射频导纳技术在电脱盐罐界位测量中的应用

李斌

(大庆石化公司 炼油厂，黑龙江 大庆 163711)

在石油化工生产中，物位同温度、流量、压力一样，是生产过程中重要的监控参数之一，物位测量的准确性和稳定性是生产连续运行、设备安全运转的可靠保证。生产过程中的物位测量，不仅包括常温、常压、一般性介质的液位、料位、界位的测量，而且还涉及高温、低温、高压、易燃、易爆、易结晶、黏性及多泡沫沸腾状介质的物位测量问题。

为适应生产过程被测对象的特点，满足物位测量的不同要求，目前已经有直读式、差压式、浮力式、雷达式、声学式、射线式等测量方法。近年来，随技术发展而出现的磁致伸缩、光学式、射频导纳等各种新型物位测量方法也应运而生，但由于物位测量的复杂性，没有一种测量方法能满足所有的物位测量要求。以下就射频导纳物位计的原理、特点、安装、调试等方面介绍其在实际生产过程中的应用。

1 射频导纳物位计基本原理

1.1 基本结构

射频导纳物位计主要由检测部分和变送部分组成，检测部分包括探头、保护套外壳等；变送部分包括振荡缓冲电路、频率变换及挂料处理电路、误差修正放大器、信号解调器、调制驱动放大器、滤波阻尼环节、电压限制及电压电流转换电路等，变送部分基本构成如图1所示。

图1 变送部分基本构成示意

1.2 工作原理

射频导纳物位计是一种新型物位测量仪表，“导纳”为电学中阻抗的倒数，它由阻性成分、容性成分、感性成分综合而成，而“射频”即高频，因此射频导纳技术可以理解为用高频测量导纳。

由高频正弦振荡器输出1个稳定的测量信号，测量频率一般在10～1 000 kHz，这时安装在金属容器内的探头与容器壁及物料形成1只电容，在容器内无物料的情况下，存在1只分布电容C0，计算如式(1)所示：

(1)

式中：ε0——检测探头与金属容器壁间空气的介电常数，ε0≈1；S——检测探头与金属容器壁间的面积；D——检测探头与金属容器壁间的距离。

在初始状态下，调整电桥电路调谐电容器的大小，平衡掉初始分布电容C0，使变送器的输出信号的零点为4 mA。当容器内装有物料介质时，如果物料介质的介电常数ε>1，则存在1只物料介质电容CW，计算如式(2)所示：

(2)

式中：S0——单位长度检测探头与金属容器壁间的面积；H——物料介质高度。

对金属容器来说，物料介质的ε是固定的，S0与D也是固定的，因此测量的电容与H成正比。根据电桥原理，由于液位升高而增大的电容使电桥失去平衡，同时正比于电桥不平衡度的解调器输出电压，经滤波放大、输出阻尼、电压/电流转换后，输出与物位成正比的4～20 mA电流信号。无论是射频电容物位计或射频导纳物位计都能准确测量介质的物位，但与普通射频电容物位计相比，射频导纳物位计更适合测量料位，因为它可以较好地处理挂料对料位测量的影响。

存放强导电性物料的容器，由于物料是导电的，接地点可以被认为在探头绝缘层的表面，对变送器探头来说仅表现为1只纯电容；随着容器排料，探杆上会产生挂料，而挂料具有阻抗，导致以前的纯电容现在变成了由电容和电阻组成的复阻抗，从而引起测量误差，这是由于挂料的电阻远大于液体中的电阻而造成的，这种由电阻和电容组合而成的复合信号称之为导纳。射频导纳物位计增加了2个电路来解决检测探头挂料问题：

1)在振荡器与电桥之间增设了1个缓冲放大电路，由于探头本身相当于1只电容，它不消耗原电路的能量，若探头表面覆盖有挂料，挂料的阻抗会消耗能量，从而将振荡器电压拉下来，导致桥路输出改变，使输出产生信号误差。缓冲放大器的增设使消耗的能量得到“补偿”，因此不会降低加在探头上的振荡电压，可消除测量误差。

2)在电路中增设1个交流驱动电路，从电学角度看，挂料层相当于1只电阻，探头被挂料覆盖部分相当于1条由无数只无穷小的电容和电阻组成的传输线，如果挂料足够长，则挂料的容抗和阻抗相等。增设交流驱动电路与交流变换器和同步检测器一起测量检测回路中的电容和电阻，电路测得的总电容C测量=C物位+C挂料，即C物位=C测量-C挂料。射频导纳技术由于引入了除电容以外的测量参量(导纳)，尤其是电阻参量，使得仪表测量信号信噪比上升，大幅度地提高了仪表的性能，扩展了应用领域，同时射频导纳技术还采用了驱动三端屏蔽技术，解决了连接电缆屏蔽和温漂问题，使仪表的整体抗干扰能力得到增强。

2 电脱盐罐油水界位测量

2.1 射频导纳物位计的安装

电脱盐系统是原油加工的第一道工序，原油进入电脱盐罐后在油和水之间形成“电脱盐罐界位”。射频导纳物位计在电脱盐罐油水界位测量中具有安装方便、调试简单、维护工作量少等特点。在电脱盐罐上一般采用顶装式，安装示意如图2所示。

图2 电脱盐罐上的射频导纳物位计安装示意

建议采用法兰与螺纹相结合的连接方式安装，即先将探头通过螺纹拧在上法兰上，再用法兰密封方式安装，可方便拆装维修。安装位置应既能满足工艺检测控制要求，又能顺利安装，不受其他障碍物的影响。安装位置应尽量远离进、出料口，避免探头受物料流的冲击摆动过大，影响测量或损坏探头，尤其是在探头底端周围应考虑有足够的探头摆动半径，防止金属类障碍物对探头的长期磨损导致探头的绝缘层损坏。

射频导纳物位计在电脱盐装置中使用时，仪表正下方的多层电极栅板要开600 mm×600 mm的方孔，该参数取决于高压电极与地面正常运行时的安全距离，通常为300 mm。探头非作用段长度，应能保证探头穿过最后一层极板50 mm。仪表变送器部分使用环境温度一般为-40～+65 ℃，探头正常使用的介质温度为-40～+150 ℃，电脱盐温度一般控制在110～140 ℃，由于探头外部绝缘层为聚四氟乙烯材料，不能长时间耐150 ℃以上高温，尤其是在电脱盐罐停工吹扫时，罐内不能长时间超过150 ℃，必要时可多次用水换热等，保证介质温度可以满足仪表探头长时间使用的要求。

2.2 射频导纳物位计测量应用

射频导纳物位计使用前需要标定，为满足实际界位测量要求，根据现场条件，射频导纳物位计可以采用两种标定方法： 湿标法，根据实际界位变化调整仪表的输出值进行标定的方法；干标法，利用标准电容器送电容值代替实际界位变化来调整仪表的输出值进行标定的方法。

2.2.1 湿标法

按照规定的颜色标识通过专用连接线将变送器部分的电子单元与探头可靠连接，中心线接探头的中心端，屏蔽线接探头的屏蔽层，地线接外壳，电子单元接线如图3所示。

图3 电子单元背面接线示意

在电子单元正面将4～20 mA两线制电源信号通过电缆连接好，万用表放200 mA档，表笔插入对应的测量孔中。初始状态量程细调，逆时针旋到底；量程粗调置“1”。改变电脱盐罐油水实际界位，当全部为油时(界位为零)，调整零点粗调、细调，使输出电流为4 mA；若输出电流总是大于4 mA，则在图3中所示增加1只100 pF调整电容，再进行零点调整。当水位升高，探头全部被水覆盖时，调整仪表的量程粗调、细调，使输出电流为20 mA，则调整结束。

由于电脱盐罐正常生产过程中界位不允许大幅度波动，这时可选一个工艺允许达到的最低界位值，通过式(3)计算输出电流I输出：

(3)

式中：L实际——当前实际油水界位；L量程——探头量程。

通过零点粗调、细调使之与计算值相同；调整油水界位使水位升高，一般达到满量程30%即可满足调整需要，此时通过式(3)计算出的电流值，通过量程粗调、细调达到该值，即调整结束。调整时的注意事项如下：

1)调整时，必须先调整零点，再调整量程。

2)调整结束时，还须通过工艺放样口确认仪表标定情况，确保仪表投用可靠。

3)乳化层的存在也会干扰界位测量，乳化层介于油水之间，与水的密度差更小，所以乳化层的厚度要引起重视，避免界位假指示。

2.2.2 干标法

在某些情况下，采用充满和放空电脱盐内介质的方法不能满足调整需要。这时，可采用1台标准仪器： 用调节范围在0～99 999 pF的可调电容箱代替探头模拟实际界位变化对仪表电子单元进行再标定。

记录原始标定数据，断开探头连接线，将电容箱及万用表接到电子单元上，调节电容箱使万用表显示最小值(4 mA)，记录此时电容箱上电容值；再调节电容箱使万用表显示最大值(20 mA)，同样记录此时电容箱上电容值；最后，断开电容箱及万用表，重新连接探头。当仪表需要重新标定时，可按照上述记录的电容数据标定电子单元。

2.2.3 射频导纳物位计实际应用

某炼油厂常减压装置电脱盐罐采用DE公司射频导纳物位计测量油水界位，探头采用聚四氟材料，测量范围4.5 m。电脱盐罐上设置了5个高低不同的放样口，用来现场确认罐内含水情况。采用湿标法标定时，当水位过高时易造成电极跳闸，为此射频导纳物位计采用湿标法标定时，受到工艺条件的限制。采用干标法标定是现场常用的方法，但需要1台标准的可调电容箱，测量范围为0～99 999 pF；干标法标定时，当罐内全部为油时，界位为零，调整仪表输出为4 mA，用万用表电容档测得该情况下的电容值并作为干标法的零点电容信号值；在干标法进行量程标定时，由于探头线性电容为400 pF/m，测量范围为4.5 m，根据2.2.2节的干标法标定流程用可调电容箱送400 pF/m×4.5 m=1 800 pF信号至变送器电子单元，变送器电子单元调整仪表量程为20 mA，仪表即调校结束，最后通过工艺放样口确认仪表调校是否符合实际要求。

3 结束语

射频导纳物位计具有防挂料、可靠性高、测量准确、调试简单，适用性广等优点，某炼油厂3套常减压装置电脱盐罐全部采用射频导纳物位计进行油水界位测量，取得了很好的应用效果，实际使用无故障、免维护，完全满足生产自动控制要求。