雷达液位计的优势及在炼油厂罐区安装与使用现状

    随着工业生产技术要求以及生产现场对于自动化管理要求的的提高，许多罐区的液位测量手段从纯机械式测量方式向智能化、电子化、自动化方向发展，目前雷达液位计是在罐区使用量大的智能化仪表之一，雷达液位计的生产技术目前在国内已经相对比较成熟，其工作方式是经变送器天线发射出脉冲微波信号，迅速在空间里传播，当脉冲信号遇到被测介质表面时，其中一部分信号将介质所反射，被雷达液位计的天线接收到。雷达液位计通过发射与接受信号之间的信号时间差来计算出所测距离，目前国内主流的雷达液位计已经采用高频达26GHZ的脉冲微波工作，可以保证测量的稳定与**。本文针对于雷达液位计与老式的液位计的工作方式的比较，介绍了雷达液位计在测量中的优势，同时对于雷达液位计的安装与使用，使用中出现的故障等作简要介绍。
 
　　0 引言
某炼油老厂区罐区，目前有各类油品储罐150多个，主要用来存储成品油，有汽油、采油、航煤、三苯等。自同行业相继报道有罐区爆炸事故以来，国家、行业对石油化工监管越来越严，对罐区安全保障要求不断提高，相关的安全管理制度、管理措施陆续出台。为了满足新形势下的新标准和罐区新的规范，满足罐区仪表的准确测量，某炼油厂在2011年开始设计在北罐区新增雷达液位计50套，提高了罐区液面测量的可靠性，并与2016年10月全部安装完毕并投用。
 
　　1 储油罐液位计介绍
炼油老厂区罐区150多个储罐，在未更换雷达液位计之前，使用光导液位计来进行储罐液位的测量。光导液位计自1988年开始安装，到1991年全部安装完成，140多套液位计陆续投入使用，至今已使用20多年。由于设备使用年限久，部分液位变送器已超过使用寿命，大部分附件老化孔带、码带及小钢带断裂扭曲；大、小传动滑轮滚轴裸露易沾灰尘；小钢带油封槽腐蚀、隔离片破裂；浮盘连接卡子腐蚀，造成浮盘脱落等。
 
光导液位计仪表信号传输是通过1根总线，将各罐的液位计信号连接到总线上。信号传输过程中总线与分支信号接点多，连接方式采用总线与分支线三花五扣绞接，然后用绝缘胶带进行绝缘处理。时间久，绝缘胶带老化自然脱落，接线处与空气中的酸性气体长期接触引起氧化或是接地，导致整个总线仪表信号不能正常传输；一次表箱密封不严，破损严重，起不到防护作用等原因。
 
灰尘或是脏物进入到采样孔内，导致液位监控系统误报警频繁，严重干扰工艺人员的判断和操作，影响罐区的安全生产。经公司评估后，决定将老厂区北罐区液位监控仪表更换为雷达液位计，于2012年开始施工，逐一对50个储罐进行隔离安装。南罐区目前正在逐步更换中。
 

罐区一般采用的液位计主要有伺服式液位计、钢带式液位计、光导液位计这几类，属于接触式的测量原理。对于原油这种较粘稠的介质，采用接触式测量容易造成挂壁，粘附测量元件的现象，而且测量精度也较低，故障率较高。雷达液位计、超声波液位计属于非接触式的测量原理，适合各种环境及介质的测量。
 
　　2.1 光导式液位计
　　1）测量原理：光导液位计利用力平衡和光电原理进行液位自动测量，如图1所示。当罐内液位处于某一位置时，浮标的重量、平衡锤的重量、浮标的浮力、三力处于平衡状态。当液位变化时，液位浮力也发生变化，三力失去平衡。在平衡重锤作用下，使信息孔带或码带与液位同步变化，这时变送器将信息孔带或码带上的十六进制光码读出，并变成电信号，传送至安装在控制室的二次显示仪表，进行液位显示。每台二次显示仪表多可显示30个罐的液位。
　　光导式液位计主要由显示二次表、现场测量变送部分、总线转换器等设备组成。现场测量变送部分主要由浮盘、平衡锤、信息孔带或码带、连接导向钢带、导向滑轮等组成。平衡重锤通过连接导向钢带与信息孔带或码带的低端相连（即零位），信息孔带或码带的高端（即大值），通过连接导向钢带与罐内的浮盘相连接。这样，随着油位的上升与下降，浮盘与重锤一起带动信息孔带或码带在滑轮上移动。在信息码带上有很多孔，变送器通过传感器对这些排列十六进制小孔进行采样，通过转换变送实现对液位的测量。
　　2）优点：直观，便于观察。
3）缺点：变送器信号地址码设置复杂，容易造成地址冲突；总线信号传输电缆与分支电缆信号接头氧化接触不良；机械传动机构复杂，小滑轮易卡；小钢带、孔带或码带、重锤钢带扭曲；北方进入冬季，油封槽隔离片未安装或老化，罐体内含水水热气造成钢带，孔带或码带及传动滑轮组件结冰冻凝。光导液位计二次显示仪表显示点数受限制，理论上多只能显示30台，不具备HART信号传输，无法直接与DCS通讯。结构复杂、安装不便、工作量大。
 
　　2.2 伺服液位计
　　1）工作原理：该液位计测量是基于力平衡的原理，由浮子的重量、浮子的浮力、伺服电机耦合力矩，三力处于平衡状态。当液位计发生变化时，受浮力的作用，浮子的质量发生变化，如图2所示。由于内外磁铁的作用，内部磁通量发生改变，引起磁偶力矩变化，变化量经霍尔检测元件检测出信号大小，经电磁传感器控制伺服电机，带动轮鼓，让变化量引起的电压变化与指令给出的电压一致。通过测量钢丝轮鼓的旋转可精确地计算出液位高低[1]。
　　2）优点：测量精度高，被测液体表面气泡及乳化层不影响测量精度。即可测液面也可测界面，同时还具有被测介质密度检测功能、被测介质的平均密度以及密度分布情况测量的功能。
　　3）缺点：当测量高粘度介质时，存在挂壁及粘黏的现象，测量上会存在较大的测量误差，不太适合应用在此类介质的液位测量上。伺服液位计安装过程及调试过程比较繁琐，具有接触式液位计的的特性，伺服液位计单台价格昂贵。
由于罐区长周期运行，检修期间也不能规模性的动火安装，以上两种液位计是常用的大型罐区液位测量方式，但安装结构复杂且价格不菲，是雷达液位计的几倍。同样，进口类雷达液位计的价格也很昂贵，雷达液位计具备同样的精度和功能，可节约不少资金，雷达液位计从安装上比前两种液位计简单，调试方便如图3所示。
 

　　该液位计经变送器天线发射出脉冲微波信号，脉冲微波信号迅速在空间里传播。当在传播过程中遇到被测介质表面，其部分脉冲微波信号被反射回来，被雷达变送器天线所接收。发射的脉冲微波与接收脉冲微波的时间间隔与变送器天线到被测介质表面的距离成正比。由于脉冲微波的传播速度极高，发射到介质表面的脉冲微波与从介质表面返回的脉冲微波的时间间隔很小（纳秒量级），很难识别。雷达液位计采用一种特殊的解调技术，可以准确识别从天线发射脉冲微波与介质表面返回脉冲微波的时间间隔，将脉冲微波信号进行放大后，精确地分析处理这些信号，计算出变送器天线到被测介质表面的实际距离从而进行液位测量。
　　雷达液位计在变送器中采用的“微处理器和独特的EchoDiscovery回波处理技术”，及脉冲微波传送技术进行测量。该液位计工作适用范围广，测量时不受温度、压力的影响。对固体、液体、粉尘性及浆状介质，都可以进行测量。使用在油罐区可以测量所有油品介质包括：有毒、酸碱性腐蚀性介质，测量连续准确、拆装方便、维护量小、操作简单。
　　
3.1 独特的EchoDiscovery回波处理技术
　　EchoDiscovery回波是雷达液位计采用的新技术，为该液位计的正常工作、准确测量提供了可靠保证，提高了大型油罐复杂工况液面的测量精度。有些特殊场合由于安装位置原因，产生的干扰微波，雷达液位计具有独特识别虚假微波的功能，根据发出的微波信号和返回的微波信号识别出真实的信号，经变送器处理，可以标识出出现的干扰反射波，并剔除干扰微波信号。该功能主要是通过存于雷达液位计的内部数据库，使雷达液位计在数据处理时能识别实际微波和干扰微波，
排除干扰反射微波对测量的影响。该功能在变送器里设置简单，进入变送器的设置菜单，输入液面的罐体的实际液位，通过变送器系统软件能自动地标识出液面到天线的虚假回波，就能排除这些杂波的干扰，保证测量的准确性。
 
　　3.2 脉冲微波技术
雷达液位计进行测量时，变送器天线发出的微波有两种方式，即调频连续波式和脉冲微波式。调频连续波技术雷达液位计，变送器本身功耗大，需单独供电，供电和信号分开设置，一般采用四线制连接方式。采用脉冲微波技术的雷达液位计，变送器功耗低，供电和信号未单独设置，采用二线制连接方式，实现本质安全，适用范围更广。雷达液位计采用脉冲微波技术，变送器天线发射出脉冲微波频率为26GHz，持续时间极短，微波脉冲波长短，只有12mm，发送的脉冲波束角度小（根据发送天线喇叭尺寸决定：如4寸喇叭口时只有8度），脉冲微波在空气中传播时微波损失小，一般变送器发射测量范围可以达到70m以上。在脉冲发射微波短暂停留期间，变送器天线系统将作为微波接收器，接收反射回来的微波信号，并对回波信号波形数据处理，判断后显示反射波形和电信号，再通过信号处理单元，显示罐的实际液位。
 

　　1）消除多重回波和虚假回波干扰。
　　2）应对各种复杂的现场工况。雷达液位计主要由机械部分（包括：变送器外壳、喇叭口天线、连接法兰、波导）；电子部分（由集成电路板构成）；应用软件3部分构成。
　　变送器天线、法兰的材料，均采用不锈钢特殊材质，抗腐蚀能力强，能适应腐蚀性强的场所[2]。不受酸碱、液体泡沫以及微波传送过程中水蒸气、温度和压力变化的影响。变送器内部参数设定方便简洁，可用变送器上的操作键进行设定，也可用HART协议的手操器375或475，也可用装有VEGA Visual Operating软件的PC机，在远程或直接连接在变送器的通信端口进行参数设置，应用十分方便，如图4所示。





        3）波长更短。对在倾斜的固体表面有更好地反射，测量盲区更小、波束角小、能量集中，增强了回波能力的同时，又有利于避开干扰物，高信噪比，即使在波动的情况下也能获得更优的性能。
 

雷达液位计在实际应用过程中能否正确测量，完全依赖于变送器天线反射回来的脉冲微波信号。变送器天线发射出脉冲微波时，根据天线喇叭口的大小不同发射角也不一样。如果变送器所选择罐体安装的位置不合适，测量时无法将电磁微波信号反射回雷达天线；或电磁微波发射的范围内有干扰物，反射回来的电磁微波有干扰波，雷达液位计都不能正确测量实际液位。安装在罐区的仪表外壳必须接大地。前期，在罐区雷达液位计安装完后，表壳未进行接地，经过整改已经完成。
 
　　5.1 雷达液位计的现场安装要求
　　合理选择安装位置对雷达液位计十分重要，安装未按要求或是安装不规范，均能导致雷达液位计不能正常使用，应避免安装状况对前段回波曲线形状影响，如图5所示的几种情况。
　　1）被测罐体中，保持与罐壁有适当的距离。此种状况会影响前段回波曲线形状，影响测量，造成测量不准确。
　　2）被测量罐体中，微波反射角内有突出物，会产生干扰微波影响测量。此种状况会造成测量信号不稳定，测量信号波动大。
　　3）被测罐体中，发射角范围内有物料进口，出现物料流动。此种状况会导致变送器反射的微波信号比实际微波信号大；或在真实液位反射信号和料流反射信号之间跳变，测量信号不稳定。
      4）被测罐体中，变送器安装连接短接过长，变送器天线未出安装短接。
           安装连接短接过长，当罐体中实际液位在高液位时，连接短接出口的天线反射波与真实回波相互干扰，导致变送器信号不稳定或跳变。
     5）被测罐体中，变送器要避免安装在弧顶罐的正中心。此种情况可导致天线反射回波曲线紊乱，变送器输出值不稳定，显示偏差大。
 
　　5.2 雷达液位计在罐区安装状况
罐区在未更换雷达液位计前，现场液位计采用的均为光导液位计，用来测量油罐液位。项目实施时，现场光导液位计是否拆除的问题，经讨论探究决定暂时不停用，待光导液位计出现故障后逐步停用，采取两台液位计对比来进行测量。在罐区选的是26G高频雷达液位计，不锈钢喇叭口天线，本安型，仪表信号采用24VDC供电，4-40MA及HART信号传输，信号经现场接线箱转接为多芯电缆传输到机柜间，如图6所示。机柜间内经安全栅隔离后，进入到DCS模拟输入卡件，通过横河DCS系统来显示测量。如图7所示。现场从罐顶采用法兰连接，未安装导波管如图11所示。
 
　　5.3 现场安装问题处理
在2016年6月份已安装到位的液位计，发现5台投用后多次标定，显示偏差均在30%～60%之间，罐号为934#、966#、965#、903#、935#罐，介质均为汽油罐。现场外观检查发现5台液位计防爆外壳玻璃表盖上有水珠，防爆外壳缺葛兰头、缺密封堵头、密封堵头与葛兰头安装接口调换位置，两个接口的螺纹不一样，堵头丝扣未拧到位；将液位计拆回进行检查标定。当拆卸下编程器表头和传感器后，发现这5台表体底部均有不同程度腐蚀现象，如图8所示，初步判断为进水所致。工作人员对这几台液位计进行原因查找，检查是什么原因造成变送器壳体进水，分别做以下试验：1）对表盖进行盛水试漏实验，表盖玻璃无漏水现象，密封良好；2）对966#罐上雷达整个表体进行水流冲刷试验，水流持续冲刷10min，打开表盖未发现明显进水现象[3]。






 
　　5.4 锥形管天线密封试验
对966#罐雷达液位计倒扣，锥形管里盛水，进行进水试验。静止4h后检查发现表盖上有很多水珠。怀疑是从锥管内渗水，其余4台雷达液位计进行倒扣进水试验，试验后均未发现有明显的水迹倒流进入表壳内，如图9所示。拆开966#罐液位计后发现同轴接头处有水珠，表内底部也湿润，明显进水。此表未从上方冲水，只从底部锥形管罐装过水，由此可以推断从天线处也可以慢渗进水汽。分析是由于此处的密封松动，紧固后正常，如图10所示。排除是由于介质通过喇叭口天线进入到变送器壳体内，造成测量误差。
 
　　5.5 实验及处理结果
由此，可断定由于施工阶段，相关人员在施工时责任心不强，未按规范保护仪表设备，造成变送器雨天由仪表信号接口处进水，引起变送电子元件快速老化，造成仪表测量误差。联系厂家技术人员，更换部分器件后，重新进行参数设置，如图12所示。经信号测试，调试投运后指示正常。通过这系列的现场检查验证，进一步确定雷达液位计在罐区应用的优越性和可靠性。

 
 

自2012年以来，雷达液位计在炼油厂北罐区储罐上开始安装，截止2016年10月共安装了38台，目前运行状况良好，替代之前所用的光导液位计后，故障率和日常维护工作量明显降低，液位测量准确度上都比之前提高许多。
 
　　6.1 雷达液位计在罐区中的应用
为验证雷达液位计的技术性能及测量的准确性，于2016年6月10日至7月30日，在罐区做了多次人工量油与液位计自动量油对比测试。提取3次对比情况，使用效果良好。大误差为2mm，运行稳定。仪表能准确地反映各罐生产动态、罐储油情况，满足了油品动态计量、数据传输的要求，方便管理和操作运行。液位计将标准仪表信号远传到DCS系统，通过OPC服务器，上传到生产网络[4,5]，相关人员随时可以观察到罐区油品管输状况。
 
　　6.2 存在的问题及改进措施
　　1）罐区只安装38台雷达液位计，每个罐区双表运行。多年以来，操作人员惯于用光导液位计来衡量仪表指示是否准确，依然对光导液位计存在依赖性。联系工艺技术人员要求对液位测量以雷达液位计指示为主，光导液位计测量只是辅作用。
　　2）罐区还有很多罐未安装雷达液位计，改造难度比较大、周期比较长，在一定时期内，部分罐依然要使用光导液位计。公司已制定方案加大整改力度，预计在未来几年全部整改完毕。
3）罐区区域很大，从现场到机柜间距离较长，由于远距离传输，对仪表直流24VDC供电电压衰减不易克服。现场测试，准备增加机柜间输出电压值，以克服电压衰减问题。
 

　　罐区液位测量在石油化工行业中起着至关重要的作用，雷达液位计已经被**应用在大型油罐的测量中。雷达液位计现场使用证明，其可靠性强、测量精度高、价格便宜、操作维护方便、维护工作量小、安装方便、抗干扰能力强、安全性高、便于拆装、智能集成结构简单，为罐区安全生产提供了有力的保障。