雷达液位计在石化油品储罐设计中的工作原理及项目应用

　　针对石化油品罐区液位测控系统,就国内某大型炼厂设计经验总结了不同工况下雷达液位计的选型及应用,详细分析了基于雷达液位计测量的系统设计及本安结构实现。对汽油内浮顶储罐导波管的制作和安装注意事项进行了阐述,从现实工程实施角度上,提出了可行的方案。
 
　　0 引言
工业自动化的发展极大促进了石化领域自动化的发展,石化企业的生产过程中,油品储运是其中很重要的组成部分,而储运自动化则是发展的必然方向。
 
储罐的液位测量是储运自动化的关键,目前已经摆脱了以“人工检尺”为主的测量方法,此法只作为校验工具而存在。从90 年代以来,随着智能仪表的发展,罐区计量逐步走入自动化领域,历经浮子钢带液位计、静压式测量、伺服式液位计等测量仪表[2] 。雷达液位计的出现是罐区计量的又一突破,其具有在线检定和非接触式测量的特点,极大减少了仪表的维护工作。
 
　　1 雷达液位计原理
雷达液位计是一种利用高频微波信号技术的非接触式测量仪表。天线发射的高频电磁波经过物面的反射,雷达仪表接收装置检测到返回的电磁波,计算出发射波和反射波的时间差或者频率差,从而计算出物面的高度。
 
　　电磁波遇到被测物质容易被反射,被测介质的介电常数越大,反射回波越强。雷达液位计的主要组成部分是信号发生器、发射装置、天线、接收装置、信号处理单元等,其测量原理如下:假设d 是介质物面与罐顶距离,F 是储罐高度,则可以得出物位L 的计算式为:
　　L = F - d (1)
　　1)如若雷达液位计测量原理为时域脉冲法(Time Domain Reflectometry,TDR),雷达液位计测量脉冲往返被测介质物面的时间为Δt,则相应计算d 得
　　d = cΔt / 2 (2)
其中:c 为电磁波在储罐中传播的速度,即为光速。
 
　　2)如若雷达液位计测量原理为调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW),原理如图1 所示。 　　调频连续波(FMCW)是经过线性调制的,其特点为随着时间的推移,天线发射的电磁波频率会呈现某范围内的线性增长趋势,线性增益为k。当接收装置接收到电磁波时,频率接收和发射时必然存在频率差Δf,有关系式
　　Δt = Δf / k (3)
　　根据Δf 计算出时间Δt,将式(3) 代入式(2)中得:
　　d = cΔf / 2k (4)
由式(4)可以看出,根据物位回波信号与发射信号的频率差即可测出距离。距离d 与Δf 成正比,即Δf 越大,则d 越大,相应物位L 越小。由上述两种方法对比,FMCW 方法将直接测量时间差转换为测量内部产生的频率差,FMCW 法相较TDR 法具有更高的测量精度[4] 。可设置内部参考频率,使用数字晶体振荡器控制输出频率,以保证雷达频率变化的线性。
 
　　2 雷达液位计设计及应用
　　2. 1 雷达液位计分类及选型
雷达液位计依据不同的分类原则有不同的分类结果,但目前主要的分类为两种,一是依据计量精度分类,二是依据天线类型分类。
 
按照计量精度分类,雷达液位计分为计量级和过程级,计量级精度高于过程级精度,计量级精度可达0.5 ~1 mm,而过程级精度为3 ~10 mm 或者更大。上述提到的两种雷达液位计测量原理,其中时域脉冲法测量较为简单,其计量误差会较大;而针对调频连续波方法,时间差是由频率差计算得来,频率差是线性增益,故求取误差较小。因而,在采用雷达液位计进行过程控制时,若要求精度不需要太高,则测量原理一般为时域脉冲法;如果用于贸易结算时,需要采用精度高的计量级,其测量原理一般为调频连续波法。
 
　　1)雷达液位计的聚焦和灵敏度由天线外形决定,依据雷达液位计的天线分类,主要有以下几种[5] :喇叭口天线适用于大多数情况,常见于设计安装在拱顶储罐上,其聚焦特性好(沥青或者类似产品不建议使用)。此类天线的发射角与喇叭口直径和频率相关,相同频率下,直径越大,其发射角越小,聚焦能力越强。
　　(2)抛物面天线
　　抛物面天线尺寸较大,电磁波能量集中,量程大,测量精度高,但硫磺、沥青等在较高温度下容易在天线上附着结焦。
　　(3)阵列天线
　　阵列天线采用平面阵列技术,即多点发射源,与单点发射源相比,由于其测量基于一个平面而不是一个确定的点,故方向性好,可以与导波管配套使用。
　　2)天线是雷达液位计的关键部件,对于天线形式的选择在液位测量系统中格外重要,雷达液位计选型一般考虑如下几方面:
　　(1)雷达的选型*先决定于罐区储罐的容量,对于大容量的储罐,要选择可靠性较高的液位测量仪表。
　　( 2)对于在罐区用于长输管道输送、装船等进行贸易结算的计量,其雷达液位计应选用计量级型。
　　(3)根据储罐的形式选择合适的天线,如储罐为内浮顶罐,则雷达液位计须配用导波式,相配的天线类型为阵列天线。
　　(4)依据存储介质的性质选用合适的天线类型,如介电常数较低时选用抛物面天线,可以达到较好的测量目的。
(5)选型时根据被测介质介电常数、液面状况和操作条件等选择合适的过程接口。
 
　　2. 2 雷达液位计项目应用
　　项目中为常温汽油内浮顶罐(20 000 m3 ),外形尺寸(38 000 × 17 820) mm,液位测量采用ROSEMENT5900 系列雷达液位计,选用带导波管阵列天线,信号发射频率在10 GHz 左右,微波功率小于1 mW。汽油介电常数在1. 9 左右,根据具体工况,雷达液位计选用8 寸法兰连接。
5900 系列雷达液位计现场设备由两部分组成:液位变送器和储罐Hub 终端。液位变送器由Hub回路供电,数据通信采用FF Tankbus 现场总线协议,本质安全的FF Tankbus 符合FISCO Foundation 现场总线标准,为测得储罐内液体的密度,在罐底设置压力变送器,压力变送器采用相应FF 总线通信至储罐Hub。本质安全FISCO 菊花链结构如图2 所示。
   
如图2 所示,储罐Hub 有2 个腔体,分为本安和非本安部分,本安侧为连接现场设备的FF Tankbus现场总线,非本安侧TRL/2 总线通信至机柜室TCU。该项目雷达液位计应用于过程控制中,若应用于安全仪表系统时,在SIL1 情况下,仪表内部有且只有一个终端电阻,而在SIL2 和SIL3 情况下,不设置终端电阻。依据《IEC 60079 - 27:Fieldbus intrinsically safeconcept ( FISCO)》, FISCO 应满足相应条件[6] ,ROSEMENT 5900 系列各参数与IEC 60079 - 27 对比见表1。
   
　　为符合现场应用要求,项目中FF Tankbus 电缆采用1. 5 mm2屏蔽双绞电缆。
储罐Hub 与机柜室内TCU2460(储罐通信单元)之间的物理层协议采用专用TRL/2 总线,其采用的频移数字通信技术抗干扰性强,通信距离远。实际项目中电缆远通信距离2. 5 km。作为将现场众多设备连接成整体的TCU,考虑其重要性,设计为冗余。
 
　　3 安装要求及导波管制作
　　3. 1 雷达液位计安装要求
　　雷达液位计的安装位置影响测量精度,应充分注意以下问题:
　　1)雷达液位计储罐开口位置离开储罐内壁距离大于雷达液位计安装法兰面距储罐底板高度的15%,使用导波管无此限制。
　　2)为保证信号波无阻碍进入储罐内部,雷达液位计接口的法兰及连接管的总长度小于250 mm。
　　3)若有导波管,导波管应垂直向下,允许偏差≤0.5°;水平度应为±1°。
　　4)安装时考虑储罐顶板强度,以免造成波动位移。
　　5)雷达波路径应避过内部障碍物,如支撑架、加热管及搅拌器等。
　　6)考虑液位条件,如避开进料口产生的紊流及泡沫。
　　3. 2 导波管制作要求
　　当储罐为浮顶罐或球罐时,应使用导波管;在介质液面波动或产生泡沫时也应考虑加导波管。导波管不随设备成套购买,宜在现场由施工单位根据具体工况制作,导波管制作具体要求如下:
　　1)导波管材质应为不锈钢或碳钢,球罐时必须为不锈钢。
　　2)导波管应为整根,若需加长,须用外夹套焊接方法,间隙小于1. 0 mm,焊接内壁不能有焊缝及毛刺,否则影响测量精度。
　　3)导波管底距罐底板为100 ~ 150 mm,并加倾斜45°雷达反射板。
　　4)为保证导波管内外等液位,导波管须间隔距离交叉开孔,导波管内平面需平滑,否则容易产生虚假液位的现象。开孔尺寸应适宜,不宜过大,以免造成管内液位波动;也不宜过小,不能有效保证导波管内外液位一致。依据工程经验,开孔总尺寸与导波管直径尺寸对应如表2 所示。 也就是MEMS 传感器向前倾斜的角度。随着持续的降水,在14 ∶ 00 ~ 2 ∶ 00 时边坡的形变较为稳定,MEMS 传感器的合成倾角速率为0. 076°/ h; 在2 ∶ 00 ~6 ∶ 00时边坡的形变加剧,但MEMS 传感器的合成倾角速率为0. 91°/ h。可以看出Z 轴变化明显,X 轴则没有太大变化,这是由于此时边坡的下滑相比于水平的变化更为剧烈,此时应发出边坡失稳预警;6 ∶ 00 后MEMS 传感器的各个倾角速率都骤然上升,这时边坡已经失稳,产生了滑坡。
 
　　4 结语
　　该文设计了一种基于4G 无线传输的公路边坡监测传感系统,包含数据采集与发射装置和MEMS倾角传感器,可实现全天候无人监测及数据远距离传输功能。解决了人工成本过高和数据难以远距离传输等问题。此外,该文还使用4G 无线传输技术将终端报警与短信提示预警相结合,提高了预警效果。终通过实验验证所设计的系统可稳定工作,满足设计要求。


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