雷達(dá)液位計(jì)在油品罐區(qū)計(jì)量中的應(yīng)用

陳麗君

（中海油石化工程有限公司 青島分公司 自控室，山東 青島 266100）

油品罐區(qū)是石油化工企業(yè)中重要的儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施，準(zhǔn)確地計(jì)量油品罐區(qū)的庫(kù)存對(duì)于石化企業(yè)的生產(chǎn)、銷(xiāo)售有著非常重要的指導(dǎo)作用，作為油品罐區(qū)計(jì)量中的關(guān)鍵儀表，罐區(qū)液位計(jì)的精確度、安全性及穩(wěn)定性直接影響著石化企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。早在20世紀(jì)80年代中期，源自軍事工業(yè)的雷達(dá)測(cè)量技術(shù)被應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量領(lǐng)域，使得現(xiàn)代罐區(qū)計(jì)量技術(shù)有了一個(gè)根本性的飛躍，解決了油品罐區(qū)測(cè)量系統(tǒng)在部分工況長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)法精確計(jì)量的難題，雷達(dá)液位計(jì)以其優(yōu)越的性能成為罐區(qū)液位測(cè)量?jī)x表的首要選擇。結(jié)合工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)例，從原理、特點(diǎn)、選型等多個(gè)方面對(duì)雷達(dá)液位計(jì)在油品罐區(qū)計(jì)量方面的應(yīng)用進(jìn)行了細(xì)致的研究與總結(jié)，為今后更加合理地使用雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行液位測(cè)量提供參考。

1 雷達(dá)液位計(jì)的工作原理

雷達(dá)液位計(jì)采用高頻振蕩器作為雷達(dá)波發(fā)生器，發(fā)生器產(chǎn)生的雷達(dá)波通過(guò)導(dǎo)波管引到雷達(dá)天線(xiàn)，然后向外傳播。當(dāng)雷達(dá)波到達(dá)檢測(cè)液面時(shí)，有一部分被吸收，另一部分被反射回雷達(dá)天線(xiàn)接收，通過(guò)建立發(fā)射波與反射波的函數(shù)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量[1]。基于兩種不同的測(cè)量原理，雷達(dá)液位計(jì)主要分為時(shí)域脈沖雷達(dá)液位計(jì)和調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）雷達(dá)液位計(jì)兩類(lèi)。

時(shí)域脈沖雷達(dá)液位計(jì)基于雷達(dá)波的時(shí)域反射性（TDR）原理，通過(guò)測(cè)量單脈沖電磁波的傳輸時(shí)間進(jìn)行液位測(cè)量[2]，其精度主要依賴(lài)于對(duì)時(shí)間的精確測(cè)量。由于雷達(dá)波信號(hào)以光速傳播，而測(cè)量?jī)?chǔ)罐液位時(shí)雷達(dá)波在儲(chǔ)罐內(nèi)的傳播距離較短，所以較難保證準(zhǔn)確地測(cè)量。

圖1 3種天線(xiàn)型式的雷達(dá)液位計(jì)外觀(guān)圖Fig.1 Outline drawing of radar level gauge with three kinds of antenna

表1 各種油品介電常數(shù)列表Table 1 List of dielectric constants of various oils

調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)液位計(jì)利用同步調(diào)頻脈沖技術(shù)，微波發(fā)射和接收器安裝在罐頂，向液體表面發(fā)射頻率經(jīng)過(guò)線(xiàn)性調(diào)制了的微波信號(hào)。當(dāng)微波信號(hào)向下傳播到液體表面后被反射回接收器時(shí)，由于時(shí)間延遲，發(fā)射信號(hào)的頻率已發(fā)生了改變，通過(guò)得到反射波與發(fā)射波的頻率差，推算出雷達(dá)波通過(guò)的距離[3]。

同樣是利用雷達(dá)波的傳播特性進(jìn)行液位測(cè)量，時(shí)域脈沖雷達(dá)液位計(jì)基于時(shí)間測(cè)量，而時(shí)間是一種連續(xù)的模擬量，在物理學(xué)上定義它只能被無(wú)限近似切割，所以時(shí)域脈沖法是一種模擬技術(shù)，它只能提供較低的測(cè)量精度，其優(yōu)勢(shì)在于制造成本相對(duì)較低；調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)液位計(jì)基于頻率測(cè)量，而頻率是一種完全的數(shù)字量，能夠被準(zhǔn)確切割和度量，所以調(diào)頻連續(xù)波法是一種數(shù)字化技術(shù)，能提供良好的測(cè)量精度和穩(wěn)定的輸出信號(hào)。

2 雷達(dá)液位計(jì)的選型

2.1 雷達(dá)液位計(jì)天線(xiàn)型式

天線(xiàn)是雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量液位的重要部件，雷達(dá)液位計(jì)選型主要在于選擇合適的天線(xiàn)型式。常用的非接觸式雷達(dá)液位計(jì)天線(xiàn)型式主要有以下3種：喇叭口天線(xiàn)、拋物面天線(xiàn)和平面天線(xiàn)，外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

喇叭口天線(xiàn)采用點(diǎn)源發(fā)射方式，雷達(dá)波為發(fā)散的球面波，主要用于不需要設(shè)置導(dǎo)波管的拱頂罐的液位測(cè)量。由于整個(gè)喇叭口天線(xiàn)處于儲(chǔ)罐中，并且有幾乎與罐環(huán)境相同的溫度，所以可以防止在天線(xiàn)內(nèi)發(fā)生冷凝。

拋物面天線(xiàn)同樣采用點(diǎn)源發(fā)射方式，雷達(dá)波為發(fā)散的球面波，允許近罐壁安裝。通常用于拱頂罐，介質(zhì)主要為蠟油、渣油、瀝青等粘稠及易冷凝的高溫油品，儲(chǔ)罐底部都設(shè)有加熱蒸汽盤(pán)管。由于罐內(nèi)高溫（200℃左右）產(chǎn)生蒸汽使得在雷達(dá)天線(xiàn)部位極易形成凝結(jié)水和出現(xiàn)掛料現(xiàn)象，影響雷達(dá)液位計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量，而拋物面天線(xiàn)雷達(dá)液位計(jì)的滴水型設(shè)計(jì)有效地防止了冷凝和掛料現(xiàn)象的出現(xiàn)。而且，拋物面天線(xiàn)波束窄，使雷達(dá)波能量更集中，聚焦性好，能夠保證較高的測(cè)量精度[4]。

平面天線(xiàn)技術(shù)（又叫陣列天線(xiàn)技術(shù)）采用多源發(fā)射方式，與單點(diǎn)發(fā)射源相比，由于其測(cè)量基于一個(gè)平面，而不是一個(gè)確定的點(diǎn)，因而發(fā)射出的雷達(dá)波為平面螺旋波。主要用于安裝有導(dǎo)波管的內(nèi)（外）浮頂罐的液位測(cè)量。平面天線(xiàn)發(fā)射的雷達(dá)波具有波束窄、能量集中的特點(diǎn)，所以與導(dǎo)波管管壁接觸部分能量很小，受導(dǎo)波管內(nèi)壁粗糙程度的影響也很小，對(duì)于油品掛壁對(duì)測(cè)量的影響小。

2.2 介電常數(shù)對(duì)雷達(dá)液位計(jì)選型的影響

雷達(dá)波到達(dá)液位表面被反射時(shí)，雷達(dá)波會(huì)被吸收而發(fā)生衰減，當(dāng)衰減過(guò)多時(shí)，雷達(dá)液位計(jì)接收不到足夠的信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，這就是被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量所產(chǎn)生的影響[5]。

各種油品介質(zhì)的介電常數(shù)如表1所示。為了克服介電常數(shù)的影響，提高反射波能量，對(duì)于使用內(nèi)（外）浮頂罐的介質(zhì)，對(duì)于汽油、煤油等相對(duì)介電常數(shù)較小的介質(zhì)必須使用導(dǎo)波管。而對(duì)于液化氣球罐的液位測(cè)量，一方面液化氣的介電常數(shù)較低，對(duì)雷達(dá)波的反射能力很弱；另一方面液化氣氣相組分會(huì)吸收部分雷達(dá)波造成信號(hào)衰減嚴(yán)重，影響雷達(dá)液位計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量。因此，通常選用另一種測(cè)量精度較高的接觸式儀表——伺服液位計(jì)，此處不作詳述。

3 雷達(dá)液位計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸方式

3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸方式

雷達(dá)液位計(jì)提供疊加了HART的4mA～20mA輸出信號(hào)，同時(shí)也提供數(shù)字式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸方式。在油品罐區(qū)計(jì)量系統(tǒng)中，罐區(qū)計(jì)量信號(hào)通過(guò)雷達(dá)液位計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)能夠同時(shí)傳輸多個(gè)過(guò)程參數(shù)，大大地簡(jiǎn)化了連接線(xiàn)路，降低了成本。而且在傳輸過(guò)程的同時(shí)，儀表的標(biāo)識(shí)符和簡(jiǎn)單的診斷信息也可一并傳送。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是雙向的，因此能夠在控制室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表進(jìn)行標(biāo)定、調(diào)整及運(yùn)行診斷，甚至能夠在故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3.2 單個(gè)油品儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)的構(gòu)成

圖2 單個(gè)油品儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of single oil tank gauging system

圖3 某雷達(dá)液位計(jì)通訊系統(tǒng)圖Fig.3 Communication system diagram of radar level gauge

表2 罐區(qū)液位計(jì)選型列表Table 2 Tank level gauge selection list

基于雷達(dá)液位計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理功能及數(shù)字式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，雷達(dá)液位計(jì)在油品罐區(qū)計(jì)量中主要發(fā)揮了兩個(gè)作用：一是測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)的液位，二是接收被測(cè)介質(zhì)的溫度、密度、壓力等遠(yuǎn)傳信號(hào)，利用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，將所有信號(hào)一起傳輸?shù)娇刂剖遥瑢?shí)現(xiàn)對(duì)油品儲(chǔ)罐的計(jì)量。單個(gè)油品儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

3.3 油品罐區(qū)雷達(dá)液位計(jì)的通訊系統(tǒng)

某品牌雷達(dá)液位計(jì)的通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。現(xiàn)場(chǎng)通訊單元（FCU）作為一個(gè)網(wǎng)關(guān)或數(shù)據(jù)收集器，在上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)儀表之間起連接作用，罐區(qū)中各儲(chǔ)罐的雷達(dá)液位計(jì)依靠TRL/2現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與FCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，F(xiàn)CU和上位機(jī)之間通過(guò)RS-485總線(xiàn)進(jìn)行通訊，完成將罐區(qū)儀表信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的任務(wù)[5]。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 液位儀表選型

某項(xiàng)目共有4個(gè)油品罐區(qū)，分別為原油罐區(qū)、汽油罐區(qū)、油漿及堿渣罐區(qū)以及液態(tài)烴罐區(qū)。根據(jù)各罐區(qū)介質(zhì)的特性及儲(chǔ)罐類(lèi)型，配備合適的液位測(cè)量?jī)x表，如表2所示。其中，T——溫度；L——液位；ρ——密度；P——壓力。

根據(jù)雷達(dá)液位計(jì)的選型原則，對(duì)于易產(chǎn)生揮發(fā)性氣體，使用浮頂罐儲(chǔ)存的汽油和原油（汽油為內(nèi)浮頂罐、原油為外浮頂罐），選用平面天線(xiàn)雷達(dá)液位計(jì)，安裝導(dǎo)波管。可以有效地克服介質(zhì)由于介電常數(shù)小而對(duì)雷達(dá)波反射能力相對(duì)弱的缺點(diǎn)，確保測(cè)量準(zhǔn)確。

油漿、堿渣等介質(zhì)由于比較粘稠且易冷凝，通常儲(chǔ)存在帶有加熱蒸汽盤(pán)管的拱頂罐中。因此，選用不受加熱蒸汽影響又聚焦性好的拋物面天線(xiàn)雷達(dá)液位計(jì)。

液態(tài)烴罐區(qū)選用伺服液位計(jì)。

4.2 雷達(dá)液位計(jì)通訊系統(tǒng)

利用雷達(dá)液位計(jì)基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，為油品罐區(qū)構(gòu)建起一個(gè)液位測(cè)量系統(tǒng)。雷達(dá)液位計(jì)通訊系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。采用雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行液位測(cè)量的3個(gè)罐區(qū)通過(guò)3條現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與安裝在控制室內(nèi)的雷達(dá)通訊單元通訊，再由雷達(dá)通訊單元通過(guò)RS-485總線(xiàn)與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，傳輸各儲(chǔ)罐液位的同時(shí)，還將溫度、壓力、密度等檢測(cè)信號(hào)通過(guò)雷達(dá)液位計(jì)準(zhǔn)確無(wú)誤地傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)油品罐區(qū)的計(jì)量。

雷達(dá)液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸方式在工程實(shí)施中主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，解決了分布式油品儲(chǔ)罐的集中檢測(cè)問(wèn)題，便于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理，使系統(tǒng)更加實(shí)用、穩(wěn)定和可靠。

2）數(shù)字傳輸方式，可以同時(shí)傳輸多個(gè)過(guò)程變量，極大地簡(jiǎn)化了信號(hào)連接線(xiàn)路，節(jié)省了大量的電纜、保護(hù)套管、槽盒、橋架以及穿線(xiàn)盒等相應(yīng)輔材，極大地降低了成本。

圖4 油品罐區(qū)雷達(dá)液位計(jì)通訊系統(tǒng)圖Fig.4 Communication system diagram of radar level gauge in oil tank area

3）接線(xiàn)簡(jiǎn)單，如果需要增加現(xiàn)場(chǎng)儀表，只需就近并行掛接到原有的網(wǎng)絡(luò)上，無(wú)需鋪設(shè)至機(jī)柜室，既節(jié)省了電纜，降低了投資，也縮減了設(shè)計(jì)和安裝的工作量。

4）工程實(shí)施更加方便，工程周期短，大大減少了工作量，降低了維護(hù)和安裝費(fèi)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為一種智能化的液位測(cè)量?jī)x表，雷達(dá)液位計(jì)在罐區(qū)油品計(jì)量的應(yīng)用中已經(jīng)發(fā)揮出了自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，非接觸式測(cè)量、測(cè)量范圍大、精度高、安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)完全滿(mǎn)足罐區(qū)油品計(jì)量對(duì)精確度、可靠性和穩(wěn)定性的要求，數(shù)字式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸方式不但能節(jié)省成本，而且符合現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)向著集成化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的要求，雷達(dá)液位計(jì)將繼續(xù)在罐區(qū)油品計(jì)量中發(fā)揮重要作用。