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石化油品儲(chǔ)罐雷達(dá)液位計(jì)理念設(shè)計(jì)和開發(fā)

來(lái)源：上海自動(dòng)化儀表有限公司自儀四廠作者：上海自動(dòng)化儀表股份有限公司自儀四廠網(wǎng)址：http://www.shzy4.com
石化油品罐區(qū)液位測(cè)控系統(tǒng)，就國(guó)內(nèi)某大型煉廠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了不同工況下雷達(dá)液位計(jì)的選型及應(yīng)用，詳細(xì)分析了基于雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及 FISCO(Fieldbus intrinsicallysafe concept)本安結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。對(duì)汽油內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐導(dǎo)波管的制作和安裝注意事項(xiàng)進(jìn)行了闡述，從現(xiàn)實(shí)工程實(shí)施角度上，提出了可行的方案。
0 引言
工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展極大促進(jìn)了石化領(lǐng)域自動(dòng)化的發(fā)展，石化企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，油品儲(chǔ)運(yùn)是其中很重要的組成部分，而儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化則是發(fā)展的必然方向［1］ 。
儲(chǔ)罐的液位測(cè)量是儲(chǔ)運(yùn)自動(dòng)化的關(guān)鍵，目前已經(jīng)擺脫了以“人工檢尺”為主的測(cè)量方法，此法只作為校驗(yàn)工具而存在。從 90 年代以來(lái)，隨著智能儀表的發(fā)展，罐區(qū)計(jì)量逐步走入自動(dòng)化領(lǐng)域，歷經(jīng)浮子鋼帶液位計(jì)、靜壓式測(cè)量、伺服式液位計(jì)等測(cè)量?jī)x表［2］ 。雷達(dá)液位計(jì)的出現(xiàn)是罐區(qū)計(jì)量的又一突破，其具有在線檢定和非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)，極大減少了儀表的維護(hù)工作。
1 雷達(dá)液位計(jì)原理
雷達(dá)液位計(jì)是一種利用高頻微波信號(hào)技術(shù)的非接觸式測(cè)量?jī)x表。天線發(fā)射的高頻電磁波經(jīng)過(guò)物面的反射，雷達(dá)儀表接收裝置檢測(cè)到返回的電磁波，計(jì)算出發(fā)射波和反射波的時(shí)間差或者頻率差，從而計(jì)算出物面的高度［3］ 。
電磁波遇到被測(cè)物質(zhì)容易被反射，被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)越大，反射回波越強(qiáng)。雷達(dá)液位計(jì)的主要組成部分是信號(hào)發(fā)生器、發(fā)射裝置、天線、接收裝置、信號(hào)處理單元等，其測(cè)量原理如下:假設(shè) d 是介質(zhì)物面與罐頂距離，F(xiàn) 是儲(chǔ)罐高度，則可以得出物位 L 的計(jì)算式為:
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1)如若雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理為時(shí)域脈沖法(Time Domain Ｒeflectometry，TDＲ)，雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量脈沖往返被測(cè)介質(zhì)物面的時(shí)間為 Δt，則相應(yīng)計(jì)算d 得
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其中:c 為電磁波在儲(chǔ)罐中傳播的速度，即為光速。
2)如若雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理為調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW)，原理如圖 1 所示。
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調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)是經(jīng)過(guò)線性調(diào)制的，其特點(diǎn)為隨著時(shí)間的推移，天線發(fā)射的電磁波頻率會(huì)呈現(xiàn)某范圍內(nèi)的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，線性增益為 k。當(dāng)接收裝置接收到電磁波時(shí)，頻率接收和發(fā)射時(shí)必然存在頻率差 Δf，有關(guān)系式
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由式(4)可以看出，根據(jù)物位回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的頻率差即可測(cè)出距離。距離 d 與 Δf 成正比，即 Δf 越大，則 d 越大，相應(yīng)物位 L 越小。由上述兩種方法對(duì)比，F(xiàn)MCW 方法將直接測(cè)量時(shí)間差轉(zhuǎn)換為測(cè)量?jī)?nèi)部產(chǎn)生的頻率差，F(xiàn)MCW 法相較 TDＲ 法具有更高的測(cè)量精度［4］ 。可設(shè)置內(nèi)部參考頻率，使用數(shù)字晶體振蕩器控制輸出頻率，以保證雷達(dá)頻率變化的絕對(duì)線性。
2 雷達(dá)液位計(jì)設(shè)計(jì)及應(yīng)用
2． 1 雷達(dá)液位計(jì)分類及選型
雷達(dá)液位計(jì)依據(jù)不同的分類原則有不同的分類結(jié)果，但目前主要的分類為兩種，一是依據(jù)計(jì)量精度分類，二是依據(jù)天線類型分類。
按照計(jì)量精度分類，雷達(dá)液位計(jì)分為計(jì)量級(jí)和過(guò)程級(jí)，計(jì)量級(jí)精度高于過(guò)程級(jí)精度，計(jì)量級(jí)精度可達(dá)0．5 ～1 mm，而過(guò)程級(jí)精度為3 ～10 mm 或者更大。上述提到的兩種雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理，其中時(shí)域脈沖法測(cè)量較為簡(jiǎn)單，其計(jì)量誤差會(huì)較大;而針對(duì)調(diào)頻連續(xù)波方法，時(shí)間差是由頻率差計(jì)算得來(lái)，頻率差是線性增益，故求取誤差較小。因而，在采用雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行過(guò)程控制時(shí)，若要求精度不需要太高，則測(cè)量原理一般為時(shí)域脈沖法;如果用于貿(mào)易結(jié)算時(shí)，需要采用精度高的計(jì)量級(jí)，其測(cè)量原理一般為調(diào)頻連續(xù)波法。
1)雷達(dá)液位計(jì)的聚焦和靈敏度由天線外形決定，依據(jù)雷達(dá)液位計(jì)的天線分類，主要有以下幾種［5］ :
(1)喇叭口天線
喇叭口天線適用于大多數(shù)情況，常見于設(shè)計(jì)安裝在拱頂儲(chǔ)罐上，其聚焦特性好(瀝青或者類似產(chǎn)品不建議使用)。此類天線的發(fā)射角與喇叭口直徑和頻率相關(guān)，相同頻率下，直徑越大，其發(fā)射角越小，聚焦能力越強(qiáng)。
(2)拋物面天線
拋物面天線尺寸較大，電磁波能量集中，量程大，測(cè)量精度高，但硫磺、瀝青等在較高溫度下容易在天線上附著結(jié)焦。
(3)陣列天線
陣列天線采用平面陣列技術(shù)，即多點(diǎn)發(fā)射源，與單點(diǎn)發(fā)射源相比，由于其測(cè)量基于一個(gè)平面而不是一個(gè)確定的點(diǎn)，故方向性好，可以與導(dǎo)波管配套使用。
2)天線是雷達(dá)液位計(jì)的關(guān)鍵部件，對(duì)于天線形式的選擇在液位測(cè)量系統(tǒng)中格外重要，雷達(dá)液位計(jì)選型一般考慮如下幾方面:
(1)雷達(dá)的選型首先決定于罐區(qū)儲(chǔ)罐的容量，對(duì)于大容量的儲(chǔ)罐，要選擇可靠性較高的液位測(cè)量?jī)x表。
(2)對(duì)于在罐區(qū)用于長(zhǎng)輸管道輸送、裝船等進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量，其雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)選用計(jì)量級(jí)型。
(3)根據(jù)儲(chǔ)罐的形式選擇合適的天線，如儲(chǔ)罐為內(nèi)浮頂罐，則雷達(dá)液位計(jì)須配用導(dǎo)波式，相配的天線類型為陣列天線。
(4)依據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的性質(zhì)選用合適的天線類型，如介電常數(shù)較低時(shí)選用拋物面天線，可以達(dá)到較好的測(cè)量目的。
(5)選型時(shí)根據(jù)被測(cè)介質(zhì)介電常數(shù)、液面狀況和操作條件等選擇合適的過(guò)程接口。
2． 2 雷達(dá)液位計(jì)項(xiàng)目應(yīng)用
項(xiàng)目中為常溫汽油內(nèi)浮頂罐(20 000 m 3 )，外形尺寸(38 000 × 17 820) mm，液位測(cè)量采用 ＲOSE-MENT 5900 系列雷達(dá)液位計(jì)，選用帶導(dǎo)波管陣列天線，信號(hào)發(fā)射頻率在 10 GHz 左右，微波功率小于1 mW。汽油介電常數(shù)在 1． 9 左右，根據(jù)具體工況，雷達(dá)液位計(jì)選用 8 寸法蘭連接。
5900 系列雷達(dá)液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由兩部分組成:液位變送器和儲(chǔ)罐 Hub 終端。液位變送器由 Hub回路供電，數(shù)據(jù)通信采用 FF Tankbus 現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，本質(zhì)安全的FF Tankbus 符合FISCO Foundation 現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，為測(cè)得儲(chǔ)罐內(nèi)液體的密度，在罐底設(shè)置壓力變送器，壓力變送器采用相應(yīng) FF 總線通信至儲(chǔ)罐 Hub。本質(zhì)安全 FISCO 菊花鏈結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
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如圖2 所示，儲(chǔ)罐 Hub 有 2 個(gè)腔體，分為本安和非本安部分，本安側(cè)為連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的 FF Tankbus現(xiàn)場(chǎng)總線，非本安側(cè) TＲL/2 總線通信至機(jī)柜室 TCU。該項(xiàng)目雷達(dá)液位計(jì)應(yīng)用于過(guò)程控制中，若應(yīng)用于安全儀表系統(tǒng)時(shí)，在 SIL1 情況下，儀表內(nèi)部有且只有一個(gè)終端電阻，而在 SIL2 和 SIL3 情況下，不設(shè)置終端電阻。依據(jù)《IEC 60079 － 27:Fieldbus intrinsically safeconcept ( FISCO)》，F(xiàn)ISCO 應(yīng) 滿 足 相 應(yīng) 條 件［6］ ，ＲOSEMENT 5900 系列各參數(shù)與 IEC 60079 － 27 對(duì)比見表 1。
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為符合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，項(xiàng)目中 FF Tankbus 電纜采用 1． 5 mm 2 屏蔽雙絞電纜。儲(chǔ)罐 Hub 與機(jī)柜室內(nèi) TCU2460(儲(chǔ)罐通信單元)之間的物理層協(xié)議采用專用 TＲL/2 總線，其采用的頻移數(shù)字通信技術(shù)抗干擾性強(qiáng)，通信距離遠(yuǎn)。實(shí)際項(xiàng)目中電纜最遠(yuǎn)通信距離 2． 5 km。作為將現(xiàn)場(chǎng)眾多設(shè)備連接成整體的 TCU，考慮其重要性，設(shè)計(jì)為冗余。
3 安裝要求及導(dǎo)波管制作
3． 1 雷達(dá)液位計(jì)安裝要求
雷達(dá)液位計(jì)的安裝位置影響測(cè)量精度，應(yīng)充分注意以下問(wèn)題:
1)雷達(dá)液位計(jì)儲(chǔ)罐開口位置離開儲(chǔ)罐內(nèi)壁距離大于雷達(dá)液位計(jì)安裝法蘭面距儲(chǔ)罐底板高度的15%，使用導(dǎo)波管無(wú)此限制。
2)為保證信號(hào)波無(wú)阻礙進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)部，雷達(dá)液位計(jì)接口的法蘭及連接管的總長(zhǎng)度小于 250 mm。
3)若有導(dǎo)波管，導(dǎo)波管應(yīng)垂直向下，允許偏差≤0．5°;水平度應(yīng)為 ±1°。
4)安裝時(shí)考慮儲(chǔ)罐頂板強(qiáng)度，以免造成波動(dòng)位移。
5)雷達(dá)波路徑應(yīng)避過(guò)內(nèi)部障礙物，如支撐架、加熱管及攪拌器等。
6)考慮液位條件，如避開進(jìn)料口產(chǎn)生的紊流及泡沫。
3． 2 導(dǎo)波管制作要求
當(dāng)儲(chǔ)罐為浮頂罐或球罐時(shí)，應(yīng)使用導(dǎo)波管;在介質(zhì)液面波動(dòng)或產(chǎn)生泡沫時(shí)也應(yīng)考慮加導(dǎo)波管。導(dǎo)波管不隨設(shè)備成套購(gòu)買，宜在現(xiàn)場(chǎng)由施工單位根據(jù)具體工況制作，導(dǎo)波管制作具體要求如下:
1)導(dǎo)波管材質(zhì)應(yīng)為不銹鋼或碳鋼，球罐時(shí)必須為不銹鋼。
2)導(dǎo)波管應(yīng)為整根，若需加長(zhǎng)，須用外夾套焊接方法，間隙小于 1． 0 mm，焊接內(nèi)壁不能有焊縫及毛刺，否則影響測(cè)量精度。
3)導(dǎo)波管底距罐底板為 100 ～ 150 mm，并加傾斜 45°雷達(dá)反射板。
4)為保證導(dǎo)波管內(nèi)外等液位，導(dǎo)波管須間隔距離交叉開孔，導(dǎo)波管內(nèi)平面需平滑，否則容易產(chǎn)生虛假液位的現(xiàn)象。開孔尺寸應(yīng)適宜，不宜過(guò)大，以免造成管內(nèi)液位波動(dòng);也不宜過(guò)小，不能有效保證導(dǎo)波管內(nèi)外液位一致。依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，開孔總尺寸與導(dǎo)波管直徑尺寸對(duì)應(yīng)如表 2 所示。
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4 總結(jié)
雷達(dá)液位計(jì)的無(wú)可動(dòng)部件和無(wú)機(jī)械磨損特性，使得雷達(dá)液位計(jì)在使用過(guò)程中維護(hù)量少，標(biāo)定簡(jiǎn)單。近來(lái)年，新技術(shù)的發(fā)展，如圓形偏振光技術(shù)等，使得雷達(dá)液位計(jì)所適應(yīng)的工況更廣泛。工程設(shè)計(jì)中，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況特點(diǎn)、系統(tǒng)要求等進(jìn)行綜合判斷，做到選型合理性、經(jīng)濟(jì)性。