導波雷達液位計在汽包液位測量中的應用

覃玉姣

(東華工程科技股份有限公司，合肥230000)

蒸汽汽包是石油化工、發電等工業過程中的重要設備，保持液位穩定是保證汽包安全運行的重要條件。帶氣相自動補償GPC(Gas Phase Compensation)的導波雷達液位計克服了差壓式液位計、浮筒液位計、電接點液位計的缺點，維護量小，測量準確可靠。

1 汽包液位測量的現狀

目前，從汽包液位測量的基本原理來看，廣泛應用的主要是基于連通管式(靜壓)和差壓式兩種原理[1]。汽包液位測量的儀表主要有差壓式汽包液位計、浮筒液位計和導波雷達液位計等儀表[2]。

1) 差壓式汽包液位計。差壓式汽包液位計測量原理是通過把液位高度的變化轉換成差壓的變化來測量液位，這種轉換是通過平衡容器形成參比水柱實現的，其準確測量液位的關鍵是液位與差壓之間的準確轉換。差壓式汽包液位計的優點是精度和穩定性高、運行中故障率低、維護量小，但這種測量方式的誤差與汽包壓力和參比水柱溫度有關，需要進行汽包壓力校正，且補償計算復雜，此外還應考慮平衡容器溫度變化造成的影響[3]。

2) 浮筒液位計。浮筒液位計是基于浮力原理工作的[4]。當液位在0位時，扭力管受到浮筒重力產生的扭力矩最大，扭力管轉角處于0°。當液位逐漸上升至最高時，扭力管受到浮力產生扭力矩，轉過一個角度，變送器將該角度轉換成4～20mA直流信號，該信號正比于被測量液位。這種測量方式介質的密度變化會對測量精度造成影響，受到機械振動也會造成讀數不準確[5]。

3) 電接點液位計。電接點液位計屬于連通管式液位計[6-7]，原理是利用在鍋爐水中的電極對筒體阻抗小而在蒸汽中的電極對筒體的阻抗大的特性來測量液位。高壓鍋爐的鍋爐水電導率一般要比飽和蒸汽的電導率大數萬到數十萬倍，因而電接點液位計指示值受汽包壓力變化的影響較小，能方便地遠傳液位信號，但是有取樣傳感器可靠性較差、電機機械密封易泄漏、電極使用壽命短、指示不連續、有一定的維修量的缺點。

綜上所述，由于汽包液位測量對象的復雜性，實際運行中的不確定因素和較大的測量誤差，導致汽包液位計的測量常有較大的偏差。導波雷達液位測量是一種全新的測量技術，克服了差壓式、浮筒式、電接點等液位測量儀表的缺點，是一種全新的液位測量設備。

2 導波雷達液位計測量原理及其特點

2.1 測量原理

導波雷達液位計是依據時域反射原理(TDR)為基礎的雷達液位計[8-9]，電磁脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播，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并沿相同路徑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，經計算得出液位高度。

2.2 特 點

導波雷達液位計的優點是接觸式測量，信號穩定，測量不受液體密度和電氣特性的影響，無維護量等。但是，導波雷達液位計在測量高溫高壓液體時，由于空氣的極化，測量值會產生很大偏差，且測量參考點(法蘭)與測量介質表面的距離越大，由此產生的系統誤差越大。

1) 測量精確。介質的密度和介電常數變化以及霧和泡沫對測量均無影響，同時介質在導波體上的沉積和污垢對液位測量的影響極小，這是由于信號在波導體中傳輸不受液面波動和儲罐中的障礙物等的影響，儀表所接受到的反饋信號相應較強，而且返回信號中檢出的干擾雜散信號極小，只需檢測電磁波的傳輸時間即可，無需信號的處理和辨別，因此對汽包液位測量精確。

2) 測量與調校方便。由于電磁波是恒定的，編程組態時，只需現場輸入量程等有關參數，不需要任何遷移來改變儀表量程和現場標定，大幅提高了調校儀表的效率。

3) 安裝成本低且維護方便。導波雷達液位計耗能小，采用兩線制傳輸方式大幅節約了安裝成本，同時探頭與變送器之間的快速萬向接頭使安裝更為簡便，更利于以后的檢修維護。

3 導波雷達液位計選型及安裝方式和安裝要求

3.1 選 型

導波雷達液位計是靠探頭發射電磁波，因此探頭的選擇是導波雷達液位計選型的重要部分，其對液位計的基本性能也有重要的影響。導波雷達液位計的探頭有桿式、同軸式以及纜繩式三種類型。通常選用桿式探頭或同軸式探頭。當測量范圍較大(一般量程大于2m)時，由于運輸和安裝不便，建議采用纜式探頭。導波雷達液位計可安裝在導波管或者旁通管中，但導波管制造過程中內部的焊疤、毛刺等干擾會引起測量波動和誤差，而使用同軸式探頭則不受安裝條件限制，可測大多數液化氣體，可用在低介電常數(εr>1.4)場合。

3.2 安裝方式及安裝要求

導波雷達液位計的安裝，必須綜合考慮安裝要求、容器特性和過程連接等因素[10]。導波雷達液位計的安裝方式應用較多的主要有兩種： 頂置安裝和側式安裝，安裝方式如圖1所示。

圖1 導波雷達液位計測量裝置安裝方式示意

導波雷達液位計兩種安裝方式安裝時應注意[11]： 安裝時要保證導波雷達與罐壁需有適當的距離；避免儀表探頭下方有明顯的障礙物，阻礙探測波順利到達被測介質表面；不要將導波桿安裝在進料口附近，以免探頭照射范圍內出現料流；探頭與設備底部要有一定距離。

4 FMP54導波雷達液位計的應用

某裝置汽包液位的測量選用了E+H公司推出的新型FMP54導波雷達液位計，該液位計通過了高溫水(HW)和低溫水(LW)容器的限制設備認證，符合EN12952-11和EN12953-9(TüV 認證)標準。該液位計在普通的導波雷達液位計基礎上采用GPC功能技術，提高了導波雷達液位計在高溫高壓環境中的精度和可靠性。

4.1 GPC技術

在高溫高壓條件下，電磁波信號在介質上方的蒸汽中(極化介質)的傳播速度會降低，此時雷達測得的液位值將減小。選用帶氣相自動補償的導波雷達，導波雷達在與法蘭間(測量參考點)的距離范圍內產生參考反射，沿桿式探頭變化。在常溫常壓下，電磁波在補償參考端以及液位反射面有兩個反射回波，此時測量準確，此時進行參考距離(測量參考點至參考桿的距離)標定。高壓狀態時，由于氣體的極化效應，此時實測距離(測量參考點至液面的距離)與液位實際值有了較大偏差。如果不做補償，那么測量值會有較大誤差。通過轉換參考反射，對測量值進行補償，計算公式為： 補償距離=參考距離×(實測距離/實測距離)，可以得到一個準確的實際液位值。

4.2 導波雷達液位計結構特點

FMP54導波雷達液位計結構如圖2所示，該結構具有以下特點：

圖2 FMP54結構示意

1) 陶瓷及石墨密封材料在高溫高壓環境下不會發生脆化(與玻璃不同)。

2) 陶瓷填充材料使得導波雷達液位計長期在高溫高壓環境下依然具有良好的絕緣效果。

3) 第二道防護玻璃氣密饋通，可耐受70MPa壓力，保證在第一道密封因外力損壞后，高溫高壓或有毒氣體不會泄漏到環境中。

4) 全焊接結構，保證高溫環境下耐壓的可靠性。

5) 氦氣檢測保證密封的可靠性。

6) Al2O3和Kalrez密封圈確保氣密饋通的長期穩定性。

4.3 應 用

該鍋爐裝置汽包是產汽系統的主要部分，利用轉化爐煙氣段的高溫熱量和爐出口轉化氣高溫余熱，產出10.5MPa 高壓蒸汽，一部分作為工藝上的配汽參與反應，另一部分外送至高壓蒸汽管網，實現熱能的綜合利用，提高裝置的運行效率。由于傳統測量不能很好地滿足測量要求，有必要選用其他產品進行替代。由于汽包對于鍋爐裝置的重要性，測量汽包液位共設計使用了三種測量儀表： FMP54導波雷達料位計、普通導波雷達液位計、差壓式液位計。由圖3可知，通過實例測量，在高溫時，普通導波雷達(不帶GPC)測量誤差高達18%，帶GPC時，測量誤差僅2%，帶GPC導波雷達液位計在高溫下測量數據比較穩定、真實。所以，帶GPC的導波雷達技術與先進信號處理技術的完美組合，使得帶GPC導波雷達液位計成為蒸汽和湍流沸騰工況下液位測量的理想解決方案。

圖3 三種儀表測量數據比較示意

5 結束語

帶GPC導波雷達液位測量儀表在許多復雜環境中使用時，各項性能優于其他類型的液位測量儀表，且不受工藝條件的限制，具有維護量小、調校方便、性能可靠的優點，在工業生產領域將得到廣泛的應用。

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