Достоверное измерение уровня раздела сред в нефтеперерабатывающей промышленности является одним из ключевых параметров технологического процесса, который влияет на качество выпускаемого продукта и безопасную эксплуатацию объектов. На сегодняшний день существуют разные средства измерения уровня раздела сред, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Самыми распространенными методами являются буйковый, радарный и гидростатический. В данной статье рассматривается радарный метод измерения уровня границы раздела сред.
ООО «КИНЕФ», г. Кириши, Ленинградская обл.,
Emerson
Принцип работы радарного уровнемера основывается на излучении высокочастотных электромагнитных импульсов, которые распространяются вдоль волновода в направлении к поверхности измеряемой среды. Достигнув поверхности,электромагнитные волны частично отражаются. Процент отраженной энергии зависит от молекулярного состава среды. Среды делятся на 2 типа с полярными и неполярными молекулами. Среды с полярными молекулами такие как вода,щелочи, кислоты хорошо отражают электромагнитные волны. Среды с неполярными молекулами, такие как бензин, дизельное топливо, керосин, сжиженные углеводороды и сера лишь частично могут отразить электромагнитную волну. На рисунке 1 представлен график зависимости типа измеряемой среды и мощности отраженного сигнала.
Рисунок 1 – График зависимости типа измеряемой среды и мощности отраженного сигнала
Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме составляет с= 3*10⁸м/с. Скорость распространения электромагнитных волн в углеводородах рассчитывается по формуле С/√Er, где С –скорость света в вакууме, Er – диэлектрическая постоянная среды. Исходя из изложенного, для корректного измерения уровня раздела сред в логике прибора должна проводиться компенсация замедления распространения электромагнитных волн в среде с углеводородами.
С точки зрения измерения уровня раздела сред в технологических аппаратах можно выделить два метода. Измерение уровня раздела сред при полном заполненииаппарата и измерение уровня раздела сред при частичном заполнении.
«Промышленная группа «Метран» выпускает волноводно-радарные уровнемеры Rosemount 3300 и 5300.В зависимости от применения (полностью погружен волновод в продукт или частично) выбирается логика работы уровнемера. Отличие в работе приборов состоит в том, что при полностью погруженном волноводе в продукт, наблюдается один отраженный сигнал из-за наличия одной границы раздела сред. В качестве примера приводится измерение уровня раздела сред углеводород-вода в сепараторе.В настройки уровнемера вносится диэлектрическая постоянная верхнего продукта, соответствующая типу среды, в данном случае углеводородам. При обработке отраженного сигнала электроника уровнемера вносит компенсацию замедления распространения радиоволн, что наглядно отражено на рис. 2
Рисунок 2– Сигнал границы раздела нефтепродукт-вода
Для измерения уровня раздела сред с частично заполненным аппаратом необходимо использовать режим работы уровнемера, где присутствует наличие двух отраженных сигналов от границ сред газ-верхний продукт,верхний продукт-нижний продукт рис 3. В качестве примера измерение уровня раздела сред в вертикальном стальном резервуаре, где присутствует подтоварная вода.
Рисунок 3 - Сигнал границы раздела газ-нефтепродукт
Необходимые условия для измерения раздела сред радарными уровнемерами –наличие одной (в случае полностью погруженного зонда) или двух границ раздела сред. Только при выполнении этих условий радарные уровнемеры будут надежно производить измерения.
В реальных условиях эксплуатации существует высокая вероятность несоблюдения этих требований, например, в аварийных ситуациях. В режиме работы при полностью погруженном зонде уровнемер неспособен обнаружить момент появления газовой фазы – т.е. когда в камере появляется объем, заполненный газом. В случае полного осушения камеры вероятна ситуация, в которой уровнемер будет выдавать выходной сигнал на уровне ~30% от шкалы в зависимости от настроенной диэлектрической постоянной верхнего продукта, наличия мертвого остатка воды в камере и математических расчетов прибора.
На рисунке 4 представлена эхограмма, снятая с радарного уровнемера с включенным режимом измерения границы раздела сред при полностью погруженном зонде. На эхограмме видно, что прибор выдает значение уровня раздела жидкостей в пустой выносной камере. Такая особенность работы не позволяет рассматривать возможность применения радарных уровнемеров для измерения уровня раздела сред с подобными особенностями техпроцесса (появление «газовой подушки»). Так, например, буйковый уровнемер, настроенный на измерение границы раздела сред, в пустой камере всегда будет передавать сигнал, соответствующий 0% от шкалы измерения.
Рисунок 4 – Сигнал, отраженный от границы раздела сред при полностью погруженном зонде
Для радарного уровнемера необходимо создать условия, чтобы прибор четко различал заполнена выносная камера или нет. Решением данной задачи служит новый коаксиальный зонд радарного уровнемера 5300. Достоинство данного волновода в отсутствии верхней мертвой зоны, зоны нечувствительности, что позволяет производить измерения практически по всей высоте резервуара (рис. 5).
Рисунок 5 – Первый сигнал на границе раздела воздух-углеводороды, второй на границе раздела углеводороды-вода
Уровнемер 5300 отслеживает два сигнала: первый (синяя стрелка) на границе раздела воздух-углеводороды и второй(фиолетовая стрелка) на границе раздела углеводороды-вода. В зависимости от степени заполнения выносной камеры продуктом производится компенсация замедления распространения радиоволн в углеводородах.
Как видно на рисунке 5 уровнемер показывает уровень углеводородов при 100% заполнении выносной камеры. При этом значение уровня раздела сред составляет 0 %. В качестве дополнения можно увидеть смещенный сигнал от «конца» волновода отрицательной полярности.Приуменьшении уровня в выносной камере на 200 мм появляется значение уровня газовой фазы и при этом значение уровня раздела сред не изменяется и составляет 0% (рис. 6).
Рисунок 6 – Сигнал, отраженный от углеводородов при появлении «газовой подушки» в выносной камере
Дальнейшее дренирование углеводородов так же не оказывает никого воздействия на измерение уровня раздела сред рис.7.
Рисунок 7 – Сигнал, отраженный от углеводородов при частичном осушении выносной камеры
Вплоть до полного осушения выносной камеры рис. 8.
Рисунок 8 – Полное осушение выносной камеры
Волноводные радарные уровнемеры 5300 в комплекте с коаксиальным зондом успешно решают задачи достоверного измерения уровняв применениях с разделом сред, где возможно появление газовой фазы. А специализированное программное обеспечение компании Эмерсон позволяет легко оценить работу уровнемеров, а также состояние измеряемой среды.
Статья_опубликована в электронной версии журнала «ИСУП»
К. В. Ротчев, ведущий инженер,
ООО «КИНЕФ», г. Кириши, Ленинградская обл.,
тел.: +7 (812) 315-1823,
e‑mail: kinef@kinef.ru,
www.kinef.ru
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")
