循環水場冷水池增設液位計的改造分析

上海自動化儀表四廠液位儀表廣泛應用于石油、化工、電力、水處理等各個行業，其中循環水場冷水池液位是關系到循環水場系統安全生產的關鍵性參數，液位計故障會造成循環水補水失靈，嚴重影響到安全生產。為確保液位檢測準確和冷水池補水安全，需要增加不同測量原理的液位計，以便對原有液位計進行標定。此液位計需同時能滿足就地液位計和遠傳液位計的功能，選用帶遠傳磁翻板液位計【遠傳磁翻板液位計】，更有利于冷水池液位測量及自動化控制。

1 循環水場概況

循環水場是公用工程提供冷卻水的主要裝置。循環水場冷卻塔是用于循環水的冷卻設備。冷卻風機、通風口、配水設備、淋水系統、收水池、集水池和冷水池等共同構成循環冷卻塔。從生產裝置回來的壓力回水，沿回水主管道進入逆流冷卻塔冷卻，循環水充分散熱并與環境大氣進行換熱，當環境溫度高時，開啟冷卻塔風機對循環水降溫，使水得到冷卻，冷卻后的循環冷水匯入塔下集水池，從塔下水池經過格網自流進入冷水池，經循環冷水泵升壓后，通過管道再送給各生產裝置。循環水場共有三個冷水池，每座冷水池原各有一臺雷達液位計，但雷達液位計易受水汽及泡沫的影響出現故障失靈，進而導致自動補水聯鎖失靈，嚴重影響到生產裝置冷卻水的供應及安全生產。

2 雷達液位計的原理及特點

2.1 雷達液位計的測量原理

循環水場冷水池原有液位測量使用的是雷達液位計雷達物位計 - 三暢百科。雷達液位計的原理為液位計發射電磁波遇到介質反射回液位計。雷達液位計由液位計探頭和變送單元組成。液位計探頭即液位計天線通常為喇叭口形狀，液位計天線可以以波束的形式發射電磁波信號 [1] ，電磁波到達被測介質表面后反射，沿原路返回，再被發射天線所接收。由此可知，電磁波發射和反射時間相同。設定電磁波發射到接收的運行時間為 t，雷達液位計到所測介質的距離為 L，被測儲池的總高度為 D，液位高度為 C，電磁波速度為 V，根據速度、時間和距離的關系可得以下公式：

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。雷達液位計通過測量電磁波的收發頻率差，收發頻率差與電磁波運行時間成正比，通過計算可以得出液位計天線到介質表面的距離，即液位。

根據電磁波的傳輸類型，分為兩種。普通雷達液位計為調頻連續波。導波雷達液位計導波雷達液位計發射的是脈沖波。雷達液位計也有四線制和兩線制之分。四線制一般都是高精度的計量雷達液位計，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液位計，精度是 2 ～ 3 mm，輸出為 4 ～ 20 mA+HART 信號。24VDC 供電的兩線制雷達液位計，應用比較多，與四線制相比，可節省電氣電纜的采辦，節約成本。循環水場冷水池使用 雷達液位計，采用的是兩線制調頻連續波式液位計。

根據雷達探頭的形狀不同，雷達液位計可分為喇叭口、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液位計類型。過程密封天線外層材質為 PTFE，主要用于測量酸堿等有腐蝕性介質，另外因過程密封天線的外觀為弧形，若有凝結水產生，不易附著在天線上，也可用于密閉空間、濕度大的環境液位測量。拋物面天線，由于天線面積大，測量強度高，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，已經逐漸被淘汰。

2.2 雷達液位計的優點

(1) 雷達液位計是一個整體，一般不可拆分，由于其一體化的設計，所以不存在機械磨損的情況，使用時間長。且易于安裝，便于維護，日常探頭檢查只需將液位計法蘭螺栓拆卸后便可進行維護。雷達液位計具有較大的測量范圍，測量范圍可達 0 ～ 40 m，且測量量程可以根據現場需要進行修改，方便操作。

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

(3) 雷達液位計不受介質導電性的影響，可以對絕大部分液體進行測量。雖然液位反射會造成電磁波信號衰減，但根據介電常數與反射信號成正比，通過調整雷達液位計的介電常數，即可提高反射波強度，滿足測量要求。

2.3 雷達液位計的缺點

(1) 液面溢流、液面泡沫都會對雷達液位計的測量產生干擾，液面溢流和泡沫都屬于介電常數非常低的介質，會造成反射波衰弱，接收的電磁波減少，造成雷達液位計測量不準。裝置循環水場冷水池雷達液位計出現干擾的原因就是冷水池加入藥劑后，易產生泡沫，降低了回送信號，造成液位測量不準。

(2) 雷達液位計的測量介質不能有障礙物，比如儲罐內有支架、水池內液位表面有漂浮物。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境濕度比較大的工況時，空氣中的水蒸氣遇冷，易在雷達液位計探頭形成凝結水珠，削弱測量準確度。需要經常擦拭探頭水珠，增加現場維護人員的維護率。

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

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

3 帶遠傳磁翻板液位計的原理及特點

3.1 帶遠傳磁翻板液位計的原理

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

3.1.1 磁翻板液位計的原理

磁翻板液位計叫磁性浮子液位計，它是運用磁力耦合原理和連通器原理結合而形成。磁翻板液位計主要由磁浮子、浮筒、磁翻柱指示器組成。當液位改變時，磁浮子在浮筒內也隨之改變位置，與此同時，磁翻柱指示器的顏色也發生改變，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 磁致伸縮液位計原理

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

3.2 磁致伸縮磁翻板液位計的特點

3.2.1 磁翻板液位計的特點

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

(2) 磁翻板液位計結構十分簡單，安裝和維護都很方便。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，也就不存在防爆認證。

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

3.2.2 磁致伸縮液位計的特點

(1) 磁致伸縮液位計在加油站 [4] 和工業生產應用廣泛，尤其是惡劣環境中，比如腐蝕性介質中，采用浮子和探桿材質為不銹鋼帶 PTFE 襯氟的液位計測量。既可以測液位，也可以測量界位，測量界位時只需調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測量界位。

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

(3) 磁致伸縮液位計測量精度高，電子發送器發送的電流脈沖和應力波脈沖，通過二者間隔的時間差獲得液位測量，可以達到計量級別的精度，絕對誤差大小可達 ±0.5 mm 以內，可以用于貿易結算儀

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

般采用 4 ～ 20 mA+HART 標準輸出信號，便于 DCS對液位信號接收，實現 DCS 監控和控制。

3.2.3 磁致伸縮磁翻板液位計的優點

(1) 磁致伸縮磁翻板液位計包含了磁致伸縮及磁翻板的優點，并對彼此的缺點進行了互補。既可以測量液位也可以測量界位。既可以就地顯示觀察，也可以輸出信號至控制室遠傳顯示，進行報警、控制和聯鎖設置。

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

(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，不受測量介質干擾影響。在高溫環境還可以選用不褪色陶瓷翻柱。磁致伸縮磁翻板液位計測量范圍大，不受儲罐高度限制，結構簡單，安裝方便，維護費用低廉。

3.3 循環水場冷水池磁致伸縮磁翻板液位計主要性能指標

三臺磁致伸縮磁翻板液位計分別安裝一、二、三循環水場冷水池，其中冷水池 1 和冷水池 3 液位計量程為 3 000 ～ 5 000 mm，冷水池 2 液位計量程為 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 316SS，浮子材質 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，防護等級 IP65。

4 循環水場冷水池增加液位儀表的原因

循環水場冷水池的水供給循環水泵，然后供應給全廠各裝置。冷水池液位計的作用就是監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運行。雷達液位計與電動補水閥形成控制回路。補水閥在自動狀態下，冷水池液位低于3.5 m，補水閥打開；冷水池液位高于 3.8 m，補水閥關閉，停止補水。但當雷達液位計出現故障，顯示液位為3.6 m，而實際液位只有 3.1 m，補水閥不會補水，造成循環水供水不足，情況嚴重甚至造成部分裝置停工。由于循環水添加了緩蝕劑、阻垢劑、殺菌劑等藥劑，造成冷水池水位上部會產生泡沫，影響雷達液位計的測量。通過對雷達液位計以及帶磁致伸縮磁翻板液位計特點的分析，決定對每個冷水池分別增加帶磁致伸縮磁翻板液位計，有助于判斷冷水池液位的準確性。

5 改造后的效果

5.1 降低了泡沫對液位計的影響

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

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，還需要打開雷達液位計保護蓋，才能觀察到雷達液位計表頭顯示。因為不方便，有時可能不會去觀察液位。而磁致伸縮磁翻板液位計繼承了磁翻板液位計的優點，可以就地顯示，在冷水池下側就可以看的很清楚，便于觀察。

5.3 維護率低

改造后新增的帶磁致伸縮磁翻板液位計是頂置型安裝方式，頂置型液位計與側裝液位計相比，避免了介質中沉淀物在液位計底部積累，大大降低了液位計的日常維護。頂置型液位計如圖 2 所示。

頂置型液位計

5.4 有利于DCS 監控

改造之前，控制室 DCS 畫面只可以看見雷達液位計的示數，如若雷達液位計顯示有誤，而現場人員在現場又沒有注意觀察實際液位，可能會造成冷水池液位不足，造成冷卻水供水不足，影響裝置安全運行。

改造后，DCS 不僅可以看到雷達液位計的數值，也能看到磁致伸縮磁翻板液位計的數值，更有利于監控與判斷液位。如若其中一個出現故障，可通過另一個進行監測。

5.5 增加了報警提示功能

帶磁致伸縮磁翻板液位計也具有報警功能，當液位低于 3.2 m 時，會有報警提示，以便出現低液位時能提醒操作員盡快采取措施，調整冷水池液位至正常。

6 結語

冷水池液位作為循環水場的重要指標，增加了帶磁致伸縮磁翻板液位計后，與原有的雷達液位計達到了“雙冗余”，可以實現相互備用，避免了只有一臺液位計，故障后無法監視、操作的影響。帶磁致伸縮磁翻板液位計不僅具有遠傳功能，還具備就地磁翻板液位計的功能，方便了現場巡檢觀看。新增的帶磁致伸縮磁翻板液位計，也便于對雷達液位計進行標定，防止了由于液位低威脅到循環水泵抽空，確保了液位檢測準確和冷水池補水安全，也保證了全廠裝置的安全平穩運行。

上海自動化儀表四廠磁致伸縮磁翻板液位計在一期循環水場冷水池使用良好，計劃在二期循環水場的冷水池改造增加，進行推廣。