雷達液位計在石化油品儲罐液位測量中的設計原理及應用

針對石化油品罐區液位測控系統,就國內某大型煉廠設計經驗總結了不同工況下雷達液位計的選型及應用,詳細分析了基于雷達液位計測量的系統設計及FISCO( Fieldbus intrinsicallysafe concept)本安結構實現。對汽油內浮頂儲罐導波管的制作和安裝注意事項進行了闡述,從現實
工程實施角度上,提出了可行的方案。
 
0 引言
工業自動化的發展極大促進了石化領域自動化的發展,石化企業的生產過程中,油品儲運是其中很重要的組成部分,而儲運自動化則是發展的必然方向[1] 。
儲罐的液位測量是儲運自動化的關鍵,目前已經擺脫了以“人工檢尺”為主的測量方法,此法只作為校驗工具而存在。從90 年代以來,隨著智能儀表的發展,罐區計量逐步走入自動化領域,歷經浮子鋼帶液位計、靜壓式測量、伺服式液位計等測量儀表[2] 。雷達液位計的出現是罐區計量的又一突破,其具有在線檢定和非接觸式測量的特點,極大減少了儀表的維護工作。
 
1 雷達液位計原理
雷達液位計是一種利用高頻微波信號技術的非接觸式測量儀表。天線發射的高頻電磁波經過物面的反射,雷達儀表接收裝置檢測到返回的電磁波,計算出發射波和反射波的時間差或者頻率差,從而計算出物面的高度[3] 。
電磁波遇到被測物質容易被反射,被測介質的介電常數越大,反射回波越強。雷達液位計的主要組成部分是信號發生器、發射裝置、天線、接收裝置、信號處理單元等,其測量原理如下:假設d 是介質物面與罐頂距離,F 是儲罐高度,則可以得出物位L 的計算式為:
L = F - d (1)
1)如若雷達液位計測量原理為時域脈沖法(Time Domain Reflectometry,TDR),雷達液位計測量脈沖往返被測介質物面的時間為Δt,則相應計算d 得
d = cΔt / 2 (2)
其中:c 為電磁波在儲罐中傳播的速度,即為光速。
2)如若雷達液位計測量原理為調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW),原理如圖1 所示。2019 年第5 期 工業儀表與自動化裝置調頻連續波(FMCW)是經過線性調制的,其特點為隨著時間的推移,天線發射的電磁波頻率會呈現某范圍內的線性增長趨勢,線性增益為k。當接收裝置接收到電磁波時,頻率接收和發射時必然存在頻率差Δf,有關系式

Δt = Δf / k (3)
根據Δf 計算出時間Δt,將式(3) 代入式(2)中得:
d = cΔf / 2k (4)
由式(4)可以看出,根據物位回波信號與發射信號的頻率差即可測出距離。距離d 與Δf 成正比,即Δf 越大,則d 越大,相應物位L 越小。由上述兩種方法對比,FMCW 方法將直接測量時間差轉換為測量內部產生的頻率差,FMCW 法相較TDR 法具有更高的測量精度[4] ?？稍O置內部參考頻率,使用數字晶體振蕩器控制輸出頻率,以保證雷達頻率變化的***線性。
 
2 雷達液位計設計及應用
2. 1 雷達液位計分類及選型
雷達液位計依據不同的分類原則有不同的分類結果,但目前主要的分類為兩種,一是依據計量精度分類,二是依據天線類型分類。按照計量精度分類,雷達液位計分為計量級和過程級,計量級精度高于過程級精度,計量級精度可達0.5 ~1 mm,而過程級精度為3 ~10 mm 或者更大。上述提到的兩種雷達液位計測量原理,其中時域脈沖法測量較為簡單,其計量誤差會較大;而針對調頻連續波方法,時間差是由頻率差計算得來,頻率差是線性增益,故求取誤差較小。因而,在采用雷達液位計進行過程控制時,若要求精度不需要太高,則測量原理一般為時域脈沖法;如果用于貿易結算時,需要采用精度高的計量級,其測量原理一般為調頻連續波法。
1)雷達液位計的聚焦和靈敏度由天線外形決定,依據雷達液位計的天線分類,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情況,常見于設計安裝在拱頂儲罐上,其聚焦特性好(瀝青或者類似產品不建議使用)。此類天線的發射角與喇叭口直徑和頻率相關,相同頻率下,直徑越大,其發射角越小,聚焦能力越強。
(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焦。
(3)陣列天線
陣列天線采用平面陣列技術,即多點發射源,與單點發射源相比,由于其測量基于一個平面而不是一個確定的點,故方向性好,可以與導波管配套使用。
2)天線是雷達液位計的關鍵部件,對于天線形式的選擇在液位測量系統中格外重要,雷達液位計選型一般考慮如下幾方面:
(1)雷達的選型首先決定于罐區儲罐的容量,對于大容量的儲罐,要選擇可靠性較高的液位測量儀表。
( 2)對于在罐區用于長輸管道輸送、裝船等進行貿易結算的計量,其雷達液位計應選用計量級型。
(3)根據儲罐的形式選擇合適的天線,如儲罐為內浮頂罐,則雷達液位計須配用導波式,相配的天線類型為陣列天線。
(4)依據存儲介質的性質選用合適的天線類型,如介電常數較低時選用拋物面天線,可以達到較好的測量目的。
(5)選型時根據被測介質介電常數、液面狀況和操作條件等選擇合適的過程接口。
 
2. 2 雷達液位計項目應用
項目中為常溫汽油內浮頂罐(20 000 m3 ),外形尺寸(38 000 × 17 820) mm,液位測量采用ROSEMENT5900 系列雷達液位計,選用帶導波管陣列天線,信號發射頻率在10 GHz 左右,微波功率小于1 mW。汽油介電常數在1. 9 左右,根據具體工況,雷達液位計選用8 寸法蘭連接。
5900 系列雷達液位計現場設備由兩部分組成:液位變送器和儲罐Hub 終端。液位變送器由Hub回路供電,數據通信采用FF Tankbus 現場總線協議,本質安全的FF Tankbus 符合FISCO Foundation 現場總線標準,為測得儲罐內液體的密度,在罐底設置壓力變送器,壓力變送器采用相應FF 總線通信至儲罐Hub。本質安全FISCO 菊花鏈結構如圖2 所示。如圖2 所示,儲罐Hub 有2 個腔體,分為本安和非本安部分,本安側為連接現場設備的FF Tankbus現場總線,非本安側TRL/2 總線通信至機柜室TCU。該項目雷達液位計應用于過程控制中,若應用于安全儀表系統時,在SIL1 情況下,儀表內部有且只有一個終端電阻,而在SIL2 和SIL3 情況下,不設置終端電阻。
依據《IEC 60079 - 27:Fieldbus intrinsically safeconcept ( FISCO)》, FISCO 應滿足相應條件[6] ,ROSEMENT 5900 系列各參數與IEC。為符合現場應用要求,項目中FF Tankbus 電纜采用1. 5 mm2屏蔽雙絞電纜。儲罐Hub 與機柜室內TCU2460(儲罐通信單元)之間的物理層協議采用專用TRL/2 總線,其采用的頻移數字通信技術抗干擾性強,通信距離遠。實際項目中電纜***遠通信距離2. 5 km。作為將現場眾多設備連接成整體的TCU,考慮其重要性,設計為冗余。
 
3 安裝要求及導波管制作
 
3. 1 雷達液位計安裝要求
雷達液位計的安裝位置影響測量精度,應充分注意以下問題:
1)雷達液位計儲罐開口位置離開儲罐內壁距離大于雷達液位計安裝法蘭面距儲罐底板高度的15%,使用導波管無此限制。
2)為保證信號波無阻礙進入儲罐內部,雷達液位計接口的法蘭及連接管的總長度小于250 mm。
3)若有導波管,導波管應垂直向下,允許偏差≤0.5°;水平度應為±1°。
4)安裝時考慮儲罐頂板強度,以免造成波動位移。
5)雷達波路徑應避過內部障礙物,如支撐架、加熱管及攪拌器等。
6)考慮液位條件,如避開進料口產生的紊流及泡沫。
 
3. 2 導波管制作要求
當儲罐為浮頂罐或球罐時,應使用導波管;在介質液面波動或產生泡沫時也應考慮加導波管。導波管不隨設備成套購買,宜在現場由施工單位根據具體工況制作,導波管制作具體要求如下:
1)導波管材質應為不銹鋼或碳鋼,球罐時必須為不銹鋼。
2)導波管應為整根,若需加長,須用外夾套焊接方法,間隙小于1. 0 mm,焊接內壁不能有焊縫及毛刺,否則影響測量精度。
3)導波管底距罐底板為100 ~ 150 mm,并加傾斜45°雷達反射板。
4)為保證導波管內外等液位,導波管須間隔距離交叉開孔,導波管內平面需平滑,否則容易產生虛假液位的現象。開孔尺寸應適宜,不宜過大,以免造成管內液位波動;也不宜過小,不能有效保證導波管內外液位一致。依據工程經驗,開孔總尺寸與導波管直徑尺寸對應如表2 所示。也就是MEMS 傳感器向前傾斜的角度。隨著持續的降水,在14 ∶ 00 ~ 2 ∶ 00 時邊坡的形變較為穩定,MEMS 傳感器的合成傾角速率為0. 076°/ h; 在2 ∶ 00 ~6 ∶ 00時邊坡的形變加劇,但MEMS 傳感器的合成傾角速率為0. 91°/ h?？梢钥闯鯶 軸變化明顯,X 軸則沒有太大變化,這是由于此時邊坡的下滑相比于水平的變化更為劇烈,此時應發出邊坡失穩預警;6: 00 后MEMS 傳感器的各個傾角速率都驟然上升,這時邊坡已經失穩,產生了滑坡。 4 結語
該文設計了一種基于4G 無線傳輸的公路邊坡監測傳感系統,包含數據采集與發射裝置和MEMS傾角傳感器,可實現全天候無人監測及數據遠距離傳輸功能。解決了人工成本過高和數據難以遠距離傳輸等問題。此外,該文還使用4G 無線傳輸技術將終端報警與短信提示預警相結合,提高了預警效果。***終通過實驗驗證所設計的系統可穩定工作,滿足設計要求。


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