賈保峰，毛志民，翟紅明，張勇啟（拜城縣眾泰煤焦化有限公司，新疆拜城 842300）

雷達(dá)液位計在煤化工企業(yè)中的應(yīng)用

賈保峰，毛志民，翟紅明，張勇啟
（拜城縣眾泰煤焦化有限公司，新疆拜城 842300）

工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，對各種生產(chǎn)罐體、產(chǎn)品儲罐及地下槽體的液位進(jìn)行精確測量對整個生產(chǎn)過程中設(shè)備的安全運行起著重要的作用。通過對拜城縣眾泰煤焦化有限公司生產(chǎn)過程中使用的雷達(dá)液位計的基本原理、使用特點和影響因素的詳細(xì)介紹，為化工企業(yè)生產(chǎn)中雷達(dá)液位計測量儀表的選型、安裝和管理提供了參考。

雷達(dá)液位計；液位；測量；選型

拜城縣眾泰煤焦化有限公司一期建設(shè)1套全焦生產(chǎn)能力為60萬t/a的搗固焦?fàn)t，后續(xù)改擴建1套130萬t/a的搗固焦?fàn)t。煉焦過程中產(chǎn)生大量煙氣，其主要成分是煤氣[1]。通過二期建設(shè)的脫硫，脫氨，脫苯等工藝對煤氣進(jìn)行了凈化處理。整個工藝中分布了各種生產(chǎn)罐體、產(chǎn)品儲罐及地下槽體，其內(nèi)部介質(zhì)的液面高度是整個工藝控制過程中一個重要的工藝參數(shù)，因此如何對其液位進(jìn)行實時精確監(jiān)測，保證設(shè)備可靠運行就成為了一項十分重要的課題。

1 概述

工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到對容器內(nèi)固體或液體的物位測量的情況，針對此情況，人們制造出了物位測量儀表，并用其對容器的物位進(jìn)行了相當(dāng)精確的測量。目前已知的物位測量儀表可分為靜壓式液位計、浮力式液位計、雷達(dá)液位計、超聲波物位計、核輻射式物位計、電容式物位計、玻璃液位計、電極式液位計、音叉料位計等。雷達(dá)液位計則是專門測量容器內(nèi)介質(zhì)液位的一種物位測量儀表。

雷達(dá)液位計是通過天線向被測介質(zhì)物位發(fā)射微波，然后測出微波發(fā)射和反射回來的時間而得容器內(nèi)液位的一種儀表。雷達(dá)液位計的特點有以下兩點：第一，無位移、無傳動部件，非接觸式測量，不受溫度、壓力、蒸汽、氣霧和粉塵的限制，適用于粘度大的介質(zhì)、有毒或無毒衛(wèi)生型介質(zhì)、有腐蝕性介質(zhì)的物位測量[2]。第二，雷達(dá)液位計沒有測量盲區(qū)，精確度（分辨率）可以做的很高，液位測量誤差最高可達(dá)1mm（特殊情況下可達(dá)到0.1mm），故其是一款精度極高的計量儀表，可作為商用計量儀表[2]。

拜城縣眾泰煤焦化有限公司為了清晰準(zhǔn)確的了解生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)各個容器內(nèi)介質(zhì)的液位變化情況或有無泄漏情況的發(fā)生，需要對焦?fàn)t煤氣凈化回收過程中相關(guān)設(shè)備工作環(huán)境內(nèi)介質(zhì)液位進(jìn)行測量，及時了解容器介質(zhì)分布情況。公司在一些容器內(nèi)均安裝有雷達(dá)液位計，并通過網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備將液位監(jiān)測信息及時傳到工業(yè)調(diào)度控制中心，并通過監(jiān)控設(shè)備實時監(jiān)控現(xiàn)場環(huán)境變化，其檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時性在安全生產(chǎn)中發(fā)揮了極其重要的作用，下面就其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2 雷達(dá)液位計的工作原理

2.1 組成概述

雷達(dá)料位計由天線系統(tǒng)、電子部件、微處理器組成。天線系統(tǒng)的作用是為了發(fā)射微波脈沖和接收反射回波，電子部件將時間信號轉(zhuǎn)換成物位信號，微處理器可以準(zhǔn)確分辨出物位回波去除虛假回波。雷達(dá)液位計的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 雷達(dá)液位計結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 測量原理

雷達(dá)料位計的天線系統(tǒng)發(fā)射極窄的微波脈沖，這個脈沖以光速在空間內(nèi)傳播，遇到被測介質(zhì)表面，其部分能量被反射回來，被同一個天線系統(tǒng)接收。發(fā)射脈沖與接收脈沖的時間間隔與天線系統(tǒng)到被測介質(zhì)表面的距離成正比。通過測量天線發(fā)射波與介質(zhì)液位反射波之間的時間差與微波波速之間的關(guān)系來實現(xiàn)容器介質(zhì)液位的測量。由于電磁波的傳播速度極快，發(fā)射脈沖與接收脈沖的時間間隔很?。{秒量級）很難確認(rèn)。所以需要采用一種特殊的相關(guān)解調(diào)技術(shù)，可以準(zhǔn)確地識別發(fā)射脈沖和接收脈沖的時間間隔，從而進(jìn)一步計算出天線到被測介質(zhì)表面的距離[3]。

目前有兩大類雷達(dá)液位計，一類是發(fā)射頻率固定不變，通過測量發(fā)射波和反射波的運行時間，并經(jīng)過電子部件被轉(zhuǎn)換成物位信號。一種特殊的時間延伸方法可以確保極短時間內(nèi)穩(wěn)定和精確的測量。即使工況比較復(fù)雜的情況下，存在虛假回波，用最新的微處理技術(shù)和調(diào)試軟件也可以準(zhǔn)確的分析出物位的回波[4]。這類雷達(dá)液位計的運行時間與液位距離的關(guān)系為t=2d/c式中：c：電磁波傳播速度；d：被測介質(zhì)液位和測量探頭之間的距離；t：探頭從發(fā)射電磁波至接收到反射電磁波的時間，單位s。另一類是測量發(fā)射波與反射波之間的頻率差，并將這頻率差轉(zhuǎn)換為與被測液位成比例關(guān)系的電信號。這種液位計的發(fā)射不是一個固定頻率，而是等幅可調(diào)頻率[5]。

3 雷達(dá)液位計的安裝及通訊

新疆拜城縣眾泰煤焦化有限公司在工藝罐體反應(yīng)裝置、地下放空槽體、產(chǎn)品存儲設(shè)施、地下水處理設(shè)施均安裝有雷達(dá)液位計。自雷達(dá)液位計安裝以來，總體使用效果良好，在長期的使用和設(shè)備維護(hù)過程中了解了設(shè)備的特性并積累了大量的現(xiàn)場經(jīng)驗。

3.1 安裝要求

天線發(fā)射微波脈沖時，都有一定的發(fā)射角。從天線下緣到被測介質(zhì)表面之間，由發(fā)射的微波波束所輻射的區(qū)域內(nèi)，不得有障礙物。因此安裝時應(yīng)盡可能地避開容器內(nèi)設(shè)施，例如：人梯、限位設(shè)備、加熱設(shè)備、攪拌設(shè)備、支架等。另外須注意微波波束不得與加料料流相交。雷達(dá)液位計設(shè)計安裝時應(yīng)注意以下幾點：

（1）最高液位不得進(jìn)入液位計測量盲區(qū)。

（2）液位計距容器壁必須保持一定的距離，一般不少于200mm。

（3）液位計的安裝方向應(yīng)盡可能使天線的發(fā)射方向垂直于容器內(nèi)被測介質(zhì)的液面。

（4）如液位計安裝在防爆區(qū)域內(nèi)，必須遵守國家防爆危險區(qū)的安裝規(guī)定。

（5）防爆型液位計的外殼采用壓鑄鋁金屬材料。

（6）防爆型液位計可以安裝在有防爆要求的場合，液位計必須可靠接地。

（7）對于錐形容器且容器頂部為平面，則液位計的最佳安裝位置是容器頂部中央的位置。

（8）對于安裝在室外或者極其潮濕環(huán)境的液位計，應(yīng)做遮陽，防雨和防潮處理。

（9）被測容器接管的長度必須保證探頭伸出接管10mm以上[6]。

（10）儀表不可安裝在拱形或圓形的灌頂位置，容易造成多次反射回波，影響測量精度。

3.2 雷達(dá)液位計的通訊

雷達(dá)液位計的通訊系統(tǒng)的最基本的構(gòu)成包括專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、探測器、信號處理單元及其通訊線路。其構(gòu)成應(yīng)滿足以下要求：

（1）選用4～20mA輸出作為通訊信號，將輸出信號傳遞到信號處理單元在中央控制室電腦顯示并設(shè)定相關(guān)的聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)及報警記錄設(shè)備。

（2）若液位信號達(dá)到報警值以后立即觸發(fā)相關(guān)聯(lián)鎖裝置使液位遠(yuǎn)離報警液位。

（3）雷達(dá)液位計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用專用的信號處理單元，具有獨立的供電電源和備用電源，不能接入其他信號處理單元，以避免數(shù)據(jù)處理紊亂。

（4）按照雷達(dá)液位計安裝規(guī)范設(shè)置液位報警記錄設(shè)備，報警的歷史數(shù)據(jù)能夠作為分析處理故障的依據(jù)。

4 影響雷達(dá)液位計測量的因素

4.1 壓力

雷達(dá)液位計雖然在傳播微波信號時不受容器內(nèi)空氣密度的影響，所以在真空或受壓的環(huán)境下也能正常工作。但是由于液位計的結(jié)構(gòu)原因，當(dāng)容器內(nèi)的壓力高于某一范圍時，雷達(dá)液位計就會產(chǎn)生較大的測量誤差，故其在使用過程中不能使容器內(nèi)壓力超過該允許壓力。當(dāng)然不同公司的產(chǎn)品使用過程中對容器的最高壓力要求是不同的，選型時需特別注意。

4.2 溫度

雷達(dá)液位計在傳播發(fā)射微波時，不需要空氣作為傳遞介質(zhì)，故容器內(nèi)空氣的溫度變化對微波的傳播速度沒有任何影響。但是，雷達(dá)液位計的天線系統(tǒng)、電子部件、微處理器卻不耐高溫，所以高溫環(huán)境中雷達(dá)液位計測量會有部分誤差，必須保證天線系統(tǒng)處于合適的工作溫度才能正常工作。

4.3 被測介質(zhì)的相對介電常數(shù)

介質(zhì)的相對介電常數(shù)是由其本身決定的，因此不同的介質(zhì)擁有不同的相對介電常數(shù)。如果介質(zhì)的相對介電常數(shù)過小，則會造成反射微波的衰減增大，造成反射微波的信號極大地衰減，影響測量數(shù)據(jù)。

4.4 液體的湍動和氣泡

液體的湍動和氣泡不僅會造成微波的散射和吸收，還會造成微波的反射和折射，二者都會使反射回的有效微波信號的強度受到極大地衰減，影響雷達(dá)液位計的正常測量。

5 雷達(dá)液位計的管理措施

雷達(dá)了液位計自投入運行以來，提高了對生產(chǎn)現(xiàn)場容器液位在線監(jiān)測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，通過對容器液位精確的測量、監(jiān)測和聯(lián)鎖保護(hù)，給操作工人判斷設(shè)備運行環(huán)境中設(shè)備運行狀況提供了很好的依據(jù)，直接為生產(chǎn)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了可靠保障。

由于化工生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，容器液位的測量受到多方面的影響，如果不能精確的測量出容器的液位變化情況，極易發(fā)生不可挽回的安全事故，造成人員和財產(chǎn)的重大損失。針對如何解決化工生產(chǎn)中雷達(dá)液位計的安裝、使用、維護(hù)和故障處理，提出以下建議：

1）針對被測量介質(zhì)的屬性，測量環(huán)境和容器結(jié)構(gòu)等狀況進(jìn)行雷達(dá)液位計的選型工作。2）嚴(yán)格按照雷達(dá)液位計的安裝規(guī)范，進(jìn)行液位計的安裝。3）必須嚴(yán)把采購時雷達(dá)液位計的質(zhì)量關(guān)，必須嚴(yán)格按規(guī)定采購符合國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

4）必須保證雷達(dá)液位計安裝前經(jīng)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計量部門進(jìn)行檢定，檢定合格后，方可投入使用。并建立檢定臺賬，確保雷達(dá)液位計按時進(jìn)行檢定，測量值準(zhǔn)確可靠。

5）建立雷達(dá)液位計安裝使用臺賬，掌握其分布，及時記錄更新每臺儀表的測量數(shù)據(jù)，實施動態(tài)化管理。

6）加強對設(shè)備的日常維護(hù)工作，做到及時發(fā)現(xiàn)隱患，及時處理。

7）對于特殊重點容器內(nèi)液位計的安裝使用，可使用雙液位計，即安裝兩種不同測量方式的液位計，強化了容器液位測量的準(zhǔn)確性。

[1] 賈保峰，毛志民，王立剛.激光氣體分析系統(tǒng)在焦?fàn)t煤氣凈化中的應(yīng)用[J].廣東化工，2015，42（24）：108-109.

[2] 張文萍.雷達(dá)液位計的測量原理與常見故障處理[J].化工文摘，2008，（3）：62.

[3] 童宏福.雷達(dá)物位計在江口圩站水位觀測中的應(yīng)用[J].甘肅水利水電技術(shù)，2012，48（1）：10-11.

[4] 周勁松，張霞.雷達(dá)液位計應(yīng)用淺析[J].安徽化工，2009，（6）：12-14.

[5] 朱炳興，王森.儀表工試題集[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[6] 王森，紀(jì)綱.儀表常用數(shù)據(jù)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

The Application Study of Radar Liquid Level Transmitter in the Coal Chemistry Enterprise

Jia Bao-feng，Mao Zhi-min，Zhai Hong-ming，Zhang Yong-qi

In the industrial production，the accurate of liquid level of tanks in production，product storage tanks and underground tubs plays an important role in the safe operation during the whole production.The detailed description of the rationale，the utilization characteristics and the influence factors of the radar liquid level transmitter used in Baicheng County Zhongtai Coal Coking Co.，Ltd. provides a reference for the selection，installation and management of the radar liquid level transmitter in the chemical industry.

radar liquid level transmitter；liquid level；measurement；the selection

TH816

A

：1003-6490（2016）12-0009-02

2016-11-15

賈保峰（1986—），男，河南開封人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為工業(yè)儀表自動化控制工程。