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雷達(dá)液位計(jì)在油品罐區(qū)計(jì)量中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

雷達(dá)液位計(jì)在油品罐區(qū)計(jì)量中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

時(shí)間:2019-10-30 15:09:15

        摘 要:通過對(duì)雷達(dá)液位計(jì)在油品罐區(qū)中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究,分析了雷達(dá)液位計(jì)的工作原理、天線型式和性能特點(diǎn),指出了介電常數(shù)對(duì)于雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量的影響,介紹了雷達(dá)液位計(jì)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和選型原則,并對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸方式進(jìn)行了詳細(xì)的闡述,#后結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)例總結(jié)了雷達(dá)液位計(jì)規(guī)范合理的選型方案,肯定了其在罐區(qū)計(jì)量中的重要作用。qsb壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

        油品罐區(qū)是石油化工企業(yè)中重要的儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施,準(zhǔn)確地計(jì)量油品罐區(qū)的庫存對(duì)于石化企業(yè)的生產(chǎn)、銷售有著非常重要的指導(dǎo)作用,作為油品罐區(qū)計(jì)量中的關(guān)鍵儀表,罐區(qū)液位計(jì)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(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。早在20世紀(jì)80年代中期,源自軍事工業(yè)的雷達(dá)測(cè)量技術(shù)被應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量領(lǐng)域,使得現(xiàn)代罐區(qū)計(jì)量技術(shù)有了一個(gè)根本性的飛躍,解決了油品罐區(qū)測(cè)量系統(tǒng)在部分工況長(zhǎng)期以來無法精que計(jì)量的難題,雷達(dá)物位計(jì)以其優(yōu)越的性能成為罐區(qū)液位測(cè)量?jī)x表的shou要選擇。結(jié)合工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)例,從原理、特點(diǎn)、選型等多個(gè)方面對(duì)雷達(dá)液位計(jì)在油品罐區(qū)計(jì)量方面的應(yīng)用進(jìn)行了細(xì)致的研究與總結(jié),為今后更加合理地使用雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行液位測(cè)量提供參考。
1 雷達(dá)液位計(jì)的工作原理
        雷達(dá)液位計(jì)采用高頻振蕩器作為雷達(dá)波發(fā)生器,發(fā)生器產(chǎn)生的雷達(dá)波通過導(dǎo)波管引到雷達(dá)天線,然后向外傳播。當(dāng)雷達(dá)波到達(dá)檢測(cè)液面時(shí),有一部分被吸收,另一部分被反射回雷達(dá)天線接收,通過建立發(fā)射波與反射波的函數(shù)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量 [1] 。基于兩種不同的測(cè)量原理,雷達(dá)液位計(jì)主要分為時(shí)域脈沖雷達(dá)液位計(jì)和調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)液位計(jì)兩類。
 
時(shí)域脈沖雷達(dá)液位計(jì)基于雷達(dá)波的時(shí)域反射性(TDR)原理,通過測(cè)量單脈沖電磁波的傳輸時(shí)間進(jìn)行液位測(cè)量 [2] ,其精度主要依賴于對(duì)時(shí)間的精que測(cè)量。由于雷達(dá)波信號(hào)以光速傳播,而測(cè)量?jī)?chǔ)罐液位時(shí)雷達(dá)波在儲(chǔ)罐內(nèi)的傳播距離較短,所以較難保證準(zhǔn)確地測(cè)量。
 
調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)液位計(jì)利用同步調(diào)頻脈沖技術(shù),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(jīng)過線性調(diào)制了的微波信號(hào)。當(dāng)微波信號(hào)向下傳播到液體表面后被反射回接收器時(shí),由于時(shí)間延遲,發(fā)射信號(hào)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(dá)波通過的距離 [3] 。
 
    同樣是利用雷達(dá)波的傳播特性進(jìn)行液位測(cè)量,時(shí)域脈沖雷達(dá)液位計(jì)基于時(shí)間測(cè)量,而時(shí)間是一種連續(xù)的模擬量,在物理學(xué)上定義它只能被無限近似切割,所以時(shí)域脈沖法是一種模擬技術(shù),它只能提供較低的測(cè)量精度,其優(yōu)勢(shì)在于制造成本相對(duì)較低;調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)液位計(jì)基于頻率測(cè)量,而頻率是一種完全的數(shù)字量,能夠被準(zhǔn)確切割和度量,所以調(diào)頻連續(xù)波法是一種數(shù)字化技術(shù),能提供良好的測(cè)量精度和穩(wěn)定的輸出信號(hào)。
 
2 雷達(dá)液位計(jì)的選型
2.1 雷達(dá)液位計(jì)天線型式
    天線是雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量液位的重要部件,雷達(dá)液位計(jì)選型主要在于選擇合適的天線型式。常用的非接觸式雷達(dá)液位計(jì)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(jié)構(gòu)如圖1所示。
3種天線型式的雷達(dá)液位計(jì)外觀圖
    喇叭口天線采用點(diǎn)源發(fā)射方式,雷達(dá)波為發(fā)散的球面波,主要用于不需要設(shè)置導(dǎo)波管的拱頂罐的液位測(cè)量。由于整個(gè)喇叭口天線處于儲(chǔ)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(nèi)發(fā)生冷凝。
    拋物面天線同樣采用點(diǎn)源發(fā)射方式,雷達(dá)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(zhì)主要為蠟油、渣油、瀝青等粘稠及易冷凝的高溫油品,儲(chǔ)罐底部都設(shè)有加熱蒸汽盤管。由于罐內(nèi)高溫(200℃左右)產(chǎn)生蒸汽使得在雷達(dá)天線部位極易形成凝結(jié)水和出現(xiàn)掛料現(xiàn)象,影響雷達(dá)液位計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量,而拋物面天線雷達(dá)液位計(jì)的滴水型設(shè)計(jì)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(dá)波能量更集中,聚焦性好,能夠保證較高的測(cè)量精度 [4] 。
 
    平面天線技術(shù)(又叫陣列天線技術(shù))采用多源發(fā)射方式,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),因而發(fā)射出的雷達(dá)波為平面螺旋波。主要用于安裝有導(dǎo)波管的內(nèi)(外)浮頂罐的液位測(cè)量。平面天線發(fā)射的雷達(dá)波具有波束窄、能量集中的特點(diǎn),所以與導(dǎo)波管管壁接觸部分能量很小,受導(dǎo)波管內(nèi)壁粗糙程度的影響也很小,對(duì)于油品掛壁對(duì)測(cè)量的影響小。
 
2.2 介電常數(shù)對(duì)雷達(dá)物位計(jì)選型的影響
    雷達(dá)波到達(dá)液位表面被反射時(shí),雷達(dá)波會(huì)被吸收而發(fā)生衰減,當(dāng)衰減過多時(shí),雷達(dá)液位計(jì)接收不到足夠的信號(hào),導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確,這就是被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)對(duì)雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量所產(chǎn)生的影響 [5] 。
    各種油品介質(zhì)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(duì)于使用內(nèi)(外)浮頂罐的介質(zhì),對(duì)于汽油、煤油等相對(duì)介電常數(shù)較小的介質(zhì)必須使用導(dǎo)波管。而對(duì)于液化氣球罐的液位測(cè)量,一方面液化氣的介電常數(shù)較低,對(duì)雷達(dá)波的反射能力很弱;另一方面液化氣氣相組分會(huì)吸收部分雷達(dá)波造成信號(hào)衰減嚴(yán)重,影響雷達(dá)液位計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量。因此,通常選用另一種測(cè)量精度較高的接觸式儀表——伺服液位計(jì),此處不作詳述。
各種油品介電常數(shù)列表
3 雷達(dá)物位計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸方式
3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸方式
    雷達(dá)液位計(jì)提供疊加了HART的4mA~20mA輸出信號(hào),同時(shí)也提供數(shù)字式現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸方式。在油品罐區(qū)計(jì)量系統(tǒng)中,罐區(qū)計(jì)量信號(hào)通過雷達(dá)液位計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線能夠同時(shí)傳輸多個(gè)過程參數(shù),大大地簡(jiǎn)化了連接線路,降低了成本。而且在傳輸過程的同時(shí),儀表的標(biāo)識(shí)符和簡(jiǎn)單的診斷信息也可一并傳送。現(xiàn)場(chǎng)總線是雙向的,因此能夠在控制室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能儀表進(jìn)行標(biāo)定、調(diào)整及運(yùn)行診斷,甚至能夠在故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)測(cè)。
3.2 單個(gè)油品儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)的構(gòu)成
    基于雷達(dá)液位計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理功能及數(shù)字式現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)奶攸c(diǎn),雷達(dá)液位計(jì)在油品罐區(qū)計(jì)量中主要發(fā)揮了兩個(gè)作用:一是測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)的液位,二是接收被測(cè)介質(zhì)的溫度、密度、壓力等遠(yuǎn)傳信號(hào),利用現(xiàn)場(chǎng)總線與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊,將所有信號(hào)一起傳輸?shù)娇刂剖,?shí)現(xiàn)對(duì)油品儲(chǔ)罐的計(jì)量。單個(gè)油品儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。
單個(gè)油品儲(chǔ)罐計(jì)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.3 油品罐區(qū)雷達(dá)料位計(jì)的通訊系統(tǒng)
    某品牌雷達(dá)料位計(jì)的通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,F(xiàn)場(chǎng)通訊單元(FCU)作為一個(gè)網(wǎng)關(guān)或數(shù)據(jù)收集器,在上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)儀表之間起連接作用,罐區(qū)中各儲(chǔ)罐的雷達(dá)料位計(jì)依靠TRL/2現(xiàn)場(chǎng)總線與FCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,F(xiàn)CU和上位機(jī)之間通過RS-485總線進(jìn)行通訊,完成將罐區(qū)儀表信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的任務(wù) [5] 。
某雷達(dá)液位計(jì)通訊系統(tǒng)圖
罐區(qū)液位計(jì)選型列表
4 工程應(yīng)用實(shí)例
4.1 液位儀表選型
    某項(xiàng)目共有4個(gè)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(jù)各罐區(qū)介質(zhì)的特性及儲(chǔ)罐類型,配備合適的液位測(cè)量?jī)x表,如表2所示。其中,T——溫度;L——液位;ρ——密度;P——壓力。
    根據(jù)雷達(dá)液位計(jì)的選型原則,對(duì)于易產(chǎn)生揮發(fā)性氣體,使用浮頂罐儲(chǔ)存的汽油和原油(汽油為內(nèi)浮頂罐、原油為外浮頂罐),選用平面天線雷達(dá)液位計(jì),安裝導(dǎo)波管?梢杂行У乜朔橘|(zhì)由于介電常數(shù)小而對(duì)雷達(dá)波反射能力相對(duì)弱的缺點(diǎn),確保測(cè)量準(zhǔn)確。
    油漿、堿渣等介質(zhì)由于比較粘稠且易冷凝,通常儲(chǔ)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(dá)液位計(jì)。
    液態(tài)烴罐區(qū)選用伺服液位計(jì)。
 
4.2 雷達(dá)液位計(jì)通訊系統(tǒng)
    利用雷達(dá)液位計(jì)基于現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn),為油品罐區(qū)構(gòu)建起一個(gè)液位測(cè)量系統(tǒng)。雷達(dá)液位計(jì)通訊系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。采用雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行液位測(cè)量的3個(gè)罐區(qū)通過3條現(xiàn)場(chǎng)總線與安裝在控制室內(nèi)的雷達(dá)通訊單元通訊,再由雷達(dá)通訊單元通過RS-485總線與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊,傳輸各儲(chǔ)罐液位的同時(shí),還將溫度、壓力、密度等檢測(cè)信號(hào)通過雷達(dá)液位計(jì)準(zhǔn)確無誤地傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中進(jìn)行集中監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)了整個(gè)油品罐區(qū)的計(jì)量。
油品罐區(qū)雷達(dá)液位計(jì)通訊系統(tǒng)圖
    雷達(dá)液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸方式在工程實(shí)施中主要具有以下優(yōu)點(diǎn):
    1)采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò),解決了分布式油品儲(chǔ)罐的集中檢測(cè)問題,便于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化管理,使系統(tǒng)更加實(shí)用、穩(wěn)定和可靠。
    2)數(shù)字傳輸方式,可以同時(shí)傳輸多個(gè)過程變量,極大地簡(jiǎn)化了信號(hào)連接線路,節(jié)省了大量的電纜、保護(hù)套管、槽盒、橋架以及穿線盒等相應(yīng)輔材,極大地降低了成本。
    3)接線簡(jiǎn)單,如果需要增加現(xiàn)場(chǎng)儀表,只需就近并行掛接到原有的網(wǎng)絡(luò)上,wuxu鋪設(shè)至機(jī)柜室,既節(jié)省了電纜,降低了投資,也縮減了設(shè)計(jì)和安裝的工作量。
    4)工程實(shí)施更加方便,工程周期短,大大減少了工作量,降低了維護(hù)和安裝費(fèi)用。
 
5 結(jié)束語
    作為一種智能化的液位測(cè)量?jī)x表,雷達(dá)料位計(jì)在罐區(qū)油品計(jì)量的應(yīng)用中已經(jīng)發(fā)揮出了自身好特的優(yōu)勢(shì),非接觸式測(cè)量、測(cè)量范圍大、精度高、安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)完全滿足罐區(qū)油品計(jì)量對(duì)精que度、可靠性和穩(wěn)定性的要求,數(shù)字式現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸方式不但能節(jié)省成本,而且符合現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)向著集成化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的要求,雷達(dá)液位計(jì)將繼續(xù)在罐區(qū)油品計(jì)量中發(fā)揮重要作用。
 
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