摘 要:通過對雷達液位計在油品罐區(qū)中的應用進行深入研究,分析了雷達液位計的工作原理、天線型式和性能特點,指出了介電常數(shù)對于雷達液位計測量的影響,介紹了雷達液位計的設計要點和選型原則,并對其現(xiàn)場總線傳輸方式進行了詳細的闡述,#后結合工程設計實例總結了雷達液位計規(guī)范合理的選型方案,肯定了其在罐區(qū)計量中的重要作用。
油品罐區(qū)是石油化工企業(yè)中重要的儲運設施,準確地計量油品罐區(qū)的庫存對于石化企業(yè)的生產、銷售有著非常重要的指導作用,作為油品罐區(qū)計量中的關鍵儀表,罐區(qū)液位計的精que度、安全性及穩(wěn)定性直接影響著石化企業(yè)的安全生產和經濟效益。早在20世紀80年代中期,源自軍事工業(yè)的雷達測量技術被應用于工業(yè)自動化測量領域,使得現(xiàn)代罐區(qū)計量技術有了一個根本性的飛躍,解決了油品罐區(qū)測量系統(tǒng)在部分工況長期以來無法精que計量的難題,雷達物位計以其優(yōu)越的性能成為罐區(qū)液位測量儀表的shou要選擇。結合工程設計項目實例,從原理、特點、選型等多個方面對雷達液位計在油品罐區(qū)計量方面的應用進行了細致的研究與總結,為今后更加合理地使用雷達液位計進行液位測量提供參考。
1 雷達液位計的工作原理
雷達液位計采用高頻振蕩器作為雷達波發(fā)生器,發(fā)生器產生的雷達波通過導波管引到雷達天線,然后向外傳播。當雷達波到達檢測液面時,有一部分被吸收,另一部分被反射回雷達天線接收,通過建立發(fā)射波與反射波的函數(shù)關系來實現(xiàn)液位測量 [1] ;趦煞N不同的測量原理,雷達液位計主要分為時域脈沖雷達液位計和調頻連續(xù)波(FMCW)雷達液位計兩類。
時域脈沖雷達液位計基于雷達波的時域反射性(TDR)原理,通過測量單脈沖電磁波的傳輸時間進行液位測量 [2] ,其精度主要依賴于對時間的精que測量。由于雷達波信號以光速傳播,而測量儲罐液位時雷達波在儲罐內的傳播距離較短,所以較難保證準確地測量。
調頻連續(xù)波雷達液位計利用同步調頻脈沖技術,微波發(fā)射和接收器安裝在罐頂,向液體表面發(fā)射頻率經過線性調制了的微波信號。當微波信號向下傳播到液體表面后被反射回接收器時,由于時間延遲,發(fā)射信號的頻率已發(fā)生了改變,通過得到反射波與發(fā)射波的頻率差,推算出雷達波通過的距離 [3] 。
同樣是利用雷達波的傳播特性進行液位測量,時域脈沖雷達液位計基于時間測量,而時間是一種連續(xù)的模擬量,在物理學上定義它只能被無限近似切割,所以時域脈沖法是一種模擬技術,它只能提供較低的測量精度,其優(yōu)勢在于制造成本相對較低;調頻連續(xù)波雷達液位計基于頻率測量,而頻率是一種完全的數(shù)字量,能夠被準確切割和度量,所以調頻連續(xù)波法是一種數(shù)字化技術,能提供良好的測量精度和穩(wěn)定的輸出信號。
2 雷達液位計的選型
2.1 雷達液位計天線型式
天線是雷達液位計測量液位的重要部件,雷達液位計選型主要在于選擇合適的天線型式。常用的非接觸式雷達液位計天線型式主要有以下3種:喇叭口天線、拋物面天線和平面天線,外形結構如圖1所示。
喇叭口天線采用點源發(fā)射方式,雷達波為發(fā)散的球面波,主要用于不需要設置導波管的拱頂罐的液位測量。由于整個喇叭口天線處于儲罐中,并且有幾乎與罐環(huán)境相同的溫度,所以可以防止在天線內發(fā)生冷凝。
拋物面天線同樣采用點源發(fā)射方式,雷達波為發(fā)散的球面波,允許近罐壁安裝。通常用于拱頂罐,介質主要為蠟油、渣油、瀝青等粘稠及易冷凝的高溫油品,儲罐底部都設有加熱蒸汽盤管。由于罐內高溫(200℃左右)產生蒸汽使得在雷達天線部位極易形成凝結水和出現(xiàn)掛料現(xiàn)象,影響雷達液位計的準確測量,而拋物面天線雷達液位計的滴水型設計有效地防止了冷凝和掛料現(xiàn)象的出現(xiàn)。而且,拋物面天線波束窄,使雷達波能量更集中,聚焦性好,能夠保證較高的測量精度 [4] 。
平面天線技術(又叫陣列天線技術)采用多源發(fā)射方式,與單點發(fā)射源相比,由于其測量基于一個平面,而不是一個確定的點,因而發(fā)射出的雷達波為平面螺旋波。主要用于安裝有導波管的內(外)浮頂罐的液位測量。平面天線發(fā)射的雷達波具有波束窄、能量集中的特點,所以與導波管管壁接觸部分能量很小,受導波管內壁粗糙程度的影響也很小,對于油品掛壁對測量的影響小。
2.2 介電常數(shù)對雷達物位計選型的影響
雷達波到達液位表面被反射時,雷達波會被吸收而發(fā)生衰減,當衰減過多時,雷達液位計接收不到足夠的信號,導致測量不準確,這就是被測介質的介電常數(shù)對雷達液位計的測量所產生的影響 [5] 。
各種油品介質的介電常數(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,對于使用內(外)浮頂罐的介質,對于汽油、煤油等相對介電常數(shù)較小的介質必須使用導波管。而對于液化氣球罐的液位測量,一方面液化氣的介電常數(shù)較低,對雷達波的反射能力很弱;另一方面液化氣氣相組分會吸收部分雷達波造成信號衰減嚴重,影響雷達液位計的準確測量。因此,通常選用另一種測量精度較高的接觸式儀表——伺服液位計,此處不作詳述。
3 雷達物位計的現(xiàn)場總線傳輸方式
3.1 現(xiàn)場總線傳輸方式
雷達液位計提供疊加了HART的4mA~20mA輸出信號,同時也提供數(shù)字式現(xiàn)場總線傳輸方式。在油品罐區(qū)計量系統(tǒng)中,罐區(qū)計量信號通過雷達液位計的現(xiàn)場總線傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng),F(xiàn)場總線能夠同時傳輸多個過程參數(shù),大大地簡化了連接線路,降低了成本。而且在傳輸過程的同時,儀表的標識符和簡單的診斷信息也可一并傳送,F(xiàn)場總線是雙向的,因此能夠在控制室對現(xiàn)場智能儀表進行標定、調整及運行診斷,甚至能夠在故障發(fā)生前進行預測。
3.2 單個油品儲罐計量系統(tǒng)的構成
基于雷達液位計的數(shù)字信號處理功能及數(shù)字式現(xiàn)場總線傳輸?shù)奶攸c,雷達液位計在油品罐區(qū)計量中主要發(fā)揮了兩個作用:一是測量儲罐內介質的液位,二是接收被測介質的溫度、密度、壓力等遠傳信號,利用現(xiàn)場總線與控制系統(tǒng)進行通訊,將所有信號一起傳輸?shù)娇刂剖,實現(xiàn)對油品儲罐的計量。單個油品儲罐計量系統(tǒng)構成如圖2所示。
3.3 油品罐區(qū)雷達料位計的通訊系統(tǒng)
某品牌雷達料位計的通訊系統(tǒng)結構如圖3所示,F(xiàn)場通訊單元(FCU)作為一個網關或數(shù)據收集器,在上位機和現(xiàn)場儀表之間起連接作用,罐區(qū)中各儲罐的雷達料位計依靠TRL/2現(xiàn)場總線與FCU進行數(shù)據傳輸,F(xiàn)CU和上位機之間通過RS-485總線進行通訊,完成將罐區(qū)儀表信號傳輸?shù)缴衔粰C的任務 [5] 。
4 工程應用實例
4.1 液位儀表選型
某項目共有4個油品罐區(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)。根據各罐區(qū)介質的特性及儲罐類型,配備合適的液位測量儀表,如表2所示。其中,T——溫度;L——液位;ρ——密度;P——壓力。
根據雷達液位計的選型原則,對于易產生揮發(fā)性氣體,使用浮頂罐儲存的汽油和原油(汽油為內浮頂罐、原油為外浮頂罐),選用平面天線雷達液位計,安裝導波管。可以有效地克服介質由于介電常數(shù)小而對雷達波反射能力相對弱的缺點,確保測量準確。
油漿、堿渣等介質由于比較粘稠且易冷凝,通常儲存在帶有加熱蒸汽盤管的拱頂罐中。因此,選用不受加熱蒸汽影響又聚焦性好的拋物面天線雷達液位計。
液態(tài)烴罐區(qū)選用伺服液位計。
4.2 雷達液位計通訊系統(tǒng)
利用雷達液位計基于現(xiàn)場總線進行數(shù)據傳輸?shù)奶攸c,為油品罐區(qū)構建起一個液位測量系統(tǒng)。雷達液位計通訊系統(tǒng)構成如圖4所示。采用雷達液位計進行液位測量的3個罐區(qū)通過3條現(xiàn)場總線與安裝在控制室內的雷達通訊單元通訊,再由雷達通訊單元通過RS-485總線與控制系統(tǒng)進行通訊,傳輸各儲罐液位的同時,還將溫度、壓力、密度等檢測信號通過雷達液位計準確無誤地傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中進行集中監(jiān)測,實現(xiàn)了整個油品罐區(qū)的計量。
雷達液位計現(xiàn)場總線傳輸方式在工程實施中主要具有以下優(yōu)點:
1)采用現(xiàn)場總線網絡,解決了分布式油品儲罐的集中檢測問題,便于進行網絡化管理,使系統(tǒng)更加實用、穩(wěn)定和可靠。
2)數(shù)字傳輸方式,可以同時傳輸多個過程變量,極大地簡化了信號連接線路,節(jié)省了大量的電纜、保護套管、槽盒、橋架以及穿線盒等相應輔材,極大地降低了成本。
3)接線簡單,如果需要增加現(xiàn)場儀表,只需就近并行掛接到原有的網絡上,wuxu鋪設至機柜室,既節(jié)省了電纜,降低了投資,也縮減了設計和安裝的工作量。
4)工程實施更加方便,工程周期短,大大減少了工作量,降低了維護和安裝費用。
5 結束語
作為一種智能化的液位測量儀表,雷達料位計在罐區(qū)油品計量的應用中已經發(fā)揮出了自身好特的優(yōu)勢,非接觸式測量、測量范圍大、精度高、安裝簡單等優(yōu)點完全滿足罐區(qū)油品計量對精que度、可靠性和穩(wěn)定性的要求,數(shù)字式現(xiàn)場總線傳輸方式不但能節(jié)省成本,而且符合現(xiàn)代測量技術向著集成化、數(shù)字化、網絡化方向發(fā)展的要求,雷達液位計將繼續(xù)在罐區(qū)油品計量中發(fā)揮重要作用。