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1 引言
在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中,自動化就是通過過程檢測儀表獲取、轉(zhuǎn)換、顯示、傳送各類信息(物料的溫度、壓力、流量、組分,靜止設(shè)備的物位、界面,轉(zhuǎn)動設(shè)備振動的振幅、速度、加速度、轉(zhuǎn)速、位移等),再經(jīng)過程控制系統(tǒng)(DCS、ITCC等)處理后發(fā)出指令,控制調(diào)節(jié)閥等。生產(chǎn)過程自動化的目的就是使工藝參數(shù)保持在需要的數(shù)值上,設(shè)備處于*工作狀態(tài)。就過程檢測儀表和調(diào)節(jié)閥而言,它們好比人的“五官”和“四肢”。如果對控制參數(shù)不能有效準(zhǔn)確的檢測和調(diào)節(jié),控制就成為無源之水、無本之木。
進(jìn)入21世紀(jì)以來,以雷達(dá)液位計和迷宮閥為代表的新型過程檢測儀表和調(diào)節(jié)閥技術(shù)發(fā)展日趨成熟,應(yīng)用愈加廣泛,尤其是在化工裝置上應(yīng)對和解決各種復(fù)雜、惡劣、關(guān)鍵的工況中,取得了顯著的效果。
2 雷達(dá)液位計
2.1 測量原理
如圖1所示,以纜式導(dǎo)波雷達(dá)液位計為例,其測量原理是基于時間行程,即儀表測量從參考點(儀表過程連接處)到液位表面的距離:探頭發(fā)出高頻雷達(dá)波并沿纜繩傳播,當(dāng)雷達(dá)波遇到液位表面時反射回來被儀表內(nèi)的接收器接收,由于信號頻率在改變,回波與信號發(fā)射瞬間相比,其頻率稍有不同。該頻率差正比于至液面的距離,并且可地計算,由此測得液位高度值。
圖1 雷達(dá)液位計測量原理示意圖
2.2 結(jié)構(gòu)特點
1)與介質(zhì)密度、溫度、壓力等因素?zé)o關(guān),測量精度高且應(yīng)用廣泛;
2)無移動部件,可靠性高且可實現(xiàn)免維護;
3)根據(jù)設(shè)備要求可以選擇多種安裝方式,靈活適應(yīng)性強;
4)可采用液晶表頭、手持智能終端、以及電腦軟件等多種方式進(jìn)行參數(shù)組態(tài),調(diào)試方便;
5)采用軟件可以完成對儀表的組態(tài)、數(shù)據(jù)保護、信號分析、文件處理等功能,分析診斷功能強大;
6)電子部件均集成在顯示表頭,可以在線拆卸、互換,維修方便。
2.3 應(yīng)用案例
在化工生產(chǎn)裝置中,主要應(yīng)用于4種典型工況。
2.3.1 液氨儲罐
2.3.1.1 工況概況
實際案例為合成氨裝置液氨儲罐120-F,高約23m,內(nèi)徑約21m的立式圓柱儲罐,設(shè)計容量為5000m3的液氨,設(shè)計溫度為-33.3℃,設(shè)計表壓為0.07MPa(氣相層)。
該氨罐過去采用鋼帶式液位計進(jìn)行就地顯示(后因磨損嚴(yán)重、故障頻繁、修復(fù)費用高,現(xiàn)已停用),并采用差壓變送器和外測式液位計將液位測量信號引入DCS進(jìn)行顯示、后增設(shè)雷達(dá)液位計,其信號引入DCS顯示,同時引入ESD,與差壓變送器測量信號構(gòu)成2oo2的邏輯表決進(jìn)行液位高低聯(lián)鎖保護。
2.3.1.2 選型和安裝
采用E+H公司的纜式智能HART導(dǎo)波雷達(dá)液位計(FMP40型),過程接口法蘭為DN40,壓力等級為PN40,材質(zhì)為316L,纜繩長23.5m,直徑6mm,材質(zhì)為316,配分離型顯示表(安裝在儲罐地面上,電纜長約30m),測量范圍為20m。
該雷達(dá)液位計安裝在氨罐頂部,纜繩頂端安裝一DN150×2m的短管,并用對中環(huán)進(jìn)行限位約束,底端探頭采用螺栓固定在罐體內(nèi)底部并接地。
2.3.1.3 使用效果
該雷達(dá)液位計于2006年3月份系統(tǒng)大修期間氨罐清洗時安裝并投用,其測量信號引入DCS進(jìn)行顯示和報警,同時還引入ESD進(jìn)行聯(lián)鎖保護,使用至今測量穩(wěn)定、正常、可靠、準(zhǔn)確,2011年顯示表頭故障而更換過,基本屬于免維護狀態(tài)。
2.3.2 鍋爐汽包
2.3.2.1 工況概況
實際案例為快鍋裝置鍋爐汽包,設(shè)計溫度為370℃,設(shè)計表壓為3.85MPa(氣相層)。
該汽包過去采用電極式液位開關(guān)、浮子開關(guān)和差壓變送器進(jìn)行測量、報警和聯(lián)鎖,后取消電極式液位開關(guān),增設(shè)桿式導(dǎo)波雷達(dá)液位計,采用2oo3邏輯表決方式進(jìn)行液位低低聯(lián)鎖保護。
2.3.2.2 選型和安裝
采用Rosemount公司的智能HART桿式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(3301HTHP型),過程接口法蘭為DN50,壓力等級為ANSI600#,材質(zhì)為316,導(dǎo)波桿長800mm,直徑6mm,材質(zhì)316,測量范圍為500mm。該高溫高壓型雷達(dá)液位計的溫度-壓力曲線關(guān)系如圖2所示。
該雷達(dá)液位計安裝在旁通測量筒內(nèi),在導(dǎo)波桿尾端用對中環(huán)進(jìn)行限位約束。
圖2 Rosemount3301系列HTHP型溫度-壓力曲線圖
2.3.2.3 使用效果
該雷達(dá)液位計于2007年6月份系統(tǒng)大修期間安裝并投用,使用至今測量穩(wěn)定、正常、可靠、準(zhǔn)確,未曾檢修。
2.3.3 真空罐體
2.3.3.1 工況概況
實際案例為尿素裝置CO2壓縮機表面冷凝器905-C,設(shè)計溫度為48℃,設(shè)計表壓為-85kPa(氣相層)。
該氨罐過去采用氣動浮筒式液位計進(jìn)行測量,由于不能在高真空工況下正常使用,后將其改為雷達(dá)液位計,測量信號引入DCS進(jìn)行顯示、報警和聯(lián)鎖。
2.3.3.2 選型和安裝
采用E+H公司的智能HART纜式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(FMP40型),過程法蘭接口為DN50,壓力等級為ANSI150#,材質(zhì)為316,導(dǎo)波桿長560mm,直徑6mm,材質(zhì)316,測量范圍為550mm。
該雷達(dá)液位計安裝在直徑為2″的旁通測量筒內(nèi),過程接口為1-1/2″,在導(dǎo)波桿尾端用對中環(huán)進(jìn)行限位約束。
2.3.3.3 使用效果
該雷達(dá)液位計于2008年8月份系統(tǒng)大修期間安裝并投用,使用至今測量穩(wěn)定、正常、可靠、準(zhǔn)確,未曾檢修。
2.3.4 結(jié)晶介質(zhì)
2.3.4.1 工況概況
實際案例為尿素裝置S403/404液位測量,介質(zhì)為尿液,設(shè)計溫度為168℃,設(shè)計表壓為1.85MPa(氣相層)。
該氨罐過去采用雙法蘭液位變送器進(jìn)行測量,由于結(jié)晶嚴(yán)重、測量不準(zhǔn),后改為桿式導(dǎo)波雷達(dá)液位計。
2.3.4.2 選型和安裝
采用E+H公司的智能HART桿式導(dǎo)波雷達(dá)液位計(FMP41C型),過程法蘭接口為DN50,壓力等級為ANSI300#,材質(zhì)為316L,導(dǎo)波桿長1550mm,直徑6mm,材質(zhì)316L,測量范圍為1300mm。
該雷達(dá)液位計安裝直徑為3″的旁通測量筒內(nèi)(夾套式蒸汽伴熱保溫),過程接口為1-1/2″,在導(dǎo)波桿尾端用對中環(huán)進(jìn)行限位約束。
2.3.4.3 使用效果
該雷達(dá)液位計于2009年5月份系統(tǒng)大修期間安裝并投用,2011年因?qū)РU與顯示表頭密封問題,出現(xiàn)介質(zhì)滲漏,導(dǎo)致同軸接頭絕緣下降和電子部件腐蝕,后對密封整改后運行正常,使用至今測量穩(wěn)定、正常、可靠、準(zhǔn)確,基本屬于免維護狀態(tài)。
3 迷宮閥
在化工裝置中,具有很多高壓差、高流速等嚴(yán)峻工況,存在氣蝕、閃蒸等因素對調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生巨大破壞,采用如迷宮閥這類的多級降壓閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)閥,可以有效地解決此類問題,并可獲得較大經(jīng)濟效益。
3.1 結(jié)構(gòu)特點
針對降低壓差和流速兩大關(guān)鍵因素,迷宮閥的盤片內(nèi)件結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。其特點有:
1)采用若干片具有迷宮流道的碟片堆疊而成,每塊碟片上的迷宮流道加工成多級直角彎,逐級分解高壓差,無論閥門開度多少,都能使流體通過每個通道的流速均限制在30m/s以下;
2)其入口到出口呈由小變大設(shè)計,有效避免介質(zhì)顆粒雜質(zhì)進(jìn)入流道而發(fā)生堵塞;
3)迷宮盤片一交替式層疊,下層盤片出口流體把上層向下流動介質(zhì)速度相互降低;
4)每一盤片內(nèi)圓周出口處都有堰,使四周壓力平均,下層盤片出口流體不會直接沖擊在閥座上。
a)疊層迷宮盤片
b)迷宮流道
圖3 迷宮盤片結(jié)構(gòu)
3.2 應(yīng)用案例
自2002年以來,公司陸續(xù)使用了大批迷宮閥應(yīng)用于各種惡劣工況,取得了良好的效果和經(jīng)濟效益,下面例舉放空工況和氣蝕工況典型案例進(jìn)行闡述。
3.2.1 放空工況
3.2.1.1 工況概況
實際案例為合成裝置106-D入口工藝氣放空閥PICV-5,管道尺寸為12″,介質(zhì)為工藝氣,設(shè)計溫度為318℃,閥前設(shè)計表壓為2.5MPa,閥后表壓為0.2MPa,zui大流量為120t/h。
該放空閥過去采用氣動薄膜直通單座閥,由于泄漏量大、閥內(nèi)件磨損嚴(yán)重,后改為迷宮閥。
3.2.1.2 選型
采用CCI公司的雙作用氣缸直通單座迷宮閥(100D型),公稱通徑為10″,壓力等級為ANSI300#,迷宮碟片采用410SS材質(zhì),泄漏等級為MSS-SP-61(零泄漏)。
3.2.1.3 使用效果
該迷宮閥于2002年12月份系統(tǒng)大修期間調(diào)試后,進(jìn)行了泄漏試驗,達(dá)到零泄漏標(biāo)準(zhǔn),安裝投用后,又進(jìn)行了現(xiàn)場閥前后溫度差的測量,*要求。在以后的每次大修期間,均進(jìn)行了泄漏試驗,都達(dá)到零泄漏標(biāo)準(zhǔn),使用至今未進(jìn)行過閥內(nèi)件的檢修。
該迷宮閥調(diào)節(jié)精度高、動作靈敏、泄漏量極低。據(jù)考核統(tǒng)計,該閥較以前節(jié)省的合成氣損失每年約430萬方,增加經(jīng)濟效益約250萬元,不到一年就可收回采購成本。
3.2.2 氣蝕工況
3.2.2.1 工況概況
實際案例為合成氨裝置1101-E液位調(diào)節(jié)閥LV-91C,管道尺寸為18″,介質(zhì)為AMDEA溶液,設(shè)計溫度為85.4℃,閥前設(shè)計表壓為2.75MPa,閥后表壓為0.97MPa,zui大流量為976t/h。
該放空閥過去采用氣動薄膜直通雙座閥,由于該工況存在典型的氣蝕破壞,閥內(nèi)件沖刷嚴(yán)重,泄漏量大、故障率高,無法滿足工藝要求,后改為迷宮閥。
3.2.2.2 選型
采用CCI公司的雙作用氣缸直通單座迷宮閥(100D型),公稱通徑為8″,壓力等級為ANSI300#,迷宮碟片采用316SS表面硬化處理材質(zhì),泄漏等級為CLASSIV。
3.2.2.3 使用效果
該迷宮閥于2006年3月份系統(tǒng)大修期間調(diào)試安裝投用,在以后的每次大修期均進(jìn)行了檢查,都達(dá)到IV級泄漏標(biāo)準(zhǔn),使用至今閥內(nèi)件完好,未進(jìn)行過檢修。
4 結(jié)束語
有了雷達(dá)液位計和迷宮閥這類新型現(xiàn)場儀表,還須在選型、安裝、調(diào)試等諸多方面入手,才能使其充分發(fā)揮作用,zui終達(dá)到滿意的效果。下面就這兩類新型現(xiàn)場儀表在實際應(yīng)用中的注意事項分別作一總結(jié)。
4.1 雷達(dá)液位計
4.1.1 選型
根據(jù)介質(zhì)理化特點選擇不同類型的天線型式,如接觸式還是非接觸式,是否采用高溫高壓式,導(dǎo)波傳輸采用纜式、單桿式、雙桿式,還是同軸式。例如:對于汽包鍋爐液位測量,推薦選擇同軸式,以克服汽包氣相層的飽和蒸汽對測量的影響。
4.1.2 安裝
根據(jù)設(shè)備的特點采取不同的安裝方式,如直接在設(shè)備上開孔安裝,還是采用旁通測量筒安裝,對于直接安裝在設(shè)備內(nèi),要注意避開影響雷達(dá)波反射傳輸?shù)臄嚢杵?、容器壁等;對于旁通測量筒安裝,要考慮是否伴熱,以及加裝對中環(huán)等措施。
4.1.3 調(diào)試
調(diào)試過程中要注意上下盲區(qū)的設(shè)置、容器形狀的選擇,是否接地,以及空罐時的響應(yīng)曲線的匹配操作,推薦在筆記本電腦上采用軟件進(jìn)行調(diào)試,直觀明了且能獲取信號波形圖。
4.1.4 故障處理
由于雷達(dá)液位計只有表頭是電子部件,因此一般故障都出在此處,確診其故障后,用同型號的表頭直接在線更換即可。此外,還應(yīng)注意連接導(dǎo)波桿的同軸接口,其絕緣一定要合格。
4.2 迷宮閥
4.2.1 選型
提供給制造商進(jìn)行計算選型前,一定要確保工藝條件和參數(shù)的完整性和正確性,因為選擇迷宮閥都是具有高壓差、高流速、密封等級高等惡劣而苛刻的工況場合,伴隨而來的一般都有阻塞流現(xiàn)象。
4.2.2 調(diào)試
在安裝前一定要進(jìn)行泄漏試驗,合格后方能進(jìn)行管道安裝,若泄漏試驗不合格,除了重新調(diào)校外,還要注意檢查閥桿閥芯是否偏心,比如PIC-5就是因為運輸過程中發(fā)生了偏心,松動上閥蓋后重新自然對中安裝,泄漏試驗便合格。
4.2.3 安裝
雖然迷宮閥碟片的迷宮流道在設(shè)計時考慮了防堵問題,但是在實際應(yīng)用中仍要做好防范措施,首先是盡可能在上游管道加裝機械過濾器,其次若有旁路閥的情況下應(yīng)使迷宮閥安裝在旁路閥的上方,zui后在安裝上管道之前應(yīng)對管道進(jìn)行吹掃合格。
4.2.4 故障處理
一般來說,迷宮碟片不容易損壞,出故障一般都是有顆粒雜物堵塞流道,清除時要注意采取反向吹除;此外,若工藝未反映有問題,盡量不要打開閥內(nèi)件檢查,僅作整閥泄漏試驗即可,否則打開閥內(nèi)件再重新裝配后,會增加新故障機率。
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