循環(huán)水場冷水池增設(shè)液位計(jì)的改造

上海上自儀公司液位儀表廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、水處理等各個(gè)行業(yè)，其中循環(huán)水場冷水池液位是關(guān)系到循環(huán)水場系統(tǒng)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵性參數(shù)，液位計(jì)故障會造成循環(huán)水補(bǔ)水失靈，嚴(yán)重影響到安全生產(chǎn)。為確保液位檢測準(zhǔn)確和冷水池補(bǔ)水安全，需要增加不同測量原理的液位計(jì)，以便對原有液位計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。此液位計(jì)需同時(shí)能滿足就地液位計(jì)和遠(yuǎn)傳液位計(jì)的功能，選用帶遠(yuǎn)傳磁翻板液位計(jì)【遠(yuǎn)傳磁翻板液位計(jì)】，更有利于冷水池液位測量及自動化控制。

1 循環(huán)水場概況

循環(huán)水場是公用工程提供冷卻水的最主要裝置。循環(huán)水場冷卻塔是用于循環(huán)水的冷卻設(shè)備。冷卻風(fēng)機(jī)、通風(fēng)口、配水設(shè)備、淋水系統(tǒng)、收水池、集水池和冷水池等共同構(gòu)成循環(huán)冷卻塔。從生產(chǎn)裝置回來的壓力回水，沿回水主管道進(jìn)入逆流冷卻塔冷卻，循環(huán)水充分散熱并與環(huán)境大氣進(jìn)行換熱，當(dāng)環(huán)境溫度高時(shí)，開啟冷卻塔風(fēng)機(jī)對循環(huán)水降溫，使水得到冷卻，冷卻后的循環(huán)冷水匯入塔下集水池，從塔下水池經(jīng)過格網(wǎng)自流進(jìn)入冷水池，經(jīng)循環(huán)冷水泵升壓后，通過管道再送給各生產(chǎn)裝置。循環(huán)水場共有三個(gè)冷水池，每座冷水池原各有一臺雷達(dá)液位計(jì)，但雷達(dá)液位計(jì)易受水汽及泡沫的影響出現(xiàn)故障失靈，進(jìn)而導(dǎo)致自動補(bǔ)水聯(lián)鎖失靈，嚴(yán)重影響到生產(chǎn)裝置冷卻水的供應(yīng)及安全生產(chǎn)。

2 雷達(dá)液位計(jì)的原理及特點(diǎn)

2.1 雷達(dá)液位計(jì)的測量原理

循環(huán)水場冷水池原有液位測量使用的是雷達(dá)液位計(jì)雷達(dá)物位計(jì) 。雷達(dá)液位計(jì)的原理為液位計(jì)發(fā)射電磁波遇到介質(zhì)反射回液位計(jì)。雷達(dá)液位計(jì)由液位計(jì)探頭和變送單元組成。液位計(jì)探頭即液位計(jì)天線通常為喇叭口形狀，液位計(jì)天線可以以波束的形式發(fā)射電磁波信號 [1] ，電磁波到達(dá)被測介質(zhì)表面后反射，沿原路返回，再被發(fā)射天線所接收。由此可知，電磁波發(fā)射和反射時(shí)間相同。設(shè)定電磁波發(fā)射到接收的運(yùn)行時(shí)間為 t，雷達(dá)液位計(jì)到所測介質(zhì)的距離為 L，被測儲池的總高度為 D，液位高度為 C，電磁波速度為 V，根據(jù)速度、時(shí)間和距離的關(guān)系可得以下公式：

L=Vt/2 (1)

C=D - L (2)

電磁波的速度是光速 3×10 8 m/s，是已知的。雷達(dá)液位計(jì)通過測量電磁波的收發(fā)頻率差，收發(fā)頻率差與電磁波運(yùn)行時(shí)間成正比，通過計(jì)算可以得出液位計(jì)天線到介質(zhì)表面的距離，即液位。

根據(jù)電磁波的傳輸類型，分為兩種。普通雷達(dá)液位計(jì)為調(diào)頻連續(xù)波。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射的是脈沖波。雷達(dá)液位計(jì)也有四線制和兩線制之分。四線制一般都是高精度的計(jì)量雷達(dá)液位計(jì)，精度在 0.5 ～ 1.0 mm，輸出通常為總線信號。兩線制的是過程級雷達(dá)液位計(jì)，精度是 2 ～ 3 mm，輸出為 4 ～ 20 mA+HART 信號。24VDC 供電的兩線制雷達(dá)液位計(jì)，應(yīng)用比較多，與四線制相比，可節(jié)省電氣電纜的采辦，節(jié)約成本。循環(huán)水場冷水池使用 雷達(dá)液位計(jì)，采用的是兩線制調(diào)頻連續(xù)波式液位計(jì)。

根據(jù)雷達(dá)探頭的形狀不同，雷達(dá)液位計(jì)可分為喇叭口、過程密封、拋物面、棒狀天線。喇叭口天線是使用最廣泛的雷達(dá)液位計(jì)類型。過程密封天線外層材質(zhì)為 PTFE，主要用于測量酸堿等有腐蝕性介質(zhì)，另外因過程密封天線的外觀為弧形，若有凝結(jié)水產(chǎn)生，不易附著在天線上，也可用于密閉空間、濕度大的環(huán)境液位測量。拋物面天線，由于天線面積大，測量強(qiáng)度高，主要是用于測量沙石等固體物位測量。棒狀天線由于其容易受干擾，已經(jīng)逐漸被淘汰。

2.2 雷達(dá)液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

(1) 雷達(dá)液位計(jì)是一個(gè)整體，一般不可拆分，由于其一體化的設(shè)計(jì)，所以不存在機(jī)械磨損的情況，使用時(shí)間長。且易于安裝，便于維護(hù)，日常探頭檢查只需將液位計(jì)法蘭螺栓拆卸后便可進(jìn)行維護(hù)。雷達(dá)液位計(jì)具有較大的測量范圍，最大的測量范圍可達(dá) 0 ～ 40 m，且測量量程可以根據(jù)現(xiàn)場需要進(jìn)行修改，方便操作。

(2) 雷達(dá)液位計(jì)發(fā)射的雷達(dá)波為電磁波，不受蒸汽、空氣及易揮發(fā)介質(zhì)的影響 [2] ，可以測量氨水和苯。雷達(dá)液位計(jì)安裝在罐頂或者池頂，不與測量介質(zhì)接觸，屬于非接觸測量儀表，所測介質(zhì)的密度、pH、濃度、黏度等不會對它產(chǎn)生干擾，可用于測量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及氧化性介質(zhì)的測量，也可在高壓高溫介質(zhì)中進(jìn)行測量。腐蝕性介質(zhì)通常采用過程密封式雷達(dá)液位計(jì)。

(3) 雷達(dá)液位計(jì)不受介質(zhì)導(dǎo)電性的影響，可以對絕大部分液體進(jìn)行測量。雖然液位反射會造成電磁波信號衰減，但根據(jù)介電常數(shù)與反射信號成正比，通過調(diào)整雷達(dá)液位計(jì)的介電常數(shù)，即可提高反射波強(qiáng)度，滿足測量要求。

2.3 雷達(dá)液位計(jì)的缺點(diǎn)

(1) 液面溢流、液面泡沫都會對雷達(dá)液位計(jì)的測量產(chǎn)生干擾，液面溢流和泡沫都屬于介電常數(shù)非常低的介質(zhì)，會造成反射波衰弱，接收的電磁波減少，造成雷達(dá)液位計(jì)測量不準(zhǔn)。裝置循環(huán)水場冷水池雷達(dá)液位計(jì)出現(xiàn)干擾最高的原因就是冷水池加入藥劑后，極易產(chǎn)生泡沫，降低了回送信號，造成液位測量不準(zhǔn)。

(2) 雷達(dá)液位計(jì)的測量介質(zhì)不能有障礙物，比如儲罐內(nèi)有支架、水池內(nèi)液位表面有漂浮物。需更換到下方無遮擋的安裝位置，或者清除液面漂浮物，否則無法測量。在密閉空間或者陰雨天等環(huán)境濕度比較大的工況時(shí)，空氣中的水蒸氣遇冷，易在雷達(dá)液位計(jì)探頭形成凝結(jié)水珠，削弱測量準(zhǔn)確度。需要經(jīng)常擦拭探頭水珠，增加現(xiàn)場維護(hù)人員的維護(hù)率。

(3) 雷達(dá)液位計(jì)的安裝不當(dāng)，會引起測量不準(zhǔn)。儲罐雷達(dá)液位計(jì)的安裝位置應(yīng)在儲罐中心點(diǎn)至儲罐邊緣 1/3 的范圍內(nèi)，避免電磁波打在儲罐壁引起多重反射，如圖 1 所示。在雷達(dá)液位計(jì)安裝位置的安裝孔長不能超過 300 mm，雷達(dá)液位計(jì)的探頭安裝時(shí)最好伸出安裝孔，避免電磁波不能完全發(fā)出去，影響測量的準(zhǔn)確性。

雷達(dá)液位計(jì)安裝示意圖

(4) 如圖 1 所示，雷達(dá)液位計(jì)對于電源的質(zhì)量有很高的要求，尤其是兩線制雷達(dá)液位計(jì)，由于只有24 V，其交流諧波最大在 30 V 上下。液位計(jì)的電源部件在受到大電流干擾的情況下，容易損壞。另外雷達(dá)液位計(jì)價(jià)格比較昂貴，尤其是大品牌廠家產(chǎn)品，對于中小企業(yè)需要大量使用的，一般用其他類型非接觸式液位計(jì)替代。

3 帶遠(yuǎn)傳磁翻板液位計(jì)的原理及特點(diǎn)

3.1 帶遠(yuǎn)傳磁翻板液位計(jì)的原理

帶遠(yuǎn)傳磁翻板液位計(jì)主要分為兩種：一種是磁翻板液位計(jì)與干簧管組成的；另一種是磁翻板液位計(jì)和磁致伸縮液位變送器組成的。帶干簧管的磁翻板液位計(jì)，干簧管是由若干個(gè)電阻串聯(lián)而成，測量具有不連續(xù)性，且不能輸出 HART 信號，缺點(diǎn)比較明顯。所以此次改造選擇的磁致伸縮磁翻板液位計(jì)。

3.1.1 磁翻板液位計(jì)的原理

磁翻板液位計(jì)叫磁性浮子液位計(jì)，它是運(yùn)用磁力耦合原理和連通器原理結(jié)合而形成。磁翻板液位計(jì)主要由磁浮子、浮筒、磁翻柱指示器組成。當(dāng)液位改變時(shí)，磁浮子在浮筒內(nèi)也隨之改變位置，與此同時(shí)，磁翻柱指示器的顏色也發(fā)生改變，通常情況下指示器白色代表無液位，紅色代表有液位。白色和紅色中間的位

置即所測的液位高度。

3.1.2 磁致伸縮液位計(jì)原理

測量管、磁浮子、波導(dǎo)絲、電子發(fā)送器及應(yīng)力波檢測器共同組成磁致伸縮液位計(jì) - 儀表百科。與磁翻板液位計(jì)相同，磁浮子會隨液位的變化而變化。當(dāng)磁致伸縮液位計(jì)在進(jìn)行液位測量時(shí)，電子發(fā)送器會發(fā)射一個(gè)脈沖電流 [3] ，脈沖電流通過波導(dǎo)絲進(jìn)行傳播，脈沖電流磁場和磁浮子本身永久磁鐵的固有磁場相互作用，造成磁場的改變，使得波導(dǎo)絲產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，隨之，波導(dǎo)絲扭動并產(chǎn)生張力脈沖，該脈沖以固定速度沿著波導(dǎo)絲傳回到應(yīng)力波檢測器。通過計(jì)算發(fā)射電流脈沖到接收應(yīng)力波脈沖之間的時(shí)間 , 從而確定出被測液位的高度。

3.2 磁致伸縮磁翻板液位計(jì)的特點(diǎn)

3.2.1 磁翻板液位計(jì)的特點(diǎn)

(1) 磁翻板液位計(jì)是生產(chǎn)生活中使用最廣泛的就地式液位計(jì)，可測量和指示具有易燃易爆、腐蝕性、高溫、有毒有害、攪動環(huán)境的液體液位。但要特別注意材質(zhì)的選擇，比如在測量腐蝕介質(zhì)時(shí)，需選用 PVC 材質(zhì)或者 316+PTFE 材質(zhì)的液位計(jì)，若直接用 304 材質(zhì)，會造成液位計(jì)的腐蝕泄漏，造成環(huán)境污染和人身傷害。

(2) 磁翻板液位計(jì)結(jié)構(gòu)十分簡單，安裝和維護(hù)都很方便。磁翻板的顯示面板為翻柱，便于觀察。由于就地式儀表，不需要電源及電信號，也就不存在防爆認(rèn)證。

(3) 磁翻板液位計(jì)測量范圍大，尺寸多種多樣，方便選型。其中頂置型磁翻板液位計(jì)套筒不直接與介質(zhì)接觸，不易堵塞，可以測量污水等含有雜質(zhì)的水。另外磁翻板液位計(jì)價(jià)格便宜，供貨周期比較短。

3.2.2 磁致伸縮液位計(jì)的特點(diǎn)

(1) 磁致伸縮液位計(jì)在加油站 [4] 和工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用廣泛，尤其是惡劣環(huán)境中，比如腐蝕性介質(zhì)中，采用浮子和探桿材質(zhì)為不銹鋼帶 PTFE 襯氟的液位計(jì)測量。既可以測液位，也可以測量界位，測量界位時(shí)只需調(diào)整磁浮子的重量便可。對于分層的液體不僅可以測量液位也可同時(shí)測量界位。

(2) 磁致伸縮液位計(jì)安裝和拆除不需要工藝提前進(jìn)行隔離，方便操作。與雷達(dá)液位計(jì)類似，磁致伸縮液位計(jì)不可拆解，基本不需要維護(hù)，使用壽命長。磁致伸縮液位計(jì)可以在防爆場合進(jìn)行使用，有本安和隔爆供選擇，完全滿足石油化工裝置。

(3) 磁致伸縮液位計(jì)測量精度高，電子發(fā)送器發(fā)送的電流脈沖和應(yīng)力波脈沖，通過二者間隔的時(shí)間差獲得液位測量，可以達(dá)到計(jì)量級別的精度，最高絕對誤差大小可達(dá) ±0.5 mm 以內(nèi)，可以用于貿(mào)易結(jié)算儀

表。此外，磁致伸縮液位計(jì)擁有 4 ～ 20 mA+HART、FF 現(xiàn)場總線、PROFIBUS 等多種信號輸出方式，一

般采用 4 ～ 20 mA+HART 標(biāo)準(zhǔn)輸出信號，便于 DCS對液位信號接收，實(shí)現(xiàn) DCS 監(jiān)控和控制。

3.2.3 磁致伸縮磁翻板液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

(1) 磁致伸縮磁翻板液位計(jì)包含了磁致伸縮及磁翻板的優(yōu)點(diǎn)，并對彼此的缺點(diǎn)進(jìn)行了互補(bǔ)。既可以測量液位也可以測量界位。既可以就地顯示觀察，也可以輸出信號至中央控制室遠(yuǎn)傳顯示，進(jìn)行報(bào)警、控制和聯(lián)鎖設(shè)置。

(2) 磁致伸縮磁翻板液位計(jì)具有就地顯示功能，方便讀數(shù)，與其他就地儀表不同，在液位計(jì)附近就可以看到液位指示，且可根據(jù)現(xiàn)場工藝巡檢要求調(diào)整顯示的方向。

(3) 翻柱顯示面板與測量液體不直接接觸，面板顯示更加可靠，不受測量介質(zhì)干擾影響。在高溫環(huán)境還可以選用不褪色陶瓷翻柱。磁致伸縮磁翻板液位計(jì)測量范圍大，不受儲罐高度限制，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，維護(hù)費(fèi)用低廉。

3.3 循環(huán)水場冷水池磁致伸縮磁翻板液位計(jì)主要性能指標(biāo)

三臺磁致伸縮磁翻板液位計(jì)分別安裝在第一、第二、第三循環(huán)水場冷水池，其中冷水池 1 和冷水池 3 液位計(jì)量程為 3 000 ～ 5 000 mm，冷水池 2 液位計(jì)量程為 2 500 ～ 4 500 mm。工況均為常溫常壓，翻板精度 ±10 mm，過程連接方式為 6″RF CL300。本體及法蘭材質(zhì) 316SS，浮子材質(zhì) 316SS，電氣過程接口1/2″ NPT(F)，DC24V 供電，輸出信號 4 ～ 20 mA+HART，防爆等級 Exd Ⅱ CT4，防護(hù)等級 IP65。

4 循環(huán)水場冷水池增加液位儀表的原因

循環(huán)水場冷水池的水供給循環(huán)水泵，然后供應(yīng)給全廠各裝置。冷水池液位計(jì)的作用就是監(jiān)測冷水池液位的高低，確保液位正常，使得供給量正常，保證全廠各裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。雷達(dá)液位計(jì)與電動補(bǔ)水閥形成控制回路。補(bǔ)水閥在自動狀態(tài)下，冷水池液位低于3.5 m，補(bǔ)水閥打開；冷水池液位高于 3.8 m，補(bǔ)水閥關(guān)閉，停止補(bǔ)水。但當(dāng)雷達(dá)液位計(jì)出現(xiàn)故障，顯示液位為3.6 m，而實(shí)際液位只有 3.1 m，補(bǔ)水閥不會補(bǔ)水，造成循環(huán)水供水不足，情況嚴(yán)重甚至造成部分裝置停工。由于循環(huán)水添加了緩蝕劑、阻垢劑、殺菌劑等藥劑，造成冷水池水位上部會產(chǎn)生泡沫，影響雷達(dá)液位計(jì)的測量。通過對雷達(dá)液位計(jì)以及帶磁致伸縮磁翻板液位計(jì)特點(diǎn)的分析，決定對每個(gè)冷水池分別增加帶磁致伸縮磁翻板液位計(jì)，有助于判斷冷水池液位的準(zhǔn)確性。

5 改造后的效果

5.1 降低了泡沫對液位計(jì)的影響

由于之前的三臺雷達(dá)液位計(jì)的安裝位置比較靠近冷水池的邊角或者在離進(jìn)水口比較遠(yuǎn)的地方，這些地方容易積聚泡沫，帶遠(yuǎn)傳的磁翻板液位計(jì)的安裝位置，選擇在不容易積聚泡沫，并且與雷達(dá)液位計(jì)距離比較遠(yuǎn)的地方，這樣就會減少泡沫對測量的影響，而且不至于同時(shí)產(chǎn)生誤差。

5.2 方便就地觀察

改造之前，操作人員想要觀察冷水池液位，需要爬到冷水池頂上，還需要打開雷達(dá)液位計(jì)保護(hù)蓋，才能觀察到雷達(dá)液位計(jì)表頭顯示。因?yàn)椴环奖?，有時(shí)可能不會去觀察液位。而磁致伸縮磁翻板液位計(jì)繼承了磁翻板液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，可以就地顯示，在冷水池下側(cè)就可以看的很清楚，便于觀察。

5.3 維護(hù)率低

改造后新增的帶磁致伸縮磁翻板液位計(jì)是頂置型安裝方式，頂置型液位計(jì)與側(cè)裝液位計(jì)相比，避免了介質(zhì)中沉淀物在液位計(jì)底部積累，大大降低了液位計(jì)的日常維護(hù)。頂置型液位計(jì)如圖 2 所示。

頂置型液位計(jì)

5.4 有利于DCS 監(jiān)控

改造之前，中央控制室 DCS 畫面只可以看見雷達(dá)液位計(jì)的示數(shù)，如若雷達(dá)液位計(jì)顯示有誤，而現(xiàn)場人員在現(xiàn)場又沒有注意觀察實(shí)際液位，可能會造成冷水池液位不足，造成冷卻水供水不足，影響裝置安全運(yùn)行。

改造后，DCS 不僅可以看到雷達(dá)液位計(jì)的數(shù)值，也能看到磁致伸縮磁翻板液位計(jì)的數(shù)值，更有利于監(jiān)控與判斷液位。如若其中一個(gè)出現(xiàn)故障，可通過另一個(gè)進(jìn)行監(jiān)測。

5.5 增加了報(bào)警提示功能

帶磁致伸縮磁翻板液位計(jì)也具有報(bào)警功能，當(dāng)液位低于 3.2 m 時(shí)，會有報(bào)警提示，以便出現(xiàn)低液位時(shí)能提醒操作員盡快采取措施，調(diào)整冷水池液位至正常。

6 結(jié)語

冷水池液位作為循環(huán)水場的重要指標(biāo)，增加了帶磁致伸縮磁翻板液位計(jì)后，與原有的雷達(dá)液位計(jì)達(dá)到了“雙冗余”，可以實(shí)現(xiàn)相互備用，避免了只有一臺液位計(jì)，故障后無法監(jiān)視、操作的影響。帶磁致伸縮磁翻板液位計(jì)不僅具有遠(yuǎn)傳功能，還具備就地磁翻板液位計(jì)的功能，方便了現(xiàn)場巡檢觀看。新增的帶磁致伸縮磁翻板液位計(jì)，也便于對雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，防止了由于液位低威脅到循環(huán)水泵抽空，確保了液位檢測準(zhǔn)確和冷水池補(bǔ)水安全，也保證了全廠裝置的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

上海上自儀公司磁致伸縮磁翻板液位計(jì)在一期循環(huán)水場冷水池使用良好，計(jì)劃在二期循環(huán)水場的冷水池改造增加，進(jìn)行全面推廣。