雷達液位計在復雜工況下的各種選型的優點和局限性及應用

 

隨著工業自動化技術的不斷提升，石化裝置對于工藝參數的測量要求也隨之提高，而液位測量在工藝參數測量中占據了十分重要的地位。

 

在液位測量中，就地液位計的選擇相對較少，常用的有磁浮子液位計、玻璃板液位計等。而在遠傳液位計的選型中，由于工藝介質種類繁多，液位計的測量原理不同等因素，設計選型差異較大，故要求儀表設計人員必須對工藝流程、物料特性等十分了解，同時清晰地認識到沒有一種液位計能夠適應全部的工況。

 

２０世紀８０年代隨著軍用雷達技術民用化，工業自動化領域液位測量有了一次質的飛越。雷達是利用雷達波探測目標的電子設備，雷達發射雷達波對目標進行照射并接收其回波，由此獲得目標至雷達波發射點的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。計量級雷達液位計在罐區使用較多也比較成熟，但是生產過程中，雷達液位計在使用、選型乃至產品系列等方面存在參差不齊的問題，造成對于雷達液位計的評價褒貶不一。

 

筆者結合某復合肥項目中液位計的選型、現場使用及改造情況，總結分析了雷達液位計在復雜工況下的應用，方便設計人員在相同或類似的工況液位計選型時參考。

 

１雷達液位計簡介

１．１雷達液位計原理

雷達液位計是基于雷達波發射和反射接收來判斷物位的測量儀表。按照發射信號種類分為脈沖雷達和調頻連續波雷達兩大類。脈沖雷達是基于時域反射法（ＴＤＲ）進行測量，即雷達天線發出高頻脈沖雷達波，雷達波以光速傳播，當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返回到脈沖發射裝置，發射裝置與被測介質表面的距離同脈沖在其間的傳播時間成正比，經計算得出液位的高度。

 

調頻連續波雷達是基于調頻連續波（ＦＭＣＷ）的頻率差進行測量，即雷達使用同步調頻技術，發射器和接收器安裝在頂部，發射器向液面發射頻率經過線性調制的微波信號，當微波信號向下傳播到液面后被反射回接收器時，由于時間延遲，發射信號的頻率發生改變，通過接受到的反射波與發射波的頻率差，計算出雷達波通過的距離。一般來說，調頻范圍越大測量距離越遠，線性度越好，分辨率越高。

 

１．２雷達波的波段

微波是指頻率在３００ＭＨｚ～３×１０３ＧＨｚ范圍的雷達波，其相應的波長從０．１ｍｍ至１ｍ。該段雷達頻譜包括分米波（頻率范圍為３００ＭＨｚ～３ＧＨｚ）、厘米波（頻率范圍為３～３０ＧＨｚ）、毫米波（頻率范圍為３０～３００ＧＨｚ）和亞毫米波（頻率范圍為３００～３×１０３ＧＨｚ）四個波段。

 

市面上常見的雷達為６ＧＨｚ，２６ＧＨｚ以及zui近兩年出現的８０ＧＨｚ。６ＧＨｚ雷達波長為５０ｍｍ，２６ＧＨｚ雷達波長為１１ｍｍ，均為厘米波雷達，屬于工作在厘米波波段探測的微波雷達。８０ＧＨｚ雷達波長為４ｍｍ，屬于工作在毫米波波段探測的毫米波雷達。

 

２項目情況分析

２．１工藝簡述

生石灰粉末與５０％硝酸銨溶液混合后發生復分解反應生成硝酸銨鈣及氨氣，將硝酸銨溶液加工成硝酸銨鈣復合化肥，反應方程式如式（１）～（２）所示：

ＣａＯ＋Ｈ２Ｏ=Ｃａ（ＯＨ）２（放熱反應）（１）

２（ＮＨ４ＮＯ３）＋Ｃａ（ＯＨ）２=２ＮＨ３＋Ｃａ（ＮＯ３）２＋２Ｈ２Ｏ（２）

 

硝酸銨和氫氧化鈣二者反應之后，會有刺激性氣味的氣體產生。常壓復分解反應操作條件：溫度為８５℃，表壓為－５～－１０ｋＰａ。為了使得硝酸銨溶液和生石灰粉末充分反應，同時保證生石灰粉末不進入反應尾氣組分當中，還要防止反應氣體竄入加料段，采用加隔板并保持液封的辦法。

 

２．２液位計選型分析

設計過程中液位計選型主要根據如下幾個要點：１）反應釜液位具有一定復雜性，在反應過程中需要攪拌升溫加熱，過程中液體不同位置密度

存在一定差異，液體對罐壁的壓力未必能正確反應液封的真實高度。

２）反應過程中介質隨著反應與攪拌的速度密

度不斷變化，每段的密度不同。

３）測量介質在反應釜中以黏度較高的漿料狀態存在，采用旁通管引出可能會發生沉淀或者堵塞等情況。

４）反應過程中產生的氨氣與水蒸氣一并自反應釜抽出。

 

上述選型：

要點１）和２）限制了雙法蘭、差壓式液位變送器、浮筒液位計、磁致伸縮液位計、磁翻板液位計的使用；

要點３）則限制了帶旁通管的導波雷達液位計和捆綁式磁致伸縮液位計的使用；

要點４）是否會影響雷達液位計的測量將是個亟待解決的問題。

 

此外，放射性液位計由于投資、存放、業主方顧忌使用等方面原因未列入選擇范圍。經與工藝專業技術人員反復探討，選出如下方案：

 

雙法蘭液位變送器加密度補償；引出旁通管加沖洗水；非接觸式雷達液位計。但是前兩個方案對于測量液封的效果和準確性都略差。zui終經與工藝專業及儀表生產廠家技術人員溝通，雖然反應產生的氨氣是極性氣體分子，它可能會吸收雷達波，溫壓變化將引起氣相層相對介電常數的變化，雷達波在高溫高壓的水蒸氣或其他極性分子氣體中傳播的速度會明顯降低等情況出現。設計人員認為氨氣在抽出氣中濃度較低，溫度壓力都比較低，多方考慮下，設計zui終選用了２６ＧＨｚ的非接觸雷達，天線型式為喇叭口。目前發現不適合用２６ＧＨｚ雷達測量的介質有：液氨、氯乙烯、氯甲烷、氟利昂。

 

２．３現場實際情況反饋

在開車的階段該液位計運行正常，能夠準確測量并指示液封的位置。這就證明了在該種工況下氨氣及水蒸氣沒有明顯影響雷達液位計的測量，設計思路及選型是正確的。

 

裝置運行一段時間后現場反饋，由于現場位于中國西北部，晝夜溫差較大，造成雷達在一個周期內有１～２次跳變。當儀表工到現場拆法蘭對喇叭口進行擦洗處理后，讀數恢復正常。在雷達的喇叭口內外壁也有明顯的結垢層，當雷達發射天線有結垢層或雷達天線有蒸汽聚集成液滴時，液位的讀數會跳變。金屬喇叭被冷凝和粘附，影響測量；同時金屬喇叭在該工況下也會被腐蝕。

 

設計人員在裝置停車后到現場準備改造方案，發現反應釜筒體及封頭的掛料及糊料現象嚴重，可以看到氣相側糊料層基本能夠達到２０ｍｍ

以上，在攪拌桿及上部筒體zui厚處能夠達到５０ｍｍ。在現場取樣分析設備上部的氣相結垢層為：２０％Ｃａ（ＯＨ）２，４０％ＣａＯ，此外還有４０％不易分析的其他雜質。

 

２．４問題分析

經與工藝、現場儀表技術人員溝通以及對工藝流程的探討分析，zui有可能造成結垢層的原因如下：

１）由于須保證硝酸銨完全反應，生石灰投入量大于硝酸銨溶液量，兩者反應過程劇烈，反應產生的氨氣和反應熱形成的水蒸氣上升過程中，會產生一定數量的泡沫，部分未完全反應的生石灰以及反應中的熟石灰、硝酸銨鈣等被氨氣泡沫、水蒸氣等帶至設備上部，生石灰附著在罐壁、雷達法蘭短管、雷達天線處，這些物質與水反應，在放熱反應的影響下被逐漸烘干，形成結垢，將這些部位包裹起來，隨著反應的進行，附著層逐漸加厚，從而影響雷達波的發射和接收。

 

２）攪拌槳轉速較快，加上生石灰與硝酸銨的反應劇烈，液體碰到罐壁濺起的溶液附著在罐壁、雷達法蘭短管、雷達天線處，隨著運行時間變長并逐漸加厚。

 

２．５改進方案

設計人員到了現場先檢查雷達液位計安裝的位置和方式，排查了電纜的敷設，分支電纜、主電纜及接地線的連接，均符合標準規范，排除了現場電機及其他電氣設備對信號的干擾。

 

２．５．１第一次試驗

為解決攪拌濺起的液體附著，將雷達液位計法蘭短管長度增加４００ｍｍ，通過圖１可以計算出雷達的波束角α能夠避開設備壁的干擾，這樣雷達液位計的喇叭口不再伸出法蘭短管。

 

圖１中雷達波照射范圍寬度Ｗ的計算如式（３）所示：

為防止氣流及泡沫攜帶物附著，在新增法蘭短管處增加氮氣吹掃，即將氮氣吹向雷達天線處，在法蘭短管特別是雷達液位計天線處形成微正壓，罐內為負壓狀態，這樣氣流及泡沫無法進入法蘭短管，保證了雷達天線的潔凈。

 

改造完成后現場反饋測量效果不佳，通過回波曲線看出，雜波較多回波較弱。

２．５．２第二次試驗

經過與業主、液位計廠商技術人員進一步探討，首先筆者通過與不同的現場及收集到廠家的資料，目前發現不適合用８０ＧＨｚ高頻雷達測量的介質：丙酮、液氨、氯乙烯（ＶＣＭ）、氯丙烯、氯甲烷、氟利昂、丙烯、液態二氧化硫、溴丙烷；這些數據基本得到行業的認可，也可供讀者參考，于是將２６ＧＨｚ雷達更換為８０ＧＨｚ高頻雷達，同時雷達天線由喇叭口天線修改為塑封天線，適應短管較長的雷達天線安裝。這也是當時的一套備用方案?，F場再次開車后反饋測量效果良好，液位基本平穩沒有出現跳變情況，業主認可改造成功。

 

3、高中低頻雷達應用分析

３．１波長

 

雷達波長的計算公式如式（４）所示：

ｃ＝λf（４）

式中：ｃ———光速；λ———波長；f———雷達波的頻率。

 

根據公式（４）可知頻率越低，波長越長，頻率越高，波長越低。在人們的通常認知中，波長越長，遇到障礙，可通過漫反射等繞過障礙，因此抗干擾能力越強，波長越短，越容易被反射。從波長角度分析，低頻雷達在測量泡沫時可通過漫反射等繞過泡沫，從而獲得較好的液位測量結果，這里的泡沫是指工業泡沫，若在洗滌劑、剃須泡沫、啤酒泡沫等中，雷達波將被完全封鎖。

 

３．２波束角

波束角α計算如式（５）所示：α＝ｃ／Ｓｆ（５）

式中：Ｓ———天線有效面積。

 

由式（５）可知，α與天線有效面積和頻率成反比，在天線有效面積不變的情況下，波束角與頻率成反比。

 

低頻雷達波束角非常大，例如６ＧＨｚ雷達波束角在１５°以上，２６ＧＨｚ雷達波束角在８°至１０°左右，８０ＧＨｚ雷達波束角在３°左右。在同等能量狀態下，波束角越小，能量越集中，在泡沫工況下，雷達波穿透泡沫的能力越強，回波能量也就越大，信號穩定性就越好。低頻雷達波束角大，對設備內件要求嚴格，而高頻雷達波束角小，受法蘭短管、罐壁及干擾物的影響小。

 

因此從波束角角度分析，高頻雷達在泡沫工況下測量效果更好。

 

３．３動態范圍

動態范圍是指雷達所檢測到的回波的zui強信號與zui弱信號之間的差值。２６ＧＨｚ的動態范圍在９６ｄＢ之內，８０ＧＨｚ的動態范圍在１２０ｄＢ。動態范圍越大，檢測微弱信號的能力越強，適用性越好。由于動態范圍為對數關系，８０ＧＨｚ的動態范圍是２６ＧＨｚ動態范圍的１０００倍左右，因此回波檢測能量更強。

 

雷達液設計具有動態算法專利技術，該專利技術能契合該工況的攪拌和罐內小空間多障礙物的難點，便于干擾回波的識別。

 

３．４精度和分辨率

時間是一種連續的模擬量，在物理學上的定義只能被無限近似切割，所以時域反射法是一種模擬技術，只能提供較低的測量精度，基于該原理的液位計的制造成本相對較低。調頻連續波雷達基于頻率測量，頻率是一種數字量，能夠被準確切割和計量，這是一種數字化技術，能夠提供良好的測量精度和穩定的輸出信號。

 

從技術分析，低頻雷達（６ＧＨｚ，２６ＧＨｚ）一般為時域脈沖雷達，高頻雷達（８０ＧＨｚ及以上）一般為調頻連續波雷達。

 

因此從測量精度角度分析，高頻雷達在泡沫工況下測量效果更好。

 

綜上所述，高頻雷達具有波束角小，能量方向性好，抗粉塵及泡沫干擾能力強，因此測量本文所述裝置類型的泡沫，高頻雷達將更具優勢。當然由于現場工況復雜惡劣，僅是塑封天線可能長時間運行雷達天線上會積累結垢，水汽、凝液等，增加了吹氣的手段后，可以減輕結垢物、水汽影響，天線無需定期清理，基本實現了免維護。

 

4、結束語

本文僅是針對該裝置的復雜和特殊性，做出的選型改造方案，雖然zui終使用了高頻雷達液位計取得了改造的效果，并不能代表高頻雷達適用所有的工況，僅說明高頻雷達有一定的優越性。本文提供了一個分析思路和工作流程，所以儀表設計人員需要根據工藝條件，熟悉工藝流程還需要熟悉儀表產品的性能，緊密結合現場及時跟進現場反饋，才能選擇優異的選型和解決方案，作出zui優的設計方案。