东北某储气库投产试运初期,集注站分离器设备上使用导波雷达物位计存在测量显示液位不准情况。经过对仪表量程校验及调试,液位显示恢复正常,但装置运行稳定后,又发生液位远传指示与就地显示不一致情况,严重地影响分离器设备液位的有效监控及液位联锁系统的安全可靠运行。
本文通过对导波雷达物位计测量原理、投产初期调试及运行中故障原因进行分析研究,结合现场情况采取了相应的解决措施,取得了较好的效果。对确保分离器设备正常生产、采气装置稳定运行具有重要意义。
1.导波雷达物位计简介
1.1导波雷达物位计测量原理标题
导波雷达物位计是接触式物位测量,采用时域反射技术(TDR),电子单元发射微波脉冲沿着导波杆(缆)传输,当接触被测介质时,产生反射信号由电子部件接收,计算发射到接收的时间,转换为被测介质的距离。导波雷达物位计测量系统示意图如图1所示。
通过测量发射脉冲与反射脉冲的时间差,并由以下公式即可计算出被测物质到仪表法兰的距离:
2L=ct (1)
式中:
c为电磁波在真空中的传播速度(3×10的8次方m/s);
t为发射脉冲与反射脉冲时间差;
L为空间距离。
假如罐体内有两种不同的介质,由于密度不同这两种介质会分别存在于液体的上部和下部。如果这两种介质的介电常数大不相同,那么就可以通过回波的不同来判断两种介质的分界面,进而也可以得出这两种介质的不同高度。由于脉冲信号是通过导波杆传播,导波杆上的空气、气态的凝结不会影响性能,因此可以长时间测量低介电常数的液体。一般情况下被测液体的介电常数越大,回波信号也就越强,也就更容易检测出液位,比如水比丁烷更容易测量。假设电磁信号在介质中传输无损耗,则信号在其中的传播速度可以表示为:
v=C/√µyƐy (2)
式中:
Ɛy为介质的相对介电常数;
μy为同轴电缆的相对磁导率(大多数液体其近似等于1)。
得到:v=C/√Ɛy (3)
若电磁波在同轴导波杆上的传播距离为L,那么回波信号的传播时间为:t=2L/√Ɛy (4)
根据这个实际传播速度,结合时间就可以计算出液位。因此,L可以表示为液位的深度:
L=vt/2=ct/2√Ɛy (5)
根据设定的液位零点位置和满液位位置,通过下面公式可以算出液位高度并输出4~20mA电流。
h=H-L (6)
式中:
h为液位高度;
H为量程。
导波雷达适合测量液/液界面,如油水界面,油与水、油与酸、低介电常熟的有机溶剂(甲苯、苯、环乙烷)和水或酸。
测量液/液界面应注意以下几点:
(1)介电常数较低的介质位于上部。
(2)两种液体的介电常数差异不低于10。
(3)上层介质的介电常数是已知的,该参数可在现场确定。
(4)上层介质的zui大厚度取决于其介电常数。
(5)上层介电常数下限<3,下层介电常数上限>20。
(6)可同时进行液位测量和界面测量。
1.2导波雷达物位计主要功能
(1)计算并显示液位值及单位。
(2)计算并显示液位百分比、输出电流值。
(3)实现LCD显示和按键操作。
(4)液位计算参数(介电常数、杆类型、杆长、阻尼时间、液位偏移量、法兰类型等)设置。
(5)内部和外部数据存储保存(防止数据掉电丢失)。
(6)导波雷达物位计还可实现HART协议通信4~20mA电流信号远传或者RS485通信等。
(7)标定参数设定。
(8)系统错误自我诊断菜单的实现
(9)设置仪表密码(可以随时切换为用户模式、管理员和厂家操作模式)。
1.3导波雷达物位计的特点
(1)可以测量具有极低介电常数的液体,可低到1.4。被测液体的介电常数只会影响回波信号的幅度大小,并不会干扰液位运算的结果。导波雷达物位计回波信号的幅度相对比较大,可以测量的液体种类更多。
(2)可以测量不同介质的分界位。
(3)功耗非常低、安全性更高,更适合于石化行业。由于有导波杆来集中能量,其发射到波导杆的信号的能量可以极小。另外功耗低了就可以使用回路来供电,不再使用交流电供电,可以节省相当大的安装费用。这对于石化领域的应用显然更安全、更适合。
(4)适合于高温高压的工况使用条件。在特殊情况下,也许会需要在高温高压下进行测量,常温下zui高可以耐34.5MPa的高压。当导波杆用不锈钢和陶瓷构成时,可使用的温度400°(需要做高温高压的处理),zui高压力43MPa。
(5)抗干扰强。由于使用了导波杆结构,就不会出现罐体内部的多重反射回波,设计实现起来更简单、结果会更精确。
(6)变化的介质密度、雾气态和泡沫对测量均无影响。在有显著的挥发气体、泡沫、液位不停变动、超低的液位,介电常数发生变化的更复杂情况下同样都可以实现测量。
总之,导波雷达物位计能够在多种极其复杂条件下使用,可以测量极低介电常数的液体,综合性能好于其他一般液位测量技术。现在已有的导波雷达物位计多是进口产品,比如VEGA,E+H公司。
2.导波雷达物位计在储气库应用
本工程中,在采气装置分离器设备均设置液位检测,设计压力14MPa,由于分离器设备采用上下双腔设计,液位就地检测采用侧装磁浮子液位计,液位远传采用双法兰差压液位变送器+侧装导波雷达物位计方式。投产初期,液位计调试时,现场远传液位仪表量程范围与就地仪表一致,测量准确。经过一段时间运行,液位发生偏差。双法兰差压液位变送器与导波雷达物位计测量值偏差较大,同时与就地磁浮子液位计不一致,为现场生产运行人员增加巡检工作量,不利于整套装置安全稳定运行。经过现场原因分析与故障排查,得出如下结论:
(1)由于运行初期分离器液相介质单一,密度稳定,双法兰差压变送器密度与设计值保持一致,液体密度设定值790kg/m³。经过一定时间运行,液体介质密度出现变化,需要重新校准。此时,一级分离器液体密度设定值970kg/m³,硅油密度930kg/m³,重新校准后,双法兰差压液位变送器液位可正常显示。
(2)投产初期正值冬季,环境温度极低,达到-10°C,侧装磁浮子液位计上层出现凝结现象,导致磁浮子液位计浮子发生卡阻,主要表现为磁翻板显示停顿在某一示值,不论分离器内液位如何变化,显示值始终保持不变或只在低液位变化,不能反映分离器设备内液位的变化情况。
(3)经过一定时间运行,分离器内液体介质发生液体分层现象,导致测量结果显示分层液位。如图2所示。
如图2所示,上液面介质为凝液,介电常数≈1.7<3,下页面介质为水,介电常数≈80>20,根据前文分析,分层液面产生2个液面回波,由于导波雷达物位计介质设定为单一介质,上液面回波和分界面回波叠加干扰,信号弱,识别zui大波形为分离器内下层介质液面,导致液面检测显示下液面高度。导波雷达物位计同时进行液位测量和界面测量,只需调整参数设定。给出部分常用介质介电常数供参考使用。如表1所示。
3.解决措施
经过对导波雷达物位计工作原理研究、现场液位计故障查找和原因分析,对分离器液位计进行全面排查:
(1)磁浮子液位计经过排污和分液腔清理,磁浮子液位计工作稳定,同时加强分液腔保温工作:
(2)双法兰差压液位变送器经过对分离器内液体介质密度和硅油密度修正,双法兰显示液位与就地液位计基本一致;
(3)导波雷达物位计参数设定将测量单一介质调整为测量分层介质,同时修正干扰波设定值,将分层液面排除在干扰回波外,导波雷达物位计测量恢复正常,与磁浮子液位计显示误差<10mm,液位检测效果较好。
4.结论
通过本文可以看出,导波雷达物位计可以测量具有极低介电常数的液体,测量不同介质的分界位,具有功耗非常低、安全性更高、抗干扰强的优点,更适合于储气库分离器设备中高压、介质参数波动大的复杂工况使用条件,为储气库安全生产和运行管理奠定可靠基础。