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西門子雷達(dá)液位計在儲罐的應(yīng)用
本文分析介紹了西門子公司雷達(dá)液位測量技術(shù)應(yīng)用于各種常見的油品和液化氣的液位測量的可能的測量方案的選擇,。
諧創(chuàng)實業(yè)（上海）有限公司 林工 : 專業(yè)代理西門子超聲波液位計，雷達(dá)液位計,，雷達(dá)物位計,，雷達(dá)料位計，電磁流量計,，壓力變送器等系列產(chǎn)品
摘要：本文分析介紹了西門子公司雷達(dá)液位測量技術(shù)應(yīng)用于各種常見的油品和液化氣的液位測量的可能的測量方案的選擇,。 雷達(dá)液位測量 油罐 介電常數(shù) 液化氣 Abstract: This paper introduces and analyses the possible solutions of Siemens different radar level technology to measure familiar kinds of oil and liquid-gas . Keywords: Radar, Level, oil tank, DK, LPG 一、前言儲罐是油田煉油廠,、油庫,、石油碼頭及各大石化企業(yè)普遍需要使用的存儲設(shè)備，通過對儲罐內(nèi)的液體介質(zhì)（各種石油化工產(chǎn)品）的溫度,、壓力,、液位、密度等參數(shù)的測量,，可以計算出儲罐中液體的體積量及質(zhì)量儲量,，以實現(xiàn)現(xiàn)代化生產(chǎn)中對資產(chǎn)管理的需求。 儲罐對液位測量的要求不同,，一般可分為過程級及貿(mào)易級兩種,。貿(mào)易級液位計的精度要求非常高,，需要對罐內(nèi)的進(jìn)行測量，一般要求測量精度達(dá)到±1mm,；而過程級液位計的精度要求一般是在±5～15mm之間,，相對而言對液位計測量可靠性和穩(wěn)定性要求更為嚴(yán)格，測量目的一般是為了防止油罐冒頂,、抽真空等事故的發(fā)生,。 各種儲罐的大小和種類各不相同，所測量介質(zhì)的特性和工藝條件也各不相同,，因此只有從客戶的實際情況出發(fā),，合理的選擇液位計及設(shè)計液位測量解決方案，才能使客戶的投資*化,。 [b]二,、儲罐液位測量技術(shù) [/b] 目前用于儲罐的液位測量技術(shù)非常多。根據(jù)測量方式,，可以分為接觸式和非接觸式,。 接觸式測量方法主要有人工檢測尺、浮子式鋼帶液位計,、伺服式液位計,、靜壓式液位計、磁致伸縮液位計,、射頻導(dǎo)納液位計等,。 非接觸式測量方法主要有超聲波液位計、雷達(dá)液位計等,。 其中目前市場上常用的可以滿足貿(mào)易級液位計要求的測量方式有：磁致伸縮液位計,、伺服式液位計、雷達(dá)液位計,、靜壓式液位計等,，靜壓式液位測量系統(tǒng)（HTG）因為過于過于復(fù)雜，維護(hù)量大等缺點,，使用量越來越少,。而雷達(dá)液位計作為一種高精度的液位測量方式，因其量程大,、安裝方便,、維護(hù)量低等優(yōu)點，越來越多的得到客戶的認(rèn)可和接受,；而且近幾年,，雷達(dá)液位計的價格也逐年降低，也使很多普通的用戶也開始采用起雷達(dá)液位計作為儲罐的液位測量方案,。
三,、雷達(dá)液位測量原理及特點 雷達(dá)液位計又稱微波液位計（Radar）,，是取英文詞組“RAdio Detection And Ranging”的詞頭字母而來的縮寫詞。微波物位計朝一個目標(biāo)發(fā)射電磁波,，電磁波井發(fā)射后返回發(fā)射源,。安裝在發(fā)射源處的接收器捕獲到反射波，并把它與發(fā)射波作比較,， 確定目標(biāo)的存在和它到發(fā)射源的距離,。 目前市場常見的微波物位計采用的工作原理主要有FMCW（連續(xù)調(diào)頻）和脈沖兩種。 FMCW雷達(dá)液位計采用線性的調(diào)制的高頻信號,，一般都是采用10GHz或24GHz微波信號,。它是一種基于復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的間接測量方法，由頻譜計算出物位距離,。天線發(fā)射出被線性調(diào)制的連續(xù)高頻微波信號并進(jìn)行掃描，同時接收返回信號,。發(fā)射微波信號和返回的微波信號之間的頻率差與到介質(zhì)表面的距離成一定比例關(guān)系,。 脈沖雷達(dá)液位計，與超聲波技術(shù)相似,，使用時差原理計算到介質(zhì)表面的距離,。 設(shè)備傳輸固定頻率的脈沖，然后接收并建立回波圖形,。信號的傳播時間 直接與到介質(zhì)的距離成一定比例,。但是與超聲波使用聲波不同，雷達(dá)使 用的是電磁波,。它利用好幾萬個脈沖來 “掃描”容器并得到完整的回波圖,。 雷達(dá)液位計的典型波段為 5.8 GHz、10GHz ,、24 GHz,。通常我們稱5.8GHz（或6.3GHz）的頻率為C波段微波；10GHz的頻率為X波段微波; 24GHz（或26GHz）的頻率為K波段微波,。 由于雷達(dá)液位計的增益系數(shù)和波束角的大小和微波的波長以及雷達(dá)液位計的喇叭口尺寸大小有關(guān)系,。因此，越來越多的雷達(dá)液位計制造商開始研發(fā)采用高頻率微波技術(shù)來改善雷達(dá)液位計的性能,。同時,，采用高頻技術(shù)后，可以在提高雷達(dá)性能的同時,，大大縮小天線的尺寸,，使安裝更加方便。 由于雷達(dá)液位計采用的微波是一種電磁波,，在傳播的過程不需要傳輸媒介的傳遞,，因此基本上不需要考慮揮發(fā)性氣體和蒸汽,、溫度、壓力（真空）,、甚至粉塵的影響,。而且，由于是基于回波反射測距的原理（TOF）,，對雷達(dá)液位計來說,，不存在磨損等問題，因此基本不需要維護(hù),；頂部安裝的方式也使安裝更加方便,；而且由于微波的特性，相對其它液位測量方式,，它的精度一般都能達(dá)到0.1%（全量程）的精度,。由于雷達(dá)液位計具有這不可比擬的優(yōu)點，越來越多的儲罐用戶開始采用雷達(dá)液位計來替代其他技術(shù),。 四,、解決方案 西門子公司從1998年推出*臺智能化的雷達(dá)液位計IQ160開始，陸續(xù)推出了基于各種工作原理和采用不同頻率的雷達(dá)液位計,，形成較齊全的產(chǎn)品線,，能夠滿足各種不同過程工藝、介質(zhì)的測量需求,。 Sitrans LR系列雷達(dá)目前包括Probe LR, LR200,LR300和LR400四個系列產(chǎn)品,。 Probe LR是一款性價比*的一款雷達(dá)液位計。它是一個兩線制回路供電的,， 5.8GHz頻率雷達(dá)液位計,，用于測量儲罐和過程罐中液體和漿料的物位和體積。Probe LR 是揮發(fā)性化學(xué)品,、溫度梯度,、真空或者常壓等工況的理想選擇，比如油庫,、化學(xué)儲罐,、化學(xué)反應(yīng)罐和長量程應(yīng)用。它的量程為20 m,，精度為全量稱的0.1%（如圖1） ,。
LR200在兼具了Probe LR的所有優(yōu)點的基礎(chǔ)上，還提供了各種不同規(guī)格的安裝方式（包括各種規(guī)格法蘭和螺紋）和不同的天線的選擇（包括喇叭口天線,、桿式天線,、導(dǎo)波管天線等），極大程度地滿足不同過程工藝的需求。 Probe LR和LR200都采用了一體化全封裝的儀表外殼,，使儀表具有較好的密封性,、抗打擊能力、抗腐蝕能力,。
SITRANS LR 400 是長量程的連續(xù)調(diào)頻（FMCW） 雷達(dá)物位儀表,，可以用于zui高達(dá)50米的儲罐的測量，及時用于測量介電常數(shù)較低的介質(zhì)（輕油,、液化氣等）也能得到*的測量效果,。24GHz 和高信噪比的特性能得到非凡的信號反射，而與介質(zhì)的介電常數(shù)無關(guān),。它還具有先進(jìn)的回波處理算法,，能為惡劣的固體應(yīng)用提供可靠的測量。它的測量精度為±5mm（如圖2）,。 根據(jù)儲罐介質(zhì)的特性,，這里將各種儲罐測量分為輕油及原油、重油,、瀝青,、液化氣、腐蝕性介質(zhì)五種,。 1、輕油的測量 典型的輕油介質(zhì)為汽油,、石腦油,、石油等。一般會產(chǎn)生一定的揮發(fā)性氣體,，介電常數(shù)較低（<3）,。
低頻雷達(dá)（Probe LR/LR200+導(dǎo)波管。如果采用低頻（6GHz）的雷達(dá)液位計直接測量,，可能會因信號過于微弱而導(dǎo)致失波,，一般會要求安裝導(dǎo)波管。比如：Sitrans LR200配導(dǎo)波管的配置可以滿足輕油的液位測量（如圖3）,。導(dǎo)波管的制作要求為：金屬材質(zhì)（是304或316不銹鋼）,；內(nèi)壁光滑，無明顯焊縫（要求無縫焊或套焊）,；在合適的位置開排氣孔,，一般在導(dǎo)波管的上部，開空面積根據(jù)介質(zhì)特性（粘度）須適量,；如有必要在管底部設(shè)置偏置板,，以防止由于微波信號穿透液面產(chǎn)生來自底部的錯誤信號。這個解決方案一般用于儲罐高度小于5～10m的應(yīng)用中,。 高頻雷達(dá)（Sitrans LR400）,。采用高頻率的雷達(dá)液位計，不需要任何輔助措施（高頻雷達(dá)由于其特性,，一般不建議用于導(dǎo)波管）,，既可以實現(xiàn)測量輕油的液位,。對于一些較高的儲罐，由于制作導(dǎo)波管的成本和安裝成本較高,，而且很多較長的導(dǎo)波管在環(huán)境的變化下,，可能會導(dǎo)致一定的變形影響雷達(dá)液位計的測量效果和精度，因此,，選擇高頻的Sitrans LR400用于測量大量程的輕油儲罐的總體投資成本將會比低頻雷達(dá)解決方案更經(jīng)濟(jì)適用,。 2、重油的測量 典型的重油介質(zhì)為柴油等,，其介電常數(shù)一般>3,，有一定揮發(fā)性氣體?？梢圆捎玫皖l的Probe LR或LR200直接測量（如圖4）,。
3、瀝青的測量 瀝青（液態(tài)）的介電常數(shù)也比較低,，一般在3左右（根據(jù)溫度）,；而且液態(tài)的瀝青一般需要用高溫來維持，伴隨著高溫一般都會有一定的水蒸氣,；瀝青的特性比較粘,，很容易產(chǎn)生一定的掛料的現(xiàn)象。 高溫（>100ºC）的工況,，一般都需要選擇PTFE材質(zhì)的天線,，而不能選擇PPS的天線（如：Probe LR）；為了防止掛料的影響,，可以選擇喇叭口天線,；但水蒸氣一般會導(dǎo)致冷凝水的產(chǎn)生，經(jīng)試驗表明,，桿式天線對冷凝水的敏感程度要小于喇叭口天線,，因為桿式天線的有效發(fā)射電磁波的面積要遠(yuǎn)大于喇叭天線（發(fā)射電極只有筆尖大小）,；瀝青的介電常數(shù)較低,，在天線所產(chǎn)生的少量掛料一般都可以被雷達(dá)液位計的電磁波穿透；由于瀝青介質(zhì)的掛料比較粘稠,，采用清洗裝置的作用并不是很明顯,，因此筆者并不建議采用清洗裝置用于測量瀝青。 因此，對于儲罐內(nèi)攪拌,、掛料非常嚴(yán)重的瀝青應(yīng)用,，可以采用帶喇叭口的LR200，喇叭口大小應(yīng)不小于DN150（6”）;而對于溫度較高,，冷凝水現(xiàn)象比較明顯的工藝中,，可以采用全PTFE的桿式天線為佳：采用不銹鋼屏蔽段的PTFE天線對口徑較小的安裝立管的屏蔽效果較好，但是屏蔽長度如果選得太短了,，無法延長,；采用全PTFE的天線的屏蔽段長度可以根據(jù)安裝立管的長度自由方便地延長，但是在小口徑（≤DN80）的安裝立管會對天線的工作產(chǎn)生影響,。因此,，在安裝雷達(dá)液位計安，應(yīng)對安裝立管的口徑和長度提出要求,。
4,、液化氣的測量 液化氣包括液化天然氣（LNG）和液化石油氣（LPG）兩種。典型的液化氣介質(zhì)有：丙烷,、丁烷等,。 主要的特點是：介電常數(shù)一般都非常低（1.5～1.8）；高壓低溫儲存,；防爆要求,；通常用球罐存儲，球罐的高度一般在10～28m不等,。 目前的雷達(dá)液位計測量液化氣主要有兩種方式,。 一種是利用旁通管，使用低頻雷達(dá)（Sitrans LR200）測量,。由于這種方式對旁通管制作的要求非常高，很容易因為旁通管質(zhì)量不理想,，而導(dǎo)致使用效果不佳,；甚至在一些量程較大的球罐應(yīng)用中，由于旁通管過長,，很容易發(fā)生扭曲的現(xiàn)象,，使雷達(dá)液位計無法測量。使用LR200安裝在旁通管或?qū)Рü苌蠝y量液化氣的解決方案,，由于種種原因,，鮮有成功的案例。 另一種采用高頻雷達(dá)對低介電常數(shù)介質(zhì)的良好發(fā)射特性,，直接測量液化氣液面,。Sitrans LR400能夠直接測量介電常數(shù)低至1.5的介質(zhì)，可以滿足液化氣的測量。安裝位置可以選在球罐的頂上,，在球罐頂部直接開孔,，為了保證維護(hù)的方便，一般需要在LR400安裝在帶球閥的安裝立管（建議DN>150為佳）上,，方便隨時拆下來維護(hù),；或者安裝在較粗的旁通管（直徑6～10”以上）上。 Sitrans LR400在國內(nèi)的獨山子石化煉油廠應(yīng)用,，并取得了良好的使用效果,。根據(jù)現(xiàn)場的使用測試，發(fā)現(xiàn)LR400的測量精度和重復(fù)性均能達(dá)到非常好的效果,。
5,、腐蝕性介質(zhì)的測量 典型的腐蝕性介質(zhì)包括：硫酸、硝酸,、燒堿,、鹽酸等。 大部分腐蝕性介質(zhì)的介電常數(shù)都較高,；伴有不同程度的揮發(fā)性氣體（煙霧）,；不同濃度的腐蝕性介質(zhì)對不同的雷達(dá)天線材料有不同的腐蝕性要求；很多腐蝕性介質(zhì)的揮發(fā)性氣體具有一定的滲透能力,，再一段時間的使用后,，可能會滲透到儀表電子部分或天線的電機(jī)發(fā)射部分而損壞雷達(dá)液位計。 采用何種雷達(dá)天線來測量腐蝕性介質(zhì),，一般需要事先查化學(xué)兼容表來確認(rèn),。
1）:不適用于溫度較高的硫酸；2）：能承受鹽酸干氣體,；3）：超聲波不適合用于測量硝酸,，硝酸的揮發(fā)性氣體對超聲波有強(qiáng)烈的吸收作用；4）：液氨氣體具有*的滲透作用,，需要選擇一體化墊片的氣密型設(shè)計,。 ?：可以使用；?：使用效果一般,；?：不可使用,；NA：未知 考慮到很多腐蝕性介質(zhì)的揮發(fā)性氣體也具有一定腐蝕性和滲透性，因此一般會選擇一體化法蘭墊片的選項來防止揮發(fā)性氣體對法蘭的腐蝕和通過法蘭連接處進(jìn)行滲透,。 另外,，很多酸堿儲罐會產(chǎn)生很多水蒸氣和泡沫。這需要根據(jù)實際情況來進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇：水蒸氣產(chǎn)生冷凝水嚴(yán)重的應(yīng)用,，可以考慮采用桿式天線,；泡沫的厚薄和成分不同,，對微波是否能穿透泡沫進(jìn)行準(zhǔn)確地液位測量起至關(guān)重要的作用，需要具體的分析和更多的經(jīng)驗的積累,。 五,、結(jié)束語 通過近幾年對雷達(dá)液位計在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用研究，以及西門子不斷進(jìn)行新產(chǎn)品新技術(shù)的研發(fā),，西門子雷達(dá)液位計在各種儲罐的應(yīng)用也越來越成熟,，成功的案例也越來越多。筆者相信隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和成熟,，雷達(dá)液位計會逐步成為儲罐液位測量的主流,。