摘要：液位測量是粉煤加壓氣化裝置自動控制系統(tǒng)的重要組成部分，在對液位計(jì)詳細(xì)分類的基礎(chǔ)上，對粉煤加壓氣化項(xiàng)目中常用的液位計(jì)進(jìn)行了綜合對比。詳細(xì)闡述了液位計(jì)的選型步驟，并針對HT-L粉煤加壓氣化工藝，結(jié)合各液位計(jì)的測量原理，完成了不同介質(zhì)的儀表選型，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際使用效果，對部分液位計(jì)的選型進(jìn)行了分析與改進(jìn)。

HT-L粉煤加壓氣化工藝，是目前廣泛應(yīng)用的先進(jìn)煤氣化技術(shù)，是將原料煤粉經(jīng)過磨碎干燥后，加壓輸送至航天氣化爐內(nèi)，與氧氣、蒸汽反應(yīng)，生成有效成分為氫氣、一氧化碳的粗合成氣的過程。整個(gè)煤氣化項(xiàng)目的工藝流程較長，涉及的工藝介質(zhì)較多，現(xiàn)場工況較復(fù)雜，其中需要進(jìn)行液位測量的介質(zhì)主要有：汽包水、燒嘴冷卻水、灰水、渣水、粉煤等，分別對應(yīng)不同的容器設(shè)備，對測量精度的要求也各不相同。針對不同的測量要求與測量條件，必須合理選擇適合的液位計(jì)，以保證良好的測量效果。

1、常用液位計(jì)的性能對比

目前在粉煤加壓氣化項(xiàng)目中常采用的液位計(jì)類型主要有：差壓式液位計(jì)、雙法蘭式差壓液位計(jì)、磁致伸縮液位計(jì)、磁翻板液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)等。這幾種液位計(jì)各有特色，都存在著一定的優(yōu)勢與不足，性能對比結(jié)果見表1所列。

2、液位計(jì)的選型與分析改進(jìn)

在進(jìn)行液位計(jì)的選型時(shí)，除了要滿足HG/T20507 2014《HG/T20507 2014自動化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)液位計(jì)選型的規(guī)定外，應(yīng)從以下幾個(gè)方面來綜合考慮：

1）*先要確定被測介質(zhì)，包括介質(zhì)的類型、狀態(tài)、工藝參數(shù)、是否潔凈、是否有腐蝕性、是否導(dǎo)電等。

2）確定被測介質(zhì)所在的容器或設(shè)備，包括是敞口還是密閉容器，容器的直徑、長寬高、壁厚、保溫層外形尺寸等，是否可以開孔等。

3）確定測量要求，包括測量精度、測量范圍、可靠性、是否參與聯(lián)鎖控制等。

4）考慮經(jīng)濟(jì)因素，包括儀表的購置成本、安裝費(fèi)用、長期運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用等。

在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，要按照以上4個(gè)步驟綜合考慮，完成液位計(jì)的合理選型。

2.1潔凈水液位測量

在粉煤加壓氣化工藝流程中，冷卻水、冷凝水是干凈潔凈的介質(zhì)，測量該介質(zhì)的液位如無特殊情況，選用普通的差壓式液位計(jì)即可。差壓式液位計(jì)是利用流體靜力學(xué)原理，通過測量流體的壓差來計(jì)算出液位的高低，其測量原理如圖1所示。這種方法簡捷、方便，但是準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性不高，而且測量結(jié)果受到介質(zhì)密度的影響，為滿足測量精度常需要進(jìn)行補(bǔ)償或采用組合式儀表測量方案。

2.1.1燒嘴冷卻水罐液位的測量

對于一些重要的場合，如燒嘴冷卻水罐，由于其液位需要參加聯(lián)鎖控制，在設(shè)計(jì)時(shí)采用3臺差壓液位變送器，并配備1臺就地顯示的玻璃管液位計(jì)或磁翻板液位計(jì)。3臺差壓液位計(jì)3取中或3選2參與聯(lián)鎖順控，就地液位計(jì)除了能在現(xiàn)場直觀地顯示出液位外，還與差壓液位變送器檢測的液位值進(jìn)行互校，進(jìn)一步保證測量的準(zhǔn)確度。

2.1.2汽包液位的測量

需要特別注意中壓汽包液位的測量，汽包內(nèi)的介質(zhì)主要為蒸汽與汽包水兩相，溫度*高可達(dá)450℃，壓力為,5.4MPa。在以往的設(shè)計(jì)選型時(shí)，為補(bǔ)償汽包內(nèi)溫度、壓力對測量結(jié)果的影響，對普通差壓式液位計(jì)加裝了雙室平衡容器。雙室平衡容器差壓式液位計(jì)的測量原理：利用T形連通器將汽包內(nèi)的水位產(chǎn)生的壓力與平衡室內(nèi)形成的參比水柱產(chǎn)生的壓力進(jìn)行比較，從而得到實(shí)際液位的差壓值。原設(shè)計(jì)方案是對汽包設(shè)置2組液位測量儀表,1組是3臺雙室平衡容器差壓式液位計(jì)，,3取中參與液位控制，3選2參與安全聯(lián)鎖；另1組是2臺磁翻板液位計(jì)，對稱安裝在汽包兩側(cè)用于就地直觀顯示，并綜合考慮項(xiàng)目所在地環(huán)境溫度的影響，對平衡容器、凝汽室、上下引管、連通管均采取必要的保溫伴熱措施。

這樣的選型設(shè)計(jì)，雖然能夠滿足測量準(zhǔn)確度的要求，但相應(yīng)增加了購置成本，并且根據(jù)項(xiàng)目應(yīng)用的實(shí)際反饋，現(xiàn)場存在泄漏點(diǎn)多、安裝與維護(hù)較復(fù)雜等問題。因此在新的伊泰杭錦旗項(xiàng)目中，由于項(xiàng)目所在地的晝夜溫差較大，冬季環(huán)境溫度*低，改用側(cè)裝3臺磁致伸縮式液位計(jì)并配磁翻柱顯示器來替代原先的差壓式測量方案。磁致伸縮式液位計(jì)主要依據(jù)磁致伸縮原理而工作，工作原理如圖2所示，由傳感器電路沿磁致伸縮線（波導(dǎo)絲）發(fā)出電流脈沖，在磁致伸縮線周圍形成環(huán)形磁場，當(dāng)其與浮子內(nèi)的永磁鐵產(chǎn)生的縱向磁場發(fā)生疊加時(shí)，會在浮子位置產(chǎn)生1個(gè)扭轉(zhuǎn)脈沖回傳至傳感器的探頭。測量起始脈沖與返回脈沖的時(shí)間差來確定浮子的位置，即液面的位置。磁致伸縮液位計(jì)具有精度高、使用壽命長、無需調(diào)零校準(zhǔn)、易維護(hù)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，但是在安裝時(shí)要注意：探測桿要保證垂直，不能折彎；做好接地屏蔽工作，以免電磁干擾影響測量效果。

2.2灰/黑水液位測量

在粉煤加壓氣化項(xiàng)目中，需要測量黑水介質(zhì)液位的容器主要有：氣化爐激冷室、合成氣洗滌塔、高壓閃蒸罐、低壓閃蒸罐等。涉及灰水介質(zhì)液面測量的設(shè)備主要有：灰水槽、渣鎖斗沖洗水罐等。這類介質(zhì)的共同特點(diǎn)是臟污、含有懸浮固體顆粒、黏度高、具有腐蝕性，普通的差壓液位計(jì)難以滿足此種介質(zhì)的測量，常采用非直接接觸的測量方式。

2.2.1密閉容器

以氣化爐激冷室與合成氣洗滌塔為例，根據(jù)實(shí)際工況，其壓力都在4MPa左右，溫度高達(dá)200℃，均為密閉的容器，對壓力的干擾比較敏感，且罐體尺寸較高，所以雷達(dá)液位計(jì)并不適用。經(jīng)過綜合考慮，對這類介質(zhì)選用雙法蘭式差壓液位計(jì)并加裝吹掃沖洗裝置的測量方案。同理，由于這兩種設(shè)備的液位都是*其重要的控制與安全聯(lián)鎖信號，所以采取3臺液位計(jì)聯(lián)合測量的方式。

1）雙法蘭式差壓液位計(jì)。隔膜密封式差壓液位變送器與普通差壓式液位計(jì)相比，可通過毛細(xì)管來傳導(dǎo)雙法蘭隔離膜片上感測到的壓差，送至變送器再轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際使用效果，雙法蘭差壓液位計(jì)基本能夠滿足測量與控制的要求，但是仍然存在著一些弊端：

a）毛細(xì)管的長度不能過長，單根一般不超過10m，否則在測量時(shí)受溫度的影響較大會產(chǎn)生誤差。而罐體尺寸高度一般都在5m以上，布置安裝變送器時(shí)需要慎重考慮以免單側(cè)毛細(xì)管過長。

b）毛細(xì)管內(nèi)填充液受環(huán)境溫度的影響，對于有*端溫度及晝夜溫差較大的地區(qū)，如內(nèi)蒙古等，還要考慮對毛細(xì)管的保溫。

c）對膜片的材質(zhì)要求較高。為防止腐蝕與氫脆現(xiàn)象，需要選用316L鍍金膜片，成本較高。同時(shí)由于介質(zhì)的易沉積性，在加裝沖洗吹掃裝置后，仍然需要定期清理更換膜片，以保證測量精度。2）改進(jìn)的電子遠(yuǎn)傳液位變送器。在后續(xù)的項(xiàng)目中采用改進(jìn)的電子遠(yuǎn)傳液位變送器，其測量原理如圖3所示。該種電子遠(yuǎn)傳液位變送器取消了傳統(tǒng)的毛細(xì)管引壓方式，使用主、副2個(gè)壓力傳感器，分別安裝于容器的底部與上方，用來測量高低壓側(cè)的壓力。2個(gè)壓力傳感器以CAN總線的方式連接到一起，并且將副傳感器接收到的壓力信號傳至主傳感器中進(jìn)行差壓計(jì)算，計(jì)算完成后轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA信號輸出。

目前在伊泰杭錦旗項(xiàng)目上運(yùn)用了該種設(shè)計(jì)方案，采用羅斯蒙特3051SERS電子遠(yuǎn)傳變送器系統(tǒng)，2個(gè)3051SERS壓力變送器加上1199系列密封系統(tǒng)。它的優(yōu)勢在于：

a）取消了導(dǎo)壓管與毛細(xì)管，不需要再進(jìn)行額外的保溫伴熱措施，簡化了設(shè)備的安裝，減少了裝置的跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，降低了現(xiàn)場儀表的維護(hù)工作量，全面提高了整個(gè)裝置的環(huán)保質(zhì)量。

b）采用電子遠(yuǎn)傳系統(tǒng)，使用CAN總線替代了傳統(tǒng)的機(jī)械管路，縮短了響應(yīng)時(shí)間，減少了測量誤差的積累，并且測量結(jié)果不再受到環(huán)境溫度的影響，保證了測量的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

c）不需要進(jìn)行零點(diǎn)遷移計(jì)算。

d）電子遠(yuǎn)傳液位變送器系統(tǒng)除了液位計(jì)算之外，還提供額外的過程優(yōu)化控制信息，如來自每個(gè)壓力傳感器讀數(shù)的實(shí)時(shí)訪問和液位或體積測量的比例輸出等，提高了儀表的可用性。

2.2.2敞口容器

當(dāng)測量敞口容器臟污介質(zhì)的液位時(shí)，宜選用非接觸的雷達(dá)液位計(jì)。雷達(dá)液位計(jì)是基于電磁波反射原理來測量液位，通過向液面發(fā)射電磁波并接收反射回波，通過檢測發(fā)射波與返回波的時(shí)差或頻率差來計(jì)算出液面的高度。雷達(dá)液位計(jì)主要分為兩大類：發(fā)射固定頻率電磁波的脈沖型雷達(dá)液位計(jì)；發(fā)射連續(xù)波的連續(xù)調(diào)頻式雷達(dá)液位計(jì)。脈沖式雷達(dá)液位計(jì)依據(jù)結(jié)構(gòu)的不同又可以分為兩種：天線型和導(dǎo)波型。天線型雷達(dá)液位計(jì)采用天線發(fā)射電磁波，而導(dǎo)波型雷達(dá)液位計(jì)則通過桿式或纜式導(dǎo)波管來發(fā)射電磁波。在進(jìn)行雷達(dá)液位計(jì)的選型時(shí)，需要針對不同的實(shí)際工況擇優(yōu)選取*適合的雷達(dá)液位計(jì)類型。

粉煤加壓氣化項(xiàng)目中，沉渣池為典型的敞口常壓容器，在進(jìn)行液位計(jì)的選型時(shí)，由于介質(zhì)是臟污懸濁的渣水，為避免與介質(zhì)接觸，選用天線式的脈沖型雷達(dá)液位計(jì)。天線的形式選擇喇叭口式，喇叭口式的天線開口尺寸較小且聚集效果好，是目前*常采用的天線形式，在容器頂部法蘭安裝。

3、結(jié)束語

雖然液位計(jì)的種類復(fù)雜多樣，測量原理各有千秋，測量精度、使用壽命與便捷程度都在逐漸增強(qiáng)，但是并沒有萬能的液位計(jì)，都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)及適用的范圍。在實(shí)際使用中，需要緊密聯(lián)系項(xiàng)目實(shí)際條件，根據(jù)不同的工況環(huán)境、測量要求等，綜合液位計(jì)自身的特點(diǎn)與適用性，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)與效果，合理選擇性價(jià)比*高的液位計(jì)。