1、引言

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

　　進(jìn)入21世紀(jì)以來，以雷達(dá)液位計和迷宮閥為代表的新型過程檢測儀表和調(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

2.1、測量原理

　　如圖1所示，以纜式導(dǎo)波雷達(dá)液位計為例，其測量原理是基于時間行程，即儀表測量從參考點(diǎn)(儀表過程連接處)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)波遇到液位表面時反射回來被儀表內(nèi)的接收器接收，由于信號頻率在改變，回波與信號發(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，并且可精確地計算，由此測得液位高度值。

圖1 雷達(dá)液位計測量原理示意圖

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)，測量精度高且應(yīng)用廣泛;

　　2)無移動部件，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)采用專用軟件可以完成對儀表的組態(tài)、數(shù)據(jù)保護(hù)、信號分析、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、液氨儲罐

2.3.1.1、工況概況

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

　　該氨罐過去采用鋼帶式液位計進(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式液位計將液位測量信號引入DCS進(jìn)行顯示、后增設(shè)雷達(dá)液位計，其信號引入DCS顯示，同時引入ESD，與差壓變送器測量信號構(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(FMP40型)，過程接口法蘭為DN40，壓力等級為PN40，材質(zhì)為316L，纜繩長23.5m，直徑6mm，材質(zhì)為316，配分離型顯示表(安裝在儲罐地面上，電纜長約30m)，測量范圍為20m。

　　該雷達(dá)液位計安裝在氨罐頂部，纜繩頂端安裝一DN150×2m的短管，并用對中環(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)液位計于2006年3月份系統(tǒng)大修期間氨罐清洗時安裝并投用，其測量信號引入DCS進(jìn)行顯示和報警，同時還引入ESD進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)，使用至今測量穩(wěn)定、正常、可靠、準(zhǔn)確，2011年顯示表頭故障而更換過，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)計溫度為370℃，設(shè)計表壓為3.85MPa(氣相層)。

　　該汽包過去采用電極式液位開關(guān)、浮子開關(guān)和差壓變送器進(jìn)行測量、報警和聯(lián)鎖，后取消電極式液位開關(guān)，增設(shè)桿式導(dǎo)波雷達(dá)液位計，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(3301HTHP型)，過程接口法蘭為DN50，壓力等級為ANSI600#，材質(zhì)為316，導(dǎo)波桿長800mm，直徑6mm，材質(zhì)316，測量范圍為500mm。該高溫高壓型雷達(dá)液位計的溫度-壓力曲線關(guān)系如圖2所示。

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

圖2 Rosemount3301系列HTHP型溫度-壓力曲線圖

2.3.2.3、使用效果

　　該雷達(dá)液位計于2007年6月份系統(tǒng)大修期間安裝并投用，使用至今測量穩(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)計溫度為48℃，設(shè)計表壓為-85kPa(氣相層)。

　　該氨罐過去采用氣動浮筒式液位計進(jìn)行測量，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，測量信號引入DCS進(jìn)行顯示、報警和聯(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(FMP40型)，過程法蘭接口為DN50，壓力等級為ANSI150#，材質(zhì)為316，導(dǎo)波桿長560mm，直徑6mm，材質(zhì)316，測量范圍為550mm。

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

2.3.3.3、使用效果

　　該雷達(dá)液位計于2008年8月份系統(tǒng)大修期間安裝并投用，使用至今測量穩(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液位測量，介質(zhì)為尿液，設(shè)計溫度為168℃，設(shè)計表壓為1.85MPa(氣相層)。

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

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(FMP41C型)，過程法蘭接口為DN50，壓力等級為ANSI300#，材質(zhì)為316L，導(dǎo)波桿長1550mm，直徑6mm，材質(zhì)316L，測量范圍為1300mm。

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

2.3.4.3、使用效果

　　該雷達(dá)液位計于2009年5月份系統(tǒng)大修期間安裝并投用，2011年因?qū)Р�桿與顯示表頭密封問題，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，后對密封整改后運(yùn)行正常，使用至今測量穩(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、閃蒸等因素對調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生巨大破壞，采用如迷宮閥這類的多級降壓閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥，可以有效地解決此類問題，并可獲得較大經(jīng)濟(jì)效益。

3.1、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　針對降低壓差和流速兩大關(guān)鍵因素，迷宮閥的盤片內(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直角彎，逐級分解高壓差，無論閥門開度多少，都能使流體通過每個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，有效避免介質(zhì)顆粒雜質(zhì)進(jìn)入流道而發(fā)生堵塞;

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

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

a)疊層迷宮盤片

b)迷宮流道

圖3 迷宮盤片結(jié)構(gòu)

3.2、應(yīng)用案例

　　自2002年以來，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)計溫度為318℃，閥前設(shè)計表壓為2.5MPa，閥后表壓為0.2MPa，最大流量為120t/h。

　　該放空閥過去采用氣動薄膜直通單座閥，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)，公稱通徑為10″，壓力等級為ANSI300#，迷宮碟片采用410SS材質(zhì)，泄漏等級為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)場閥前后溫度差的測量，完全滿足要求。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)行過閥內(nèi)件的檢修。

　　該迷宮閥調(diào)節(jié)精度高、動作靈敏、泄漏量極低。據(jù)考核統(tǒng)計，該閥較以前節(jié)省的合成氣損失每年約430萬方，增加經(jīng)濟(jì)效益約250萬元，不到一年就可收回采購成本。

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)計溫度為85.4℃，閥前設(shè)計表壓為2.75MPa，閥后表壓為0.97MPa，最大流量為976t/h。

　　該放空閥過去采用氣動薄膜直通雙座閥，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，無法滿足工藝要求，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)，公稱通徑為8″，壓力等級為ANSI300#，迷宮碟片采用316SS表面硬化處理材質(zhì)，泄漏等級為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級泄漏標(biāo)準(zhǔn)，使用至今閥內(nèi)件完好，未進(jìn)行過檢修。

4、結(jié)束語

　　有了雷達(dá)液位計和迷宮閥這類新型現(xiàn)場儀表，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，最終達(dá)到滿意的效果。下面就這兩類新型現(xiàn)場儀表在實(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

4.1.1、選型

　　根據(jù)介質(zhì)理化特點(diǎn)選擇不同類型的天線型式，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：對于汽包鍋爐液位測量，推薦選擇同軸式，以克服汽包氣相層的飽和蒸汽對測量的影響。

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)備上開孔安裝，還是采用旁通測量筒安裝，對于直接安裝在設(shè)備內(nèi)，要注意避開影響雷達(dá)波反射傳輸?shù)臄嚢杵鳌⑷萜鞅诘?對于旁通測量筒安裝，要考慮是否伴熱，以及加裝對中環(huán)等措施。

4.1.3、調(diào)試

　　調(diào)試過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，以及空罐時的響應(yīng)曲線的匹配操作，推薦在筆記本電腦上采用專用軟件進(jìn)行調(diào)試，直觀明了且能獲取信號波形圖。

4.1.4、故障處理

　　由于雷達(dá)液位計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，用同型號的表頭直接在線更換即可。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、密封等級高等惡劣而苛刻的工況場合，伴隨而來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)輸過程中發(fā)生了偏心，松動上閥蓋后重新自然對中安裝，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)計時考慮了防堵問題，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，最后在安裝上管道之前應(yīng)對管道進(jìn)行吹掃合格。

4.2.4、故障處理

　　一般來說，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，清除時要注意采取反向吹除;此外，若工藝未反映有問題，盡量不要打開閥內(nèi)件檢查，僅作整閥泄漏試驗(yàn)即可，否則打開閥內(nèi)件再重新裝配后，會增加新故障機(jī)率。