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导波雷达液位计在测量烧碱蒸发罐液位中的应用分析
发表时间：2018-06-16 点击次数：1041 技术支持：1560-1403-222
工业生产领域的检测技术的飞速进步，直接推动了物位测量的自动化水平的提升，在各类工业生产现场，用于物位检测的仪表种类很多，各种物位计、液位计都有着**的应用。导波雷达液位计凭借其优异的产品性能，在许多复杂的工业测量中得到了较普遍的应用，尤其适用于对抗干扰要求高的测量场合。
蒸发工序是氯碱制碱的一个重要工序，在生产过程中对于罐内的液位测量准确与否，是实现烧碱蒸发工序自动出碱的关键所在。因为此工序中的碱液有高温、高浓度、强腐蚀性和易结晶的特点，在蒸发过程中，蒸发罐内易形成固、液、气三相共存的情况，并且碱液长期处于沸腾状态，极易形成虚假液位，给物位仪表的准确检测带来了极大的困难。
某公司年产15万t烧碱装置蒸发工序蒸发罐的液位测量，初采用的是双法兰差压式液位变送器，但由于碱液腐蚀性较强、温度高，长期以来液位不能正常测量，不但不能满足生产需要，而且增加了操作工、仪表工的工作量。而后又试用了多种物位检测仪表，效果皆不尽人意。于是该公司引进了导波雷达液位计，经过多次试验和长期使用，取得了非常好的使用效果，实现了烧碱蒸发工序出碱的自动控制。
本文即是针对于采用导波雷达液位计测量烧碱蒸发罐液位，阐述了导波雷达液位计的测量原理和优点。通过在蒸发工序的实际应用，证明导波雷达液位计在烧碱蒸发工序应用中的可行性和可靠性。
1 导波雷达液位计的测量原理和优点
1.1 测量原理
导波雷达液位计是基于时间行程原理的“俯视式”测量仪表，其测量原理如图I所示。导波雷达液位计在测量从参考点(仪表过程连接处)到被测物料表面的距离时，脉冲发生器产生高频脉冲，高频脉冲注入探头并沿着导波体向下传输，导波体可以是金属硬杆或柔性金属缆绳。当脉冲遇到物料表面时被反射，反射脉冲信号沿导波体传递至接收器，并终送人微处理器中将距离信号转换为物位信号。
图1 导波雷达液位计的测量原理
设c为光速，参考点到被测物料表面的距离
D与脉冲发出到接收所用时问￡成正比：
D=c·t／2
根据已知空罐高度E，则液位￡的计算式如下：
L=E—D
导波雷达液位计主要由发射和接收装置、导波探头、信号处理器、操作面板、显示表头及故障报警等部分构成。导波探头是导波雷达液位计的重要组成部分，在液位计选型时，根据工况的不同选择适宜的导波探头，才能测得准确的液位。导波探头分为杆式、缆式和同轴杆式三大类，不同类型的导波探头有各自的优缺点。杆式适宜测量存在起泡、沸腾表面或形成湍流的介质，对蒸汽和泡沫有很强的抑制力，但不宜应用于太大量程的测量，原因是杆式太长不易运输和安装；缆式适用于大量程的测量，不受量程范围的限制，而且适宜测量粘稠性液体或固体粉末介质；同轴杆式适宜测量液化气和介电常数低的液体。
1.2导波雷达液位计的优点导波雷达液位计除了具有一般雷达液位计的优点外，还具有如下独特的优点：
a.可测量多种不同介质。测量介质包括液体、固体、颗粒及粉料等，且不受介电常数、温度、压力及密度等条件变化的影响，可测量介电常数在1.4—100.0(空气的介电常数是1.0)的几乎所有的液体和浆体¨一。
b.信号稳定、准确。信号在导波探头中的传输不受液面波动和储罐中障碍物的影响，液位计所接收到的返回信号较强，并且导波雷达可根据底部回波信号将测量值加以修正，使信号更为稳定准确。
c.特别适合测量含有蒸汽、雾气和泡沫的介质。雾气和泡沫对测量无影响，由于电磁波不通过空间传播，因而雾气不会引起信号衰减，泡沫也不会对信号进行散射而损失能量旧1。
d.能耗低。导波雷达液位计输出到导波探头的信号能量非常小，约为常规雷达发射能量(1mw)的10％(约0.1mW)，因此采用的是回路供电而不是单独的交流供电，从而极大地节省了安装费用心3。
2 导波雷达液位计与其他液位仪表应用的比较
液位仪表种类繁多，在不同的工况，各类液位仪表各具优势。但是蒸发工序的工况比较复杂，碱液具有高温、高浓度、强腐蚀性且易结晶的特点，导致仪表故障率高、维护量大、使用周期短、在线检修困难。在此种工况下，以往采用的液位仪表类型有：电极式液位开关、双法兰差压式液位变送器及电容式物位计等。电极式液位开关为非连续性液位测量仪表，不能实时监测罐内液位变化的情况，并且电极表面容易结盐，往往测得虚假液位，导致开关阀误动作，非常不利于生产操作；双法兰差压式液位变送器的隔膜片周围易结晶、结盐，致使测量信号严重滞后，不准确；电容式物位计的电极易被碱液腐蚀，导致电极破裂致使测量信号不准确。为解决此类问题，将导波雷达液位计应用于该工序，经过长期实际使用，取得了非常好的测量效果，极大地提高了生产效率。导波雷达液位计是能同时满足高温、强腐蚀及结晶等条件的检测仪表。表1为4种液位仪表使用情况的比较。
3导波雷达液位计在蒸发工序的应用
3.1 烧碱蒸发工序流程简介
氯碱工业是利用电解饱和盐水制取烧碱(氢氧化钠)和氯气并副产氢气的生产过程，其主要工序包括盐水精制、电解、蒸发及产品的精制等。经电解产生的碱液，含有一定量的NaCI和大量的水，需要经过蒸发浓缩并除去NaCl，才可以制得质量符合商品碱要求的产品¨o。我国烧碱蒸发工序的主流工艺是三效顺流，如图2所示。三效顺流是将3个蒸发器串联运行的蒸发操作流程，碱液和蒸汽的流向相同，即都由*先效顺序流至末效。生蒸汽送入*先效加热室，蒸发出的二次蒸汽进入二效的加热室作为加热蒸汽，二效的二次蒸汽又进入第三效的加热室作为加热蒸汽，第三效的二次蒸汽则送至冷凝器全部冷凝。电解液进入*先效，浓缩后依次送人后面各效连续不断地被浓缩，直至浓缩到要求的浓度¨]。
图2 三效顺流蒸发流程示意图
3.2 导波雷达液位计在蒸发罐上的应用
3.2.1 导波探头的选择
蒸发三效顺流工艺中，各效蒸发罐的工况见表2。
表2各效蒸发罐工况
由于蒸发罐液位测量距离为2m，测量距离较短，因此导波探头宜选择杆式。从表2可以看出，蒸发罐内工况的特点是：I效至Ⅲ效的温度、压力依次递减，碱液浓度依次递增。碱液在高温下对许多金属会产生严重的腐蚀，且浓度越高腐蚀性越强，当浓度高于30％，温度高于80℃时，对金属的腐蚀迅速增加，温度越高腐蚀越严重怕。。因此导波探头的材料不能仅选用常规耐腐蚀的金属材料，如304不锈钢。聚四氟乙烯对一切浓度的碱液都有良好的耐腐蚀性，温度可达1900C，并且聚四氟乙烯又耐磨损”1，可以抵御碱液在沸腾时对导波探头的冲刷。因此导波杆的材料选用304不锈钢外衬聚四氟乙烯，既耐腐蚀又耐磨损，满足工况测量需要，提高了液位计的使用周期。导波杆易于拆卸，更换简单，一旦导波杆受损，只需更换导波杆，无需更换整台仪表，从而极大地降低了仪表维修费用。
3.2.2导波雷达液位计的安装
导波雷达液位计的安装形式有两种：
a.顶部直接安装。直接安装在罐直径的1／6～1／4之间的罐顶，探头与罐壁之间的距离至少100mm，安装方式有螺纹和法兰两种可以选择，一般插入到设备内部的导波杆长度，就是设计要求的测量范围。
b.旁通管式安装。导波雷达液位计安装在旁通管上端，旁通管再与容器连接，一般旁通管上下侧接口的中心距离就是设计要求的测量范围。导波管内壁要求光滑，旁通管管径40—100ram。由于蒸发罐是锥形罐，且碱液沸腾，为了避免测量干扰，选择旁通管式安装，旁通管可以聚集反射波使反射信号更强并防止液面波动，因此旁通管式安装测量效果更佳。导波雷达液位计的旁通管式安装如图3所示。
图3 导波雷达液位计的旁通管式安装示意图
3.2.3导波雷达液位计在蒸发自动控制系统中的应用
在蒸发工艺中需要监控的主要参数是各进出口碱液温度、液位和流量∞1。蒸发过程的自动控制是将现场检测的液位、温度及压力等信号送人DCS，然后由DCS中的程序控制系统根据检测信号自动控制阀门的开闭，完成碱液进料、过料、出料和自动出碱的过程。现以蒸发Ⅲ效为例说明通过对液位的自动控制实现自动出碱的过程，Ⅲ效过程控制流程如图4所示。
图4 Ⅲ效过程控制流程示意图
LV一1003A——Ⅱ效过料阀；
LV一1003B——Ⅲ效循环阀；
LV-1003C——Ⅲ效出碱阀
蒸发过程的自动控制步骤如下：
a.当Ⅲ效碱液浓度达到设定的出碱浓度值，
并且Ⅲ效液位高于设定低限值时，打开Ⅲ效出碱阀LV一1003C，成品碱液流向下一道冷却工序进行冷却；同时关闭Ⅲ效循环阀LV-1003B防止碱液回流；同时关闭Ⅱ效向Ⅲ效过料阀LV.1003A，以避免Ⅲ效同时进料和出料。
b.当Ⅲ效碱液浓度达到设定的出碱浓度值，并且Ⅲ效液位低于设定低限值时，Ⅱ效必须强制向Ⅲ效过料，打开Ⅱ效过料阀LV.1003A，防止Ⅲ效因无料发生干烧的情况。
C.在出碱过程中，当Ⅲ效液位低于设定低限值时，停止出碱，即关闭Ⅲ效出碱阀LV一1003C，同时打开Ⅲ效循环阀LV-1003B，再次进料、蒸发、浓缩碱液。
由以上自动控制步骤可见，测得准确的液位值是整个工序能实现自动控制的关键所在。
4 结束语
导波雷达液位计在许多复杂的工况下都能使用，其综合性能优于其他常规液位仪表。蒸发工序操作工初采用观看旁通视镜的原始方法获得蒸发罐的液位高度，在恶劣的现场条件下，给操作工带来许多不安全的因素，而其他液位仪表的使用又不尽人意。在采用导波雷达液位计后，经过多年的使用，证实该类液位仪表不但测量准确而且运行稳定，既减轻了操作工的工作量和仪表工的维护量，又满足了蒸发工序过程自动控制的要求，从而极大地提高了生产技术水平。
上一条：五点要求说明电磁流量计的传感器该正确安装方法
下一条：震动是什么鬼？跟涡街流量计又有何干？
蒸发工序是氯碱制碱的一个重要工序，在生产过程中对于罐内的液位测量准确与否，是实现烧碱蒸发工序自动出碱的关键所在。因为此工序中的碱液有高温、高浓度、强腐蚀性和易结晶的特点，在蒸发过程中，蒸发罐内易形成固、液、气三相共存的情况，并且碱液长期处于沸腾状态，极易形成虚假液位，给物位仪表的准确检测带来了极大的困难。
某公司年产15万t烧碱装置蒸发工序蒸发罐的液位测量，初采用的是双法兰差压式液位变送器，但由于碱液腐蚀性较强、温度高，长期以来液位不能正常测量，不但不能满足生产需要，而且增加了操作工、仪表工的工作量。而后又试用了多种物位检测仪表，效果皆不尽人意。于是该公司引进了导波雷达液位计，经过多次试验和长期使用，取得了非常好的使用效果，实现了烧碱蒸发工序出碱的自动控制。
本文即是针对于采用导波雷达液位计测量烧碱蒸发罐液位，阐述了导波雷达液位计的测量原理和优点。通过在蒸发工序的实际应用，证明导波雷达液位计在烧碱蒸发工序应用中的可行性和可靠性。
1 导波雷达液位计的测量原理和优点
1.1 测量原理
导波雷达液位计是基于时间行程原理的“俯视式”测量仪表，其测量原理如图I所示。导波雷达液位计在测量从参考点(仪表过程连接处)到被测物料表面的距离时，脉冲发生器产生高频脉冲，高频脉冲注入探头并沿着导波体向下传输，导波体可以是金属硬杆或柔性金属缆绳。当脉冲遇到物料表面时被反射，反射脉冲信号沿导波体传递至接收器，并终送人微处理器中将距离信号转换为物位信号。
图1 导波雷达液位计的测量原理
设c为光速，参考点到被测物料表面的距离
D与脉冲发出到接收所用时问￡成正比：
D=c·t／2
根据已知空罐高度E，则液位￡的计算式如下：
L=E—D
导波雷达液位计主要由发射和接收装置、导波探头、信号处理器、操作面板、显示表头及故障报警等部分构成。导波探头是导波雷达液位计的重要组成部分，在液位计选型时，根据工况的不同选择适宜的导波探头，才能测得准确的液位。导波探头分为杆式、缆式和同轴杆式三大类，不同类型的导波探头有各自的优缺点。杆式适宜测量存在起泡、沸腾表面或形成湍流的介质，对蒸汽和泡沫有很强的抑制力，但不宜应用于太大量程的测量，原因是杆式太长不易运输和安装；缆式适用于大量程的测量，不受量程范围的限制，而且适宜测量粘稠性液体或固体粉末介质；同轴杆式适宜测量液化气和介电常数低的液体。
1.2导波雷达液位计的优点导波雷达液位计除了具有一般雷达液位计的优点外，还具有如下独特的优点：
a.可测量多种不同介质。测量介质包括液体、固体、颗粒及粉料等，且不受介电常数、温度、压力及密度等条件变化的影响，可测量介电常数在1.4—100.0(空气的介电常数是1.0)的几乎所有的液体和浆体¨一。
b.信号稳定、准确。信号在导波探头中的传输不受液面波动和储罐中障碍物的影响，液位计所接收到的返回信号较强，并且导波雷达可根据底部回波信号将测量值加以修正，使信号更为稳定准确。
c.特别适合测量含有蒸汽、雾气和泡沫的介质。雾气和泡沫对测量无影响，由于电磁波不通过空间传播，因而雾气不会引起信号衰减，泡沫也不会对信号进行散射而损失能量旧1。
d.能耗低。导波雷达液位计输出到导波探头的信号能量非常小，约为常规雷达发射能量(1mw)的10％(约0.1mW)，因此采用的是回路供电而不是单独的交流供电，从而极大地节省了安装费用心3。
2 导波雷达液位计与其他液位仪表应用的比较
液位仪表种类繁多，在不同的工况，各类液位仪表各具优势。但是蒸发工序的工况比较复杂，碱液具有高温、高浓度、强腐蚀性且易结晶的特点，导致仪表故障率高、维护量大、使用周期短、在线检修困难。在此种工况下，以往采用的液位仪表类型有：电极式液位开关、双法兰差压式液位变送器及电容式物位计等。电极式液位开关为非连续性液位测量仪表，不能实时监测罐内液位变化的情况，并且电极表面容易结盐，往往测得虚假液位，导致开关阀误动作，非常不利于生产操作；双法兰差压式液位变送器的隔膜片周围易结晶、结盐，致使测量信号严重滞后，不准确；电容式物位计的电极易被碱液腐蚀，导致电极破裂致使测量信号不准确。为解决此类问题，将导波雷达液位计应用于该工序，经过长期实际使用，取得了非常好的测量效果，极大地提高了生产效率。导波雷达液位计是能同时满足高温、强腐蚀及结晶等条件的检测仪表。表1为4种液位仪表使用情况的比较。
3导波雷达液位计在蒸发工序的应用
3.1 烧碱蒸发工序流程简介
氯碱工业是利用电解饱和盐水制取烧碱(氢氧化钠)和氯气并副产氢气的生产过程，其主要工序包括盐水精制、电解、蒸发及产品的精制等。经电解产生的碱液，含有一定量的NaCI和大量的水，需要经过蒸发浓缩并除去NaCl，才可以制得质量符合商品碱要求的产品¨o。我国烧碱蒸发工序的主流工艺是三效顺流，如图2所示。三效顺流是将3个蒸发器串联运行的蒸发操作流程，碱液和蒸汽的流向相同，即都由*先效顺序流至末效。生蒸汽送入*先效加热室，蒸发出的二次蒸汽进入二效的加热室作为加热蒸汽，二效的二次蒸汽又进入第三效的加热室作为加热蒸汽，第三效的二次蒸汽则送至冷凝器全部冷凝。电解液进入*先效，浓缩后依次送人后面各效连续不断地被浓缩，直至浓缩到要求的浓度¨]。
图2 三效顺流蒸发流程示意图
3.2 导波雷达液位计在蒸发罐上的应用
3.2.1 导波探头的选择
蒸发三效顺流工艺中，各效蒸发罐的工况见表2。
表2各效蒸发罐工况
由于蒸发罐液位测量距离为2m，测量距离较短，因此导波探头宜选择杆式。从表2可以看出，蒸发罐内工况的特点是：I效至Ⅲ效的温度、压力依次递减，碱液浓度依次递增。碱液在高温下对许多金属会产生严重的腐蚀，且浓度越高腐蚀性越强，当浓度高于30％，温度高于80℃时，对金属的腐蚀迅速增加，温度越高腐蚀越严重怕。。因此导波探头的材料不能仅选用常规耐腐蚀的金属材料，如304不锈钢。聚四氟乙烯对一切浓度的碱液都有良好的耐腐蚀性，温度可达1900C，并且聚四氟乙烯又耐磨损”1，可以抵御碱液在沸腾时对导波探头的冲刷。因此导波杆的材料选用304不锈钢外衬聚四氟乙烯，既耐腐蚀又耐磨损，满足工况测量需要，提高了液位计的使用周期。导波杆易于拆卸，更换简单，一旦导波杆受损，只需更换导波杆，无需更换整台仪表，从而极大地降低了仪表维修费用。
3.2.2导波雷达液位计的安装
导波雷达液位计的安装形式有两种：
a.顶部直接安装。直接安装在罐直径的1／6～1／4之间的罐顶，探头与罐壁之间的距离至少100mm，安装方式有螺纹和法兰两种可以选择，一般插入到设备内部的导波杆长度，就是设计要求的测量范围。
b.旁通管式安装。导波雷达液位计安装在旁通管上端，旁通管再与容器连接，一般旁通管上下侧接口的中心距离就是设计要求的测量范围。导波管内壁要求光滑，旁通管管径40—100ram。由于蒸发罐是锥形罐，且碱液沸腾，为了避免测量干扰，选择旁通管式安装，旁通管可以聚集反射波使反射信号更强并防止液面波动，因此旁通管式安装测量效果更佳。导波雷达液位计的旁通管式安装如图3所示。
图3 导波雷达液位计的旁通管式安装示意图
3.2.3导波雷达液位计在蒸发自动控制系统中的应用
在蒸发工艺中需要监控的主要参数是各进出口碱液温度、液位和流量∞1。蒸发过程的自动控制是将现场检测的液位、温度及压力等信号送人DCS，然后由DCS中的程序控制系统根据检测信号自动控制阀门的开闭，完成碱液进料、过料、出料和自动出碱的过程。现以蒸发Ⅲ效为例说明通过对液位的自动控制实现自动出碱的过程，Ⅲ效过程控制流程如图4所示。
图4 Ⅲ效过程控制流程示意图
LV一1003A——Ⅱ效过料阀；
LV一1003B——Ⅲ效循环阀；
LV-1003C——Ⅲ效出碱阀
蒸发过程的自动控制步骤如下：
a.当Ⅲ效碱液浓度达到设定的出碱浓度值，
并且Ⅲ效液位高于设定低限值时，打开Ⅲ效出碱阀LV一1003C，成品碱液流向下一道冷却工序进行冷却；同时关闭Ⅲ效循环阀LV-1003B防止碱液回流；同时关闭Ⅱ效向Ⅲ效过料阀LV.1003A，以避免Ⅲ效同时进料和出料。
b.当Ⅲ效碱液浓度达到设定的出碱浓度值，并且Ⅲ效液位低于设定低限值时，Ⅱ效必须强制向Ⅲ效过料，打开Ⅱ效过料阀LV.1003A，防止Ⅲ效因无料发生干烧的情况。
C.在出碱过程中，当Ⅲ效液位低于设定低限值时，停止出碱，即关闭Ⅲ效出碱阀LV一1003C，同时打开Ⅲ效循环阀LV-1003B，再次进料、蒸发、浓缩碱液。
由以上自动控制步骤可见，测得准确的液位值是整个工序能实现自动控制的关键所在。
4 结束语
导波雷达液位计在许多复杂的工况下都能使用，其综合性能优于其他常规液位仪表。蒸发工序操作工初采用观看旁通视镜的原始方法获得蒸发罐的液位高度，在恶劣的现场条件下，给操作工带来许多不安全的因素，而其他液位仪表的使用又不尽人意。在采用导波雷达液位计后，经过多年的使用，证实该类液位仪表不但测量准确而且运行稳定，既减轻了操作工的工作量和仪表工的维护量，又满足了蒸发工序过程自动控制的要求，从而极大地提高了生产技术水平。
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