Перевод статьи On the Level Патрисии Маттссон, Специалиста по маркетингу в компании Emerson
Точные и надежные результаты измерения уровня, объема жидких и сыпучих веществ в резервуарах, емкостях и силосах имеют важное значение для эффективной и безопасной работы предприятий химической отрасли. Повсеместное внедрение средств автоматизации позволило не только обеспечить точность измерений, но и существенно повысить эффективность работы персонала.
Передовые технологии измерения уровня также способствуют сокращению объема технического обслуживания оборудования, получению расширенного набора данных о технологических операциях, оптимизации управления процессом и значительному повышению безопасности персонала и предприятия.
Измерение уровня в химической промышленности представляет собой сложную задачу из-за широкого разнообразия измеряемых жидких сред, изменчивых параметров технологических процессов, разных типов и размеров емкостей. На точность измерений существенно влияют такие факторы, как турбулентность среды, образование пены и конденсата в смесительных баках и резервуарах реакторов. Повысить точность измерений можно за счет применения подходящей технологии. Это может быть точечный контроль уровня, измерение уровня методом разности давлений или с помощью волноводных и бесконтактных радарных уровнемеров.
В применениях с использованием реактора, мешалок и резервуаров для смешивания важно точно знать объем среды, находящейся в емкости, чтобы обеспечить требуемое качество конечного продукта. Для этого существует целый ряд технологий измерения. Однако, только благодаря непрерывному измерению уровня радарными уровнемерами оператор будет получать не только достоверные данные об уровне продукта, но также и осуществлять полный контроль технологического процесса после завершения химической реакции.
Шум от перемешивающих устройств влияет на качество и достоверность измерений. Однако за последние годы все более доступными становятся бесконтактные радарные уровнемеры на базе технологии непрерывного излучения с частотной модуляцией (FMCW), которые повышают надежность и точность измерений, особенно в сложных условиях применения. Поэтому наиболее подходящим решением для измерения уровня в емкостях с перемешивающими устройствами является бесконтактный радарный уровнемер.
Принцип действия бесконтактных радарных уровнемеров основан на технологии импульсной модуляции. В направлении поверхности среды излучаются микроволновые импульсы, которые затем отражаются на сенсор, при этом уровень прямо пропорционален времени между передачей и приемом сигнала. При использовании технологии FMCW излучатель передает непрерывный сигнал-зондирование с постоянно изменяющейся частотой. Разница между частотами отраженного сигнала и сигнала, передаваемого в этот момент, пропорциональна расстоянию от уровнемера до поверхности, за счет чего и происходит измерение уровня. Преимуществом FMCW является то, что переменные технологические данные определяются в зависимости от разницы частот, а не амплитудной модуляции сигнала или отрезка времени между переданным и отраженным сигналами, что способствует более точному преобразованию радиосигнала в соответствующий выходной сигнал. Большинство источников шума в резервуарах, например перемешивающие устройства, создают амплитудную модуляцию, поэтому обработка сигнала по принципу частотной модуляции позволяет не учитывать источники шума и при этом обеспечивать точные измерения.
Преобразователи на базе технологии FMCW в 30 раз более чувствительны чем традиционные импульсные радарные уровнемеры. Благодаря этому удается обеспечить максимальную мощность сигнала, надежные и точные измерения, а также значительно повысить уровень безопасности в сложных условиях применения.
Технология FMCW не является новой, однако, всегда считалась энергозатратной и поэтому использовалась только в четырехпроводных устройствах. Установка таких устройств часто подразумевает подведение дополнительных кабелей, что требует финансовых затрат и отнимает время. В результате предприятиям приходилось жертвовать точностью и надежностью FMCW-устройств и устанавливать двухпроводные датчики на базе импульсной технологии. В современных устройствах на базе технологии FMCW проблема повышенного энергопотребления решена, и теперь они доступны в виде двухпроводных решений, которые можно установить на территории всего объекта без дополнительных затрат на инфраструктуру.
Повышение надежности измерений с двухпроводным бесконтактным радарным уровнемеров с использованием технологии FMCW.
Еще одним достижением в технологии измерения уровня стало упрощение установки, эксплуатации и обслуживания оборудования. Бесконтактный радарный уровнемер обеспечивает надежность и точность измерений, но такая работа может быть обеспечена при правильной установке и конфигурации. В прошлом устройства требовали значительных компетенций персонала, поддержание которых на предприятиях требовало значительных вложений. Но теперь интуитивно понятные программные интерфейсы обеспечивают простоту установки датчика и ввода его в эксплуатацию. Эта простота распространяется также на процедуры контрольного тестирования и обслуживания, что гарантирует легкость выполнения обеих задач. Это способствует повышению эффективности трудозатрат персонала, но, что наиболее важно, обеспечивает правильную работу устройств и предоставление информации, необходимой для безопасной и эффективной работы технологических установок.
Еще одна проблема для контрольно-измерительных приборов, включая устройства для измерения уровня — это агрессивные среды, обычно используемые в химической промышленности. Это предъявляет более высокие требования к компонентам уровнемера, непосредственно контактирующим со средой. Чтобы решить эту проблему и снизить требования к техническому обслуживанию, предлагается решения с покрытием из PTFE, волноводные радарные уровнемеры с зондами с покрытием PTFE и бесконтактные радарные уровнемеры с изолированными антеннами с технологическим уплотнением. Новейшие конструкции бесконтактных радаров FMCW полностью исключают необходимость использования смачиваемых уплотнительных колец. Это означает, что при изменении свойств среды от партии к партии, что является обычным явлением в химической промышленности, исключаются ситуации, когда первоначально указанное уплотнительное кольцо может оказаться несовместимо со средой. Эти особенности позволяют установить радарный уровнемер и обеспечить надежную работу независимо от среды, которая может содержаться в резервуаре в будущем.
Мониторинг уровня в резервуарах, используемых для хранения сырья, продукта на промежуточных стадиях процесса или конечного продукта, - еще одно очень распространенное применение технологии измерения уровня в химическом производстве. Измерение уровня используется для управления поставками и запасами, обеспечения контроля и предотвращения переполнения. Неспособность идентифицировать и предотвратить переполнение резервуаров и сосудов, содержащих опасные и легковоспламеняющиеся материалы, может иметь катастрофические последствия, о чем свидетельствуют громкие инциденты, такие как пожар в Бансфилде в 2005 году.
Большинство прогрессивных химических компаний внедрили автоматизированные решения, которые помогают не только повысить точность и надежность измерений, но и избавиться от обходов, требующих от рабочих, взбираться на резервуары и находиться в потенциально опасных зонах. На протяжении многих лет радарные уровнемеры и сигнализаторы уровня являются оптимальным решением в подавляющем большинстве применений. Тысячи успешных установок используются по всему миру, новейшие вибрационные сигнализаторы, и радарные уровнемеры имеют расширенные встроенные диагностические функции и способны выполнять частичные контрольные испытания удаленно, что обеспечивает значительные преимущества по сравнению с более старыми механическими технологиями. Мониторинг работоспособности устройств гарантирует, что они будут правильно работать в системе предотвращения переполнений, а возможность выполнять удаленные частичные контрольные испытания экономит время и повышает эффективность работы персонала.
Котлы - важная часть химического завода, обеспечивающая теплом и паром, используемым в производстве. Их эффективная работа может иметь значительные преимущества с точки зрения снижения расхода топлива, и устройства измерения и контроля уровня играют важную роль в достижении этих целей, а также помогают предотвратить повреждения и потенциальные инциденты, связанные с безопасностью. Измерение уровня при высоком давлении и температуре является сложной задачей, так как плотность среды может значительно изменяться в процессе, что вносит в измерения погрешность до 30%. Устройства измерения плотности, такие как вытеснители и датчики перепада давления должны компенсировать эти изменения, чтобы обеспечивать корректное измерение уровня. Применение сложных алгоритмов значительно усложняет систему управления, при этом также необходимо отслеживать рабочее давление.
Волноводные радарные уровнемеры, широко применяемые в настоящее время в различных технологических процессах, позволяют непосредственно измерять уровень поверхности жидкости. Измерение уровня в этом случае совершенно не зависит от плотности, что устраняет необходимость в запрограммированных вручную настройках для осуществления компенсации связанной с изменениями плотности. Это, наряду с возможностью выдерживать экстремальные температуры до 400 ° C и давление до 345 бар, делает волноводные радарные уровнемеры идеальным решением для применения в нагревателях питательной воды и в котлах. Тем не менее, существует дополнительная сложность в случаях, когда при высоком давлении диэлектрическая проницаемость пара увеличивается, и скорость распространения микроволн вниз по радиолокационному зонду замедляется, что может приводит к ошибкам измерения до 20%, если это влияние не компенсировать.
Компенсация может быть выполнена двумя способами - либо с помощью статической компенсации, либо, в случае новейших устройств измерения уровня, с помощью функции динамической компенсации пара (DVC), компенсация осуществляется расчетным методом электроникой уровнемера. Для статической компенсации ожидаемые рабочие давления и температуры вводятся вручную при настройке преобразователя. Использование функции динамической компенсации предоставляет значительное преимущество, поскольку в этом случае осуществляется непрерывная автоматическая компенсация изменения диэлектрической проницаемости в паровом пространстве.
Для использования функции динамической компенсации применяется специальный зонд с реперным отражателем расположенном на фиксированном расстоянии для возможности непрерывного определения изменения диэлектрической проницаемости пара. Преобразователь уровнемера отслеживает смещения сигнала от реперного отражателя относительно его фактического местонахождения и использует это значения для обратного расчета диэлектрической проницаемости среды в паровом пространстве. Расчет определяется физическими свойствами зонда, поэтому динамическая компенсация всегда выполняется одинаковым образом, что обеспечивает точность и повторяемость. Благодаря динамической компенсации пара уровень ошибок может быть снижен до 2% и меньше.
Динамическая компенсация изменений диэлектрической проницаемости в паровом пространстве позволяет новейшим волноводным радарным уровнемерам обеспечивать более точное и воспроизводимое измерение уровня в котлах.
Около 5% производственных мощностей теряется каждый год из-за незапланированных простоев, а отказ оборудования является причиной примерно 40% из них. Важное для производства оборудование, такое как нагнетатели, вентиляторы и компрессоры, все чаще контролируется для выявления изменений, указывающих на потенциальные проблемы с их техническим состоянием. Насосы представляют собой еще одну часть оборудования, которая играет важную роль на типичном химическом производстве, поскольку они используются для перемещения сырья, промежуточных и конечных продуктов, а также для поставки и переработки основных обеспечивающих услуг. Неспособность поддерживать и контролировать исправность насосов также может оказывать значительное негативное влияние на время безотказной работы и эффективность установки.
Недостаточная смазка является частой причиной отказов насосов. Для защиты критических насосов обычной практикой является обеспечение непрерывной подачи смазочного масла для этого критически важно контролировать уровень масла в резервуаре. В современных условиях компании стремятся сократить количество обходов и ручных операций, не только для повышения эффективности, но и для обеспечения безопасности сотрудников, в этой связи очевидна их заинтересованность в автоматизации систем мониторинга уровня в таких применениях.
Вибрационные сигнализаторы, обеспечивающие контроль уровня жидкости, представляют собой идеальное автоматизированное решение для этого типа применений. Они не имеют движущихся частей и практически не зависят от условий процесса, что способствует их надежной работе. Когда уровень в резервуаре падает до определенного нижнего предела, осуществляется сигнализация необходимости проведения технического обслуживания, которое устранит проблему до того, как возникнет опасность для насосов. Сигнализаторы уровня также могут использоваться для обнаружения сред, протекающих через насос. Насос, работающий всухую, может быстро перегреться и выйти из строя. Используя сигнал сигнализатора, можно своевременно отключить насос и предотвратить его перегрев.
Проблемой при внедрении новых автоматизированных решений часто является отсутствие необходимой инфраструктуры. Новейшие устройства контроля уровня обладают встроенными возможностями беспроводной связи, что позволяет решить эту проблему, упростить процесс установки и обеспечить передачу данных в реальном времени без необходимости организации проводной инфраструктуры. Это приводит к снижению эксплуатационных расходов при одновременном повышении защиты насосов от механических повреждений.
Более подробная информация доступна на сайте: https://www.emerson.ru/ru-ru/automation/measurement-instrumentation/level