导波雷达液位计-苯乙烯生产中常见问题解决办法

摘要：通过分析导波雷达液位计在苯乙烯装置使用中存在的问题,有针对性地提出了解决办法。

  导波雷达液位计以导波杆( 缆) 结构作为传输介质,具有信号损耗小、回波质量高及能耗损失低等诸多优点,测量效果不受真空、密度变化、压力变化、剧烈的空气流动及剧烈的温度变化等影响,同时对粉尘环境和挥发性液体的气相成分、物料表面的波动、泡沫和障碍物相对不敏感[1],还可测量界位。基于上述诸多优势,导波雷达液位计在环保、化工、石油、食品、医药、造纸、水处理、电力、水泥、煤粉及塑料等领域或行业应用广泛。

  苯乙烯的生产过程具有高真空及易聚合等特点,为此,陕西延长石油( 集团) 有限责任公司延安炼油厂苯乙烯装置在储罐及塔器等液位测量的设计中,大量采用导波雷达液位计来实现相关液位的较准确测量。但是,导波雷达液位计在苯乙烯装置使用中存在一些问题,笔者在仔细分析原因之后,有针对性地提出了解决办法。

  雷达液位计采用时域反射原理( Time Domain Reflectometry,TDR) ,电磁脉冲以光速沿钢缆或导波杆( 缆) 传播,当遇到被测介质表面时,部分脉冲被反射形成回波并沿相同路径返回到脉冲发射装置,发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比,进一步计算发射脉冲和回波脉冲的时差就能得到发射电路到该介质接触点的距离[2,3]。行程时间原理( TOF) : 发射出一个机械波或电磁波,该波以波速C进行传播,波在介质表面被反射,接收反射波,测量运行时间T, 计算接收中心与反射表面的距离D = T × C /2。

  导波雷达液位计采用TDR原理与等效时间采样( Equivalent Time Sampling,ETS) 技术,测量发射与反射脉冲之间的时间差,通过等效时间采样技术将纳秒级的传导时间放大为毫秒级,采用优化的识别算法进行处理,对虚假回波进行有效抑制和屏蔽,从而达到测量的目的。

  常见的回波法液位仪表有: 超声波物位计、非接触雷达及导波雷达等。

  超声波是机械波,机械波在传播过程中会受到传播介质稳定程度的影响。引起空气波动的因素很多,如粉尘、气浪、蒸汽及料流等,同时会降低回波质量,致使液位计很难识别出有效回波,直接影响测量效果。超声波在现场应用时要考虑被测介质的空间状态和表面状态,当粉尘及气浪等现象严重时,建议用低频超声波物位计。

  Radar一词来源于无线电探测和测距( Radio Detection and Ranging) ,因非接触式雷达物位计发射和接收的是电磁波,相比超声波液位计有诸多优点,即精度高且使用范围广等,而且发射与接收均不与测量介质接触; 高频电磁波易于长距离传输,可测量大量程; 测量不受液面上部空间气相条件变化的影响。雷达液位计发射和接收高频 ( GHz) 电磁波,通过计算发射波和回波时间进行液位测量,与超声波液位计相比优点突出: 超声波液位计声纳所发出的声波是一种通过大气传播的机械波,大气成分会引起声速的变化,如液体蒸发汽化会改变声波的传播速度,从而引起超声波液位测量的误差,电磁波可在气体介质中传播,并且气体的波动变化不影响电磁波的传播速度,故雷达液位计就有了更加广泛的应用空间。

  导波雷达液位计则弥补了雷达测量液位中的缺陷,雷达液位计 + 导波杆( 缆) = 导波雷达液位计,导波雷达液位计多了一个能定向集中传输电磁波的导波体,为信号至液面往返传输提供了一条高效通道,导波雷达输出到探头的信号能量非常小,约为常规雷达发射能量( 1. 0MW) 的10% ( 约0. 1MW)[4],信号衰减保持在***小程度,因而不能用于测量介电常数很低( 小于1. 4) 的液体。 此外由于导波雷达耗能小,采用回路供电而不是单独的交流供电,从而节省了安装费用。普通雷达为非接触式测量,导波雷达为接触式测量,这样就意味着导波雷达更需要考虑介质的腐蚀性和粘附性,而且过长的导波雷达缆绳安装和维护相对困难。测量固体物料时,导波雷达还要考虑导波杆( 缆) 的受力情况,也是由于受力的原因一般用导波雷达的测量距离不会很长。在一些特殊工况导波雷达有明显优势,如罐内有搅拌且介质波动大的工况,用底部固定的导波雷达测量要比变通雷达稳定; 还有小罐体内的物位测量,由于安装测量空间小( 或罐内干扰物较多)[5],一般普通雷达不适用,这时导波雷达的优势就显现出来了; 还有低介电常数的工况,无论雷达还是导波雷达测量原理都是基于介质介电常数的差别,由于普通雷达发射的波是发散的,当介质介电常数过低时,信号太弱测量不稳定,而导波雷达波是沿导波杆 ( 缆) 传播信号的,因而相对稳定; 另外一般的导波雷达还有底部探测功能,导波雷达液位计可以根据底部回波信号修正测量结果,使信号更为稳定准确。

在导波雷达的应用中,***好能通过专门的组态软件完成组态和分析,比如E + H的Field Care或Rosemount的Radar Master,通过分析回波曲线,能够直观检查雷达液位计的工作状况。

陕西延长石油( 集团) 有限责任公司延安炼油厂苯乙烯装置污油罐上安装导波雷达液位计后,一直存在液位波动大的问题。起初排查问题的焦点一直在参数的设置上,可是多次调整相关参数而问题仍未得到彻底解决。通过观察该雷达的回波曲线,发现雷达液位计导波杆( 缆) 末端有强烈的正向回波信号,如图1所示,并且在安装法兰侧存在异常的参考回波,经分析这就是导致导波雷达液位计不能正常工作的原因。

图1 改变安装方式前的回波曲线

问题找到后,对该仪表的安装短管进行了扩径,由原来的DN40mm改为DN80mm,异常参考回波信号消失。对于底部异常正向回波,是因为导波雷达液位计末端与容器内伴热盘管相接触, 产生了信号接地,致使雷达波与容器存在信号短路,从而产生强烈的正向回波,在与工艺确认后, 将导波雷达液位计的导波杆( 缆) 截短,调试投运后的回波曲线如图2所示,回波曲线达到理想状况,罐体液位指示准确。

图2 改变安装方式后的回波曲线

导波雷达液位计接收到的信号有些是容器内障碍物或多次回波产生的杂波,这些杂波信号也会随着液位的变化而变化,从而产生虚假液位,如图3所示。

图3 调整回波阈值前的回波曲线

这些干扰或杂波信号可以通过干扰波信号阈值进行剔除,适当调整回波阈值,将回波阈值抬升至实际液位回波信号强度的一半左右,以消除和屏蔽杂波干扰,保证真实液位信号能够被识别出来,如图4所示。

图4 调整回波阈值后的回波曲线

  电磁波在穿越空气和液体时,其传播速度会发生变化,这就使得在回波曲线图中看到的导波杆( 缆) 的末端长度会比实际长度要长,即存在末端偏移量( End of Probe-shift,EOP-shift) ,如图5所示。利用这一现象,即使回波信号很微弱,物位L也可通过末端回波信号 ( EOP-signal) 的计算得到,使导波雷达的应用更加广泛[6]。在EOP-shift和物位之间存在如下关系:

  其中末端回波斜率EOP-slope( End of Probeslop) 是一个与介质介电常数 ε 有关的量 ( ε = ( EOP-slope + 1)2) 。若物位信号和EOP-signal可以被检测到,那么EOP-slope就可以不间断地重复计算,当回波消失时物位就可以通过式( 1) 计算得到。

图5 末端回波信号计算原理

  导波雷达液位计常被应用于低介电常数场合 ( 如液化气) ,低介电常数介质产生的回波信号也比较弱,在存在杂波和干扰波的信号中检出正确的液位回波就要困难些,应用基础的回波定位法测量液位[7]有时就难以实现,通过改变回波阈值也起不到作用,此时就可以考虑应用底部回波算法来解决。如图6所示,箭头所指为真实液位的回波,导波雷达液位计很难从回波中找到真实液位,液位曲线呈跳变状态,测量无法进行,在应用底部回波算法后,该问题迎刃而解,底部回波算法使导波雷达具有了一种冗余测量物位的方法,达到了高度的可靠性和安全性。

图6 应用底部回波算法的回波曲线

  尽管导波雷达液位计具有较强的信号处理和分辨功能,能从大量的杂散波中分辨出真实的液位信号,但当用于复杂安装环境时( 如设备内存在构件、泡沫和粉尘) ,对其实际工作性能会有影响,因此在安装时需特别注意。对导波雷达波形识别算法的改进和优化,使得导波雷达液位计在工业生产中发挥了重要的作用。