雷達(dá)液位計(jì)顯示系統(tǒng)故障分析與解決措施

馬志榮 李 勇 祝守麗 肖 剛 劉明川 傅俊義吳 波劉雙全田 雨 柳玉均

（1.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院石油工程系；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司新疆油田油氣儲(chǔ)運(yùn)分公司；3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道廊坊輸油氣分公司）

油罐液位計(jì)量是油罐儲(chǔ)油計(jì)量的主要方式，計(jì)量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到國(guó)家的利益與安全［1］。雷達(dá)液位計(jì)的正常使用，對(duì)站隊(duì)收發(fā)油品、稠稀油配比、沉降放水及原油外輸?shù)绕鸬街陵P(guān)重要的作用，可以說雷達(dá)液位計(jì)是調(diào)度人員的“眼睛”。某外輸大型站庫主要完成原油來油儲(chǔ)存、稠稀油摻混調(diào)配及加熱加壓輸送等任務(wù)。該站現(xiàn)庫存油46萬方，儲(chǔ)油罐16座，油庫工藝復(fù)雜，切換流程頻繁，調(diào)度崗位人員可以通過分析羅斯蒙特雷達(dá)液位計(jì)（以下簡(jiǎn)稱液位計(jì)）液位顯示系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)來迅速判斷流程切換是否有誤，一旦液位顯示系統(tǒng)故障就必須人工上罐檢查，增加了勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，降低液位計(jì)液位顯示系統(tǒng)的故障率，關(guān)系到輸油生產(chǎn)的安全與油庫的平穩(wěn)運(yùn)行。

1 液位計(jì)的工作原理

圖1 液位計(jì)工作原理

如圖1所示，液位計(jì)通過儲(chǔ)罐頂部的天線發(fā)射雷達(dá)信號(hào)來測(cè)量液體的液位。雷達(dá)信號(hào)被液面反射后，回波被天線接收。通過檢測(cè)該段空間的高度獲得罐內(nèi)空高，結(jié)合雷達(dá)安裝位置的實(shí)際高度就可以獲得罐內(nèi)的液位數(shù)據(jù)。通過現(xiàn)場(chǎng)通信單元（FCU）提供的連接上位計(jì)算機(jī)的RS485接口，可以傳輸液位等參數(shù)和報(bào)警信號(hào)，也可以通過上位計(jì)算機(jī)對(duì)智能雷達(dá)顯示儀進(jìn)行控制［2］。

2 故障現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

2013～2017年，液位計(jì)故障率逐年上升 （圖2），查閱 2017年 1～12月《自動(dòng)化、儀表故障登記表》和崗位交接班記錄，將液位計(jì)出現(xiàn)的故障情況匯總于表1。

圖2 液位計(jì)故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表1 液位計(jì)故障情況匯總

對(duì)2017年液位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)故障情況進(jìn)行進(jìn)一步 歸納整理，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 液位計(jì)故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表2可以看出，2017年，該站液位計(jì)出現(xiàn)故障共計(jì)16次，其中因雷達(dá)頭通信板燒壞、線路接頭損傷等造成的雷達(dá)數(shù)據(jù)傳輸故障多達(dá)7次，占總故障的43.75%；液位誤差故障共計(jì)6次，占總故障的37.50%。因此，數(shù)據(jù)傳輸故障與液位誤差故障是造成液位計(jì)顯示系統(tǒng)故障率高的主要因素。

3 故障原因分析

對(duì)上述故障的原因進(jìn)行討論，并將故障成因的確認(rèn)方法和標(biāo)準(zhǔn)列于表 3［3～6］。

表3 液位計(jì)數(shù)據(jù)傳輸故障和液位誤差故障原因確認(rèn)

表3所列10個(gè)末端原因中，崗位人員技能培訓(xùn)不到位、現(xiàn)場(chǎng)一次表失效、無法提供數(shù)據(jù)比對(duì)、雷達(dá)設(shè)備老化、系統(tǒng)軟件需更新、非接觸式雷達(dá)的局限性、上罐電纜老化、拆解維修過的雷達(dá)頭密封不嚴(yán)不是主要原因。液位計(jì)故障的主要原因有3個(gè)，分別是：液位偏差補(bǔ)償調(diào)整頻繁、混亂，軟件干擾回波處理失效，雷達(dá)波反射板腐蝕變形。

3.1 液位偏差補(bǔ)償調(diào)整頻繁、混亂

運(yùn)行班組每月逢10、20、30日對(duì)靜態(tài)罐進(jìn)行上罐量油盤庫，在每次盤庫后，站隊(duì)技術(shù)人員會(huì)對(duì)誤差較大、影響油位計(jì)算的液位進(jìn)行偏差補(bǔ)償值修改，一般采取修改以回波從雷達(dá)頭發(fā)射到罐底的數(shù)值為基準(zhǔn)的參考距離，按照上罐量油數(shù)據(jù)修正顯示液位的方式實(shí)現(xiàn)。2017年盤庫液位誤差記錄見表4。

綜合分析表4數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)液位誤差故障的始終是經(jīng)常修改誤差的 3#、4#、9#、12#罐， 偏差值見表5。

盤庫時(shí)對(duì)當(dāng)時(shí)的靜態(tài)顯示液位進(jìn)行罐高的“參考液位”修改，使之與人工量油所得數(shù)據(jù)顯示一致，此種方法其實(shí)并不妥當(dāng)。由于不同液位下液位計(jì)的測(cè)量誤差不是定值，以一次盤庫結(jié)果修改罐的整體高度，無法從根本上消除實(shí)際油位與液位計(jì)顯示油位的誤差［7］。這就是修改過液位的油罐會(huì)一再發(fā)生液位誤差故障的原因。因此，要降低雷達(dá)液位系統(tǒng)液位顯示誤差，必須采取更合理的調(diào)整方法。

表4 盤庫時(shí)的液位誤差記錄

表5 常修改誤差罐液位誤差故障偏差值記錄 m

3.2 軟件干擾回波處理失效

當(dāng)雷達(dá)液位顯示虛高或者錯(cuò)誤液位時(shí)，可以在上位機(jī)系統(tǒng)找到該雷達(dá)頭的波形，越過藍(lán)線以上的雜亂曲線就是雜波與錯(cuò)誤信號(hào)［8］（圖3）。

雷達(dá)液位系統(tǒng)利用軟件可以實(shí)現(xiàn)干擾回波處理、底波處理、空罐處理、滿罐處理、表面回波跟蹤和濾波6種高級(jí)功能。羅斯蒙特雷達(dá)液位計(jì)采用調(diào)頻連續(xù)波（FMCW）原理，比時(shí)間脈沖原理（PTOF）的儀表可靠性高，處理干擾回波能力強(qiáng)，精度可以達(dá)到±5mm。而在使用過程中，存在各種高溫、腐蝕等對(duì)液位測(cè)量的不利因素，導(dǎo)致儀表故障率高、使用周期短、信號(hào)變?nèi)跫俺霈F(xiàn)雜波等現(xiàn)象，需人工干預(yù)修改幅值門限值，并清理雜波［9］。

圖3 上位機(jī)系統(tǒng)雷達(dá)頭波形

3.3 雷達(dá)波反射板腐蝕變形

雷達(dá)液位測(cè)量應(yīng)用在浮頂罐時(shí)必須使用一個(gè)反射板進(jìn)行回波反射，《羅斯蒙特液位測(cè)量產(chǎn)品手冊(cè)》“非接觸式雷達(dá)安裝指南”中對(duì)進(jìn)行液位測(cè)量的金屬反射板的選擇與安裝（圖4）提出了具體要求［10～12］。

圖4 液位測(cè)量金屬反射板的安裝示意圖

上罐對(duì)反射錯(cuò)誤信號(hào)的雷達(dá)頭、反射板和線纜進(jìn)行故障原因排除。分析得出反射板發(fā)生腐蝕變形的雷達(dá)液位顯示都不同程度地出現(xiàn)液位誤差故障和數(shù)據(jù)傳輸故障。

如圖5所示，變形嚴(yán)重的反射板板面彎曲，甚至無法測(cè)得其水平傾斜度，不符合產(chǎn)品手冊(cè)中關(guān)于金屬反射板的安裝要求，需要更換掉變形的雷達(dá)波反射板。

圖5 場(chǎng)站實(shí)際安裝反射板面變形情況

4 整改措施

4.1 優(yōu)化系統(tǒng)液位誤差調(diào)整方式

整改之前的修改方式可以簡(jiǎn)單理解為通過修改罐高修正誤差，如圖6所示。

圖6 原油罐液位顯示偏差補(bǔ)償修改方式

經(jīng)研究，更改對(duì)油罐液位顯示誤差進(jìn)行偏差補(bǔ)償修改的方式［13］。筆者提出的方法是：通過分析比對(duì)一個(gè)時(shí)間段內(nèi)某罐的誤差，找到平均偏差，僅修改“校準(zhǔn)距離”，即僅對(duì)顯示液位進(jìn)行誤差調(diào)整，將罐高的誤差修正清零，不影響標(biāo)定的罐高數(shù)值，按照上罐量油的數(shù)據(jù)修正顯示液位［14］，如圖 7 所示。

圖7 筆者提出的油罐液位顯示偏差補(bǔ)償修改方式

同時(shí)，對(duì)崗位進(jìn)行上罐量油操作的調(diào)度工做出如下要求：

a.每月10、20、30日對(duì)靜態(tài)罐進(jìn)行上罐量油盤庫，嚴(yán)格遵守大罐量油操作規(guī)程，遵循計(jì)量油量的計(jì)算方法，量油數(shù)據(jù)要求將3次測(cè)量值取平均值，務(wù)必做到量油數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，具有參考價(jià)值［15］；

b.對(duì)于出現(xiàn)誤差的油罐和誤差數(shù)據(jù)要及時(shí)記錄，使液位修改有據(jù)可查，修改后能進(jìn)行比對(duì)；

c.修改誤差值操作由專門的技術(shù)人員經(jīng)過數(shù)據(jù)分析比對(duì)后才能進(jìn)行，崗位人員沒有修改權(quán)限。

4.2 干擾回波、雜波手動(dòng)處理

4.2.1 用上位機(jī)液位顯示系統(tǒng)軟件調(diào)試回波

在雷達(dá)液位系統(tǒng)顯示虛高、誤差大等故障發(fā)生時(shí)，操作人員應(yīng)在上罐量油并排除硬件故障之后，應(yīng)用上位機(jī)液位顯示系統(tǒng)軟件對(duì)回波進(jìn)行調(diào)試［16］。小組成員聯(lián)系廠家軟件工程人員，結(jié)合廠家技術(shù)人員指導(dǎo)，針對(duì)系統(tǒng)消除雜波、屏蔽錯(cuò)誤信號(hào)步驟歸納出一套方法，具體如下：

a.右鍵點(diǎn)擊發(fā)生錯(cuò)誤的雷達(dá)頭序列號(hào)，點(diǎn)擊properties屬性選項(xiàng)（圖 8a）；

b.選擇屬性框的configuration組態(tài)項(xiàng)，點(diǎn)擊tankScan雷達(dá)掃描，等待歷史數(shù)據(jù)進(jìn)度讀取完畢（圖 8b）；

c.點(diǎn)擊右鍵 new amplitude threshold point，在反射峰處建立新的閾值點(diǎn)（圖8c）；

d.在新閾值點(diǎn)處按住左鍵，拉出選擇框放大調(diào)整區(qū)的波形圖，進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)微調(diào)修正回波，點(diǎn)擊“OK”保存并重啟該雷達(dá)（圖8d）。4.2.2 修改幅值門限值手動(dòng)干擾回波

圖8 消除雜波、屏蔽錯(cuò)誤信號(hào)的步驟

軟件干擾回波處理失效的解決辦法是修改幅值門限值，手動(dòng)干擾回波，其具體的操作步驟如下：

a.右鍵點(diǎn)擊發(fā)生錯(cuò)誤的雷達(dá)頭序列號(hào)，點(diǎn)擊properties屬性選項(xiàng)（圖 9a）；

b.選擇屬性框的configuration組態(tài)項(xiàng)，點(diǎn)擊tankScan雷達(dá)掃描，等待歷史數(shù)據(jù)進(jìn)度讀取完畢（圖9b）；

c.干擾回波在門限值以內(nèi)，用戶定義干擾門限值，過濾掉弱的干擾回波（圖9c）；

d.在平靜條件下，設(shè)置門限值約為表面回波幅值的20%，以過濾、去除掉較弱的干擾回波（圖9d）。

圖9 修改幅值門限值手動(dòng)干擾回波的步驟

4.3 修復(fù)或更換變形的反射板

對(duì)于雷達(dá)波反射板發(fā)生腐蝕變形的情況，采用以下方式修復(fù)或更換：

a.咨詢產(chǎn)品廠家，該反射板已屬淘汰產(chǎn)品，無法提供新品更換；

b.咨詢某公司技術(shù)人員，對(duì)方采用304不銹鋼制作反射板，所采購304不銹鋼板為1.2m×1.2m，用兩塊鋼板焊接，再切割成2m×1m的鋼板，但是焊接后的鋼板弧度大，無法達(dá)到金屬反射板的安裝要求［17］；

c.在優(yōu)選材料的過程中，自站內(nèi)廢舊物品中選取兩塊2m×1m的白板組合，通過水平設(shè)置使之能正確進(jìn)行雷達(dá)波的發(fā)射。

整改措施實(shí)施后，確保了測(cè)量信號(hào)反射的通暢和正確傳輸，雷達(dá)液位終端能夠正常獲取數(shù)據(jù)。該方法成本低廉，而且信號(hào)反射強(qiáng)；但是，相較原產(chǎn)品鋁制信號(hào)板，使用周期更短，而且容易變形。

5 實(shí)施效果

2018年9月至2019年2月，再次統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)液位顯示系統(tǒng)的故障情況，詳見表6?？梢钥闯觯走_(dá)液位顯示系統(tǒng)在維修前每月的平均故障率在1.33%，維修后降低到0.50%，故障率顯著降低。

表6 整改后液位顯示系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

整改措施實(shí)施后，減少了雷達(dá)過程液位和信號(hào)傳輸故障發(fā)生的次數(shù)。由于該系統(tǒng)廠家指定維修人員常駐外市，一些故障需要指定維修人員解決，按一次往返路費(fèi)200元計(jì)算，可節(jié)約費(fèi)用為200元×13次=2600元。

現(xiàn)場(chǎng)維修次數(shù)減少。勞務(wù)支出按每人每天150元計(jì)算，工作量折合勞務(wù)支出費(fèi)用節(jié)約了150元×2人×13次=3900元。

在數(shù)月時(shí)間里，共參與維修10套罐的雷達(dá)系統(tǒng)維護(hù)，解決故障12次，避免了出現(xiàn)故障后雷達(dá)頭的頻繁更換。通信板廠家報(bào)價(jià)每塊4萬元，雷達(dá)總成每只7萬元 （廠家雷達(dá)頭通信板不單賣，添置備件只能買一只總成雷達(dá)頭），可節(jié)約費(fèi)用40萬元～70萬元。

維修2塊雷達(dá)波反射板，鋁皮反射板廠家報(bào)價(jià)每塊2萬元。小組使用站內(nèi)修舊利廢的白板4塊替代損件，共節(jié)約費(fèi)用4萬元。

投入的一臺(tái)RTU控制系統(tǒng)電源柜價(jià)值3萬元；維修通信板費(fèi)用30元×10個(gè)=300元。

綜上所述，此次維修更換液位計(jì)顯示系統(tǒng)，節(jié)約費(fèi)用達(dá)到了41.62萬元～71.62萬元。

5.2 社會(huì)、安全與技術(shù)效益

2017年，該站年混油外輸量383萬噸，沒有因?yàn)樘幚硪何挥?jì)顯示系統(tǒng)故障中斷原油輸送工作，有力地配合了原油輸送任務(wù)的完成，產(chǎn)生了積極的社會(huì)效益。

本次整改，有效降低了液位計(jì)顯示系統(tǒng)故障發(fā)生的頻率，確保該站原油輸送工作的安全平穩(wěn)開展；同時(shí)保證了雷達(dá)液位系統(tǒng)的完好使用，避免員工爬罐量油帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。

通過此次整改，對(duì)液位計(jì)的技術(shù)特性有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，為今后的日常檢維修工作提供了技術(shù)保障。

6 建議

為了保障液位計(jì)顯示系統(tǒng)的精準(zhǔn)運(yùn)行，提出以下建議：

a.制定《雷達(dá)液位計(jì)維護(hù)與保養(yǎng)操作規(guī)程》，對(duì)該項(xiàng)制度進(jìn)行貫徹，納入《油庫維修工崗位職責(zé)》，要求維修班進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)；

b.嚴(yán)格檢查工作，將液位計(jì)的日常管理納入《運(yùn)行班組交接班制度》，要求運(yùn)行班組及時(shí)清理雨雪，確認(rèn)數(shù)據(jù)正確；

c.要求調(diào)度工嚴(yán)格遵守 《大罐量油操作規(guī)程》，遵循計(jì)量油量計(jì)算方法，對(duì)出現(xiàn)的誤差進(jìn)行及時(shí)計(jì)量，將站隊(duì)“逢十盤庫”要求細(xì)則納入《調(diào)度工崗位職責(zé)》。

7 結(jié)束語

在某庫，通過對(duì)羅斯蒙特雷達(dá)液位計(jì)顯示系統(tǒng)故障進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其故障原因主要有液位偏差補(bǔ)償調(diào)整頻繁、混亂，軟件干擾回波處理失效和雷達(dá)波反射板腐蝕變形3類，進(jìn)行相應(yīng)的整改措施后，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、安全效益與技術(shù)效益都得到了顯著提高，為日常檢維修工作提供了技術(shù)保障。