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雷達(dá)液位計的優(yōu)勢及在煉油廠罐區(qū)安裝與使用現(xiàn)狀
隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)要求以及生產(chǎn)現(xiàn)場對于自動化管理要求的的提高,，許多罐區(qū)的液位測量手段從純機(jī)械式測量方式向智能化,、電子化,、自動化方向發(fā)展,，目前雷達(dá)液位計是在罐區(qū)使用量大的智能化儀表之一,，雷達(dá)液位計的生產(chǎn)技術(shù)目前在國內(nèi)已經(jīng)相對比較成熟，其工作方式是經(jīng)變送器天線發(fā)射出脈沖微波信號,，迅速在空間里傳播,，當(dāng)脈沖信號遇到被測介質(zhì)表面時，其中一部分信號將介質(zhì)所反射,，被雷達(dá)液位計的天線接收到。雷達(dá)液位計通過發(fā)射與接受信號之間的信號時間差來計算出所測距離,，目前國內(nèi)主流的雷達(dá)液位計已經(jīng)采用高頻達(dá)26GHZ的脈沖微波工作,，可以保證測量的穩(wěn)定與。本文針對于雷達(dá)液位計與老式的液位計的工作方式的比較,，介紹了雷達(dá)液位計在測量中的優(yōu)勢,，同時對于雷達(dá)液位計的安裝與使用，使用中出現(xiàn)的故障等作簡要介紹,。
0 引言
某煉油老廠區(qū)罐區(qū),，目前有各類油品儲罐150多個，主要用來存儲成品油,，有汽油,、采油、航煤,、三苯等,。自同行業(yè)相繼報道有罐區(qū)爆炸事故以來，國家,、行業(yè)對石油化工監(jiān)管越來越嚴(yán),，對罐區(qū)安全保障要求不斷提高，相關(guān)的安全管理制度,、管理措施陸續(xù)出臺,。為了滿足新形勢下的新標(biāo)準(zhǔn)和罐區(qū)新的規(guī)范，滿足罐區(qū)儀表的準(zhǔn)確測量，某煉油廠在2011年開始設(shè)計在北罐區(qū)新增雷達(dá)液位計50套,，提高了罐區(qū)液面測量的可靠性,，并與2016年10月全部安裝完畢并投用。
1 儲油罐液位計介紹
煉油老廠區(qū)罐區(qū)150多個儲罐,，在未更換雷達(dá)液位計之前,，使用光導(dǎo)液位計來進(jìn)行儲罐液位的測量。光導(dǎo)液位計自1988年開始安裝,，到1991年全部安裝完成,，140多套液位計陸續(xù)投入使用，至今已使用20多年,。由于設(shè)備使用年限久,，部分液位變送器已超過使用壽命，大部分附件老化孔帶,、碼帶及小鋼帶斷裂扭曲,；大、小傳動滑輪滾軸裸露易沾灰塵,；小鋼帶油封槽腐蝕,、隔離片破裂；浮盤連接卡子腐蝕,，造成浮盤脫落等,。
光導(dǎo)液位計儀表信號傳輸是通過1根總線，將各罐的液位計信號連接到總線上,。信號傳輸過程中總線與分支信號接點多,，連接方式采用總線與分支線三花五扣絞接，然后用絕緣膠帶進(jìn)行絕緣處理,。時間久,，絕緣膠帶老化自然脫落，接線處與空氣中的酸性氣體長期接觸引起氧化或是接地,，導(dǎo)致整個總線儀表信號不能正常傳輸,；一次表箱密封不嚴(yán)，破損嚴(yán)重,，起不到防護(hù)作用等原因,。
灰塵或是臟物進(jìn)入到采樣孔內(nèi)，導(dǎo)致液位監(jiān)控系統(tǒng)誤報警頻繁,，嚴(yán)重干擾工藝人員的判斷和操作,，影響罐區(qū)的安全生產(chǎn)。經(jīng)公司評估后,，決定將老廠區(qū)北罐區(qū)液位監(jiān)控儀表更換為雷達(dá)液位計,，于2012年開始施工,，逐一對50個儲罐進(jìn)行隔離安裝。南罐區(qū)目前正在逐步更換中,。
2 罐區(qū)常用幾種液位計的性能對比
罐區(qū)一般采用的液位計主要有伺服式液位計,、鋼帶式液位計、光導(dǎo)液位計這幾類,，屬于接觸式的測量原理,。對于原油這種較粘稠的介質(zhì)，采用接觸式測量容易造成掛壁,，粘附測量元件的現(xiàn)象,，而且測量精度也較低，故障率較高,。雷達(dá)液位計,、超聲波液位計屬于非接觸式的測量原理，適合各種環(huán)境及介質(zhì)的測量,。
2.1 光導(dǎo)式液位計
1）測量原理：光導(dǎo)液位計利用力平衡和光電原理進(jìn)行液位自動測量,，如圖1所示。當(dāng)罐內(nèi)液位處于某一位置時,，浮標(biāo)的重量,、平衡錘的重量、浮標(biāo)的浮力,、三力處于平衡狀態(tài),。當(dāng)液位變化時，液位浮力也發(fā)生變化,，三力失去平衡。在平衡重錘作用下,，使信息孔帶或碼帶與液位同步變化,，這時變送器將信息孔帶或碼帶上的十六進(jìn)制光碼讀出，并變成電信號,，傳送至安裝在控制室的二次顯示儀表,，進(jìn)行液位顯示。每臺二次顯示儀表多可顯示30個罐的液位,。
光導(dǎo)式液位計主要由顯示二次表,、現(xiàn)場測量變送部分、總線轉(zhuǎn)換器等設(shè)備組成?，F(xiàn)場測量變送部分主要由浮盤,、平衡錘、信息孔帶或碼帶,、連接導(dǎo)向鋼帶,、導(dǎo)向滑輪等組成,。平衡重錘通過連接導(dǎo)向鋼帶與信息孔帶或碼帶的低端相連（即零位），信息孔帶或碼帶的（即大值）,，通過連接導(dǎo)向鋼帶與罐內(nèi)的浮盤相連接,。這樣，隨著油位的上升與下降,，浮盤與重錘一起帶動信息孔帶或碼帶在滑輪上移動,。在信息碼帶上有很多孔，變送器通過傳感器對這些排列十六進(jìn)制小孔進(jìn)行采樣,，通過轉(zhuǎn)換變送實現(xiàn)對液位的測量,。
2）優(yōu)點：直觀，便于觀察,。
3）缺點：變送器信號地址碼設(shè)置復(fù)雜,，容易造成地址沖突；總線信號傳輸電纜與分支電纜信號接頭氧化接觸不良,；機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)復(fù)雜,，小滑輪易卡；小鋼帶,、孔帶或碼帶,、重錘鋼帶扭曲；北方進(jìn)入冬季,，油封槽隔離片未安裝或老化,，罐體內(nèi)含水水熱氣造成鋼帶，孔帶或碼帶及傳動滑輪組件結(jié)冰凍凝,。光導(dǎo)液位計二次顯示儀表顯示點數(shù)受限制,，理論上多只能顯示30臺，不具備HART信號傳輸,，無法直接與DCS通訊,。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝不便,、工作量大,。
2.2 伺服液位計
1）工作原理：該液位計測量是基于力平衡的原理，由浮子的重量,、浮子的浮力,、伺服電機(jī)耦合力矩，三力處于平衡狀態(tài),。當(dāng)液位計發(fā)生變化時,，受浮力的作用，浮子的質(zhì)量發(fā)生變化,，如圖2所示,。由于內(nèi)外磁鐵的作用,，內(nèi)部磁通量發(fā)生改變，引起磁偶力矩變化,，變化量經(jīng)霍爾檢測元件檢測出信號大小,，經(jīng)電磁傳感器控制伺服電機(jī)，帶動輪鼓,，讓變化量引起的電壓變化與指令給出的電壓一致,。通過測量鋼絲輪鼓的旋轉(zhuǎn)可地計算出液位高低[1]。
2）優(yōu)點：測量精度高,，被測液體表面氣泡及乳化層不影響測量精度,。即可測液面也可測界面，同時還具有被測介質(zhì)密度檢測功能,、被測介質(zhì)的平均密度以及密度分布情況測量的功能,。
3）缺點：當(dāng)測量高粘度介質(zhì)時，存在掛壁及粘黏的現(xiàn)象,，測量上會存在較大的測量誤差,，不太適合應(yīng)用在此類介質(zhì)的液位測量上。伺服液位計安裝過程及調(diào)試過程比較繁瑣,，具有接觸式液位計的的特性,，伺服液位計單臺價格昂貴。
由于罐區(qū)長周期運(yùn)行,，檢修期間也不能規(guī)模性的動火安裝,，以上兩種液位計是常用的大型罐區(qū)液位測量方式，但安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價格不菲,，是雷達(dá)液位計的幾倍,。同樣，進(jìn)口類雷達(dá)液位計的價格也很昂貴,，雷達(dá)液位計具備同樣的精度和功能,，可節(jié)約不少資金，雷達(dá)液位計從安裝上比前兩種液位計簡單,，調(diào)試方便如圖3所示,。
3 雷達(dá)液位計工作原理
該液位計經(jīng)變送器天線發(fā)射出脈沖微波信號,，脈沖微波信號迅速在空間里傳播,。當(dāng)在傳播過程中遇到被測介質(zhì)表面，其部分脈沖微波信號被反射回來,，被雷達(dá)變送器天線所接收,。發(fā)射的脈沖微波與接收脈沖微波的時間間隔與變送器天線到被測介質(zhì)表面的距離成正比。由于脈沖微波的傳播速度*,，發(fā)射到介質(zhì)表面的脈沖微波與從介質(zhì)表面返回的脈沖微波的時間間隔很?。{秒量級）,，很難識別。雷達(dá)液位計采用一種特殊*的解調(diào)技術(shù),，可以準(zhǔn)確識別從天線發(fā)射脈沖微波與介質(zhì)表面返回脈沖微波的時間間隔,，將脈沖微波信號進(jìn)行放大后，地分析處理這些信號,，計算出變送器天線到被測介質(zhì)表面的實際距離從而進(jìn)行液位測量,。
雷達(dá)液位計在變送器中采用*的“微處理器和*的EchoDiscovery回波處理技術(shù)”，及脈沖微波傳送技術(shù)進(jìn)行測量,。該液位計工作適用范圍廣,，測量時不受溫度、壓力的影響,。對固體,、液體、粉塵性及漿狀介質(zhì),，都可以進(jìn)行測量,。使用在油罐區(qū)可以測量所有油品介質(zhì)包括：有毒、酸堿性腐蝕性介質(zhì),，測量連續(xù)準(zhǔn)確,、拆裝方便、維護(hù)量小,、操作簡單,。
3.1 *的EchoDiscovery回波處理技術(shù)
EchoDiscovery回波是雷達(dá)液位計采用的新技術(shù)，為該液位計的正常工作,、準(zhǔn)確測量提供了可靠保證,，提高了大型油罐復(fù)雜工況液面的測量精度。有些特殊場合由于安裝位置原因,，產(chǎn)生的干擾微波,，雷達(dá)液位計具有*識別虛假微波的功能，根據(jù)發(fā)出的微波信號和返回的微波信號識別出真實的信號,，經(jīng)變送器處理,，可以標(biāo)識出出現(xiàn)的干擾反射波，并剔除干擾微波信號,。該功能主要是通過存于雷達(dá)液位計的內(nèi)部數(shù)據(jù)庫,，使雷達(dá)液位計在數(shù)據(jù)處理時能識別實際微波和干擾微波，
排除干擾反射微波對測量的影響,。該功能在變送器里設(shè)置簡單,，進(jìn)入變送器的設(shè)置菜單，輸入液面的罐體的實際液位,，通過變送器系統(tǒng)軟件能自動地標(biāo)識出液面到天線的虛假回波,，就能排除這些雜波的干擾,，保證測量的準(zhǔn)確性。
3.2 脈沖微波技術(shù)
雷達(dá)液位計進(jìn)行測量時,，變送器天線發(fā)出的微波有兩種方式,，即調(diào)頻連續(xù)波式和脈沖微波式。調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)雷達(dá)液位計,，變送器本身功耗大,，需單獨(dú)供電，供電和信號分開設(shè)置,，一般采用四線制連接方式,。采用脈沖微波技術(shù)的雷達(dá)液位計，變送器功耗低,，供電和信號未單獨(dú)設(shè)置,，采用二線制連接方式，實現(xiàn)本質(zhì)安全,，適用范圍更廣,。雷達(dá)液位計采用脈沖微波技術(shù)，變送器天線發(fā)射出脈沖微波頻率為26GHz,，持續(xù)時間極短,，微波脈沖波長短，只有12mm,，發(fā)送的脈沖波束角度?。ǜ鶕?jù)發(fā)送天線喇叭尺寸決定：如4寸喇叭口時只有8度），脈沖微波在空氣中傳播時微波損失小,，一般變送器發(fā)射測量范圍可以達(dá)到70m以上,。在脈沖發(fā)射微波短暫停留期間，變送器天線系統(tǒng)將作為微波接收器,，接收反射回來的微波信號,，并對回波信號波形數(shù)據(jù)處理，判斷后顯示反射波形和電信號,，再通過信號處理單元,，顯示罐的實際液位。
4 雷達(dá)液位計的優(yōu)勢
1）消除多重回波和虛假回波干擾,。
2）應(yīng)對各種復(fù)雜的現(xiàn)場工況,。雷達(dá)液位計主要由機(jī)械部分（包括：變送器外殼、喇叭口天線,、連接法蘭,、波導(dǎo)）,；電子部分（由集成電路板構(gòu)成）,；應(yīng)用軟件3部分構(gòu)成,。
變送器天線、法蘭的材料,，均采用不銹鋼特殊材質(zhì),，抗腐蝕能力強(qiáng)，能適應(yīng)腐蝕性強(qiáng)的場所[2],。不受酸堿,、液體泡沫以及微波傳送過程中水蒸氣、溫度和壓力變化的影響,。變送器內(nèi)部參數(shù)設(shè)定方便簡潔,，可用變送器上的操作鍵進(jìn)行設(shè)定，也可用HART協(xié)議的手操器375或475,，也可用裝有VEGA Visual Operating軟件的PC機(jī),，在遠(yuǎn)程或直接連接在變送器的通信端口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，應(yīng)用十分方便,，如圖4所示,。
3）波長更短。對在傾斜的固體表面有更好地反射,，測量盲區(qū)更小,、波束角小、能量集中,，增強(qiáng)了回波能力的同時,，又有利于避開干擾物，高信噪比,，即使在波動的情況下也能獲得更優(yōu)的性能,。
5 雷達(dá)液位計在罐區(qū)的實際應(yīng)用
雷達(dá)液位計在實際應(yīng)用過程中能否正確測量，*依賴于變送器天線反射回來的脈沖微波信號,。變送器天線發(fā)射出脈沖微波時,，根據(jù)天線喇叭口的大小不同發(fā)射角也不一樣。如果變送器所選擇罐體安裝的位置不合適,，測量時無法將電磁微波信號反射回雷達(dá)天線,；或電磁微波發(fā)射的范圍內(nèi)有干擾物，反射回來的電磁微波有干擾波,，雷達(dá)液位計都不能正確測量實際液位,。安裝在罐區(qū)的儀表外殼必須接大地。前期,，在罐區(qū)雷達(dá)液位計安裝完后,，表殼未進(jìn)行接地，經(jīng)過整改已經(jīng)完成。
5.1 雷達(dá)液位計的現(xiàn)場安裝要求
合理選擇安裝位置對雷達(dá)液位計十分重要,，安裝未按要求或是安裝不規(guī)范,，均能導(dǎo)致雷達(dá)液位計不能正常使用，應(yīng)避免安裝狀況對前段回波曲線形狀影響,，如圖5所示的幾種情況,。
1）被測罐體中，保持與罐壁有適當(dāng)?shù)木嚯x,。此種狀況會影響前段回波曲線形狀,，影響測量，造成測量不準(zhǔn)確,。
2）被測量罐體中,，微波反射角內(nèi)有突出物，會產(chǎn)生干擾微波影響測量,。此種狀況會造成測量信號不穩(wěn)定,，測量信號波動大。
3）被測罐體中,，發(fā)射角范圍內(nèi)有物料進(jìn)口,，出現(xiàn)物料流動。此種狀況會導(dǎo)致變送器反射的微波信號比實際微波信號大,；或在真實液位反射信號和料流反射信號之間跳變,，測量信號不穩(wěn)定。
4）被測罐體中,，變送器安裝連接短接過長,，變送器天線未出安裝短接。
安裝連接短接過長,，當(dāng)罐體中實際液位在高液位時,，連接短接出口的天線反射波與真實回波相互干擾，導(dǎo)致變送器信號不穩(wěn)定或跳變,。
5）被測罐體中,，變送器要避免安裝在弧頂罐的正中心。此種情況可導(dǎo)致天線反射回波曲線紊亂,，變送器輸出值不穩(wěn)定,，顯示偏差大。
5.2 雷達(dá)液位計在罐區(qū)安裝狀況
罐區(qū)在未更換雷達(dá)液位計前,，現(xiàn)場液位計采用的均為光導(dǎo)液位計,，用來測量油罐液位。項目實施時,，現(xiàn)場光導(dǎo)液位計是否拆除的問題,，經(jīng)討論探究決定暫時不停用，待光導(dǎo)液位計出現(xiàn)故障后逐步停用，采取兩臺液位計對比來進(jìn)行測量,。在罐區(qū)選的是26G高頻雷達(dá)液位計,，不銹鋼喇叭口天線，本安型,，儀表信號采用24VDC供電，4-40MA及HART信號傳輸,，信號經(jīng)現(xiàn)場接線箱轉(zhuǎn)接為多芯電纜傳輸?shù)綑C(jī)柜間,，如圖6所示。機(jī)柜間內(nèi)經(jīng)安全柵隔離后,，進(jìn)入到DCS模擬輸入卡件,，通過橫河DCS系統(tǒng)來顯示測量。如圖7所示?，F(xiàn)場從罐頂采用法蘭連接,，未安裝導(dǎo)波管如圖11所示。
5.3 現(xiàn)場安裝問題處理
在2016年6月份已安裝到位的液位計,，發(fā)現(xiàn)5臺投用后多次標(biāo)定,，顯示偏差均在30%～60%之間，罐號為934#,、966#,、965#、903#,、935#罐,，介質(zhì)均為汽油罐。現(xiàn)場外觀檢查發(fā)現(xiàn)5臺液位計防爆外殼玻璃表蓋上有水珠,，防爆外殼缺葛蘭頭,、缺密封堵頭、密封堵頭與葛蘭頭安裝接口調(diào)換位置,，兩個接口的螺紋不一樣,，堵頭絲扣未擰到位；將液位計拆回進(jìn)行檢查標(biāo)定,。當(dāng)拆卸下編程器表頭和傳感器后,，發(fā)現(xiàn)這5臺表體底部均有不同程度腐蝕現(xiàn)象，如圖8所示,，初步判斷為進(jìn)水所致,。工作人員對這幾臺液位計進(jìn)行原因查找，檢查是什么原因造成變送器殼體進(jìn)水,，分別做以下試驗：1）對表蓋進(jìn)行盛水試漏實驗,，表蓋玻璃無漏水現(xiàn)象，密封良好；2）對966#罐上雷達(dá)整個表體進(jìn)行水流沖刷試驗,，水流持續(xù)沖刷10min,，打開表蓋未發(fā)現(xiàn)明顯進(jìn)水現(xiàn)象[3]。
5.4 錐形管天線密封試驗
對966#罐雷達(dá)液位計倒扣,，錐形管里盛水,，進(jìn)行進(jìn)水試驗。靜止4h后檢查發(fā)現(xiàn)表蓋上有很多水珠,。懷疑是從錐管內(nèi)滲水,，其余4臺雷達(dá)液位計進(jìn)行倒扣進(jìn)水試驗，試驗后均未發(fā)現(xiàn)有明顯的水跡倒流進(jìn)入表殼內(nèi),，如圖9所示,。拆開966#罐液位計后發(fā)現(xiàn)同軸接頭處有水珠，表內(nèi)底部也濕潤,，明顯進(jìn)水,。此表未從上方?jīng)_水，只從底部錐形管罐裝過水,，由此可以推斷從天線處也可以慢滲進(jìn)水汽,。分析是由于此處的密封松動，緊固后正常,，如圖10所示,。排除是由于介質(zhì)通過喇叭口天線進(jìn)入到變送器殼體內(nèi)，造成測量誤差,。
5.5 實驗及處理結(jié)果
由此,，可斷定由于施工階段，相關(guān)人員在施工時責(zé)任心不強(qiáng),，未按規(guī)范保護(hù)儀表設(shè)備,，造成變送器雨天由儀表信號接口處進(jìn)水，引起變送電子元件快速老化,，造成儀表測量誤差,。聯(lián)系廠家技術(shù)人員，更換部分器件后,，重新進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,，如圖12所示。經(jīng)信號測試,，調(diào)試投運(yùn)后指示正常,。通過這系列的現(xiàn)場檢查驗證，進(jìn)一步確定雷達(dá)液位計在罐區(qū)應(yīng)用的*性和可靠性,。
6 雷達(dá)液位計在罐區(qū)的應(yīng)用效果
自2012年以來,，雷達(dá)液位計在煉油廠北罐區(qū)儲罐上開始安裝,，截止2016年10月共安裝了38臺，目前運(yùn)行狀況良好,，替代之前所用的光導(dǎo)液位計后,，故障率和日常維護(hù)工作量明顯降低，液位測量準(zhǔn)確度上都比之前提高許多,。
6.1 雷達(dá)液位計在罐區(qū)中的應(yīng)用
為驗證雷達(dá)液位計的技術(shù)性能及測量的準(zhǔn)確性,，于2016年6月10日至7月30日，在罐區(qū)做了多次人工量油與液位計自動量油對比測試,。提取3次對比情況,，使用效果良好。大誤差為2mm,，運(yùn)行穩(wěn)定,。儀表能準(zhǔn)確地反映各罐生產(chǎn)動態(tài),、罐儲油情況,，滿足了油品動態(tài)計量、數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，方便管理和操作運(yùn)行,。液位計將標(biāo)準(zhǔn)儀表信號遠(yuǎn)傳到DCS系統(tǒng)，通過OPC服務(wù)器,，上傳到生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)[4,5],，相關(guān)人員隨時可以觀察到罐區(qū)油品管輸狀況。
6.2 存在的問題及改進(jìn)措施
1）罐區(qū)只安裝38臺雷達(dá)液位計,，每個罐區(qū)雙表運(yùn)行,。多年以來，操作人員慣于用光導(dǎo)液位計來衡量儀表指示是否準(zhǔn)確,，依然對光導(dǎo)液位計存在依賴性,。聯(lián)系工藝技術(shù)人員要求對液位測量以雷達(dá)液位計指示為主，光導(dǎo)液位計測量只是輔作用,。
2）罐區(qū)還有很多罐未安裝雷達(dá)液位計,，改造難度比較大、周期比較長,，在一定時期內(nèi),，部分罐依然要使用光導(dǎo)液位計。公司已制定方案加大整改力度,，預(yù)計在未來幾年全部整改完畢,。
3）罐區(qū)區(qū)域很大，從現(xiàn)場到機(jī)柜間距離較長,，由于遠(yuǎn)距離傳輸,，對儀表直流24VDC供電電壓衰減不易克服?，F(xiàn)場測試，準(zhǔn)備增加機(jī)柜間輸出電壓值,，以克服電壓衰減問題,。
7 結(jié)束語
罐區(qū)液位測量在石油化工行業(yè)中起著至關(guān)重要的作用，雷達(dá)液位計已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在大型油罐的測量中,。雷達(dá)液位計現(xiàn)場使用證明,，其可靠性強(qiáng)、測量精度高,、價格便宜,、操作維護(hù)方便、維護(hù)工作量小,、安裝方便,、抗干擾能力強(qiáng)、安全性高,、便于拆裝,、智能集成結(jié)構(gòu)簡單，為罐區(qū)安全生產(chǎn)提供了有力的保障,。