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1 引言

    在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中，自動(dòng)化就是通過(guò)過(guò)程檢測(cè)儀表獲取、轉(zhuǎn)換、顯示、傳送各類(lèi)信息（物料的溫度、壓力、流量、組分，靜止設(shè)備的物位、界面，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備振動(dòng)的振幅、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、位移等），再經(jīng)過(guò)程控制系統(tǒng)（DCS、ITCC等）處理后發(fā)出指令，控制調(diào)節(jié)閥等。生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的目的就是使工藝參數(shù)保持在需要的數(shù)值上，設(shè)備處于*工作狀態(tài)。就過(guò)程檢測(cè)儀表和調(diào)節(jié)閥而言，它們好比人的“五官”和“四肢”。如果對(duì)控制參數(shù)不能有效準(zhǔn)確的檢測(cè)和調(diào)節(jié)，控制就成為無(wú)源之水、無(wú)本之木。

    進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，以雷達(dá)液位計(jì)和迷宮閥為代表的新型過(guò)程檢測(cè)儀表和調(diào)節(jié)閥技術(shù)發(fā)展日趨成熟，應(yīng)用愈加廣泛，尤其是在化工裝置上應(yīng)對(duì)和解決各種復(fù)雜、惡劣、關(guān)鍵的工況中，取得了顯著的效果。

    2 雷達(dá)液位計(jì)

    2.1 測(cè)量原理

    如圖1所示，以纜式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)為例，其測(cè)量原理是基于時(shí)間行程，即儀表測(cè)量從參考點(diǎn)（儀表過(guò)程連接處）到液位表面的距離：探頭發(fā)出高頻雷達(dá)波并沿纜繩傳播，當(dāng)雷達(dá)波遇到液位表面時(shí)反射回來(lái)被儀表內(nèi)的接收器接收，由于信號(hào)頻率在改變，回波與信號(hào)發(fā)射瞬間相比，其頻率稍有不同。該頻率差正比于至液面的距離，并且可地計(jì)算，由此測(cè)得液位高度值。

圖1 雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理示意圖

    2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

    1）與介質(zhì)密度、溫度、壓力等因素?zé)o關(guān)，測(cè)量精度高且應(yīng)用廣泛；

    2）無(wú)移動(dòng)部件，可靠性高且可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)；

    3）根據(jù)設(shè)備要求可以選擇多種安裝方式，靈活適應(yīng)性強(qiáng)；

    4）可采用液晶表頭、手持智能終端、以及電腦軟件等多種方式進(jìn)行參數(shù)組態(tài)，調(diào)試方便；

    5）采用軟件可以完成對(duì)儀表的組態(tài)、數(shù)據(jù)保護(hù)、信號(hào)分析、文件處理等功能，分析診斷功能強(qiáng)大；

    6）電子部件均集成在顯示表頭，可以在線(xiàn)拆卸、互換，維修方便。

    2.3 應(yīng)用案例

    在化工生產(chǎn)裝置中，主要應(yīng)用于4種典型工況。

    2.3.1 液氨儲(chǔ)罐

    2.3.1.1 工況概況

    實(shí)際案例為合成氨裝置液氨儲(chǔ)罐120-F，高約23m，內(nèi)徑約21m的立式圓柱儲(chǔ)罐，設(shè)計(jì)容量為5000m3的液氨，設(shè)計(jì)溫度為-33.3℃，設(shè)計(jì)表壓為0.07MPa（氣相層）。

    該氨罐過(guò)去采用鋼帶式液位計(jì)進(jìn)行就地顯示（后因磨損嚴(yán)重、故障頻繁、修復(fù)費(fèi)用高，現(xiàn)已停用），并采用差壓變送器和外測(cè)式液位計(jì)將液位測(cè)量信號(hào)引入DCS進(jìn)行顯示、后增設(shè)雷達(dá)液位計(jì)，其信號(hào)引入DCS顯示，同時(shí)引入ESD，與差壓變送器測(cè)量信號(hào)構(gòu)成2oo2的邏輯表決進(jìn)行液位高低聯(lián)鎖保護(hù)。

    2.3.1.2 選型和安裝

    采用E+H公司的纜式智能HART導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)（FMP40型），過(guò)程接口法蘭為DN40，壓力等級(jí)為PN40，材質(zhì)為316L，纜繩長(zhǎng)23.5m，直徑6mm，材質(zhì)為316，配分離型顯示表（安裝在儲(chǔ)罐地面上，電纜長(zhǎng)約30m），測(cè)量范圍為20m。

    該雷達(dá)液位計(jì)安裝在氨罐頂部，纜繩頂端安裝一DN150×2m的短管，并用對(duì)中環(huán)進(jìn)行限位約束，底端探頭采用螺栓固定在罐體內(nèi)底部并接地。

    2.3.1.3 使用效果

    該雷達(dá)液位計(jì)于2006年3月份系統(tǒng)大修期間氨罐清洗時(shí)安裝并投用，其測(cè)量信號(hào)引入DCS進(jìn)行顯示和報(bào)警，同時(shí)還引入ESD進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)，使用至今測(cè)量穩(wěn)定、正常、可靠、準(zhǔn)確，2011年顯示表頭故障而更換過(guò)，基本屬于免維護(hù)狀態(tài)。

    2.3.2 鍋爐汽包

    2.3.2.1 工況概況

    實(shí)際案例為快鍋裝置鍋爐汽包，設(shè)計(jì)溫度為370℃，設(shè)計(jì)表壓為3.85MPa（氣相層）。

    該汽包過(guò)去采用電極式液位開(kāi)關(guān)、浮子開(kāi)關(guān)和差壓變送器進(jìn)行測(cè)量、報(bào)警和聯(lián)鎖，后取消電極式液位開(kāi)關(guān)，增設(shè)桿式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，采用2oo3邏輯表決方式進(jìn)行液位低低聯(lián)鎖保護(hù)。

    2.3.2.2 選型和安裝

    采用Rosemount公司的智能HART桿式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)（3301HTHP型），過(guò)程接口法蘭為DN50，壓力等級(jí)為ANSI600#，材質(zhì)為316，導(dǎo)波桿長(zhǎng)800mm，直徑6mm，材質(zhì)316，測(cè)量范圍為500mm。該高溫高壓型雷達(dá)液位計(jì)的溫度－壓力曲線(xiàn)關(guān)系如圖2所示。

    該雷達(dá)液位計(jì)安裝在旁通測(cè)量筒內(nèi)，在導(dǎo)波桿尾端用對(duì)中環(huán)進(jìn)行限位約束。

圖2 Rosemount3301系列HTHP型溫度－壓力曲線(xiàn)圖

    2.3.2.3 使用效果

    該雷達(dá)液位計(jì)于2007年6月份系統(tǒng)大修期間安裝并投用，使用至今測(cè)量穩(wěn)定、正常、可靠、準(zhǔn)確，未曾檢修。

    2.3.3 真空罐體

    2.3.3.1 工況概況

    實(shí)際案例為尿素裝置CO₂壓縮機(jī)表面冷凝器905-C，設(shè)計(jì)溫度為48℃，設(shè)計(jì)表壓為-85kPa（氣相層）。

    該氨罐過(guò)去采用氣動(dòng)浮筒式液位計(jì)進(jìn)行測(cè)量，由于不能在高真空工況下正常使用，后將其改為雷達(dá)液位計(jì)，測(cè)量信號(hào)引入DCS進(jìn)行顯示、報(bào)警和聯(lián)鎖。

    2.3.3.2 選型和安裝

    采用E+H公司的智能HART纜式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)（FMP40型），過(guò)程法蘭接口為DN50，壓力等級(jí)為ANSI150#，材質(zhì)為316，導(dǎo)波桿長(zhǎng)560mm，直徑6mm，材質(zhì)316，測(cè)量范圍為550mm。

    該雷達(dá)液位計(jì)安裝在直徑為2″的旁通測(cè)量筒內(nèi)，過(guò)程接口為1－1/2″，在導(dǎo)波桿尾端用對(duì)中環(huán)進(jìn)行限位約束。

    2.3.3.3 使用效果

    該雷達(dá)液位計(jì)于2008年8月份系統(tǒng)大修期間安裝并投用，使用至今測(cè)量穩(wěn)定、正常、可靠、準(zhǔn)確，未曾檢修。

    2.3.4 結(jié)晶介質(zhì)

    2.3.4.1 工況概況

    實(shí)際案例為尿素裝置S403/404液位測(cè)量，介質(zhì)為尿液，設(shè)計(jì)溫度為168℃，設(shè)計(jì)表壓為1.85MPa（氣相層）。

    該氨罐過(guò)去采用雙法蘭液位變送器進(jìn)行測(cè)量，由于結(jié)晶嚴(yán)重、測(cè)量不準(zhǔn)，后改為桿式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)。

    2.3.4.2 選型和安裝

    采用E+H公司的智能HART桿式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)（FMP41C型），過(guò)程法蘭接口為DN50，壓力等級(jí)為ANSI300#，材質(zhì)為316L，導(dǎo)波桿長(zhǎng)1550mm，直徑6mm，材質(zhì)316L，測(cè)量范圍為1300mm。

    該雷達(dá)液位計(jì)安裝直徑為3″的旁通測(cè)量筒內(nèi)（夾套式蒸汽伴熱保溫），過(guò)程接口為1－1/2″，在導(dǎo)波桿尾端用對(duì)中環(huán)進(jìn)行限位約束。

    2.3.4.3 使用效果

    該雷達(dá)液位計(jì)于2009年5月份系統(tǒng)大修期間安裝并投用，2011年因?qū)РU與顯示表頭密封問(wèn)題，出現(xiàn)介質(zhì)滲漏，導(dǎo)致同軸接頭絕緣下降和電子部件腐蝕，后對(duì)密封整改后運(yùn)行正常，使用至今測(cè)量穩(wěn)定、正常、可靠、準(zhǔn)確，基本屬于免維護(hù)狀態(tài)。

    3 迷宮閥

    在化工裝置中，具有很多高壓差、高流速等嚴(yán)峻工況，存在氣蝕、閃蒸等因素對(duì)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生巨大破壞，采用如迷宮閥這類(lèi)的多級(jí)降壓閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥，可以有效地解決此類(lèi)問(wèn)題，并可獲得較大經(jīng)濟(jì)效益。

    3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

    針對(duì)降低壓差和流速兩大關(guān)鍵因素，迷宮閥的盤(pán)片內(nèi)件結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。其特點(diǎn)有：

    1）采用若干片具有迷宮流道的碟片堆疊而成，每塊碟片上的迷宮流道加工成多級(jí)直角彎，逐級(jí)分解高壓差，無(wú)論閥門(mén)開(kāi)度多少，都能使流體通過(guò)每個(gè)通道的流速均限制在30m/s以下；

    2）其入口到出口呈由小變大設(shè)計(jì)，有效避免介質(zhì)顆粒雜質(zhì)進(jìn)入流道而發(fā)生堵塞；    

    3）迷宮盤(pán)片一交替式層疊，下層盤(pán)片出口流體把上層向下流動(dòng)介質(zhì)速度相互降低；

    4）每一盤(pán)片內(nèi)圓周出口處都有堰，使四周壓力平均，下層盤(pán)片出口流體不會(huì)直接沖擊在閥座上。

a）疊層迷宮盤(pán)片

b）迷宮流道

圖3 迷宮盤(pán)片結(jié)構(gòu)

    3.2 應(yīng)用案例    

    自2002年以來(lái)，公司陸續(xù)使用了大批迷宮閥應(yīng)用于各種惡劣工況，取得了良好的效果和經(jīng)濟(jì)效益，下面例舉放空工況和氣蝕工況典型案例進(jìn)行闡述。

    3.2.1 放空工況

    3.2.1.1 工況概況

    實(shí)際案例為合成裝置106-D入口工藝氣放空閥PICV－5，管道尺寸為12″，介質(zhì)為工藝氣，設(shè)計(jì)溫度為318℃，閥前設(shè)計(jì)表壓為2.5MPa，閥后表壓為0.2MPa，zui大流量為120t/h。

    該放空閥過(guò)去采用氣動(dòng)薄膜直通單座閥，由于泄漏量大、閥內(nèi)件磨損嚴(yán)重，后改為迷宮閥。

    3.2.1.2 選型

    采用CCI公司的雙作用氣缸直通單座迷宮閥（100D型），公稱(chēng)通徑為10″，壓力等級(jí)為ANSI300#，迷宮碟片采用410SS材質(zhì)，泄漏等級(jí)為MSS－SP－61（零泄漏）。

    3.2.1.3 使用效果

    該迷宮閥于2002年12月份系統(tǒng)大修期間調(diào)試后，進(jìn)行了泄漏試驗(yàn)，達(dá)到零泄漏標(biāo)準(zhǔn)，安裝投用后，又進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)閥前后溫度差的測(cè)量，*要求。在以后的每次大修期間，均進(jìn)行了泄漏試驗(yàn)，都達(dá)到零泄漏標(biāo)準(zhǔn)，使用至今未進(jìn)行過(guò)閥內(nèi)件的檢修。

    該迷宮閥調(diào)節(jié)精度高、動(dòng)作靈敏、泄漏量極低。據(jù)考核統(tǒng)計(jì)，該閥較以前節(jié)省的合成氣損失每年約430萬(wàn)方，增加經(jīng)濟(jì)效益約250萬(wàn)元，不到一年就可收回采購(gòu)成本。

    3.2.2 氣蝕工況

    3.2.2.1 工況概況

    實(shí)際案例為合成氨裝置1101－E液位調(diào)節(jié)閥LV－91C，管道尺寸為18″，介質(zhì)為AMDEA溶液，設(shè)計(jì)溫度為85.4℃，閥前設(shè)計(jì)表壓為2.75MPa，閥后表壓為0.97MPa，zui大流量為976t/h。

    該放空閥過(guò)去采用氣動(dòng)薄膜直通雙座閥，由于該工況存在典型的氣蝕破壞，閥內(nèi)件沖刷嚴(yán)重，泄漏量大、故障率高，無(wú)法滿(mǎn)足工藝要求，后改為迷宮閥。

    3.2.2.2 選型

    采用CCI公司的雙作用氣缸直通單座迷宮閥（100D型），公稱(chēng)通徑為8″，壓力等級(jí)為ANSI300#，迷宮碟片采用316SS表面硬化處理材質(zhì)，泄漏等級(jí)為CLASSIV。

    3.2.2.3 使用效果

    該迷宮閥于2006年3月份系統(tǒng)大修期間調(diào)試安裝投用，在以后的每次大修期均進(jìn)行了檢查，都達(dá)到IV級(jí)泄漏標(biāo)準(zhǔn)，使用至今閥內(nèi)件完好，未進(jìn)行過(guò)檢修。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    有了雷達(dá)液位計(jì)和迷宮閥這類(lèi)新型現(xiàn)場(chǎng)儀表，還須在選型、安裝、調(diào)試等諸多方面入手，才能使其充分發(fā)揮作用，zui終達(dá)到滿(mǎn)意的效果。下面就這兩類(lèi)新型現(xiàn)場(chǎng)儀表在實(shí)際應(yīng)用中的注意事項(xiàng)分別作一總結(jié)。

    4.1 雷達(dá)液位計(jì)

    4.1.1 選型

    根據(jù)介質(zhì)理化特點(diǎn)選擇不同類(lèi)型的天線(xiàn)型式，如接觸式還是非接觸式，是否采用高溫高壓式，導(dǎo)波傳輸采用纜式、單桿式、雙桿式，還是同軸式。例如：對(duì)于汽包鍋爐液位測(cè)量，推薦選擇同軸式，以克服汽包氣相層的飽和蒸汽對(duì)測(cè)量的影響。

    4.1.2 安裝

    根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)采取不同的安裝方式，如直接在設(shè)備上開(kāi)孔安裝，還是采用旁通測(cè)量筒安裝，對(duì)于直接安裝在設(shè)備內(nèi)，要注意避開(kāi)影響雷達(dá)波反射傳輸?shù)臄嚢杵鳌⑷萜鞅诘?；?duì)于旁通測(cè)量筒安裝，要考慮是否伴熱，以及加裝對(duì)中環(huán)等措施。

    4.1.3 調(diào)試

    調(diào)試過(guò)程中要注意上下盲區(qū)的設(shè)置、容器形狀的選擇，是否接地，以及空罐時(shí)的響應(yīng)曲線(xiàn)的匹配操作，推薦在筆記本電腦上采用軟件進(jìn)行調(diào)試，直觀(guān)明了且能獲取信號(hào)波形圖。

    4.1.4 故障處理

    由于雷達(dá)液位計(jì)只有表頭是電子部件，因此一般故障都出在此處，確診其故障后，用同型號(hào)的表頭直接在線(xiàn)更換即可。此外，還應(yīng)注意連接導(dǎo)波桿的同軸接口，其絕緣一定要合格。

    4.2 迷宮閥

    4.2.1 選型

    提供給制造商進(jìn)行計(jì)算選型前，一定要確保工藝條件和參數(shù)的完整性和正確性，因?yàn)檫x擇迷宮閥都是具有高壓差、高流速、密封等級(jí)高等惡劣而苛刻的工況場(chǎng)合，伴隨而來(lái)的一般都有阻塞流現(xiàn)象。

    4.2.2 調(diào)試

    在安裝前一定要進(jìn)行泄漏試驗(yàn)，合格后方能進(jìn)行管道安裝，若泄漏試驗(yàn)不合格，除了重新調(diào)校外，還要注意檢查閥桿閥芯是否偏心，比如PIC－5就是因?yàn)檫\(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生了偏心，松動(dòng)上閥蓋后重新自然對(duì)中安裝，泄漏試驗(yàn)便合格。

    4.2.3 安裝

    雖然迷宮閥碟片的迷宮流道在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了防堵問(wèn)題，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍要做好防范措施，首先是盡可能在上游管道加裝機(jī)械過(guò)濾器，其次若有旁路閥的情況下應(yīng)使迷宮閥安裝在旁路閥的上方，zui后在安裝上管道之前應(yīng)對(duì)管道進(jìn)行吹掃合格。

    4.2.4 故障處理

    一般來(lái)說(shuō)，迷宮碟片不容易損壞，出故障一般都是有顆粒雜物堵塞流道，清除時(shí)要注意采取反向吹除；此外，若工藝未反映有問(wèn)題，盡量不要打開(kāi)閥內(nèi)件檢查，僅作整閥泄漏試驗(yàn)即可，否則打開(kāi)閥內(nèi)件再重新裝配后，會(huì)增加新故障機(jī)率。