实践表明,改进后的雷达液位计投用后假液位故障率明显减少,发生的假液位故障由改进前3 次/ d减少到改进后的( 1 ~ 2) 次/ a,为PTA装置安全稳定运行提供了保障。

a. PX储罐内蒸气在竖直壁面上冷凝而形成的液滴是造成雷达液位计产生假液位的主要原因。原来采用的高频雷达液位计f为25 GHz,发射波 λ 只有12 mm,而PX储罐正常存在的液滴d为17 ~ 26 mm,大于雷达发射波 λ ,因此,当雷达发射波遇到竖直壁面上液滴时,必然产生反射回波,导致虚假液位,出现较大测量误差。

b. 通过采取控制措施,即选择f为6 GHz( λ为50 mm) 的低频率雷达液位计,将雷达天线由喇叭形改为直杆式,同时将PX储罐内温度由16 ~40 ℃ 提高至30 ~ 42 ℃ ,有效避免了PX储罐竖直壁面上液滴产生的反射回波,控制了雷达液位计假液位的产生。

c. 定期检查维护雷达液位计电路系统和擦拭天线等,可以进一步降低出现假液位的概率,保证雷达液位控制系统安全稳定运行。

d. 改进后的雷达液位计投用后假液位故障率明显减少,发生的假液位故障由改进前的3 次/ d减少到改进后的( 1 ~ 2) 次/ a,为PTA装置安全稳定运行提供了保障。