新型现场仪表在化工装置关键工况中的应用

1 引言

    在现代生产过程中，自动化就是通过过程检测仪表获取、转换、显示、传送各类信息（物料的温度、压力、流量、组分，静止设备的物位、界面，转动设备振动的振幅、速度、加速度、转速、位移等），再经过程控制系统（DCS、ITCC等）处理后发出指令，控制调节阀等。生产过程自动化的目的就是使工艺参数保持在需要的数值上，设备处于*工作状态。就过程检测仪表和调节阀而言，它们好比人的“五官”和“四肢”。如果对控制参数不能有效准确的检测和调节，控制就成为无源之水、无本之木。

    进入21世纪以来，以雷达液位计和迷宫阀为代表的新型过程检测仪表和调节阀技术发展日趋成熟，应用愈加广泛，尤其是在化工装置上应对和解决各种复杂、恶劣、关键的工况中，取得了显著的效果。

    2 雷达液位计

    2.1 测量原理

    如图1所示，以缆式导波雷达液位计为例，其测量原理是基于时间行程，即仪表测量从参考点（仪表过程连接处）到液位表面的距离：探头发出高频雷达波并沿缆绳传播，当雷达波遇到液位表面时反射回来被仪表内的接收器接收，由于信号频率在改变，回波与信号发射瞬间相比，其频率稍有不同。该频率差正比于至液面的距离，并且可地计算，由此测得液位高度值。

图1 雷达液位计测量原理示意图

    2.2 结构特点

    1）与介质密度、温度、压力等因素无关，测量精度高且应用广泛；

    2）无移动部件，可靠性高且可实现免维护；

    3）根据设备要求可以选择多种安装方式，灵活适应性强；

    4）可采用液晶表头、手持智能终端、以及电脑软件等多种方式进行参数组态，调试方便；

    5）采用软件可以完成对仪表的组态、数据保护、信号分析、文件处理等功能，分析诊断功能强大；

    6）电子部件均集成在显示表头，可以在线拆卸、互换，维修方便。

    2.3 应用案例

    在化工生产装置中，主要应用于4种典型工况。

    2.3.1 液氨储罐

    2.3.1.1 工况概况

    实际案例为合成氨装置液氨储罐120-F，高约23m，内径约21m的立式圆柱储罐，设计容量为5000m3的液氨，设计温度为-33.3℃，设计表压为0.07MPa（气相层）。

    该氨罐过去采用钢带式液位计进行就地显示（后因磨损严重、故障频繁、修复费用高，现已停用），并采用差压变送器和外测式液位计将液位测量信号引入DCS进行显示、后增设雷达液位计，其信号引入DCS显示，同时引入ESD，与差压变送器测量信号构成2oo2的逻辑表决进行液位高低联锁保护。

    2.3.1.2 选型和安装

    采用E+H公司的缆式智能HART导波雷达液位计（FMP40型），过程接口法兰为DN40，压力等级为PN40，材质为316L，缆绳长23.5m，直径6mm，材质为316，配分离型显示表（安装在储罐地面上，电缆长约30m），测量范围为20m。

    该雷达液位计安装在氨罐顶部，缆绳顶端安装一DN150×2m的短管，并用对中环进行限位约束，底端探头采用螺栓固定在罐体内底部并接地。

    2.3.1.3 使用效果

    该雷达液位计于2006年3月份系统大修期间氨罐清洗时安装并投用，其测量信号引入DCS进行显示和报警，同时还引入ESD进行联锁保护，使用至今测量稳定、正常、可靠、准确，2011年显示表头故障而更换过，基本属于免维护状态。

    2.3.2 锅炉汽包

    2.3.2.1 工况概况

    实际案例为快锅装置锅炉汽包，设计温度为370℃，设计表压为3.85MPa（气相层）。

    该汽包过去采用电极式液位开关、浮子开关和差压变送器进行测量、报警和联锁，后取消电极式液位开关，增设杆式导波雷达液位计，采用2oo3逻辑表决方式进行液位低低联锁保护。

    2.3.2.2 选型和安装

    采用Rosemount公司的智能HART杆式导波雷达液位计（3301HTHP型），过程接口法兰为DN50，压力等级为ANSI600#，材质为316，导波杆长800mm，直径6mm，材质316，测量范围为500mm。该高温高压型雷达液位计的温度－压力曲线关系如图2所示。

    该雷达液位计安装在旁通测量筒内，在导波杆尾端用对中环进行限位约束。

图2 Rosemount3301系列HTHP型温度－压力曲线图

    2.3.2.3 使用效果

    该雷达液位计于2007年6月份系统大修期间安装并投用，使用至今测量稳定、正常、可靠、准确，未曾检修。

    2.3.3 真空罐体

    2.3.3.1 工况概况

    实际案例为尿素装置CO₂压缩机表面冷凝器905-C，设计温度为48℃，设计表压为-85kPa（气相层）。

    该氨罐过去采用气动浮筒式液位计进行测量，由于不能在高真空工况下正常使用，后将其改为雷达液位计，测量信号引入DCS进行显示、报警和联锁。

    2.3.3.2 选型和安装

    采用E+H公司的智能HART缆式导波雷达液位计（FMP40型），过程法兰接口为DN50，压力等级为ANSI150#，材质为316，导波杆长560mm，直径6mm，材质316，测量范围为550mm。

    该雷达液位计安装在直径为2″的旁通测量筒内，过程接口为1－1/2″，在导波杆尾端用对中环进行限位约束。

    2.3.3.3 使用效果

    该雷达液位计于2008年8月份系统大修期间安装并投用，使用至今测量稳定、正常、可靠、准确，未曾检修。

    2.3.4 结晶介质

    2.3.4.1 工况概况

    实际案例为尿素装置S403/404液位测量，介质为尿液，设计温度为168℃，设计表压为1.85MPa（气相层）。

    该氨罐过去采用双法兰液位变送器进行测量，由于结晶严重、测量不准，后改为杆式导波雷达液位计。

    2.3.4.2 选型和安装

    采用E+H公司的智能HART杆式导波雷达液位计（FMP41C型），过程法兰接口为DN50，压力等级为ANSI300#，材质为316L，导波杆长1550mm，直径6mm，材质316L，测量范围为1300mm。

    该雷达液位计安装直径为3″的旁通测量筒内（夹套式蒸汽伴热保温），过程接口为1－1/2″，在导波杆尾端用对中环进行限位约束。

    2.3.4.3 使用效果

    该雷达液位计于2009年5月份系统大修期间安装并投用，2011年因导波杆与显示表头密封问题，出现介质渗漏，导致同轴接头绝缘下降和电子部件腐蚀，后对密封整改后运行正常，使用至今测量稳定、正常、可靠、准确，基本属于免维护状态。

    3 迷宫阀

    在化工装置中，具有很多高压差、高流速等严峻工况，存在气蚀、闪蒸等因素对调节阀产生巨大破坏，采用如迷宫阀这类的多级降压阀内件结构调节阀，可以有效地解决此类问题，并可获得较大经济效益。

    3.1 结构特点

    针对降低压差和流速两大关键因素，迷宫阀的盘片内件结构原理如图3所示。其特点有：

    1）采用若干片具有迷宫流道的碟片堆叠而成，每块碟片上的迷宫流道加工成多级直角弯，逐级分解高压差，无论阀门开度多少，都能使流体通过每个通道的流速均限制在30m/s以下；

    2）其入口到出口呈由小变大设计，有效避免介质颗粒杂质进入流道而发生堵塞；    

    3）迷宫盘片一交替式层叠，下层盘片出口流体把上层向下流动介质速度相互降低；

    4）每一盘片内圆周出口处都有堰，使四周压力平均，下层盘片出口流体不会直接冲击在阀座上。

a）叠层迷宫盘片

b）迷宫流道

图3 迷宫盘片结构

    3.2 应用案例    

    自2002年以来，公司陆续使用了大批迷宫阀应用于各种恶劣工况，取得了良好的效果和经济效益，下面例举放空工况和气蚀工况典型案例进行阐述。

    3.2.1 放空工况

    3.2.1.1 工况概况

    实际案例为合成装置106-D入口工艺气放空阀PICV－5，管道尺寸为12″，介质为工艺气，设计温度为318℃，阀前设计表压为2.5MPa，阀后表压为0.2MPa，zui大流量为120t/h。

    该放空阀过去采用气动薄膜直通单座阀，由于泄漏量大、阀内件磨损严重，后改为迷宫阀。

    3.2.1.2 选型

    采用CCI公司的双作用气缸直通单座迷宫阀（100D型），公称通径为10″，压力等级为ANSI300#，迷宫碟片采用410SS材质，泄漏等级为MSS－SP－61（零泄漏）。

    3.2.1.3 使用效果

    该迷宫阀于2002年12月份系统大修期间调试后，进行了泄漏试验，达到零泄漏标准，安装投用后，又进行了现场阀前后温度差的测量，*要求。在以后的每次大修期间，均进行了泄漏试验，都达到零泄漏标准，使用至今未进行过阀内件的检修。

    该迷宫阀调节精度高、动作灵敏、泄漏量极低。据考核统计，该阀较以前节省的合成气损失每年约430万方，增加经济效益约250万元，不到一年就可收回采购成本。

    3.2.2 气蚀工况

    3.2.2.1 工况概况

    实际案例为合成氨装置1101－E液位调节阀LV－91C，管道尺寸为18″，介质为AMDEA溶液，设计温度为85.4℃，阀前设计表压为2.75MPa，阀后表压为0.97MPa，zui大流量为976t/h。

    该放空阀过去采用气动薄膜直通双座阀，由于该工况存在典型的气蚀破坏，阀内件冲刷严重，泄漏量大、故障率高，无法满足工艺要求，后改为迷宫阀。

    3.2.2.2 选型

    采用CCI公司的双作用气缸直通单座迷宫阀（100D型），公称通径为8″，压力等级为ANSI300#，迷宫碟片采用316SS表面硬化处理材质，泄漏等级为CLASSIV。

    3.2.2.3 使用效果

    该迷宫阀于2006年3月份系统大修期间调试安装投用，在以后的每次大修期均进行了检查，都达到IV级泄漏标准，使用至今阀内件完好，未进行过检修。

    4 结束语

    有了雷达液位计和迷宫阀这类新型现场仪表，还须在选型、安装、调试等诸多方面入手，才能使其充分发挥作用，zui终达到满意的效果。下面就这两类新型现场仪表在实际应用中的注意事项分别作一总结。

    4.1 雷达液位计

    4.1.1 选型

    根据介质理化特点选择不同类型的天线型式，如接触式还是非接触式，是否采用高温高压式，导波传输采用缆式、单杆式、双杆式，还是同轴式。例如：对于汽包锅炉液位测量，推荐选择同轴式，以克服汽包气相层的饱和蒸汽对测量的影响。

    4.1.2 安装

    根据设备的特点采取不同的安装方式，如直接在设备上开孔安装，还是采用旁通测量筒安装，对于直接安装在设备内，要注意避开影响雷达波反射传输的搅拌器、容器壁等；对于旁通测量筒安装，要考虑是否伴热，以及加装对中环等措施。

    4.1.3 调试

    调试过程中要注意上下盲区的设置、容器形状的选择，是否接地，以及空罐时的响应曲线的匹配操作，推荐在笔记本电脑上采用软件进行调试，直观明了且能获取信号波形图。

    4.1.4 故障处理

    由于雷达液位计只有表头是电子部件，因此一般故障都出在此处，确诊其故障后，用同型号的表头直接在线更换即可。此外，还应注意连接导波杆的同轴接口，其绝缘一定要合格。

    4.2 迷宫阀

    4.2.1 选型

    提供给制造商进行计算选型前，一定要确保工艺条件和参数的完整性和正确性，因为选择迷宫阀都是具有高压差、高流速、密封等级高等恶劣而苛刻的工况场合，伴随而来的一般都有阻塞流现象。

    4.2.2 调试

    在安装前一定要进行泄漏试验，合格后方能进行管道安装，若泄漏试验不合格，除了重新调校外，还要注意检查阀杆阀芯是否偏心，比如PIC－5就是因为运输过程中发生了偏心，松动上阀盖后重新自然对中安装，泄漏试验便合格。

    4.2.3 安装

    虽然迷宫阀碟片的迷宫流道在设计时考虑了防堵问题，但是在实际应用中仍要做好防范措施，首先是尽可能在上游管道加装机械过滤器，其次若有旁路阀的情况下应使迷宫阀安装在旁路阀的上方，zui后在安装上管道之前应对管道进行吹扫合格。

    4.2.4 故障处理

    一般来说，迷宫碟片不容易损坏，出故障一般都是有颗粒杂物堵塞流道，清除时要注意采取反向吹除；此外，若工艺未反映有问题，尽量不要打开阀内件检查，仅作整阀泄漏试验即可，否则打开阀内件再重新装配后，会增加新故障机率。