介紹了雷達(dá)液位計的測量原理及特點，以及雷達(dá)液位計在精對二甲酸(PTA)裝置對二甲苯(Px)儲罐液位測量中的應(yīng)用，分析了雷達(dá)液位計液位測量時產(chǎn)生假液位的原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。結(jié)果表明：PX儲罐內(nèi)蒸汽在豎直壁面上冷凝而形成17～26mm的液滴，因液滴尺寸大于雷達(dá)液位計發(fā)射波波長(12mm)，雷達(dá)發(fā)射波遇到液滴時產(chǎn)生反射回波．導(dǎo)致假液位的產(chǎn)生；選擇頻率為6GHz，波長為50mm的低頻雷達(dá)液位計，將雷達(dá)天線由喇叭形改為直桿式，同時將Px儲罐內(nèi)溫度由16～40℃提高至30～42℃，可有效避免PX儲罐豎直壁面液滴產(chǎn)生的反射回波，控制雷達(dá)液位計假液位的產(chǎn)生；改進(jìn)后的雷達(dá)液位計假液位故障明顯減少，由改進(jìn)前3次／d減少到改進(jìn)后的(1—2)次／a，為PTA裝置安全穩(wěn)定運行提供了保障。
 
精對苯二甲酸(PTA)是一種重要的有機化工原料，主要應(yīng)用于化纖、包裝材料及建筑材料等行業(yè)，目前PTA主要采用對二甲苯(PX)空氣氧化法生產(chǎn)，包含PX氧化和TA加氫精制兩個單元¨j。胛A裝置的控制系統(tǒng)包括溫度、壓力、液位、流量等，其中液位控制非常重要。傳統(tǒng)液位測量儀器有人工檢尺、浮子液位計、差壓液位計以及伺服液位計等舊1，這些液位測量儀部件與介質(zhì)接觸，容易受到系統(tǒng)的溫度、壓力、介質(zhì)的影響，測量部件比較容易損壞，發(fā)生故障率較高。雷達(dá)液位計是一種非接觸式測量儀表，受溫度、壓力、介質(zhì)等工況條件影響非常小∞J，且安裝、操作簡單，維護(hù)方便，適用范圍較廣。近幾年，PTA生產(chǎn)企業(yè)開始逐步采用雷達(dá)液位計來替代一些傳統(tǒng)液位計進(jìn)行液位測量。
 
600kt／aPTA裝置液位控制系統(tǒng)共有雷達(dá)液位計約30臺，可是在某些液位控制點，出現(xiàn)雷達(dá)液位計測量失準(zhǔn)。常見故障為：現(xiàn)場檢尺或伺服液位計指示液位平穩(wěn)，無波動，而雷達(dá)液位計指示液位在35％～80％波動，即產(chǎn)生假液位，假液位對工藝過程控制產(chǎn)生了不利的影響。PX是生產(chǎn)PTA的主要原料，Px儲罐直接與氧化反應(yīng)器相連，所以Px儲罐的液位控制極為重要。作者以PTA裝置Px儲罐液位測量為例，分析雷達(dá)液位計產(chǎn)生假液位的主要原因，并且提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，消除干擾因素，確保液位控制系統(tǒng)正常運行，以保證PTA裝置安全穩(wěn)定生產(chǎn)。
 
　　雷達(dá)液位計的測量原理及應(yīng)用工況
　　1．1雷達(dá)液位計的測量原理及特點雷達(dá)液位計主要由電子控制元件和天線組成。雷達(dá)液位計的測量原理是利用微波(電磁波)從發(fā)射到返回的時間行程來測量液位，是近年來發(fā)展迅速的一種新的液位測量儀器。雷達(dá)液位計又分為脈沖微波雷達(dá)液位計和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)液位計。脈沖雷達(dá)液位計是通過天線發(fā)射某一固定頻率的脈沖微波，遇到被測物料表面產(chǎn)生反射，天線接收到反射的回波信號并傳輸給電子線路，雷達(dá)系統(tǒng)識別出脈沖微波在物料表面所產(chǎn)生的回波，并根據(jù)從發(fā)射脈沖信號到反射的回波信號被接收到的時間差，計算出實際的液位。調(diào)頻雷達(dá)液位計天線發(fā)射的微波是頻率可以被線性調(diào)制的連續(xù)波，當(dāng)反射的回波被天線接收到時，微波頻率已經(jīng)改變，發(fā)射波與回波的頻率差正比于測量基準(zhǔn)點到液面的距離，以此計算出液位高度。PTA裝置中主要采用脈沖雷達(dá)液位計，雷達(dá)液位計用于儲罐液位測量的測量原理見圖1，

其中E表示空罐高度，F(xiàn)表示滿罐高度，D是雷達(dá)測量參考點到介質(zhì)液面的距離，L表示待測液位。雷達(dá)的電磁波在空氣中的傳播速度(c)為3X108m／s，若雷達(dá)液位計從發(fā)射信號到接收從液面反射的回波信號的時間差為t，則有：
　　D=0.5ct(1)
　　由E和D可以計算出L，見式(2)：
　　L=E-0.5ct(2)
　　根據(jù)電磁波的傳播原理，電磁波在空氣中的c是一定的，與大氣壓力、溫度無關(guān)，不受測量空氣環(huán)境影響；并且電磁波的c、頻率(，)以及波長(A)存在下列關(guān)系：c=Af(3)
　　因此，雷達(dá)發(fā)出的微波廠不同時，其A是不同的，越高的微波其A越短。
雷達(dá)液位計的主要特點是：采用微波測量技術(shù)，不受測量環(huán)境的溫度、壓力以及介質(zhì)蒸氣的影響；非接觸式測量，不存在磨損問題，也不需要太多維護(hù)；通常安裝在儲罐的頂部，操作簡單方便，使用安全，可應(yīng)用于不同介質(zhì)的液位測量。
 
　　1．2雷達(dá)液位計應(yīng)用于PX罐液位測量工況
PX儲罐原來采用的雷達(dá)液位計為西門子si．transLR-250型，屬于2線制高頻型脈沖雷達(dá)液位計，工作頻率為25GHz，功率為5w，適用溫度為一20—200℃，適用壓力0—3MPa，采用喇叭形天線，*大量程為20m，測量精度為3lnnl。SitransLR-250型雷達(dá)液位計可以連續(xù)測量儲罐中的液體或漿料的液位，可以適用于高溫高壓，容易產(chǎn)生蒸氣的液體，以及較低介電常數(shù)物料的液位測量，并且對于容器內(nèi)的障礙物不敏感。儲罐中PX的物性參數(shù)：冷凝點為138．3℃，凝固點為13．3℃，介電常數(shù)為2．5。罐內(nèi)溫度16—40℃，壓力為常壓，罐外環(huán)境溫度一8—40℃。
 
SitransLR-250型雷達(dá)液位計在剛開始使用的前半年，出現(xiàn)測量誤差的概率較低，隨著使用時間漸長，開始出現(xiàn)測量誤差。例如，在測量PX儲罐液位時，雷達(dá)液位計測量顯示液位較高(假液位)，而同時采用伺服式液位計(接觸式)測量的液位卻較低，假液位故障嚴(yán)重時導(dǎo)致PX料打不出來，并造成氧化反應(yīng)器連鎖停止進(jìn)料，直接影響到生產(chǎn)。尤其在冬季當(dāng)儲罐外環(huán)境溫度低于15℃時，雷達(dá)液位計顯示假液位故障率很高，從每周1～3次到每天1次，*后到每天3次，*終不能使用。
 
　　2雷達(dá)液位計假液位產(chǎn)生的原因及理論分析
　　2．1雷達(dá)液位計假液位產(chǎn)生的原因?qū)τ赑X儲罐，雷達(dá)液位計假液位故障出現(xiàn)后，對雷達(dá)液位計波的發(fā)射和回波接收單元、以及電子控制元件進(jìn)行檢查都沒有發(fā)現(xiàn)問題，但是，檢查完畢重新投用雷達(dá)液位計，液位波動(假液位)現(xiàn)象依然存在。通過現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)雷達(dá)液位計的喇叭天線內(nèi)表面存在許多小液滴，PX儲罐內(nèi)壁上也有大小不等的許多液滴。
由于PX儲罐內(nèi)正常溫度16—40℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PX的冷凝點138．3oC，儲罐內(nèi)的PX蒸氣會在罐內(nèi)較冷的豎直壁面上凝結(jié)成液體，如果冷凝液體不能完全濕潤壁面，就會附在豎直壁面形成許多小液滴。蒸氣的不斷冷凝和液滴間的相互聚合，使得壁面上的小液滴越來越大，直至受到重力作用，液滴無法繼續(xù)附著在壁面上而向下滾落，并重復(fù)產(chǎn)生液滴的形成、變大和脫落的過程。經(jīng)初步分析，造成雷達(dá)液位計出現(xiàn)測量誤差的主要原因就是豎直壁面上的液滴。雷達(dá)液位計發(fā)出的脈沖信號在遇到壁面上的液滴后，會產(chǎn)生反射回波，由于是同一液體介質(zhì)產(chǎn)生的回波，在雷達(dá)液位計處理系統(tǒng)中無法進(jìn)行區(qū)分，于是就產(chǎn)生了假液位。
 
　　2．2豎直壁面上液滴的臨界尺寸
　　假設(shè)液體儲罐內(nèi)蒸氣在豎直壁面冷凝，形成一個球冠形液滴，如圖2所示，M點為液滴質(zhì)心，液滴受到的作用力主要為向上的粘附力(F)，及向下的重力(G)，液體的表面張力(盯)方向線與固體壁面之間的夾角稱為接觸角(0)。從表面熱力學(xué)角度來看，蒸氣冷凝產(chǎn)生的液滴附著在冷的豎直壁面上是一種粘附現(xiàn)象，液滴從豎壁上脫落需要在G的作用下克服F才可以。當(dāng)液滴半徑較小時，重力矩也小，不足以破壞粘附；當(dāng)液滴半徑增大到超過臨界半徑即脫落半徑(r)時，液滴會從壁面向下滾落。對豎壁上液滴進(jìn)行受力分析，并通過力矩平衡可以推導(dǎo)出液滴的r。由圖2可知，球冠形液滴的高度(h)可按式(4)計算：
　
　　從表1可以看出：在溫度30℃、0為60。時，液滴r近似為10mm，液滴d為17mm；在保持溫度和其他條件不變時，隨著0的變小，液滴r變大，d同時也變大，當(dāng)0為45。時，液滴d達(dá)25mm；當(dāng)溫度由30℃降到20℃時，液滴r，d都變大，但變化幅度不大。
根據(jù)電磁波在空氣中的傳播原理，電磁波在傳播過程中，如果遇到的障礙物尺寸小于或等于其A，就能夠發(fā)生衍射繞過障礙物，并且電磁波A越長，衍射能力越強；反之，如果電磁波遇到的障礙物尺寸大于其A，就會產(chǎn)生反射回波。SitransLR-250型雷達(dá)液位計(．廠為25GHz)發(fā)出的高頻電磁波，A只有12mm，由表1可知，PX儲罐產(chǎn)生的液滴的d為17—26mill，液滴的d遠(yuǎn)大于雷達(dá)發(fā)射的A，因此，當(dāng)雷達(dá)發(fā)射波遇到粘附在豎直壁面上液滴時，必然產(chǎn)生反射回波，導(dǎo)致假液位，出現(xiàn)較大測量誤差。3雷達(dá)液位計假液位控制措施及效果根據(jù)上述分析，雷達(dá)液位計產(chǎn)生假液位故障的主要原因是雷達(dá)發(fā)射波的A小于豎壁面上液滴的d，發(fā)射波遇到豎壁面上的液滴而產(chǎn)生反射回波，導(dǎo)致虛假液位。為此提出以下控制措施來解決假液位問題：
 
　　(1)降低脈沖雷達(dá)液位計發(fā)射波的頻率。根據(jù)電磁波的c與A及，的關(guān)系，降低發(fā)射波的，，即增大A。只有當(dāng)A大于d時，電磁波可以繞開液滴，發(fā)生衍射。脈沖雷達(dá)液位計按頻率通常分為低頻段(6GHz)、中頻段(10GHz)、高頻段(25GHz)，選用．廠為6GHz(A為50mm)的低頻雷達(dá)液位計，其A遠(yuǎn)大于PX儲罐正常存在的液滴d(17—26mm)，這樣，雷達(dá)發(fā)射波可以很好地繞過儲罐豎壁上的液滴，不產(chǎn)生反射回波，避免假液位的產(chǎn)生。
 
(2)改變雷達(dá)液位計天線形式。原來采用的雷達(dá)天線為喇叭形，PX罐液滴易粘附在天線的內(nèi)表面，對雷達(dá)液位測量形成“干擾”，導(dǎo)致假液位產(chǎn)生。將雷達(dá)天線由喇叭形改為直桿式天線，桿式天線直徑小、表面積小，如果有液滴粘附在其上面，只能形成很細(xì)小液滴，這些細(xì)小液滴不足以對雷達(dá)液位測量形成“干擾”。因此，直桿式天線比較適用于易產(chǎn)生冷凝液的應(yīng)用工況。
 
(3)適當(dāng)提高測量儲罐內(nèi)溫度。由于PX儲罐內(nèi)正常溫度16—40℃，遠(yuǎn)低于PX的冷凝點138．3℃，所以，儲罐內(nèi)總是會有PX蒸氣在冷的豎壁面上凝結(jié)成液滴，尤其是在冬季，PX蒸氣的冷凝現(xiàn)象更加明顯；適當(dāng)給儲罐加熱，保持儲罐內(nèi)溫度在30—42℃，可以減少PX蒸氣在豎壁面上的冷凝，從而減少反射回波、假液位的產(chǎn)生。
 
(4)定期檢查維護(hù)雷達(dá)液位計。雷達(dá)液位計的檢查維護(hù)主要是看電源電壓和輸出電流是否正常；另外定期檢查雷達(dá)液位計發(fā)射天線上是否有液滴或臟污，必要時拆下液位計，用干凈柔軟棉布擦干凈天線和其他部位。
 
通過采取上述控制措施，即選擇，為6GHz的雷達(dá)液位計，將雷達(dá)天線由喇叭形改為直桿式，適當(dāng)提高測量儲罐內(nèi)溫度，定期檢查雷達(dá)液位計電路系統(tǒng)和擦拭天線等，大大減少了儲罐豎壁上的液滴產(chǎn)生的反射回波，控制了雷達(dá)液位計假液位的產(chǎn)生。雷達(dá)液位計改進(jìn)前后的有關(guān)參數(shù)對比見表2。表實踐表明，改進(jìn)后的雷達(dá)液位計投用后假液位故障率明顯減少，發(fā)生的假液位故障由改進(jìn)前37欠／d減少到改進(jìn)后的(1—2)次／a，為PTA裝置安全穩(wěn)定運行提供了保障。


 
　　4結(jié)論
　　a．PX儲罐內(nèi)蒸氣在豎直壁面上冷凝而形成的液滴是造成雷達(dá)液位計產(chǎn)生假液位的主要原因。原來采用的高頻雷達(dá)液位計，為25GHz，發(fā)射波A只有12mm，而PX儲罐正常存在的液滴d為17～26mm，大于雷達(dá)發(fā)射波A，因此，當(dāng)雷達(dá)發(fā)射波遇到豎直壁面上液滴時，必然產(chǎn)生反射回波，導(dǎo)致虛假液位，出現(xiàn)較大測量誤差。
 
b．通過采取控制措施，即選擇．廠為6GHz(A為50him)的低頻率雷達(dá)液位計，將雷達(dá)天線由喇叭形改為直桿式，同時將PX儲罐內(nèi)溫度由16～40℃提高至30—42℃，有效避免了PX儲罐豎直壁面上液滴產(chǎn)生的反射回波，控制了雷達(dá)液位計假液位的產(chǎn)生。
 
c．定期檢查維護(hù)雷達(dá)液位計電路系統(tǒng)和擦拭天線等，可以進(jìn)一步降低出現(xiàn)假液位的概率，保證雷達(dá)液位控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。
 
　　d．改進(jìn)后的雷達(dá)液位計投用后假液位故障率明顯減少，發(fā)生的假液位故障由改進(jìn)前的3渺d減少到改進(jìn)后的(1～2)渺a，為PTA裝置安全穩(wěn)定運行提供了保障。


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