導波雷達液位計在儲氣庫分離器設備液位檢測應用研究

摘　要：液位檢測是儲氣庫采氣流程中的關鍵參數，關系到整套采氣裝置聯鎖控制穩定和安全平穩生產。針對導波雷達液位計在儲氣庫分離器設備液位檢測應用中發生液位檢測失準的情況，通過對導波雷達液位計測量原理分析和研究，查找存在問題的原因，提出了解決問題的方法，取得了良好的效果，為儲氣庫安全生產奠定良好的基礎。

 

東北某儲氣庫投產試運初期，集注站分離器設備上使用導波雷達液位計存在測量顯示液位不準情況。經過對儀表量程校驗及調試，液位顯示恢復正常，但裝置運行穩定后，又發生液位遠傳指示與就地顯示不一致情況，嚴重地影響分離器設備液位的有效監控及液位聯鎖系統的安全可靠運行。

 

本文通過對導波雷達液位計測量原理、投產初期調試及運行中故障原因進行分析研究，結合現場情況采取了相應的解決措施，取得了較好的效果。對確保分離器設備正常生產、采氣裝置穩定運行具有重要意義。

 

1導波雷達液位計簡介

1.1導波雷達液位計測量原理標題

導波雷達液位計是接觸式物位測量，采用時域反射技術（TDR），電子單元發射微波脈沖沿著導波桿（纜）傳輸，當接觸被測介質時，產生反射信號由電子部件接收，計算發射到接收的時間，轉換為被測介質的距離。導波雷達液位計測量系統示意圖如圖1所示。

通過測量發射脈沖與反射脈沖的時間差，并由以下公式即可計算出被測物質到儀表法蘭的距離：2L=ct（1）式中：c為雷達波在真空中的傳播速度（3×108m/s）；

 

t為發射脈沖與反射脈沖時間差；L為空間距離。假如罐體內有兩種不同的介質，由于密度不同這兩種介質會分別存在于液體的上部和下部。如果這兩種介質的介電常數大不相同，那么就可以通過回波的不同來判斷兩種介質的分界面，進而也可以得出這兩種介質的不同高度。由于脈沖信號是通過導波桿傳播，導波桿上的空氣、氣態的凝結不會影響性能，因此可以長時間測量低介電常數的液體。一般情況下被測液體的介電常數越大，回波信號也就越強，也就更容易檢測出液位，比如水比丁烷更容易測量。假設雷達信號在介質中傳輸無損耗，則信號在其中的傳播速度可以表示為：

式中：εγ為介質的相對介電常數；

 

μγ為同軸電纜的相對磁導率（大多數液體其近似等于1）。得到：

若雷達波在同軸導波桿上的傳播距離為L，那么回波信號的傳播時間為：

根據這個實際傳播速度，結合時間就可以計算出液位。因此，L可以表示為液位的深度：

根據設定的液位零點位置和滿液位位置，通過下面公式可以算出液位高度并輸出4~20mA電流。

h=H-L（6）

式中：h為液位高度；H為量程。導波雷達適合測量液/液界面，如油水界面，油與水、油與酸、低介電常熟的有機溶劑（甲苯、苯、環乙烷）和水或酸。

 

測量液/液界面應注意以下幾點：

（1）介電常數較低的介質位于上部。

（2）兩種液體的介電常數差異不低于10。

（3）上層介質的介電常數是已知的，該參數可在現場確定。

（4）上層介質的zui大厚度取決于其介電常數。

（5）上層介電常數下限<3，下層介電常數上限>20。

（6）可同時進行液位測量和界面測量。

 

1.2導波雷達液位計主要功能

（1）計算并顯示液位值及單位。

（2）計算并顯示液位百分比、輸出電流值。

（3）實現LCD顯示和按鍵操作。

（4）液位計算參數（介電常數、桿類型、桿長、阻尼時間、液位偏移量、法蘭類型等）設置。

（5）內部和外部數據存儲保存（防止數據掉電丟失）。

（6）導波雷達液位計還可實現HART協議通信4~20mA電流信號遠傳或者RS485通信等。

（7）標定參數設定。

（8）系統錯誤自我診斷菜單的實現。

（9）設置儀表密碼（可以隨時切換為用戶模式、管理員和廠家操作模式）。

 

1.3導波雷達液位計的特點

（1）可以測量具有極低介電常數的液體，可低到1.4。被測液體的介電常數只會影響回波信號的幅度大小，并不會干擾液位運算的結果。導波雷達液位計回波信號的幅度相對比較大，可以測量的液體種類更多。

（2）可以測量不同介質的分界位。

（3）功耗非常低、安全性更高，更適合于石化行業。由于有導波桿來集中能量，其發射到波導桿的信號的能量可以極小。另外功耗低了就可以使用回路來供電，不再使用交流電供電，可以節省相當大的安裝費用。這對于石化領域的應用顯然更安全、更適合。

（4）適合于高溫高壓的工況使用條件。在特殊情況下，也許會需要在高溫高壓下進行測量，常溫下zui高可以耐34.5MPa的高壓。當導波桿用不銹鋼和陶瓷構成時，可使用的溫度400℃（需要做高溫高壓的處理），zui高壓力43MPa。

（5）抗干擾強。由于使用了導波桿結構，就不會出現罐體內部的多重反射回波，設計實現起來更簡單、結果會更精確。

（6）變化的介質密度、霧氣態和泡沫對測量均無影響。在有顯著的揮發氣體、泡沫、液位不停變動、超低的液位，介電常數發生變化的更復雜情況下同樣都可以實現測量。

 

總之，導波雷達液位計能夠在多種極其復雜條件下使用，可以測量極低介電常數的液體，綜合性能好于其他一般液位測量技術?，F在已有的導波雷達液位計多是進口產品，比如VEGA、E+H等公司。

 

2導波雷達液位計在儲氣庫應用

本工程中，在采氣裝置分離器設備均設置液位檢測，設計壓力14MPa，由于分離器設備采用上下雙腔設計，液位就地檢測采用側裝磁浮子液位計，液位遠傳采用雙法蘭差壓液位變送器+側裝導波雷達液位計方式。投產初期，液位計調試時，現場遠傳液位儀表量程范圍與就地儀表一致，測量準確。經過一段時間運行，液位發生偏差。雙法蘭差壓液位變送器與導波雷達液位計測量值偏差較大，同時與就地磁浮子液位計不一致，為現場生產運行人員增加巡檢工作量，不利于整套裝置安全穩定運行。經過現場原因分析與故障排查，得出如下結論：

（1）由于運行初期分離器液相介質單一，密度穩定，雙法蘭差壓變送器密度與設計值保持一致，液體密度設定值790kg/m3。經過一定時間運行，液體介質密度出現變化，需要重新校準。此時，一級分離器液體密度設定值970kg/m3，硅油密度930kg/m3，重新校準后，雙法蘭差壓液位變送器液位可正常顯示。

（2）投產初期正值冬季，環境溫度極低，達到-10℃，側裝磁浮子液位計上層出現凝結現象，導致磁浮子液位計浮子發生卡阻，主要表現為磁翻板顯示停頓在某一示值，不論分離器內液位如何變化，顯示值始終保持不變或只在低液位變化，不能反映分離器設備內液位的變化情況。

（3）經過一定時間運行，分離器內液體介質發生液體分層現象，導致測量結果顯示分層液位。如圖2所示。

如圖2所示，上液面介質為凝液，介電常數≈1.7<3，下頁面介質為水，介電常數≈80>20，根據前文分析，分層液面產生2個液面回波，由于導波雷達液位計介質設定為單一介質，上液面回波和分界面回波疊加干擾，信號弱，識別zui大波形為分離器內下層介質液面，導致液面檢測顯示下液面高度。導波雷達液位計同時進行液位測量和界面測量，只需調整參數設定。

 

給出部分常用介質介電常數供參考使用。如表1所示。

3 解決措施

經過對導波雷達液位計工作原理研究、現場液位計故障查找和原因分析，對分離器液位計進行全面排查：

（1）磁浮子液位計經過排污和分液腔清理，磁浮子液位計工作穩定，同時加強分液腔保溫工作； 

（2）雙法蘭差壓液位變送器經過對分離器內液體介質密度和硅油密度修正，雙法蘭顯示液位與就地液位計基本一致； （3）導波雷達液位計參數設定將測量單一介質調整為測量分層介質，同時修正干擾波設定值，將分層液面排除在干擾回波外，導波雷達液位計測量恢復正常，與磁浮子液位計顯示誤差<10mm，液位檢測效果較好。

 

4 結論

通過本文可以看出，導波雷達液位計可以測量具有極低介電常數的液體，測量不同介質的分界位，具有功耗非常低、安全性更高、抗干擾強的優點，更適合于儲氣庫分離器設備中高壓、介質參數波動大的復雜工況使用條件，為儲氣庫安全生產和運行管理奠定可靠基礎。