射頻導(dǎo)納技術(shù)在電脫鹽罐界位測(cè)量中的應(yīng)用

李斌

(大慶石化公司 煉油廠(chǎng)，黑龍江 大慶 163711)

在石油化工生產(chǎn)中，物位同溫度、流量、壓力一樣，是生產(chǎn)過(guò)程中重要的監(jiān)控參數(shù)之一，物位測(cè)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性是生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行、設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠保證。生產(chǎn)過(guò)程中的物位測(cè)量，不僅包括常溫、常壓、一般性介質(zhì)的液位、料位、界位的測(cè)量，而且還涉及高溫、低溫、高壓、易燃、易爆、易結(jié)晶、黏性及多泡沫沸騰狀介質(zhì)的物位測(cè)量問(wèn)題。

為適應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程被測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)，滿(mǎn)足物位測(cè)量的不同要求，目前已經(jīng)有直讀式、差壓式、浮力式、雷達(dá)式、聲學(xué)式、射線(xiàn)式等測(cè)量方法。近年來(lái)，隨技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的磁致伸縮、光學(xué)式、射頻導(dǎo)納等各種新型物位測(cè)量方法也應(yīng)運(yùn)而生，但由于物位測(cè)量的復(fù)雜性，沒(méi)有一種測(cè)量方法能滿(mǎn)足所有的物位測(cè)量要求。以下就射頻導(dǎo)納物位計(jì)的原理、特點(diǎn)、安裝、調(diào)試等方面介紹其在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用。

1 射頻導(dǎo)納物位計(jì)基本原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

射頻導(dǎo)納物位計(jì)主要由檢測(cè)部分和變送部分組成，檢測(cè)部分包括探頭、保護(hù)套外殼等；變送部分包括振蕩緩沖電路、頻率變換及掛料處理電路、誤差修正放大器、信號(hào)解調(diào)器、調(diào)制驅(qū)動(dòng)放大器、濾波阻尼環(huán)節(jié)、電壓限制及電壓電流轉(zhuǎn)換電路等，變送部分基本構(gòu)成如圖1所示。

圖1 變送部分基本構(gòu)成示意

1.2 工作原理

射頻導(dǎo)納物位計(jì)是一種新型物位測(cè)量?jī)x表，“導(dǎo)納”為電學(xué)中阻抗的倒數(shù)，它由阻性成分、容性成分、感性成分綜合而成，而“射頻”即高頻，因此射頻導(dǎo)納技術(shù)可以理解為用高頻測(cè)量導(dǎo)納。

由高頻正弦振蕩器輸出1個(gè)穩(wěn)定的測(cè)量信號(hào)，測(cè)量頻率一般在10～1 000 kHz，這時(shí)安裝在金屬容器內(nèi)的探頭與容器壁及物料形成1只電容，在容器內(nèi)無(wú)物料的情況下，存在1只分布電容C0，計(jì)算如式(1)所示：

(1)

式中：ε0——檢測(cè)探頭與金屬容器壁間空氣的介電常數(shù)，ε0≈1；S——檢測(cè)探頭與金屬容器壁間的面積；D——檢測(cè)探頭與金屬容器壁間的距離。

在初始狀態(tài)下，調(diào)整電橋電路調(diào)諧電容器的大小，平衡掉初始分布電容C0，使變送器的輸出信號(hào)的零點(diǎn)為4 mA。當(dāng)容器內(nèi)裝有物料介質(zhì)時(shí)，如果物料介質(zhì)的介電常數(shù)ε>1，則存在1只物料介質(zhì)電容CW，計(jì)算如式(2)所示：

(2)

式中：S0——單位長(zhǎng)度檢測(cè)探頭與金屬容器壁間的面積；H——物料介質(zhì)高度。

對(duì)金屬容器來(lái)說(shuō)，物料介質(zhì)的ε是固定的，S0與D也是固定的，因此測(cè)量的電容與H成正比。根據(jù)電橋原理，由于液位升高而增大的電容使電橋失去平衡，同時(shí)正比于電橋不平衡度的解調(diào)器輸出電壓，經(jīng)濾波放大、輸出阻尼、電壓/電流轉(zhuǎn)換后，輸出與物位成正比的4～20 mA電流信號(hào)。無(wú)論是射頻電容物位計(jì)或射頻導(dǎo)納物位計(jì)都能準(zhǔn)確測(cè)量介質(zhì)的物位，但與普通射頻電容物位計(jì)相比，射頻導(dǎo)納物位計(jì)更適合測(cè)量料位，因?yàn)樗梢暂^好地處理掛料對(duì)料位測(cè)量的影響。

存放強(qiáng)導(dǎo)電性物料的容器，由于物料是導(dǎo)電的，接地點(diǎn)可以被認(rèn)為在探頭絕緣層的表面，對(duì)變送器探頭來(lái)說(shuō)僅表現(xiàn)為1只純電容；隨著容器排料，探桿上會(huì)產(chǎn)生掛料，而掛料具有阻抗，導(dǎo)致以前的純電容現(xiàn)在變成了由電容和電阻組成的復(fù)阻抗，從而引起測(cè)量誤差，這是由于掛料的電阻遠(yuǎn)大于液體中的電阻而造成的，這種由電阻和電容組合而成的復(fù)合信號(hào)稱(chēng)之為導(dǎo)納。射頻導(dǎo)納物位計(jì)增加了2個(gè)電路來(lái)解決檢測(cè)探頭掛料問(wèn)題：

1)在振蕩器與電橋之間增設(shè)了1個(gè)緩沖放大電路，由于探頭本身相當(dāng)于1只電容，它不消耗原電路的能量，若探頭表面覆蓋有掛料，掛料的阻抗會(huì)消耗能量，從而將振蕩器電壓拉下來(lái)，導(dǎo)致橋路輸出改變，使輸出產(chǎn)生信號(hào)誤差。緩沖放大器的增設(shè)使消耗的能量得到“補(bǔ)償”，因此不會(huì)降低加在探頭上的振蕩電壓，可消除測(cè)量誤差。

2)在電路中增設(shè)1個(gè)交流驅(qū)動(dòng)電路，從電學(xué)角度看，掛料層相當(dāng)于1只電阻，探頭被掛料覆蓋部分相當(dāng)于1條由無(wú)數(shù)只無(wú)窮小的電容和電阻組成的傳輸線(xiàn)，如果掛料足夠長(zhǎng)，則掛料的容抗和阻抗相等。增設(shè)交流驅(qū)動(dòng)電路與交流變換器和同步檢測(cè)器一起測(cè)量檢測(cè)回路中的電容和電阻，電路測(cè)得的總電容C測(cè)量=C物位+C掛料，即C物位=C測(cè)量-C掛料。射頻導(dǎo)納技術(shù)由于引入了除電容以外的測(cè)量參量(導(dǎo)納)，尤其是電阻參量，使得儀表測(cè)量信號(hào)信噪比上升，大幅度地提高了儀表的性能，擴(kuò)展了應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)射頻導(dǎo)納技術(shù)還采用了驅(qū)動(dòng)三端屏蔽技術(shù)，解決了連接電纜屏蔽和溫漂問(wèn)題，使儀表的整體抗干擾能力得到增強(qiáng)。

2 電脫鹽罐油水界位測(cè)量

2.1 射頻導(dǎo)納物位計(jì)的安裝

電脫鹽系統(tǒng)是原油加工的第一道工序，原油進(jìn)入電脫鹽罐后在油和水之間形成“電脫鹽罐界位”。射頻導(dǎo)納物位計(jì)在電脫鹽罐油水界位測(cè)量中具有安裝方便、調(diào)試簡(jiǎn)單、維護(hù)工作量少等特點(diǎn)。在電脫鹽罐上一般采用頂裝式，安裝示意如圖2所示。

圖2 電脫鹽罐上的射頻導(dǎo)納物位計(jì)安裝示意

建議采用法蘭與螺紋相結(jié)合的連接方式安裝，即先將探頭通過(guò)螺紋擰在上法蘭上，再用法蘭密封方式安裝，可方便拆裝維修。安裝位置應(yīng)既能滿(mǎn)足工藝檢測(cè)控制要求，又能順利安裝，不受其他障礙物的影響。安裝位置應(yīng)盡量遠(yuǎn)離進(jìn)、出料口，避免探頭受物料流的沖擊擺動(dòng)過(guò)大，影響測(cè)量或損壞探頭，尤其是在探頭底端周?chē)鷳?yīng)考慮有足夠的探頭擺動(dòng)半徑，防止金屬類(lèi)障礙物對(duì)探頭的長(zhǎng)期磨損導(dǎo)致探頭的絕緣層損壞。

射頻導(dǎo)納物位計(jì)在電脫鹽裝置中使用時(shí)，儀表正下方的多層電極柵板要開(kāi)600 mm×600 mm的方孔，該參數(shù)取決于高壓電極與地面正常運(yùn)行時(shí)的安全距離，通常為300 mm。探頭非作用段長(zhǎng)度，應(yīng)能保證探頭穿過(guò)最后一層極板50 mm。儀表變送器部分使用環(huán)境溫度一般為-40～+65 ℃，探頭正常使用的介質(zhì)溫度為-40～+150 ℃，電脫鹽溫度一般控制在110～140 ℃，由于探頭外部絕緣層為聚四氟乙烯材料，不能長(zhǎng)時(shí)間耐150 ℃以上高溫，尤其是在電脫鹽罐停工吹掃時(shí)，罐內(nèi)不能長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)150 ℃，必要時(shí)可多次用水換熱等，保證介質(zhì)溫度可以滿(mǎn)足儀表探頭長(zhǎng)時(shí)間使用的要求。

2.2 射頻導(dǎo)納物位計(jì)測(cè)量應(yīng)用

射頻導(dǎo)納物位計(jì)使用前需要標(biāo)定，為滿(mǎn)足實(shí)際界位測(cè)量要求，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，射頻導(dǎo)納物位計(jì)可以采用兩種標(biāo)定方法： 濕標(biāo)法，根據(jù)實(shí)際界位變化調(diào)整儀表的輸出值進(jìn)行標(biāo)定的方法；干標(biāo)法，利用標(biāo)準(zhǔn)電容器送電容值代替實(shí)際界位變化來(lái)調(diào)整儀表的輸出值進(jìn)行標(biāo)定的方法。

2.2.1 濕標(biāo)法

按照規(guī)定的顏色標(biāo)識(shí)通過(guò)專(zhuān)用連接線(xiàn)將變送器部分的電子單元與探頭可靠連接，中心線(xiàn)接探頭的中心端，屏蔽線(xiàn)接探頭的屏蔽層，地線(xiàn)接外殼，電子單元接線(xiàn)如圖3所示。

圖3 電子單元背面接線(xiàn)示意

在電子單元正面將4～20 mA兩線(xiàn)制電源信號(hào)通過(guò)電纜連接好，萬(wàn)用表放200 mA檔，表筆插入對(duì)應(yīng)的測(cè)量孔中。初始狀態(tài)量程細(xì)調(diào)，逆時(shí)針旋到底；量程粗調(diào)置“1”。改變電脫鹽罐油水實(shí)際界位，當(dāng)全部為油時(shí)(界位為零)，調(diào)整零點(diǎn)粗調(diào)、細(xì)調(diào)，使輸出電流為4 mA；若輸出電流總是大于4 mA，則在圖3中所示增加1只100 pF調(diào)整電容，再進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。當(dāng)水位升高，探頭全部被水覆蓋時(shí)，調(diào)整儀表的量程粗調(diào)、細(xì)調(diào)，使輸出電流為20 mA，則調(diào)整結(jié)束。

由于電脫鹽罐正常生產(chǎn)過(guò)程中界位不允許大幅度波動(dòng)，這時(shí)可選一個(gè)工藝允許達(dá)到的最低界位值，通過(guò)式(3)計(jì)算輸出電流I輸出：

(3)

式中：L實(shí)際——當(dāng)前實(shí)際油水界位；L量程——探頭量程。

通過(guò)零點(diǎn)粗調(diào)、細(xì)調(diào)使之與計(jì)算值相同；調(diào)整油水界位使水位升高，一般達(dá)到滿(mǎn)量程30%即可滿(mǎn)足調(diào)整需要，此時(shí)通過(guò)式(3)計(jì)算出的電流值，通過(guò)量程粗調(diào)、細(xì)調(diào)達(dá)到該值，即調(diào)整結(jié)束。調(diào)整時(shí)的注意事項(xiàng)如下：

1)調(diào)整時(shí)，必須先調(diào)整零點(diǎn)，再調(diào)整量程。

2)調(diào)整結(jié)束時(shí)，還須通過(guò)工藝放樣口確認(rèn)儀表標(biāo)定情況，確保儀表投用可靠。

3)乳化層的存在也會(huì)干擾界位測(cè)量，乳化層介于油水之間，與水的密度差更小，所以乳化層的厚度要引起重視，避免界位假指示。

2.2.2 干標(biāo)法

在某些情況下，采用充滿(mǎn)和放空電脫鹽內(nèi)介質(zhì)的方法不能滿(mǎn)足調(diào)整需要。這時(shí)，可采用1臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)儀器： 用調(diào)節(jié)范圍在0～99 999 pF的可調(diào)電容箱代替探頭模擬實(shí)際界位變化對(duì)儀表電子單元進(jìn)行再標(biāo)定。

記錄原始標(biāo)定數(shù)據(jù)，斷開(kāi)探頭連接線(xiàn)，將電容箱及萬(wàn)用表接到電子單元上，調(diào)節(jié)電容箱使萬(wàn)用表顯示最小值(4 mA)，記錄此時(shí)電容箱上電容值；再調(diào)節(jié)電容箱使萬(wàn)用表顯示最大值(20 mA)，同樣記錄此時(shí)電容箱上電容值；最后，斷開(kāi)電容箱及萬(wàn)用表，重新連接探頭。當(dāng)儀表需要重新標(biāo)定時(shí)，可按照上述記錄的電容數(shù)據(jù)標(biāo)定電子單元。

2.2.3 射頻導(dǎo)納物位計(jì)實(shí)際應(yīng)用

某煉油廠(chǎng)常減壓裝置電脫鹽罐采用DE公司射頻導(dǎo)納物位計(jì)測(cè)量油水界位，探頭采用聚四氟材料，測(cè)量范圍4.5 m。電脫鹽罐上設(shè)置了5個(gè)高低不同的放樣口，用來(lái)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)罐內(nèi)含水情況。采用濕標(biāo)法標(biāo)定時(shí)，當(dāng)水位過(guò)高時(shí)易造成電極跳閘，為此射頻導(dǎo)納物位計(jì)采用濕標(biāo)法標(biāo)定時(shí)，受到工藝條件的限制。采用干標(biāo)法標(biāo)定是現(xiàn)場(chǎng)常用的方法，但需要1臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的可調(diào)電容箱，測(cè)量范圍為0～99 999 pF；干標(biāo)法標(biāo)定時(shí)，當(dāng)罐內(nèi)全部為油時(shí)，界位為零，調(diào)整儀表輸出為4 mA，用萬(wàn)用表電容檔測(cè)得該情況下的電容值并作為干標(biāo)法的零點(diǎn)電容信號(hào)值；在干標(biāo)法進(jìn)行量程標(biāo)定時(shí)，由于探頭線(xiàn)性電容為400 pF/m，測(cè)量范圍為4.5 m，根據(jù)2.2.2節(jié)的干標(biāo)法標(biāo)定流程用可調(diào)電容箱送400 pF/m×4.5 m=1 800 pF信號(hào)至變送器電子單元，變送器電子單元調(diào)整儀表量程為20 mA，儀表即調(diào)校結(jié)束，最后通過(guò)工藝放樣口確認(rèn)儀表調(diào)校是否符合實(shí)際要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

射頻導(dǎo)納物位計(jì)具有防掛料、可靠性高、測(cè)量準(zhǔn)確、調(diào)試簡(jiǎn)單，適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，某煉油廠(chǎng)3套常減壓裝置電脫鹽罐全部采用射頻導(dǎo)納物位計(jì)進(jìn)行油水界位測(cè)量，取得了很好的應(yīng)用效果，實(shí)際使用無(wú)故障、免維護(hù)，完全滿(mǎn)足生產(chǎn)自動(dòng)控制要求。