雷達液位計在石油儲罐液位計量中的應用

尚 峰

（神華工程技術有限公司安徽分公司，安徽合肥 230000）

自動化程度和計量精度較低的傳統(tǒng)液位計無法滿足高精確性計量要求，這使得具備可重復利用、易于安裝維護、自動化程度高、計量精確性高等優(yōu)勢的雷達液位計廣泛用于石油儲罐液位計量。為更好應用雷達液位計，本文圍繞石油儲罐液位計量開展了具體研究。

1 雷達液位計的測量原理和測量特點

1.1 測量原理

雷達液位計的工作流程可細分為三個環(huán)節(jié)，即發(fā)射、反射、接收。發(fā)射指的是發(fā)射電磁波信號，反射指的是被測油表面將發(fā)射的電磁波信號反射回來，接收則是指接收到反射回來的電磁波信號，雷達液位計會根據(jù)接收信號自動計算并得出石油儲罐液位測量結果。基于物理原理進行分析可以發(fā)現(xiàn)，電磁波到液面的距離與其發(fā)射到接收的時間成正比，具體關系式為：

式中，C、D、T 分別為光速、雷達液位計到液面的距離、電磁波運行時間，由此即可完成石油儲罐液位計量。

1.2 測量特點

石油儲罐液位計量中的雷達液位計應用主要具備五方面特點。

（1）測量方式可靠。由于采用不接觸方式進行石油儲罐液位計量，雷達液位計可基于自身穩(wěn)定的零部件和設備得出可靠測量結果。

（2）測量結果精度較高。外界因素對雷達液位計應用帶來的影響較小，由此開展的石油儲罐液位計量可得到較高的測量數(shù)據(jù)精度，測量結果可信度較高。

（3）使用簡單。雷達液位計的成本較低、維修便利、操作簡單，設備占用空間較小，安裝、保養(yǎng)、維修也較為方便，其本身具備的防錯功能可更好地服務于石油儲罐液位計量。

（4）適用性能較強。對于應用較為廣泛的雷達液位計來說，其能夠用于儲存油種類較多的石油儲罐，在高溫高壓等介質下的應用可直觀證明雷達液位計的優(yōu)勢。

（5）節(jié)省能源且效率較高。石油儲罐液位計量中的雷達液位計應用在效率、節(jié)能方面表現(xiàn)出色，人工成本也相對較低。

2 石油儲罐液位計量中雷達液位計的應用要點

2.1 雷達液位計的選型要點

對于種類繁多的雷達液位計來說，為更好地服務于石油儲罐液位計量，雷達液位計的選型必須得到重視，具體選型需考慮被測介質的黏度、密度、溫度、壓力、腐蝕性等特性。雷達液位計使用性能受到的影響也需要深入分析，需結合特定工況下介質的特性合理選擇雷達液位計的天線和表頭。如罐體形狀復雜、體積較小，或需要對多種液體分界面進行測量，導波纜天線雷達液位計的實用性更高。對于介質易揮發(fā)、高溫、高壓、腐蝕的測量環(huán)境復雜罐體，需設法保證介質與雷達液位計不接觸，以保證介質的化學和物理性質不會對液位計本身造成損傷或影響其精度，具體常采用非接觸天線雷達液位計。雷達液位計的測量精度選擇需結合介質測量目的，可使用精度相對較低的雷達液位計用于內部成本核算，選用高精度的雷達液位計用于貿易交接。為節(jié)約投資，可選用性價比高的雷達液位計，但這需要以計量精度滿足需求為前提。考慮到企業(yè)的經濟效益和生產效率直接受雷達液位計的精度、使用壽命、日常維護影響，因此還需要關注雷達液位計廠家提供的售后服務及設備本身質量。此外，雷達液位計的測量頻率與范圍、測量罐體與雷達的連接方式、信號傳輸方式、信號輸出協(xié)議、防爆/防護等級等因素也需要得到 重視。

2.2 雷達液位計的安裝要點

為實現(xiàn)對石油儲罐介質液位高精度無故障測量，雷達液位計在石油儲罐上的正確安裝極為關鍵，具體安裝需從機械和電氣兩部分入手。以拋物面型天線雷達液位計（ROSEMENT）的機械安裝和電氣部分安裝為例，機械安裝需重點關注傾斜度、自由空間、噴嘴，本體的機械安裝也需要得到重視。基于傾斜度，需關注儲罐中心線與液位計中軸線傾斜度不同帶來的影響，這會導致反射波和發(fā)射波影響雷達液位計測量精度，因此需要在儲罐噴嘴上使用法蘭球安裝雷達液位計，變送器的傾斜度需基于水準儀調整，具體需控制在1.5°內；基于自由空間，需關注雷達波束寬度，如拋物面型天線液位計為10°，自由空間指的是從罐頂?shù)綔y量零點之間且處于波束范圍內的空間。如任何障礙存在于自由空間范圍內，如2″以上直徑的管道及結構加強筋，雷達波信號會受到干擾，雷達液位計的測量效果也會受到影響，因此具體安裝需做好自由空間內的障礙物規(guī)避；基于噴嘴，如采用φ0″的噴嘴，需存在最高0.5m 的噴嘴高度，同時高度隨直徑增大而升高。具體安裝還需要保證噴嘴底端與拋物面反射器邊緣間存在5°以內的夾角，雷達波束的自由通道可由此形成，雷達液位計測量精度可得到更好控制；基于本體，需關注表頭、噴嘴、天線的連接，具體安裝需采用水準儀，以此控制儲罐中心線與天線和表頭的傾角。

雷達液位計電氣部分安裝需首先需要確定配備的模擬輸出，電源線與信號線在有源模擬輸出下可共用一對線，無源模擬輸出需保證雷達液位計單獨供電，否則將出現(xiàn)儀表損壞和信號丟失的問題。雷達液位計電氣部分接線模式可細分為本安和非本安，非本安電源、繼電器、TRL/2總線連接采用非本安接線盒，溫度傳感器、模擬輸入、顯示板RDU40、數(shù)據(jù)采集單元DAU 采用本安接線盒。接線方式受到通信協(xié)議差異的影響也需要重視，對于雷達液位計存在的較為復雜的電氣部分安裝內容，具體可細分為電源接線和信號接線。基于電源接線，考慮到雷達液位計需要用于測量石油儲罐油液位置，因此使用電氣接線必須符合石油儲罐所在區(qū)域安全等級，同時使用符合相關供電電壓準則的電纜，需要以通過危險區(qū)域的認證為依據(jù)。為適應連接48～99VDC、34～70VAC、100～240VAC的電源電壓，整流器卡件TRC 需內置于液位變送器中，其自動調整功能可實現(xiàn)靈活的供電，具體需要在接線盒電源端L1+和L2-上連接供電電源線；基于信號線的連接，上位機與雷達液位計的連接需通過現(xiàn)場總線調制解調器FBM、現(xiàn)場通信單元FCU、TRL/2現(xiàn)場總線。TRL/2Modbus 信號可通過FBM 轉換為通用協(xié)議RS232信號，TRL/2總線可用于8個單元連接。在上位機連接TRL/2總線與變送器后，需采用專用軟件進行變送器的初始化和組態(tài)，同時對石油儲罐內介質的體積、溫度、液位等數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控。此外，還需要關注Hart 協(xié)議手操器、遠傳顯示單元RDU40、數(shù)據(jù)采集單元DAU、單點和多點溫度傳感器、模擬輸入/輸出、繼電器等擴展外圍設備的接線，具體設置和安裝應遵循說明書要求。

2.3 雷達液位計的自動控制要點

為實現(xiàn)石油儲罐液位計量中雷達液位計的自動控制，需要將雷達液位計接線盒引出的數(shù)據(jù)線與電源線進行匯總，匯總到現(xiàn)場總線接口單元和電源梳理器，為連接至工控機需使用RS485/232串行通信接口，罐區(qū)參數(shù)和軟件組態(tài)的初始化設置也需要同時完成。如需要本安隔離現(xiàn)場信號線，DCS 的I/O端子前需設置安全柵。罐區(qū)介質液位的變化情況可基于DCS系統(tǒng)實時觀察，自動控制可結合罐區(qū)進/出口閥門實現(xiàn)，并做到所需位置介質液位的自動維持，實現(xiàn)遠程自/手動控制罐區(qū)液位、實時/歷史數(shù)據(jù)的即時掌握、液位曲線圖分析、歷史/實時的設備和生產運行情況查看，雷達液位計低精度計量現(xiàn)象因人為干預而出現(xiàn)的問題可由此規(guī)避。

2.4 雷達液位計的維護和故障處理要點

為延長雷達液位計使用壽命，必須做好維護工作，保證雷達液位計的高精度測量能夠長時間保持，日常維護應在專業(yè)人員指導下或由專業(yè)人員負責，具體維護需關注接地保護、瞬間過激電壓保護、干擾信號、接線端口等方面內容。基于接地保護，需關注漏電帶來的正常信號傳輸干擾和電器元件破壞，接地需選擇控制室機柜信號接口處和雷達表頭處任一端；基于瞬間過激電壓保護，雖然雷達液位計本身具備瞬間過激電壓保護功能，仍需要盡可能規(guī)避雷電經常活動區(qū)域，外部雷擊保護措施的合理選用也需要得到重視；基于干擾信號，需重點關注液位在短時間內出現(xiàn)的強烈波動并針對性開展原因分析和故障排查，信號變弱可能因天線下方出現(xiàn)障礙物并引發(fā)測量偏差，因此，揮發(fā)性較強介質的測量需定期清洗天線；基于接線端口，需密封隔離現(xiàn)場接線端子，可規(guī)避液體侵入引發(fā)的電路板和接線端子腐蝕、電源短路問題。此外，還需要關注雷達液位計的故障處理，以雷達波信號無法到達罐底為例，多方面因素均可能引發(fā)這類故障，如有電流漂移產生、電磁干擾存在于液位計附近、干擾信號的物質附著于導波纜天線上、導波天線彎曲、障礙物存在于安裝導管內。基于上述可能引發(fā)故障的原因，圍繞天線外觀污垢、天線周圍干涉物、導波纜長度、重錘與定心環(huán)開展針對性的故障排查，以確定故障源頭并針對性處理，可使雷達液位計更好地服務于石油儲罐液位計量。

3 實例分析

3.1 項目概況

為提升研究的實踐價值，以體積為20 000m3的常溫汽油內浮頂罐作為研究對象，該石油儲罐的外形尺寸為38000mm× 17820mm，采用雷達液位計型號為ROSE-MENT5900，選用10GHz 左右信號發(fā)射頻率的帶導波管陣列天線，天線存在小于1mW 的微波功率，同時存在1.9左右的汽油介電常數(shù)，為適應具體工況，采用8寸法蘭連接雷達液位計。雷達液位計現(xiàn)場設備有儲罐Hub 終端與液位變送器組成，Hub 回路負責液位變送器供電，采用FFTankbus 現(xiàn)場總線協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。為實現(xiàn)儲罐內液體密度測量，將壓力變送器設置于罐底，儲罐Hub 通過FF 總線與壓力變送器通信。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，儲罐Hub 基于非本安和本安分為2個腔體，本安側通過FFTankbus 現(xiàn)場總線與現(xiàn)場設備連接，非本安側與機柜室TCU 的通信采用TRL/2總線。在雷達液位的過程控制中，SIL1情況下（用于安全儀表系統(tǒng)）僅存在一個終端電阻于儀表內部，終端電阻在SIL2/3情況下不設置。基于相關規(guī)范要求，需保證FISCO 應滿足相應條件。項目采用1.5mm2屏蔽雙絞電纜作為FFTankbus 電纜，采用TRL/2總線用于機柜室內儲罐通信單元與儲罐Hub 間的物理層協(xié)議，同時采用具備通信距離遠、抗干擾性強優(yōu)勢的頻移數(shù)字通信技術。項目電纜可實現(xiàn)最遠2.5km 的通信，連接成整體的TCU充分考慮現(xiàn)場眾多設備的重要性，并設計為冗余。

3.2 安裝要求

在具體的雷達液位計安裝中，考慮到測量精度直接受到安裝位置影響，因此具體安裝重點關注了六方面內容。第一，需保證15%的儲罐底板與雷達液位計安裝法蘭面間高度小于雷達液位計儲罐開口位置離開儲罐內壁距離，該限制在使用導波管時可以忽略；第二，為保證進入儲罐內部的信號波不受到阻礙，雷達液位計接口的連接管及法蘭需存在250mm 內的總長度；第三，在應用導波管時，需保證導波管垂直向下并存在≤0.5°的偏差及±1°的水平度；第四，為規(guī)避波動位移，需充分考慮安裝時的儲罐頂板強度；第五，應避過內部障礙物設置雷達波路徑，攪拌器、加熱管、支撐架帶來的影響均需要得到重視；第六，需關注液位條件帶來的影響，如避開進料口產生的泡沫及紊流。

3.3 導波管制作要點

導波管制作質量同樣直接影響雷達液位計在石油儲罐液位計量中的應用，對于項目采用的常溫汽油內浮頂罐，必須使用導波管，介質液面產生泡沫或存在波動的情況也需要加設導波管。導波管不應隨設備成套購入，而是需要結合具體工況由施工單位針對性制作。在本文研究的項目中，導波管制作嚴格遵循了四方面要求。

（1）采用碳鋼或不銹鋼作為導波管材質；

（2）采用整根的導波管，如特殊情況下需要加長導波管，需采用外夾套焊接方法，同時保證焊接內壁不存在毛刺及焊縫，且同時存在1.0mm 內的間隙，否則雷達液位計的測量精度將受到影響；

（3）基于100～150mm 控制罐底板與導波管底距離，同時設置雷達反射板（傾斜45°）；

（4）為實現(xiàn)導波管內外等液位，導波管交叉開孔需間隔距離，同時還需要存在內平面平滑的導波管，否則虛假液位的現(xiàn)象很容易出現(xiàn)。應控制具體的開孔尺寸，過小或過大情況均不得出現(xiàn)，否則將導致導波管內外液位無法一致，或管內液位出現(xiàn)波動。基于具體經驗，需基于導波管直徑控制開孔尺寸，DN125、DN200、DN250、DN300直徑的導波管開孔尺寸應分別為0.1m2、0.4m2、0.8m2、1.2m2。

4 結束語

綜上所述，雷達液位計在石油儲罐液位計量中的應用需關注多方面影響因素。本文涉及的雷達液位計的自動控制要點、雷達液位計的維護和故障處理要點、導波管制作要點等內容，則提供了可行性較高的雷達液位計應用路徑。為更好地服務于石油儲罐液位計量，必須重視圓形偏振光技術等新技術的應用。