導波雷達液位計在燒堿蒸發工序應用中的可行性和可靠性

【摘要】采用導波雷達液位計測量燒堿蒸發罐液位，闡述了導波雷達液位計的測量原理和優點。通過在蒸發工序的實際應用，證明導波雷達液位計在燒堿蒸發工序應用中的可行性和可靠性。

隨著化工物位檢測技術的飛速發展，物位檢測的自動化程度日益提升，可選擇的物位檢測儀表類型頗多，其中，導波雷達液位計具有非常強的抗干擾能力，特別適用于測量液位波動大的工況。

蒸發工序是氯堿制堿的一個重要工序，該工序中各個蒸發罐液位的準確測量是實現燒堿蒸發工序自動出堿的關鍵所在。該工序中的堿液具有高溫、高濃度、強腐蝕性和易結晶的特點，在蒸發過程中，蒸發罐內易形成固、液、氣三相共存的情況，并且堿液長期處于沸騰狀態，極易形成虛假液位，給物位儀表的準確檢測帶來了極大的困難。

某公司年產15 萬t 燒堿裝置蒸發工序蒸發罐的液位測量，zui初采用的是雙法蘭差壓式液位變送器，但由于堿液腐蝕性較強、溫度高，長期以來液位不能正常測量，不但不能滿足生產需要，而且增加了操作工、儀表工的工作量。而后又試用了多種物位檢測儀表，效果皆不盡人意。于是該公司引進了E + H FMP40 型導波雷達液位計，經過多次試驗和長期使用，取得了非常好的使用效果，實現了燒堿蒸發工序出堿的自動控制。

1 導波雷達液位計的測量原理和優點
1．1 測量原理
        導波雷達液位計是基于時間行程原理的“俯視式”測量儀表，其測量原理如圖1 所示。三暢導波雷達液位計在測量從參考點(儀表過程連接處)到被測物料表面的距離時，脈沖發生器產生高頻脈沖，高頻脈沖注入探頭并沿著導波體向下傳輸，導波體可以是金屬硬桿或柔性金屬纜繩。當脈沖遇到物料表面時被反射，反射脈沖信號沿導波體傳遞至接收器，并zui終送入微處理器中將距離信號轉換為物位信號。

設 c 為光速，參考點到被測物料表面的距離D 與脈沖發出到接收所用時間 t 成正比:
D = c·t/2
根據已知空罐高度 E，則液位 L 的計算式如下:
L = E － D

導波雷達液位計主要由發射和接收裝置、導波探頭、信號處理器、操作面板、顯示表頭及故障報警等部分構成。導波探頭是三暢導波雷達液位計的重要組成部分，在液位計選型時，根據工況的不同選擇適宜的導波探頭，才能測得準確的液位。導波探頭分為桿式、纜式和同軸桿式三大類，不同類型的導波探頭有各自的優缺點。桿式適宜測量存在起泡、沸騰表面或形成湍流的介質，對蒸汽和泡沫有很強的抑制力，但不宜應用于太大量程的測量，原因是桿式太長不易運輸和安裝;纜式適用于大量程的測量，不受量程范圍的限制，而且適宜測量粘稠性液體或固體粉末介質;同軸桿式適宜測量液化氣和介電常數低的液體。

1．2 導波雷達液位計的優點
導波雷達液位計除了具有一般雷達液位計的優點外，還具有如下獨特的優點:
a． 可測量多種不同介質。測量介質包括液體、固體、顆粒及粉料等，且不受介電常數、溫度、壓力及密度等條件變化的影響，可測量介電常數在1． 4 ～100． 0(空氣的介電常數是 1． 0)的幾乎所有的液體和漿體 。
b． 信號穩定、準確。信號在導波探頭中的傳輸不受液面波動和儲罐中障礙物的影響，液位計所接收到的返回信號較強，并且導波雷達可根據底部回波信號將測量值加以修正，使信號更為穩定準確。
c． 特別適合測量含有蒸汽、霧氣和泡沫的介質。霧氣和泡沫對測量無影響，由于電磁波不通過空間傳播，因而霧氣不會引起信號衰減，泡沫也不會對信號進行散射而損失能量 。
d． 能耗低。導波雷達液位計輸出到導波探頭的信號能量非常小，約為常規雷達發射能量(1mW)的10%(約0．1mW)，因此采用的是回路供電而不是單獨的交流供電，從而極大地節省了安裝費用。

2 導波雷達液位計與其他液位儀表應用的比較

       液位儀表種類繁多，在不同的工況，各類液位儀表各具優勢。但是蒸發工序的工況比較復雜，堿液具有高溫、高濃度、強腐蝕性且易結晶的特點，導致儀表故障率高、維護量大、使用周期短、在線檢修困難。在此種工況下，以往采用的液位儀表類型有:電極式液位開關、雙法蘭差壓式液位變送器及電容式物位計等。電極式液位開關為非連續性液位測量儀表，不能實時監測罐內液位變化的情況，并且電極表面容易結鹽，往往測得虛假液位，導致開關閥誤動作，非常不利于生產操作;雙法蘭差壓式液位變送器的隔膜片周圍易結晶、結鹽，致使測量信號嚴重滯后，不準確;電容式物位計的電極易被堿液腐蝕，導致電極破裂致使測量信號不準確。為解決此類問題，將三暢導波雷達液位計應用于該工序，經過長期實際使用，取得了非常好的測量效果，極大地提高了生產效率。導波雷達液位計是能同時滿足高溫、強腐蝕及結晶等條件的檢測儀表。表 1 為 4 種液位儀表使用情況的比較。

3 導波雷達液位計在蒸發工序的應用
3． 1 燒堿蒸發工序流程簡介
        氯堿工業是利用電解飽和鹽水制取燒堿( 氫氧化鈉) 和氯氣并副產氫氣的生產過程，其主要工序包括鹽水精制、電解、蒸發及產品的精制等。經電解產生的堿液，含有一定量的NaCl 和大量的水，需要經過蒸發濃縮并除去NaCl，才可以制得質量符合商品堿要求的產品。我國燒堿蒸發工序的主流工藝是三效順流，如圖2 所示。三效順流是將3 個蒸發器串聯運行的蒸發操作流程，堿液和蒸汽的流向相同，即都由第一效順序流至末效。生蒸汽送入第一效加熱室，蒸發出的二次蒸汽進入第二效的加熱室作為加熱蒸汽，第二效的二次蒸汽又進入第三效的加熱室作為加熱蒸汽，第三效的二次蒸汽則送至冷凝器全部冷凝。電解液進入第一效，濃縮后依次送入后面各效連續不斷地被濃縮，直至濃縮到要求的濃度。

3． 2 導波雷達液位計在蒸發罐上的應用
3． 2． 1 導波探頭的選擇
     蒸發三效順流工藝中，各效蒸發罐的工況見表2。

由于蒸發罐液位測量距離為2m，測量距離較短，因此導波探頭宜選擇桿式。從表2 可以看出，蒸發罐內工況的特點是: Ⅰ效至Ⅲ效的溫度、壓力依次遞減，堿液濃度依次遞增。堿液在高溫下對許多金屬會產生嚴重的腐蝕，且濃度越高腐蝕性越強，當濃度高于30%，溫度高于80℃時，對金屬的腐蝕迅速增加，溫度越高腐蝕越嚴重。因此導波探頭的材料不能僅選用常規耐腐蝕的金屬材料，如304不銹鋼。

聚四氟乙烯對一切濃度的堿液都有良好的耐腐蝕性，溫度可達190℃，并且聚四氟乙烯又耐磨損，可以抵御堿液在沸騰時對導波探頭的沖刷。因此導波桿的材料選用304 不銹鋼外襯聚四氟乙烯，既耐腐蝕又耐磨損，滿足工況測量需要，提高了液位計的使用周期。導波桿易于拆卸，更換簡單，一旦導波桿受損，只需更換導波桿，無需更換整臺儀表，從而極大地降低了儀表維修費用。

3． 2． 2 導波雷達液位計的安裝
導波雷達液位計的安裝形式有兩種:
a． 頂部直接安裝。直接安裝在罐直徑的1 /6 ～ 1 /4 之間的罐頂，探頭與罐壁之間的距離至少100mm，安裝方式有螺紋和法蘭兩種可以選擇，一般插入到設備內部的導波桿長度，就是設計要求的測量范圍。

b． 旁通管式安裝。導波雷達液位計安裝在旁通管上端，旁通管再與容器連接，一般旁通管上下側接口的中心距離就是設計要求的測量范圍。導波管內壁要求光滑，旁通管管徑40 ～ 100mm。由于蒸發罐是錐形罐，且堿液沸騰，為了避免測量干擾，選擇旁通管式安裝，旁通管可以聚集反射波使反射信號更強并防止液面波動，因此旁通管式安裝測量效果更佳。三暢導波雷達液位計的旁通管式安裝如圖3 所示。

3． 2． 3 導波雷達液位計在蒸發自動控制系統中的應用

在蒸發工藝中需要監控的主要參數是各進出口堿液溫度、液位和流量。蒸發過程的自動控制是將現場檢測的液位、溫度及壓力等信號送入DCS，然后由DCS 中的程序控制系統根據檢測信號自動控制閥門的開閉，完成堿液進料、過料、出料和自動出堿的過程?，F以蒸發Ⅲ效為例說明通過對液位的自動控制實現自動出堿的過程，Ⅲ效過程控制流程如圖4 所示。

LV-1003A———Ⅱ效過料閥;
LV-1003B———Ⅲ效循環閥;
LV-1003C———Ⅲ效出堿閥

蒸發過程的自動控制步驟如下:
a． 當Ⅲ效堿液濃度達到設定的出堿濃度值，并且Ⅲ效液位高于設定低限值時，打開Ⅲ效出堿閥LV-1003C，成品堿液流向下一道冷卻工序進行冷卻; 同時關閉Ⅲ效循環閥LV-1003B 防止堿液回流; 同時關閉Ⅱ效向Ⅲ效過料閥LV-1003A，以避免Ⅲ效同時進料和出料。

b． 當Ⅲ效堿液濃度達到設定的出堿濃度值，并且Ⅲ效液位低于設定低限值時，Ⅱ效必須強制向Ⅲ效過料，打開Ⅱ效過料閥LV-1003A，防止Ⅲ效因無料發生干燒的情況。

c． 在出堿過程中，當Ⅲ效液位低于設定低限值時，停止出堿，即關閉Ⅲ效出堿閥LV-1003C，同時打開Ⅲ效循環閥LV-1003B，再次進料、蒸發、濃縮堿液。

由以上自動控制步驟可見，測得準確的液位值是整個工序能實現自動控制的關鍵所在。

4、結束語
        導波雷達液位計在許多復雜的工況下都能使用，其綜合性能優于其他常規液位儀表。蒸發工序操作工zui初采用觀看旁通視鏡的原始方法獲得蒸發罐的液位高度，在惡劣的現場條件下，給操作工帶來許多不安全的因素，而其他液位儀表的使用又不盡人意。在采用導波雷達液位計后，經過多年的使用，證實該類液位儀表不但測量準確而且運行穩定，既減輕了操作工的工作量和儀表工的維護量，又滿足了蒸發工序過程自動控制的要求，從而極大地提高了生產技術水平。