导波雷达液位计( Guided Wave Radar,GWR)由于具有先进的雷达测量技术,测量时不受介质、温度、惰性气体、蒸汽、粉尘及泡沫等影响,测量长度可灵活变更,测量结果精度较高,故在液位测量中发挥着越来越重要的作用。物料液位是工业生产中的一个重要参数,测量液位的方法有很多,针对不同的工况和介质可以使用不同测量原理的液位计。吹气法、差压式、浮球式、电容法、超声波等常用的液位测量仪表都有各自的特点和应用范围。
1.导波雷达液位计的测量原理
GWR是依据时域反射原理为基础的雷达液位计。雷达液位计的电磁脉冲波以光速沿着波导体(探头)向下传送,当遇到被测介质表面时,部分脉冲被反射形成回波并沿相反路径返回到脉冲发射装置,用走召高速计时电路(电子表头)准确地测量出脉冲波的传导时间,而发射装置与被测介质表面的距离同传导时间成正比,经计算就可得到液位高度。
脉冲发射装置发射的电磁波信号到达介质表面并返回时,信号会衰减。此时,信号强度与介质的介电常数成正比,介电常数越大,反射信号越强;反之,反射信号越弱。目前, Magnetrol公司的GWR可用于测量ZUI低介电常数为1.4的介质液位。另外,高导电性介质(如水)产生较强的反射脉冲;而低导电性介质(如烃类)产生较弱的反射脉冲,低导电性介质使得某些电磁波能沿探头(波导体)穿过液面向下传播,直至完全消散或被一种较高导电性的介质反射回来。根据这一特点,可采用GWR测量两种液体的界面(如油/水界面),条件是界面下的液体介电常数应远大于界面上液体的介电常数。
2.导波雷达液位计的组成
GWR主要包括液位计电子表头、过程连接和探头3个部分,如图1所示。其中,过程连接包括法兰连接及螺纹连接2种,图1所示为法兰连接。
GWR适用于测量绝大部分过程容器和储罐、连接容器和旁路容器的液位,测量的温度和压力限制在探头的额定温度和压力范围内。 Magnetrol公司的GWR适用的介质温度可达400℃,其压力可高达34.45Pa(5000psig)。另外,如果工艺过程温度过高,还可将GWR装在容器的旁路管中,这样能起到一定的降温作用。
3.GWR探头与旁路管
3.1探头
在实际应用中,GWR探头的选择十分重要。探头主要有同轴式、双杆式(硬缆或软缆)和单杆式(硬缆或软缆)3种67,如图2所示。
同轴式探头是所有探头配置中ZUI有效的,且在所有应用场合中应首先考虑使用,但是该种探头的长度应控制在5m内,否则不便于运输和安装(一般情况下,若测量范围超过3m,则建议使用软缆式的探头)。若流体有较大的波动,建议使用同轴式探头和硬杆式探头,因为它们具有一定的抗震性;若波动或测量范围太大则必须用软缆式探头,以便在探头外另加保护套管。值得注意的是,为保证信号传输过程中不受障碍物的干扰,除同轴式探头外,其他类型的探头都有一定的空间要求。
由于探头有一定死区,死区的大小与测量介质的介电常数成反比。如果测量介质的介电常数越大,测量时的死区越小;反之,死区越大。对于不同厂家的产品,死区的大小都有差别, Magnetrol公司探头的死区范围为25~150mm。在确定探头长度时需要将死区的大小考虑在内,应确保探头能插入到ZUI低液面下的一定距离。 Magnetrol公司的GWR在测量ZUI低液位时,要求选择的探头长度应确保探头能插入到液面下25~150mm。
3.2GWR旁路管
在测量液位时,GWR可以直接插入设备中,或装在旁路管里。旁路管由管道部门或GWR供货商提供。旁路管与探头的连接方式应根据所用探头的连接方式而定,可以是法兰连接,也可以是螺纹连接。
如图3所示为GWR旁路管。
旁路管应遵照项目的管道设计规范进行设计。对于腐蚀性较高的介质还应考虑一定的腐蚀余量,如应符合美国腐蚀工程师协会(NACE)的标准等。旁路管与设备连接时,其法兰连接管口应完全垂直于旁路管,其中心线与设备管口的中心线应在同一水平面上,必要时可使用夹具装置(Jig Set)校正。
应根据探头的长度来确定旁路管的长度,如果旁路管过长,还应在测量范围的中心位置使用机械支撑,对旁路管起到支撑作用。旁路管的制作应根据项目的要求确定,图4所示为某项目所用的机械支撑。
4.GWR在液位测量中的应用
4.1GWR的合理安装
合理选择安装位置对GWR十分重要,将影响到测量的效果,故在安装时应注意:
(1)探头的轴线应与液位的反射表面垂直。
(2)必须保证在信号波的范围内不能有干扰物反射干扰波,探头应与可能产生干扰的加料入口位置、罐壁或旁路管等保持一定的距离,以免产生虚假反射。
(3)应避免安装在有很强涡流的地方。如由于搅拌或很强的化学反应等产生的涡流,此时可采用旁路管测量,以减少因液位波动造成的影响。
4.2案例分析
案例1GWR直接插入设备中,内有有毒气体或挥发性气体。设备的设计压力为3.52kg/cm2,设计温度是260℃。设备管口直径为5.08cm(2英寸),长200mm,工艺测量范围为400~1850mm,选择法兰连接方式。为防止气体泄漏,在设备管口与GWR之间加装有一个手动的全通球阀(隔离阀),如图5所示。正常工作时,球阀全开,当探头需要被拔除时,可关闭此阀,起到隔离设备内毒气的作用。考虑到设备中有一个泵往外抽取介质,设备会有一定的震动,且硬杆式探头对管口大小有一定的要求,故选用了同轴式探头。
选择探头长度时,包括了测量范围1450mm,探头死区150mm,设备管口的长度200mm和隔离阀的端面尺寸178mm,故探头的长度=1450+150+200+178=1978(mm)。
案例2GWR安装在旁路管中,用于测量设备中液位和界面。被测设备的上方为碳氢化合物,介电常数为2,测量范围400~1450mm;下方为碳氢化合物与酸水的混合物,酸水的介电常数为34.5,界面的测量范围300~600mm。旁路管的尺寸选择5.08cm(2英寸),探头类型同样选择同轴式的。如图6所示。
5.结语
导波雷达液位计测量不受设备形状的影响,也不受介电常数、温度、压力与密度等条件变化的影响,测量长度无须标定,测量结果具有高精度、可重复性、高分辩率,有多种探头类型和材质可供选择,数字化显示可供选择,且维护量少,可很好地用于石油化工设备中烃类及其他介质液位的测量。随着其价格的进一步降低、性价比的提高,导波雷达液位计的应用将会越来越广泛。
