雷達液位計在球罐液位計量中的應用

于達洋，曲國瑞(.浙江石油化工有限公司,浙江 舟山 36000; .吉林鼎坤工程設計有限公司, 吉林 吉林 3000)

0 引言

隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展，雷達液位計在可靠性、安全性及精度方面得到了石化企業(yè)的認可。為了實現雷達液位計更好地應用于球罐的液位測量，本文圍繞球罐雷達液位計展開了具體研究。

1 雷達液位計的工作原理

雷達液位計能夠通過自身天線發(fā)射出雷達波信號，以光速運行在空間內，碰到物料表面時反射回雷達天線，通過微處理器將距離信號轉化為液位信號來實現液位測量。從雷達液位計按照測量方式來看，目前有兩種較為常見：

(1)脈沖式。天線周期的發(fā)射雷達波脈沖；

(2)調頻連續(xù)波式。天線發(fā)射出圍繞某固定頻率連續(xù)變化的雷達波信號。雷達波信號下探至介質的液面并反射回雷達天線時，該雷達波信號會與這個時刻天線發(fā)出的信號混在一起。當反射回來的雷達波信號發(fā)送至液體表面并沿導波管返回時，發(fā)射的信號已經出現微小的變化。當發(fā)射出的雷達波信號與返回的雷達波信號混合時，變?yōu)橐环N新的低頻信號，并與介質頁面高度成一定的比例。

從測量原理的不同可以看出，脈沖式精度隨著測量距離的增加精度逐漸降低。而調頻連續(xù)波式有著更高的測量精確度，同時易于去除干擾回波，多應用于計量要求較高的大型儲罐。

2 雷達液位計的天線型式

雷達液位計根據天線型式的劃分，有以下類型：椎型天線、拋物面天線、喇叭型天線、長喇叭型天線，如圖1所示。

圖1 雷達液位計

椎型天線采用多點發(fā)射雷達波的工作方式，所以它能夠發(fā)出一種叫做平面螺旋波的雷達波型，該型式天線的特點是波束窄，能量集中。在含有導波管的內浮頂或外浮頂儲罐中的應用較多。天線上冷凝的液滴將由于重力作用流到椎體中心滴落，可有效減少對雷達波的干擾。

拋物面天線的雷達波，采用單點發(fā)射的工作方式，經過拋物面的反射，形成發(fā)散的雷達波，該型式天線同樣具備波束窄，能量集中的特點。通常用于儲存粘稠和嚴重凝結物料的拱頂罐液位測量，也可用于介電常數較低的物料的液位測量，測量距離遠。為了防止冷凝掛料，拋物面天線采用了水滴型設計方式。

喇叭型天線同樣采用單點發(fā)射雷達波的工作方式，經過喇叭面的反射，形成發(fā)散的雷達波，通常用于測量不需要導管的拱頂罐的水平測量，測量距離比拋物面天線小。由于整個喇叭天線伸入罐里，與罐內溫度無較大差異，所以在天線上基本不會有冷凝的現象出現。

長喇叭型天線也是采用單點發(fā)射雷達波的工作方式，經過喇叭面的反射，形成發(fā)散的雷達波，專門用于球罐液位測量，同時必須增加配套導波管才能使用。為了方便雷達液位計的在線維護，增設了一體化球閥安裝在喇叭口的頂部[1]。

3 球罐雷達液位計的安裝

為了實現對球罐液位的高精度、無故障測量，雷達液位計在球罐上的正確安裝極為關鍵。以ROSEMOUNT 5900S長喇叭型球罐專用天線為例。

3.1 導波管的安裝

導波管宜選用不銹鋼材質，規(guī)格與雷達喇叭口尺寸要符合，一般有三種規(guī)格的導波管：ID=100 mm；10.16 cm. SCH10；10.16 cm. SCH40。導波管垂直度必須在±0.5°范圍內，法蘭水平度必須在±1°范圍內。導波管應開一定數量的平衡孔，孔徑應當為20 mm。導波管上的所有開孔必須沿著管道單側直線分布。導波管內壁應保證光滑，不應有殘留的焊渣和未處理的毛刺。

3.2 參考針的安裝

參考針可在帶在線進行雷達液位計的測量精度校驗。它安裝在導波管一個與其他平衡孔成 90°的開孔上。參考針應當位于法蘭下1 000 mm至 2 500 mm的位置，法蘭以下1 200 mm處最佳。在參考針與液體最高液位之間應至少有200 mm的距離。參考針必須與導波管法蘭上的螺栓孔對準，雷達液位計正確校準。球罐雷達液位計導波管、參考針安裝圖如圖2所示。

圖2 球罐雷達液位計導波管、參考針安裝圖

3.3 反射板的安裝

反射板可采用焊接、栓接、鉚接在導波管的下端。如配有參考環(huán)，則集成為一體安裝，參考環(huán)用于當儲罐為空時在安裝階段對液位計進行校準。

4 雷達液位計的通訊系統(tǒng)

雷達液位計能夠提供支持HART協(xié)議的4～20 mA的模擬量信號，也可以現場總線的方式傳輸。雷達液位計的通訊單元作為一個網關，基于OPC服務器模式，可將雷達液位計數據從通訊單元通訊到OPC服務器，再由客戶端進行信號傳輸[2]。

由于雷達液位計能夠支持現場總線傳輸協(xié)議，所有雷達液位計的信息都可實現傳輸，所以可為大型罐區(qū)建立一套完整的液位系統(tǒng)。每臺雷達液位計采用總線傳輸的方式與安裝在機柜間內的通訊單元將數據上傳，再從通訊單元以RS-485總線的形式傳至操作系統(tǒng)進行通訊，通過上位機實現對液位、各點溫度、平均溫度、密度、壓力等信號的集中監(jiān)視。

5 工程應用舉例

某石化公司一期成品油項目球罐組一、二中，每個罐組6臺球罐，共計12臺球罐。采用雷達液位計作為計量。參照設計院提供的雷達液位計技術規(guī)格書，最終選擇了長喇叭型球罐專用雷達液位計(ROSEMOUNT)。為了更精準測量液位，選用了測量精度為±2 mm的雷達液位計；天線尺寸為Φ99 mm，L=750 mm；可同時輸出TRL/2總線信號和4～20 mA/HART模擬信號，防爆等級Ex ia IICT4(ATEX認證)；配有罐旁儀表HUB2410，帶LCD顯示，防爆等級Ex de[ib] IIBT4(ATEX認證)。共計12套雷達液位計通過總線形式從罐旁儀表傳輸至機柜間內安裝的通訊單元HUB 2460中，并最終通訊至DCS系統(tǒng)上位機進行集中監(jiān)視。球罐組雷達液位計通訊系統(tǒng)組成如圖3所示[3]。

圖3 球罐組雷達液位計通訊系統(tǒng)組成

6 結語

雷達液位計在整個石化行業(yè)大型儲罐的應用非常廣泛，特別是在球罐的計量應用中已經發(fā)揮了精度高、穩(wěn)定性可靠性高、易于維護等優(yōu)點，隨著石化行業(yè)的發(fā)展，在球罐液位計量中，雷達液位計必將擁有重要的地位。