雷達液位計在原油儲油罐上的應(yīng)用

譚夢奇 王 輝 東北石油大學(xué)大慶油田儲運銷售分公司

雷達液位計在原油儲油罐上的應(yīng)用

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雷達液位計是一種采用微波測量技術(shù)、非接觸式的液位測量儀表。南三油庫19～24#儲油罐于2009年安裝了SABB羅斯蒙特雷達液位計及多點測溫裝置MST，雷達液位計采用調(diào)頻連續(xù)波方式工作，其附屬裝置MST采用PT100鉑熱電阻進行測溫，測量點為14個。應(yīng)用結(jié)果表明：雷達液位計計量液位精度高，不存在卡尺等影響計量算量的情況，應(yīng)用效果要優(yōu)于機械式液位計；在油庫應(yīng)用的5年時間內(nèi)，雷達液位計沒有出現(xiàn)過故障，表明雷達液位計平均無故障時間較長，也說明其可靠性較高；MST的有效溫度數(shù)據(jù)梯度變化很小，每個相鄰溫度測量點之間的溫度差在0.1～0.2℃之間，說明儲油罐內(nèi)油品溫場穩(wěn)定，對研究儲油罐內(nèi)油品溫度分布范圍、指導(dǎo)儲油罐運行具有指導(dǎo)意義。

液位；雷達液位計；平均無故障時間；測溫；頻差

隨著我國工業(yè)水平飛速發(fā)展，對石油及其附屬產(chǎn)品的依賴程度越來越大，一大批戰(zhàn)略儲備油庫陸續(xù)建成并投入使用。在戰(zhàn)略儲備油庫日常生產(chǎn)運行管理中，儲罐的液位是最重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。目前用于測量儲油罐液位的液位計有浮子式鋼帶液位計、雷達液位計、磁致式液位計等[1-2]。雷達液位計是一種采用微波測量技術(shù)、非接觸式的液位測量儀表，它克服了機械式接觸型液位儀表的諸多缺點[3]。隨著石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，雷達液位計的應(yīng)用范圍日益廣泛，本文結(jié)合大慶油田儲罐雷達液位計及溫度測量裝置，對雷達液位計應(yīng)用效果進行探討。

1 測量原理

雷達液位計采用發(fā)射—反射—接收的模式進行工作。雷達液位計的天線發(fā)射出電磁波，電磁波經(jīng)被測對象表面反射后，被天線接收，液位計天線至液面的距離與電磁波從發(fā)射到接收的時間成正比，從而可計算出液面高度。根據(jù)電磁波工作模式不同，雷達液位計分為脈沖微波方式液位計和調(diào)頻連續(xù)波方式液位計。

1.1 脈沖微波方式液位計

這種方式液位計采用“俯視式”時間行程測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)通過天線發(fā)射頻率固定的微波脈沖，經(jīng)過物料表面產(chǎn)生反射后由測量系統(tǒng)所接收。雷達天線將接收到的反射微波脈沖傳遞給電子線路，微處理器對此信號進行處理，識別出微波脈沖在物料表面所產(chǎn)生的回波，并據(jù)此計算液位。雷達液位計到儲油罐被測液面距離為

式中D為雷達液位計到液面的距離(m)；C為微波在空間中的傳播速度(m/s)；T為電磁波運行時間(s)。

則儲油罐液位

式中L為儲油罐液位(m)；H為空罐高度(m)。

1.2 調(diào)頻連續(xù)波方式液位計

雷達液位計信號從天線發(fā)射出去，經(jīng)測量平面反射，回波被天線接收。這種工作模式的雷達液位計發(fā)射的微波是頻率被線性調(diào)制的連續(xù)波，當(dāng)回波被天線接收到時，微波發(fā)射頻率已經(jīng)改變。發(fā)射波與回波的頻率差正比于天線到液面的距離。通過對頻率差信號做快速傅立葉變換（FFT），頻率差被轉(zhuǎn)化為頻譜差，進而換算出測量距離。發(fā)射頻率隨時間線性改變，當(dāng)發(fā)射出去的連續(xù)波到達液面反射后，反射回來的信號頻率比發(fā)射信號滯后了Δt。根據(jù)微波傳播原理可知

式中C為微波在空間中的傳播速度(m/s)；D為雷達液位計到液面的距離(m)。

由于回波信號頻率的滯后，反射頻率與發(fā)射信號的相位差為

式中Δφ為發(fā)射信號與反射信號的相位差（rad）；f1、f2分別為雷達液位計的發(fā)射信號和反射信號的頻率（Hz）；Δf為雷達液位計的發(fā)射信號和反射信號的頻差（Hz）。

將式（3）、式（4）兩式合并后可以得到

頻差經(jīng)過FFT可以轉(zhuǎn)換為頻譜，進而計算出頻差，距離D也可以求得。按照公式（2），即可計算出液位。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

雷達液位計主要由RTG（雷達液位計）、DAU（數(shù)據(jù)采集單元）、FCU（現(xiàn)場通訊單元）、多點溫度計MST（RTD測溫元件Pt100）等組成。DAU是液位計的補充裝置，用來連接測量溫度的各種傳感器，DAU為本質(zhì)安全型并與同一儲罐上的RTG相連，DAU由RTG中的變送器接口卡供電并通過卡件進行通信；FCU對來自儲罐的雷達液位計和數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)不斷進行輪詢，并將其存儲在緩沖存儲器內(nèi)。通過RS232C或通過TRL/2分組總線上的FBM現(xiàn)場總線調(diào)制解調(diào)器（現(xiàn)場總線調(diào)制解調(diào)器）將現(xiàn)場通信單元與監(jiān)控計算機相連。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 雷達液位計系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

3 應(yīng)用效果

南三油庫19～24#儲油罐于2009年安裝了SABB羅斯蒙特(Rosemount)雷達液位計及多點測溫裝置MST，雷達液位計采用調(diào)頻連續(xù)波方式工作，其附屬裝置MST采用PT100鉑熱電阻進行測溫，測量點為14個。2014年6月，油庫人員對液位歷史數(shù)據(jù)進行分析，共計6萬個；對儲油罐進、出口溫度，MST的23萬個歷史數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明：

（1）雷達液位計計量液位精度高，不存在卡尺等影響計量算量的情況，應(yīng)用效果要優(yōu)于機械式液位計。

（2）在油庫應(yīng)用的5年時間內(nèi)，雷達液位計沒有出現(xiàn)過故障，表明雷達液位計平均無故障時間(Mean Time Between Failures，簡稱MTBF)較長，也說明其可靠性較高。

（3）MST的有效溫度數(shù)據(jù)（有效溫度是指測溫點完全浸在油品里所測得的溫度）與儲油罐出口溫度數(shù)據(jù)相差0.5～1℃，MST數(shù)據(jù)基本可以反映出儲油罐的出口溫度，對冬季換熱器的運行具體一定的指導(dǎo)意義。

（4）MST的有效溫度數(shù)據(jù)梯度變化很小，每個相鄰溫度測量點之間的溫度差在0.1～0.2℃之間，說明儲油罐內(nèi)油品溫場穩(wěn)定，對研究儲油罐內(nèi)油品溫度分布范圍、指導(dǎo)儲油罐運行具有指導(dǎo)意義。

[1]白云峰，周?。Ｒ娪凸抟何挥嫷男阅芴攸c及選用[J]．石油工程建設(shè)，2001（1）：52-53．

[2]葛守俊，張宏斌．UBG-II光導(dǎo)電子液位檢測系統(tǒng)[J]．油氣田地面工程，2007，26（7）：62．

[3]孫成金．淺談油田液位測量儀表[J]．油氣田地面工程，2005，24（4）：39．

（欄目主持關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.4.020